KR100515132B1 - 반사 방지 막이 추가된 1차원 금속-유전체 광자 결정의구조 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로는 투명한 금속 광자 띠 간격(transparent metal photonic band gap)의 구조와 관련된 것으로서, 보다 구체적으로는 금속층과 유전체층을 번갈아 쌓아올려 빛의 투과성을 증가시킨 1차원 금속-유전체 광자결정(metallo-dielectric photonic crystal - MDPC)의 구조에 관한 것이다.

본 발명의 기본적인 특징은 금속층과 유전체층을 번갈아 쌓은 1차원 금속-유전체 광자 결정(1D MDPC) 적층체(stack)의 양 끝면에 내부 유전체층의 약 반 정도 되는 두께의 유전체층을 덧붙임으로써 광 투과율을 비약적으로 증가시키고, 아울러 빛의 파장 변화에 따르는 투과율의 변동도 완만하게 조절하여 1차원 금속-유전체 광자 결정의 효용성을 높이는 데에 있다.

Description

반사 방지 막이 추가된 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조 및 제조 방법 {Structure and fabrication method for one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal with antireflection film}

본 발명은 광자 띠 간격(photonic band gap - PBG) 구조를 이용한 광투과성 금속 소재에 관한 것으로, 더 자세하게는 특정 파장 영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키고, 그 이외의 파장을 갖는 전자기파는 차단시킬 수 있는 광자 결정의 구조에 관한 것이다.

고체 내에서 원자가 주기적으로 배열되어 있으면 그 구조 안에서는 전자가 특정한 에너지를 가질 수 없는 띠 간격(band gap)이 형성되게 된다. 이렇게 원자의 주기적인 배열에 의해서 전자에 대한 띠 간격이 생기는 것과 같이 유전율이 서로 다른 두 개 이상의 유전체를 주기적으로 배열하면 특정한 주파수를 가진 전자기파가 투과하지 못하는 띠 간격을 만들 수 있게 되고 이러한 구조를 광자 결정(phtonic crystal)이라고 한다. 광자 결정 개념은 1987년 Yablonovich가 제안 하였으며, 그 후 이에 관한 이론적 연구와 응용에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

유전체만을 이용하는 방법 외에도 금속을 이용한 광자 결정도 많이 연구되고 있다. 유전체는 모든 주파수에서 유전율이 양수 값을 가지는 반면 금속은 유전율이 음수 혹은 허수의 값을 가진다. 유전율이 음수나 허수가 되면 전자기파가 금속에 입사한 후 흡수 혹은 반사 되므로 금속의 두께가 두꺼워지면 금속을 투과하는 전자기파의 양이 급속히 줄어든다. 이를 재는 척도가 침투 깊이(skin depth)인데, 침투 깊이는 입사한 빛의 크기가 약 1/3정도가 되는 길이로 은, 구리 등의 금속은 가시광선에서 침투 깊이가 대략 수십 nm 정도이다. 이러한 이유로 금속은 주로 전자기파를 차단하는 용도로 많이 사용되거나, 반사율이 높은 광자 결정을 만드는 데 사용되고 있다. 하지만 마이크로파나 밀리미터파에서는 흡수율이 작아지기 때문에 이 영역에서 금속을 이용한 광자 결정 구조가 많이 연구되고 있다.

금속 광자 결정은 유전체 광자 결정에 비하여 여러 가지 장점이 있는 바, 우선 광자 결정의 크기가 작고 그 무게도 더 가볍다. 예를 들면 주파수 300 GHz인 영역에서 띠 간격을 가지는 광자 결정을 만들 때, 금속을 사용하면 유전체를 사용할 때보다 크기가 약 1/7로 줄어든다. 채움 비율(filling ratio)도 1/3로 줄어들어 훨씬 가볍고, 금속을 사용하기 때문에 유전체에 비해 더 견고하다. 또한 금속은 유전체에 비해 한 층당 반사율이 2배 이상이 되므로 높은 반사율이 요구되는 광자 결정을 제작할 경우 적은 수의 층으로 높은 반사율을 얻을 수 있다. 이러한 이유로 마이크로파 혹은 밀리미터파에서 높은 반사율을 얻기 위한 연구에 금속이 많이 이용된다.

금속과 유전체를 함께 이용하여 1차원 광자결정을 만들 경우 금속의 전도성을 유지하면서 투과율을 높일 수 있다는 실험 결과가 1998년에 Scalora 등에 의하여 발표된 이후, 이러한 광자 결정의 개념을 이용하여 금속의 투과율을 높이는 방법이 널리 연구되고 있다. 이는 공명 현상을 이용한 것인데, 최근 연구 결과에 의하면 입사하는 빛의 약 50%를 투과시키고 있다.

가시광선은 침투 깊이보다 두꺼운 금속을 통과하면 투과율이 급격히 떨어지게 된다. 하지만 침투 깊이의 4~5배 정도 되는 두꺼운 금속을 여러 개의 층으로 잘라 유전체 물질과 함께 주기적으로 배열할 경우 투과율이 크게 증가한다. 이와 같은 현상은 유전체에서와 같이 금속으로 이루어진 공동(cavity)에서 공명(resonance) 현상을 일으키기 때문이다. 실제로 가시광선이 총 두께가 150nm인 은을 통과한 후에는 빛의 투과율이 10^-4 정도이지만 도 1에서와 같이 은을 30nm의 두께로 나눈 후 64nm 두께의 GaN과 교대로 배열한 후 빛을 투과시키면 도 2에서 보여지듯이 투과율이 최고 30%에까지 이르게 된다.

상기 유전체-금속 광자 결정의 재료로 사용되는 물질은 다음과 같다. 금속층에는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 비스무스(Bi) 또는 그 밖에 일반적으로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)와 유사하게 전도성이 좋고 가시 광선의 흡수율이 작은 금속들이 사용될 수 있다. 유전체층에는 유전체 외에도 반도체 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 quartz, MgF₂, GaN 등의 유전체는 물론 GaAs, AlAs, Ge 등과 같은 반도체 물질도 사용될 수 있으며, 나아가 이들간의 조합물도 사용 가능하다.

한편, 상기 Scalora 등의 연구에 의하면 금속과 유전체를 번갈아 쌓은 적층체의 마지막 층을 안쪽 유전체층의 반 이하의 두께를 갖는 유전체층으로 하는 경우 투과 영역에서의 투과율이 15%까지 증가된다고 한다. 도 3은 금속-유전체 적층체의 위쪽 끝단을 반두께의 유전체층으로 한 구조를 도시한 것이고, 도 4는 이러한 구조에서의 빛의 파장에 따른 투과율의 변화를 도시한 것이다.

상술한 종래의 금속-유전체 광자 결정 구조에 있어서는 광 투과율이 50%를 넘기 힘들고 투과스펙트럼의 진동도 충분히 완만하지 못하여, 이를 극복하고 광투과성 금속 소재로서 보다 효율성을 높이기 위한 방안이 요구된다 할 것이다.

따라서 본 발명의 기술적 과제는 상기 1차원 금속-유전체 광자 결정의 광 투과율을 증가시키는 한편 투과영역에 있어서 파장 변화에 따르는 투과율의 변동을 보다 완만하게 조절하여 금속-유전체 광자 결정의 효용성을 제고하려는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 복수의 금속층과 복수의 유전체층을 교대로 적층하여 구성된 금속-유전체 광자 결정 구조에 있어서, 상기 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체층을 상기 적층체의 맨 위쪽과 맨 아래쪽 층을 이루는 금속층의 표면에 덧붙여 배치한 것을 특징으로 하는 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조이다.

본 발명의 구성에 있어서, 상기 금속층은 전도성 금속들, 그 중에서도 특히 전도성이 높은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 중에서 선택된 어느 하나의 금속을 이용할 수 있다. 상기 유전체층은 유전체, 반도체, 또는 반도체와 유전체의 조합물로 구성된 물질중에서 선택된 어느 하나의 물질을 이용할 수 있으며, 이 경우 GaN을 사용할 수 있다.

만약, 상기 유전체층으로 GaN을 사용하는 경우 내부 각 유전체층의 두께는 64nm로 하고, 양끝면 반두께 층의 두께는 32nm로 하여 가시광선 영역에서 투과성을 갖도록 할 수 있다. 한편, 상기 각 금속층들의 두께를 서로 조금씩 차이가 나게 함으로써 투과영역에서의 파장의 변화에 따르는 투과율의 변동을 보다 완만하게 조절할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 상기한 본 발명의 내부 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체 막이 덧붙여진 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조물을 제조하는 방법으로서,

투명한 기반물질에 내부 유전체 층의 절반 두께의 유전체 막을 형성하는 단계와;

상기 반두께 유전체 막 위에 복수개의 금속층과 복수개의 유전체층을 번갈아 적층하는 단계와;

상기 금속-유전체 적층체의 제일 위쪽 층을 금속으로 하고 그 표면에 반두께 유전체 막을 형성하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 방법은 상기한 본 발명의 내부 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체 막이 덧붙여진 1차원 금속-유전체 광자 결정 구조물을 제조하는 방법으로서,

상기 금속층의 총 두께를 결정하는 단계와;

결정된 두께의 금속층을 복수개의 층으로 나누는 단계와;

나누어진 금속층 사이에 유전체층을 배치하는 단계와;

양 끝단 금속층의 표면에 안쪽 유전체층의 절반 두께인 유전체 막을 덧붙이는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명에 의한 내부 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체 막이 덧붙여진 1차원 금속-유전체 광자 결정 구조 및 제조방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예로서 도 1의 구조에 안쪽 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체층을 추가적으로 덧붙인 구조를 나타낸 단면도이다. 이러한 구조에 의할 경우 도 6에서 보여지는 바와 같이 투과율이 급격하게 증가하여 최고 투과율이 67%에 이르게 되고, 아울러 투과스펙트럼의 변동도 완만해 지는 결과를 볼 수 있다.

도 7은 본 발명의 보다 바람직한 실시예로서 도 5의 구조에서 각 금속층의 두께에 변동을 준 경우의 구조를 나타낸 단면도이다. 이 경우의 투과율을 나타낸 도표가 도 8에 도시되어 있는데 도 6의 경우와 비교하여 스펙트럼의 변동이 보다 완만해져 있음을 확인할 수 있다.

한편 유전체층의 두께를 변화시킴으로써 투과되는 빛의 파장을 선택적으로 조절할 수 있는데, 도 1, 도 3, 도 5, 도 7의 각 구조에서는 가시광선 영역의 전자기파를 투과시키기 위하여 GaN 층의 두께를 64nm로 하였다.

도 7에서 은 층들의 두께는 28, 31, 32, 31, 28nm 로 일정하지 않은데 이는 투과스펙트럼의 진동을 완만하게 하려는 목적으로 30nm에서 약간씩 편차를 두게 한 것이다.

도 5 또는 도 7의 구조에서 양 끝면에 덧붙여진 유전체 막의 두께가 λ/2 또는 λ/4와 다름에도 불구하고 투과율이 매우 증가하는데 이러한 증가는 은-GaN 경계면에서 반사에 의한 위상이동을 고려할 때 설명이 가능하다. 유전체-유전체 또는 유전체-금속의 경계면에서의 위상이동 δ는 그 경계면에서의 반사율로부터 계산할 수 있다. 가시광선 영역에서는 굴절율의 실수부를 무시할 수 있는데, 이는 허수부가 실수부보다 매우 크기 때문이다. 이러한 경우 수직입사에 대한 유전체-금속 경계면에서 계산된 위상이동은 다음과 같다.

(1)

여기서 n_d는 유전체 막의 굴절율이며 n_i는 금속의 굴절율의 허수부이다. n_d ² - n_i ² 는 일반적으로 가시광선 영역에서 음수값을 갖기 때문에 δ는 π/2보다 크다. 유전체 막을 왕복하는 동안의 위상이동은 4πn_dh_d/λ로 주어지는데, 여기서 h_d 는 유전체 막의 두께이며 λ는 입사광선의 파장이다. 따라서 금속 또는 유전체층에 덧붙여진 반사방지 유전체 막의 두께는 다음과 같은 관계를 만족한다.

, for m = 0, 2, 4, ...

유전체-유전체 경계면에서 반사에 의하여 유도된 위상이동은 0 또는 π이다. 그러므로 λ/2 또는 λ/4 층이 반사방지 코팅의 역할을 한다. 반면 유전체-금속 경계면의 위상이동은 0 또는 π와 다르고, 따라서 반사방지 코팅의 두께는 λ/2나 λ/4가 아니다.

입사파장 λ에 따라 계산되는 δ와 금속표면의 반사방지 막의 두께에 약간의 변화가 생긴다. 도 7를 참조하면, GaN-은 경계면에서 반사에 의해 유도되는 상전이는 580.3nm 파장에 대해 106.6°이며, 그 결과 반사방지 막의 두께는 다른 GaN 층의 두께의 반 정도인 32.17nm가 된다. 이러한 반두께의 GaN층이 도 1의 구조의 윗면과 아랫면에 추가되면 이 두 층은 반사방지 코팅으로 작용하여 금속-유전체 광자결정의 투과율을 비약적으로 향상시킨다.

GaN을 다른 유전체로 대체할지라도 반두께 유전체 코팅을 덧붙이는 경우 투과율이 증가하는 것은 변함없다. 그러나 투과율의 증가는 유전체층의 유전상수에 매우 의존적이다. 유전체-은으로 만들어진 광자 결정에서 유전체층의 굴절율이 3~4에 가까울 때 투과율이 많이 증가한다. 이는 금속 표면의 반사방지 막의 반사율이 n_d ² = n_i ² 일 때 최소가 되는데, 은의 가시광선 영역에서의 n_i가 3~4 이기 때문이다. 만약 도 7의 구조에서 GaN층을 n_d = 1.38 인 MgF₂층으로 대체하면 투과율은 단지 44%가 된다.

본 발명과 관련해 도 7의 구조에 있어서 입사각의 변화에 따르는 투과율의 변화를 조사하였는데, TE모드와 TM모드에서 계산된 투과스펙트럼을 도 9와 도 10에 각각 나타내었다. 비스듬한 입사의 경우에도 반두께 유전체 막이 덧붙여진 경우가 그렇지 아니한 경우에 비해 투과율이 훨씬 크며, 진동 특성 또한 완만하다.

1차원 유전체 광자 결정에 대해, 투과영역의 아래쪽 파장 경계에서 전계에너지는 유전율이 높은 유전체층에 집중된다. 비스듬한 입사의 경우 수직입사와 달리 전계가 층면과 수직성분의 값을 갖고 이 성분이 전계를 유전율이 낮은 층쪽으로 밀게 되어서 전계에너지가 증가하게 된다. 따라서 투과영역의 중심파장은 입사각이 증가할수록 짧은 파장쪽으로 이동하게 되는데, 이러한 효과는 TE모드보다 TM모드에서 크다.

도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 금속-유전체 광자 결정의 경우에도 입사각이 증가함에 따라 투과 영역의 중심파장이 낮은 값으로 이동되는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 이 경우는 상기 유전체 광자 결정의 경우와는 반대로 TE모드보다 TM모드에서 변동폭이 큰데, 이러한 현상은 금속-유전체 광자 결정을 여러 개의 Fabry-Perot 공동(cavity)들이 연결된 것으로 간주할 때에 이해되어질 수 있다. 금속-유전체 광자 결정에서 각각의 금속/유전체/금속 구조는 Fabry-Perot 공동으로 작용하고, 유한한 두께의 금속층은 공동모드를 중첩시킨다. 비스듬한 입사에 대해 Fabry-Perot 모드들은 다음의 조건을 만족한다.

(2π/λ)n_dh_dcosθ_d + δ_TE,TM = mπ for m = 1,2,3,...

여기서 θ_d는 유전체층 내부의 전파 각도이고, δ_TE,TM는 각각 TE 또는 TM모드에서의 유전체-금속 경계면의 반사에 의해 유도되는 상전이이다. δ_TE와 δ_TM 값이 다르기 때문에 TE모드와 TM모드에 대한 Fabry-Perot 모드들은 다른 주파수에서 발생한다. 비스듬한 입사에 대하여 금속층의 굴절율은 TE모드와 TM모드에서 각각 n_mcosθ_m과 n_m/cosθ_m으로 간주될 수 있다. 여기서 n_m 은 금속의 굴절율이고 θ_m은 금속층에 대한 입사각이다. 수직입사를 제외하고 θ_m≠0이므로 유효 굴절율은 TM모드보다 TE모드에서 작다. 식(1)에 따르면 δ_TE가 δ_TM 보다 작고 TE모드에 대한 Fabry-Perot 파장이 TM모드보다 작다. 그러므로 입사각이 증가할수록 금속-유전체 광자 결정에서의 투과영역은 TM모드보다 TE모드에서 더 짧은 파장 영역으로 이동하게 된다.

본 발명에 따르는 반사방지 막이 추가된 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조에 관한 장치를 구체화 함에 있어서, 다음과 같은 두가지 방법이 있을 수 있다. 첫째는 유리 등과 같은 투명한 기반 물질 위에 유전체층과 금속층을 한 층씩 번갈아 쌓아 올려가는 방법인데, 그 첫째 층과 마지막 층은 반두께의 유전체 막이 된다. 다른 하나는 전기 전도성 등과 관련해 필요한 금속의 총 두께를 먼저 상정하고, 이를 광 투과성 등과 관련해 적당한 수의 층으로 나눈 후, 각 금속층 사이에 유전체를 삽입하고 최후로 양끝 금속층 표면에 반두께의 유전체층을 입히는 방법이다.

금속-유전체 광자 결정은 전기 전도성이 있고, 가시광선은 투과시키면서 적외선과 자외선은 차단할 수 있기 때문에 센서 보호, 자외선 차단 필름, 그리고 투명한 전도성 디스플레이 패널 등에 이용될 수 있다.

본 발명은 이러한 금속-유전체 광자 결정의 광 투과율을 비약적으로 향상시킴과 동시에 투과 영역에서의 투과율의 변동을 안정화시킴으로써 상기 언급한 장치들의 성능을 향상시키는 데에 기여한다.

도 1은 종래의 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래의 도 1의 구조에 있어서 수직입사시의 파장에 대한 투과율의 변화를 나타낸 도표이다.

도 3은 도 1의 맨 위층에 다른 유전체 층의 절반 두께를 갖는 유전체층을 더한 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4는 도 3의 구조에 있어서 수직입사시의 파장에 대한 투과율의 변화를 나타낸 도표이다.

도 5는 본 발명의 실시예로서 도 1의 맨 위층과 아래층에 다른 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체를 더한 구조를 나타낸 단면도이다.

도 6은 도 5의 구조에 있어서 수직입사시의 파장에 대한 투과율의 변화를 나타낸 도표이다.

도 7은 본 발명의 실시예로서 도 5의 구조에서 각 금속층의 두께에 변동을 준 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 8은 도 7의 구조에 있어서 수직입사시의 파장에 대한 투과율의 변화를 나타낸 도표이다.

도 9은 TE모드에 있어서 입사각의 변화에 따르는 투과율의 변화관계를 나타낸 도표이다.

도 10은 TM모드에 있어서 입사각의 변화에 따르는 투과율의 변화관계를 나타낸 도표이다.

Claims (7)

1. 복수의 금속층과 복수의 유전체층을 교대로 적층하여 구성된 1차원 금속-유전체 광자 결정 구조에 있어서, 상기 적층체의 맨 아래쪽 층과 맨 위쪽 층을 금속층으로 배치하고 상기 유전체층의 절반 두께를 갖는 유전체층을 상기 맨 위쪽과 맨 아래쪽 금속층 표면에 덧붙여 배치한 것을 특징으로 하는 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 유전체층은 GaN으로 이루어진 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조.
4. 제3항에 있어서, 안쪽 GaN 층의 두께는 64nm 이고 맨 위쪽과 맨 아래쪽 GaN 층의 두께는 32nm인 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 각 금속층의 두께를 서로 다르게 한 것을 특징으로 하는 1차원 금속-유전체 광자 결정의 구조.
6. 청구항 제1항의 1차원 금속-유전체 광자 결정 구조의 제조 방법으로서,

   투명한 기반물질 위에 반두께 유전체 막을 형성하는 단계와;

   상기 반두께 유전체 막 위에 복수개의 금속층과 복수개의 유전체층을 번갈아 적층하는 단계와;

   상기 금속-유전체 적층체의 제일 위쪽 금속층 표면에 반두께 유전체 막을 형성하는 단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 1차원 금속-유전체 광자 결정의 제조 방법.
7. 청구항 제1항의 1차원 금속-유전체 광자 결정 구조의 제조 방법으로서,

   상기 금속층의 총 두께를 결정하는 단계와;

   결정된 두께의 금속층을 복수개의 층으로 나누는 단계와;

   나누어진 금속층 사이에 유전체층을 배치하는 단계와;

   양 끝단 금속층의 표면에 안쪽 유전체층의 절반 두께인 유전체막을 덧붙이는 단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 1차원 금속-유전체 광자 결정의 제조 방법.