KR100547252B1 - Fabrication of Photonic crystal with Graded-Index distribution and Preparing method for the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정과 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중합용 셀의 일면에 벌크 중합이 가능한 고분자 층을 형성시킨 후 상기 고분자 층이 형성된 셀과 구분되면서 고분자 층과 인접한 셀의 일면에 상기 고분자에 용해되지 않는 재료로 제조된 형성된 광자결정을 고정시킨 다음, 상기 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정이 형성된 셀 내를 채운 다음 겔-중합시키는 과정으로 이루어진다. The present invention relates to a photonic crystal having a gradual refractive index distribution and a method for manufacturing the same, and more particularly, after forming a polymer layer capable of bulk polymerization on one surface of the cell for polymerization, the polymer layer and After fixing the formed photonic crystal made of a material that does not dissolve in the polymer on one side of the adjacent cell, and then filling the inside of the cell in which the photonic crystal is formed with a mixed solution containing a monomer of the polymer and a refractive index control agent and then gel-polymerized The process takes place.

본 발명에 의하면 입사되는 빛의 파장 크기에 준하는 반복되는 굴절률을 가지는 광자결정의 단위입자 간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간이 중합조건에 따라 다양한 굴절률 분포를 가지는 고분자의 중합체로서 채워진 진보되고 신규한 광자결정을 제조할 수 있으며, 이로써 제조된 본 발명의 광자결정은 기존의 광자결정이 하나의 광띠간격을 갖는 것과 달리, 그 자체로서 위치에 따라 유효 굴절률이 변화하여 연속적인 광띠간격을 갖게 되어 외부에서 별도의 장을 인가할 필요가 없기 때문에 차세대 고밀도 광집적 광학 소자로서 응용 가능성이 높은 효과를 가진다.According to the present invention, an advanced and novel method in which a space composed of interconnected air layers existing between unit particles of photonic crystals having a repeated refractive index corresponding to a wavelength of incident light is filled with a polymer of a polymer having various refractive index distributions according to polymerization conditions Photonic crystals can be prepared, and thus the photonic crystals of the present invention have a continuous optical band interval due to the effective refractive index of the photonic crystals being changed according to their position, unlike conventional photonic crystals having one optical band interval. Since there is no need to apply a separate field at, it has a high possibility of application as a next-generation high density optical integrated optical device.

광자결정, 광띠간격, 유효 굴절률, 광학 소자Photonic crystal, optical band spacing, effective refractive index, optical element

Description

점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정과 그의 제조방법{Fabrication of Photonic crystal with Graded-Index distribution and Preparing method for the same} Photonic crystal with Graded-Index distribution and Preparing method for the same}             

도 1a은 본 발명에서 설명하고자 하는 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 1b는 광자결정 위치에 따른 굴절률 분포를 예시한 그래프이며, 도 1c는 도 1b와 같은 굴절률 분포를 가질 때 광자결정 위치에 따른 광띠간격 파장의 분포를 예시한 그래프이다.Figure 1a is a schematic diagram showing the structure of the photonic crystal having a gradual refractive index distribution to be described in the present invention, Figure 1b is a graph illustrating the refractive index distribution according to the photonic crystal position, Figure 1c has the same refractive index distribution as Figure 1b This is a graph illustrating the distribution of wavelengths of the light band intervals according to the photonic crystal locations.

도 2a는 실시예에서 사용된 콜로이드 입자가 자기 조립(self assembly)된 3차원 면심입방(face center cubic, FCC)구조의 콜로이드상 광자결정의 단위 모식도이고, 도 2b는 도 2a의 콜로이드상 광자결정의 단위입자간의 나노 크기의 빈 공간에 다른 물질을 채워 넣은 후 콜로이드상 입자를 제거한 후의 단위 모식도이다.FIG. 2A is a unit schematic diagram of a colloidal photonic crystal having a three-dimensional face center cubic (FCC) structure in which colloidal particles used in the embodiment are self-assembled, and FIG. 2B is a colloidal photonic crystal of FIG. 2A. This is a unit schematic diagram after removing colloidal particles after filling different materials in nano-sized spaces between unit particles.

도 3은 본 발명의 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정의 제조방법을 순서대로 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram sequentially showing a method of manufacturing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution of the present invention.

도 4a는 실시예에 사용된 콜로이드 광자결정의 평면(111) 결정 방향을 나타내는 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)사진이고, 도 4b는 실시예에 사용된 콜로이드 광자결정의 단면을 나타내는 주사현미경 사진이다.4A is a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy, SEM) photograph showing the plane 111 crystal direction of the colloidal photonic crystal used in the embodiment, Figure 4b is a scanning microscope photograph showing a cross section of the colloidal photonic crystal used in the embodiment to be.

도 5는 겔-중합 전후의 광학 현미경 이미지와 실사진으로서, (a)는 겔-중합 전의 콜로이드상 광자결정의 광학현미경 사진이고, (b)는 겔-중합 후의 콜로이드상 광자결정의 광학현미경 사진이며, (c) 는 겔-중합 전의 실제 유리셀 내의 광자결정 사진이고, (d)는 겔-중합 후의 고분자로 채워진 실제 유리셀 내의 광자결정 사진이다.5 is an optical microscope image and a real picture before and after gel-polymerization, (a) is an optical micrograph of the colloidal photonic crystals before gel-polymerization, (b) is an optical micrograph of the colloidal photonic crystals after gel-polymerization (c) is a photonic crystal picture in an actual glass cell before gel-polymerization, and (d) is a photonic crystal picture in an actual glass cell filled with a polymer after gel-polymerization.

도 6는 실시예에서 제조된 점진적 굴절률 분포를 가지는 광자결정의 투과도 측정에 사용된 측정 장비의 모식도이다.FIG. 6 is a schematic diagram of measurement equipment used for measuring transmittance of photonic crystals having a gradual refractive index distribution prepared in Examples. FIG.

도 7은 겔-중합 전후의 광자결정의 투과 스펙트럼이다. 7 is a transmission spectrum of photonic crystals before and after gel-polymerization.

도 8는 실시예에서 제조된 점진적 굴절률 분포를 지니는 광자결정의 위치에 따른 광띠간격의 변화를 나타내는 투과 스펙트럼이다. FIG. 8 is a transmission spectrum showing a change in light band spacing depending on a position of a photonic crystal having a gradual refractive index distribution manufactured in the example. FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 백색 광원(White light source) 2: 분광기(Spectrum analyzer)1: White light source 2: Spectrum analyzer

3: 콜로이드 광자결정 4: 광섬유 커플러(Fiber coupler)3: colloidal photonic crystal 4: fiber coupler

5: 콜로이드 입자 6: 콜로이드 입자 사이의 공간5: colloidal particles 6: space between colloidal particles

7: 고분자 층 8: 중합 시료 유리 셀7: polymer layer 8: polymerized sample glass cell

9: 유리 기판 10: 실리카 콜로이드 광자결정 9: glass substrate 10: silica colloidal photonic crystal

11: 단량체, 도펀트 혼합용액 12: 단일모드 광섬유11: monomer, dopant mixed solution 12: single mode optical fiber

13: 렌즈 14: 광자결정 시료13: lens 14: photonic crystal sample

15: 다중모드 광섬유 15: multimode fiber

본 발명은 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정과 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중합용 셀의 일면에 벌크 중합이 가능한 고분자 층을 형성시킨 후 상기 고분자에 용해되지 않는 재료로 제조된 광자결정을 형성시킨 다음 상기 고분자 층이 형성된 셀과 구분되면서 고분자 층과 인접한 셀의 일면에 광자결정을 놓고 상기 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정이 형성된 셀 내를 채운 다음 겔-중합시키는 과정으로 이루어진다.The present invention relates to a photonic crystal having a gradual refractive index distribution and a method for manufacturing the same, and more particularly, after forming a polymer layer capable of bulk polymerization on one surface of the cell for polymerization, the photonic crystal is made of a material that does not dissolve in the polymer Form photonic crystals on one surface of the cell adjacent to the polymer layer, and then fill the inside of the cell in which the photonic crystals are formed with a mixed solution containing monomers of the polymer and a refractive index modifier. It consists of a process of polymerization.

본 발명에 의하면 입사되는 빛의 파장 크기에 준하는 반복되는 굴절률을 가지는 광자결정의 단위입자 간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간이 중합조건에 따라 다양한 굴절률 분포를 가지는 고분자의 중합체로서 채워진 진보되고 신규한 광자결정을 제조할 수 있으며, 이로써 제조된 본 발명의 광자결정은 기존의 광자결정이 하나의 광띠간격을 갖는 것과 달리, 그 자체로서 위치에 따라 유효 굴절률이 변화하여 연속적인 광띠간격을 갖게 되어 외부에서 별도의 장을 인가할 필요가 없기 때문에 차세대 고밀도 광집적 광학 소자로서 응용 가능성이 높은 효과를 가진다.According to the present invention, an advanced and novel method in which a space composed of interconnected air layers existing between unit particles of photonic crystals having a repeated refractive index corresponding to a wavelength of incident light is filled with a polymer of a polymer having various refractive index distributions according to polymerization conditions Photonic crystals can be prepared, and thus the photonic crystals of the present invention have a continuous optical band interval due to the effective refractive index of the photonic crystals being changed according to their position, unlike conventional photonic crystals having one optical band interval. Since there is no need to apply a separate field at, it has a high possibility of application as a next-generation high density optical integrated optical device.

정보화 사회의 도래와 인터넷의 폭발적인 보급으로 우리 사회가 필요로 하는 정보통신 데이터의 양은 기하급수적으로 증가하고 있으며 그에 발맞추어 20세기 과학기술의 근간으로써 견인차 역할을 해온 전자 소자(Electronic device) 산업은 고 집적화 및 대용량화 등을 통해 눈부신 발전을 이루어 왔다. 그러나, 전자(Electron) 자체의 질량과 전하로 인해 매질간의 큰 상호작용 및 느린 전파속도의 한계로 인하여 새로운 정보 전달 매체로써 광자(Photon)가 그 대안으로 제시되고 있다. With the advent of the information society and the explosive spread of the Internet, the amount of information and communication data that our society needs is increasing exponentially, and the electronic device industry, which has been a driving force as the foundation of 20th century science and technology, The development has been remarkable through integration and large capacity. However, photons have been proposed as a new information transfer medium due to the large interaction between the media and the limitation of the slow propagation rate due to the mass and charge of electrons themselves.

그러나, 기존의 광소자들은 그 효율과 공간 집적도 면에서 한계를 드러내고 있으므로, 21세기 초고속 정보화 사회를 구현하는 데 있어 새로운 광전자 소자(photoelectronic device)의 개발의 중요성이 나날이 커져가고 있다. 이에 미시적 공간에서 광자를 자유자재로 제어할 수 있는 소재 즉 광자결정(Photonic crystal)을 이용하여 기존 광소자의 한계를 극복할 수 있는 대안들이 각광받고 있다. 현재, 미국, 일본, 유럽의 선진국들은 차세대 전략적 연구과제로 나노 광학(nano photonics)을 미래를 선도할 나노 기술의 중요한 부분으로 선정하여 집중적인 투자를 하고 있으며, 이에 따라 국내의 학계나 산업계에서도 활발한 연구와 개발이 현재 진행 중이다. 이렇듯 나노 광자결정의 관심과 중요성이 점차로 증대 되어가는 추세이며, 이러한 광자결정 기술의 파급효과는 반도체, 전기전자 소자, 기능 소자 및 나노 바이오 등 그 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다. However, since the existing optical devices are showing limitations in terms of efficiency and space density, the development of new photoelectronic devices is becoming increasingly important in implementing the 21st century ultra-high information society. Accordingly, alternatives that can overcome the limitations of existing optical devices using a material that can freely control photons in a micro space, that is, photonic crystals, have been in the spotlight. Currently, developed countries in the United States, Japan, and Europe are investing intensively by selecting nano photonics as an important part of future nanotechnology as a next-generation strategic research project. Research and development is ongoing. As such, the interest and importance of nano-photonic crystals is gradually increasing, and the ripple effect of the photonic crystal technology is expected to have a very large ripple effect such as semiconductors, electrical and electronic devices, functional devices, and nano-bio.

광자결정은 그 개념이 기존의 반도체의 전자 띠간격(electronic band gap)의 형성의 개념과 비슷하다. 결정 구조를 갖는 물질들은 그 물질을 구성하는 원자나 분자들의 규칙적인 배열로 인하여 주기적인 포텐셜(potential)이 생겨 전자들의 움직임에 영향을 미치는데, 이로 인하여 생기는 중요한 현상이 띠간격(band gap) 형성이다. 상기한 띠간격은 특정한 에너지를 가진 전자의 진행을 막는 역할을 하며, 격자(lattice)의 포텐셜 에너지가 충분히 크다면 모든 종류의 에너지를 가진 전자들의 진행을 완전히 막을 수도 있는데, 그 대표적인 예가 바로 반도체(semiconductor)에서 전도띠(conduction band)와 원자가띠(valence band) 사이에 존재하는 완전한 띠간격(completely band gap)이다.Photonic crystals are similar in concept to the formation of electronic band gaps in conventional semiconductors. Materials with a crystalline structure have a periodic potential due to the regular arrangement of atoms or molecules that make up the material, which affects the movement of electrons. An important phenomenon is the formation of a band gap. to be. The band gap prevents the progress of electrons with a specific energy, and if the potential energy of the lattice is large enough, it can completely prevent the progress of electrons with all kinds of energy. It is a completely band gap existing between a conduction band and a valence band in a semiconductor.

1987 년 야블로노비치(Yablonobitch)와 존(John)은 빛에 대해서도 동일한 띠간격 개념이 적용될 수 있다고 발표하였는데[Yablonovitch, E., Phys. Rev. Lett. 58, 2059.(1987)], 여기에서 빛에 대하여 포텐셜로 작용하는 것이 유전체이므로 이를 주기적으로 배열하면 광자 띠간격(Photonic band gap)이 생겨 특정한 파장을 가진 전자기파를 선택적으로 통과시킬 수도 있으며, 또한 막을 수도 있다고 맥스웰 방정식(Maxwell equation)을 이용하여 이론적으로 제안한 것이다. 이러한 제안은 1989 년 야블로노비치 그룹이 이차원 구조의 광자결정에서 광자띠간격이 존재한다는 것을 실험적으로 증명해 보임으로써 현실화되었다[Yablonovitch, E, and T. J. Gmitter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989)]. 그 후 1991년 같은 그룹이 마이크로파 주파수 영역에서 3차원 광자결정을 제조하여 광자결정이 실제 소자로 응용될 수 있는 가능성을 제시한 이래 여러 곳에서 활발한 연구가 이루어지고 있다[Yablonovitch, E, and T. J. Gmitter, and K. M. Leung., Phys. Rev. Lett. 67, 2295. (1989)].In 1987, Yablonobitch and John announced that the same concept of band gap can be applied to light [Yablonovitch, E., Phys. Rev. Lett. 58, 2059. (1987)], since the potential acting on light is a dielectric, periodic arrangement of the photonic band gap can lead to selective transmission of electromagnetic waves with a specific wavelength. It could theoretically be prevented by using the Maxwell equation. This proposal was realized in 1989 by the Jablonović group experimentally demonstrating the existence of photon band gaps in two-dimensional photonic crystals [Yablonovitch, E, and T. J. Gmitter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989). Since 1991, the same group has produced three-dimensional photonic crystals in the microwave frequency domain, suggesting the possibility that photonic crystals can be applied to actual devices. Active research has been conducted in various places [Yablonovitch, E, and TJ Gmitter]. , and KM Leung., Phys. Rev. Lett. 67, 2295. (1989).

이러한 광띠간격의 이론을 다른 관점에서 살펴보면 다음과 같다. 빛이 조사되었을 때 광자결정 내부에 각각의 규칙적인 격자 중심(Lattice Center)에 의해 산란(scatter)되는 빛들 사이의 간섭(interference)들의 중첩으로 광자결정의 격자 크기와 비슷한 파장을 가지는 빛이 물질 내부인 광자결정의 내부를 투과할 수 없게 된다. 즉, 물질 자체의 흡수가 없는 이상 조사된 빛은 완전히 반사될 수밖에 없다는 이론이다.The theory of the light band spacing is as follows. When light is irradiated, light with a wavelength similar to the lattice size of the photonic crystal is superimposed on the interference between light scattered by each regular lattice center inside the photonic crystal. It cannot pass through the inside of the phosphorus photonic crystal. In other words, the irradiated light must be completely reflected unless the material itself is absorbed.

광자결정은 그 구조가 빛의 파장 크기에 준하는 유전체를 반복적으로 가지는 결정 구조로서, 일반적으로 다른 두 물질의 굴절률이 규칙적으로 반복되어 형성되는 구조인데, 상기한 유전체의 반복은 굴절률이 높은 매질(금속, 반도체, 유전체 등)에 공기구멍들이 규칙적으로 반복되어 공간적으로 배열됨으로써 이루어진다. 이때 매질과 공기의 굴절률 차와 구조 내에서 매질과 공기 비율 및 배열 등이 광자결정의 광특성에 중요한 인자가 된다. 공기의 굴절률은 1로써 가장 낮아 기준 물질로 사용될 수 있으며, 이러한 공기층 공간에 다른 물질을 채워 넣어 매질과의 굴절률 차를 조절하여 광자결정의 광특성을 변화시킬 수 있는 특징이 있다. Photonic crystal is a crystal structure whose structure repeatedly has a dielectric equal to the wavelength of light. The photonic crystal is a structure in which the refractive indices of two different materials are regularly repeated, and the repetition of the dielectric is a medium having a high refractive index (metal , Semiconductors, dielectrics, etc.) are formed by regularly repeating and spatially arranging the air holes. In this case, the difference between the refractive index of the medium and the air, the ratio of the medium and the air, and the arrangement in the structure are important factors for the optical properties of the photonic crystal. The refractive index of air is the lowest as 1, and can be used as a reference material, and it is possible to change the optical properties of the photonic crystal by adjusting the refractive index difference with the medium by filling another material in the air layer space.

현재 광자결정을 제조하는 방법으로 보고된 공지기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 나노 미세 가공기술을 바탕으로 하여 광 리소그래피나 전자 빔 리소그래피, 홀로그래피 등을 이용하여 서브 마이크론 크기로 미세하게 광자결정을 가공하는 방법이고, 다른 하나는 자기조립법을 이용하여 수백 나노미터 크기의 단위입자들을 주기적으로 배열하여 적층시킴으로써 광자결정을 제조하는 방법이다.Currently known techniques for producing photonic crystals can be classified into two types, one of which is based on nano-microfabrication technology, using photolithography, electron beam lithography, holography, etc. The crystal is a method of processing a crystal, and the other is a method of manufacturing a photonic crystal by periodically arranging and stacking unit particles having a size of several hundred nanometers using a self-assembly method.

상기한 바와 같이 광자결정은 그 결정을 이루는 유전체의 반복적인 주기가 빛의 파장에 해당해야만 하기 때문에 가공기술을 바탕으로 하는 제조법은 고도의 정밀도와 고가의 가공 장비가 요구된다. 따라서, 나노 가공기술은 현재 광통신 영역대의 주파수에서 작동 가능한 수백 나노미터 크기의 광자결정을 제조할 수 있 지만, 광자결정의 광특성이 구조에 매우 민감하기 때문에 보다 정밀한 가공기술에 대한 계속적인 연구가 필요하다. 한편, 자기조립법에 의한 광자결정 제조방법은 자연발생적인 방법에 기인하기 때문에 비교적 저가로 쉽게 광자결정을 얻을 수는 있지만, 결함이 없는 완벽한 광자결정은 제조하기 어렵다.As described above, in the photonic crystal, the repetitive period of the dielectric constituting the crystal must correspond to the wavelength of light, and thus a manufacturing method based on processing technology requires high precision and expensive processing equipment. Therefore, nano-processing technology can produce hundreds of nanometer sized photonic crystals that can operate at frequencies in the optical communication range, but since the optical properties of photonic crystals are very sensitive to structure, continuous research on more precise processing technology need. On the other hand, the method of manufacturing photonic crystals by the self-assembly method is easy to obtain photonic crystals at a relatively low cost because of the naturally occurring method, but it is difficult to produce perfect photonic crystals without defects.

한편, 광자결정의 광띠간격을 조절하기 위한 여러 가지 시도들이 꾸준히 보고되어 왔으며, 이러한 광띠간격 엔지니어링을 통해 광띠간격의 크기를 조절하거나 파장 가변형 광 필터나 광 스위치처럼 특정 장에 의해 광띠간격 파장이 바뀌거나 광띠간격을 일시적으로 없애는 등의 시도가 보고된 바 있다. On the other hand, various attempts have been reported to control the optical band spacing of photonic crystals, and such optical band spacing engineering controls the size of the optical band spacing or changes the wavelength of the optical band spacing by a specific field such as a tunable optical filter or an optical switch. Attempts have been made to temporarily eliminate the band gap.

기존의 방법들은 크게 광자결정 구조를 여러 가지로 설계하여 구조에 따른 광자결정의 광띠간격을 변화시키거나, 도 2b에서 나타낸 것과 같이 광자결정을 이루는 반복적인 나노 크기의 빈 공간에 전기적, 광학적, 물리 화학적 특성을 가지는 물질을 채워 넣어 이러한 특성을 발현하도록 별도의 외부장 특히, 전기장[Ozake, M.; Shimoda, Y.; Kasano, M.; Yoshino, K. Adv. Mater. 2002, 14, 514], 자기장[Xu, X.; Friedman, G.; Humfeld, K. D.; Majetich, S. A., Asher, S. A., Adv. Mater. 2001, 13, 1681], 자외선[Gu, Z. Z, Fujishima, A., Sato, O., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12387], 열 에너지[Debord, J. D., Lyon, L. A., J. Phy. Chem. B. 2000 14, 6327] 등에 인가하여 광자결정과 이 물질들 사이의 유효 굴절률 차의 변화를 가지고 광띠간격의 조절을 시도한 예가 있다. Existing methods have largely designed various photonic crystal structures to change the optical band spacing of the photonic crystals according to the structure, or as shown in FIG. Separate external fields, in particular electric fields [Ozake, M .; Shimoda, Y .; Kasano, M .; Yoshino, K. Adv. Mater. 2002, 14, 514, magnetic field [Xu, X .; Friedman, G .; Humfeld, K. D .; Majetich, S. A., Asher, S. A., Adv. Mater. 2001, 13, 1681], ultraviolet light [Gu, Z. Z, Fujishima, A., Sato, O., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12387], thermal energy [Debord, J. D., Lyon, L. A., J. Phy. Chem. B. 2000 14, 6327] have attempted to control the band gap with a change in the effective refractive index difference between the photonic crystal and these materials.

또 다른 시도로는 탄성을 가지는 물질을 광자결정에 채워 넣고 외부에서 물리적인 압력을 가하여 광자결정의 격자 간격을 변화시키거나[Iwayama, Y.; Yamanaka, J.; Takiguchi, Y.; Takasaka, M.; Ito, K.; Shinohara, T.; Sawada, T.; Yonese, M.; Langmuir. 2003, 19, 977] pH 변화[Alexeev, V. L., Sharma, A. C., Goponeko, A. V., Das, S., Lednev, L. K., Wilcox, C. S., Finegold, D. N., Asher, S. A., Anal. Chem. 1998, 70, 780] 빛에 감응하는 물질을 수용액 내에서 광자결정에 도입하여 수용액의 산도 변화에 따른 정전기적 인력의 변화에 따른 광자결정의 격자 간격의 변화로 광띠간격을 조절하는 시도가 보고되어왔다.Another approach is to fill a photonic crystal with an elastic material and apply physical pressure from outside to change the lattice spacing of the photonic crystal [Iwayama, Y .; Yamanaka, J .; Takiguchi, Y .; Takasaka, M .; Ito, K .; Shinohara, T .; Sawada, T .; Yonese, M .; Langmuir. 2003, 19, 977] pH change [Alexeev, V. L., Sharma, A. C., Goponeko, A. V., Das, S., Lednev, L. K., Wilcox, C. S., Finegold, D. N., Asher, S. A., Anal. Chem. 1998, 70, 780] Attempts have been made to control light band spacing by introducing light-sensitive materials into photonic crystals in aqueous solutions and by changing the lattice spacing of photonic crystals with changes in electrostatic attraction due to changes in acidity of aqueous solutions. come.

그러나, 상기한 바와 같은 다양한 방법에 의하여 제조된 광자결정은 여전히 하나의 광자결정이 하나의 광띠간격을 갖고 있으므로, 복수 종류의 파장으로 광자결정을 사용하고자할 경우에는 사용하고자하는 파장의 종류와 동일한 갯수의 광자결정을 사용하여야 하는데 이는 다중 파장 분활 방식을 이용한 광소자 응용의 경우 광학 집접도를 높일 수 없는 중요한 요인이 된다. However, the photonic crystals produced by the various methods as described above still have one photonic crystal gap, so when the photonic crystals are to be used in a plurality of wavelengths, the same type of wavelength is used as the photonic crystals. The number of photonic crystals should be used, which is an important factor that cannot increase optical coherence in optical device applications using multi-wavelength splitting.

이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 고분자층을 형성하고, 이와 별도로 상기 고분자에 용해되지 않는 재료로서 광자결정을 제조한 후, 상기 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액을 채워서 겔-중합반응을 수행할 경우, 광자결정의 단위입자간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간이 상기 고분자 중합체로 채워지면서 겔-효과(gel-effect)에 의하여 전체적으로 공간적이고 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 제조할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the inventors of the present invention, as a result of research efforts to solve the problems described above, after forming a photonic crystal as a material that is not dissolved in the polymer, forming a polymer layer, and includes a monomer and a refractive index regulator of the polymer. When the gel-polymerization reaction is performed by filling the mixed solution, the space composed of interconnected air layers existing between the unit particles of the photonic crystal is filled with the polymer and the overall spatial and gradual refractive index is increased by the gel effect. It has been found that photonic crystals having a distribution can be produced to complete the present invention.                         

따라서, 본 발명은 광자결정이 그 자체로서 위치에 따라 유효 굴절률이 변화하게되어 연속적인 광띠간격을 갖고, 외부에서 별도의 장을 인가할 필요가 없기 때문에 차세대 고밀도 광집적 광학 소자로서 응용 가능성이 높은 진보적이면서도 신규한 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정과 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has a high possibility of application as a next-generation high-density photo-integrated optical element because the photonic crystal itself has an effective refractive index that changes with its position and thus has a continuous light band interval, and does not need to apply a separate field from the outside. The object of the present invention is to provide a photonic crystal having a progressive and novel gradual refractive index distribution and a method of manufacturing the same.

본 발명은 입사되는 빛의 파장 크기에 준하는 반복되는 굴절률을 가지는 광자결정의 단위입자 간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간에, 굴절률이 점진적으로 증가 또는 감소하면서 분포된 고분자 중합체가 채워진 점진적 굴절율 분포를 지닌 광자결정을 특징으로 한다.The present invention provides a gradual refractive index distribution filled with a distributed polymer polymer in a space composed of interconnected air layers existing between unit particles of photonic crystals having a repeated refractive index corresponding to the wavelength of incident light. Characterized by photonic crystals.

또한 본 발명은 중합용 셀의 일면에 고분자 층을 형성시키는 제 1 단계, 상기 고분자 층이 형성된 셀과 구분되면서 고분자 층과 인접한 셀의 일면에 광자결정을 형성시키는 제 2 단계, 및 상기 고분자 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정이 형성된 셀 내를 채운 다음 겔-중합시키는 과정을 포함하는 점진적 굴절율 분포를 지닌 광자결정의 제조방법을 포함한다.In another aspect, the present invention is the first step of forming a polymer layer on one surface of the polymerization cell, the second step of forming a photonic crystal on one surface of the cell adjacent to the polymer layer while being separated from the cell formed with the polymer layer, and the polymer monomer It includes a method for producing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution comprising the step of filling the cell in which the photonic crystal is formed with a mixed solution containing a refractive index control agent and then gel-polymerize.

이와 같은 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in detail as follows.

본 발명은 고분자 층을 형성하고, 상기 고분자층의 인접한 일면에서 다양한 방법으로 제조된 광자결정에 상기 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정의 단위입자 사이의 공간을 채운다음 고분자층과 함께 중 합시킴으로서, 입사되는 빛의 파장 크기에 준하는 반복되는 굴절률을 가지는 광자결정의 단위입자 간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간이 중합조건에 따라 다양한 굴절률 분포를 가지는 고분자의 중합체로 채워진 진보되고 신규한 광자결정을 제조할 수 있다.The present invention forms a polymer layer, and filling the space between the unit particles of the photonic crystal with a mixed solution containing a monomer and a refractive index regulator of the polymer in the photonic crystal prepared by various methods on the adjacent side of the polymer layer By polymerizing together with the layers, a space filled with polymers of polymers having various refractive index distributions depending on the polymerization conditions is a space consisting of interconnected air layers existing between unit particles of photonic crystals having a repeating refractive index corresponding to the wavelength of the incident light. And new photonic crystals can be produced.

이하 본 발명을 제조방법을 중심으로 자세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to a manufacturing method.

본 발명의 점진적인 굴절률 분포를 갖는 광자결정은 언덕형(graded-index) 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법으로 알려져 있는 겔-효과(gel-effect)를 광자결정 제조에 도입하여 제조된 것이다. 상기 겔-효과는 플라스틱 전구체에 첨가제를 혼입하여 그 중합과정에서의 용해도 차이에 의해 자연적으로 굴절률이 변화되어 굴절률 분포를 이루도록 하는 방법으로서[일본특허공개 평08-262240], 이는 고분자와 단량체 경계면에서 생성된 겔 층 내에 존재하는 단량체의 반응성이 다른 단량체 보다 높기 때문에 굴절률이 높은 굴절률 조절제가 중합과정에서 생성되는 고분자 층으로부터 밀려 점진적인 굴절률을 생성시키는 원리를 이용한 방법이다.The photonic crystal having a gradual refractive index distribution of the present invention is prepared by introducing a gel-effect known in the art for producing a graded-index plastic optical fiber base material into photonic crystal production. The gel-effect is a method of incorporating an additive into a plastic precursor to naturally change the refractive index due to the difference in solubility in the polymerization process to achieve a refractive index distribution [Japanese Patent Laid-Open No. H08-262240]. Since the reactivity of the monomer present in the resulting gel layer is higher than other monomers, the refractive index regulator having a high refractive index is pushed out of the polymer layer produced during the polymerization process to generate a progressive refractive index.

점진적인 굴절률을 갖는 콜로이드 광자결정의 경우 광띠간격 파장이 다음 반응식 1과 같은 굴절률의 함수이므로 광자결정의 광특성을 예측 할 수 있다. 이 반응식은 콜로이드 광자결정이 자기 조립에 의한 가장 안정한 구조인 면심입방구조(FCC)이고 입사되는 빛이 시료에 수직으로 입사될 경우에 해당하는 식이다.In the case of colloidal photonic crystals having a progressive refractive index, the optical characteristic of the photonic crystal can be predicted because the wavelength of the band gap is a function of the refractive index shown in Equation 1 below. This equation corresponds to the case where colloidal photonic crystals are face-centered cubic structure (FCC), the most stable structure by self-assembly, and the incident light is incident perpendicularly to the sample.

Figure 112004011475196-pat00001
Figure 112004011475196-pat00001

상기 반응식 1에서, λmax는 광자결정의 광띠간격에 해당하는 파장이고, d111은 (111) 결정 방향의 면 사이간격이며, np는 광자결정을 이루는 콜로이드 입자의 굴절률이고, nb는 입자들 사이에 존재하는 빈 공간에 공기나 다른 물질들이 충전된 경우의 굴절률이며, neff는 유효 굴절률(effectivc index)이고, D는 콜로이드 입자의 직경이며, f는 콜로이드 입자의 부피 분율로서, FCC의 경우에는 0.74이다.In Reaction Scheme 1, λ max is a wavelength corresponding to the photoband spacing of the photonic crystal, d 111 is the spacing between planes in the (111) crystal direction, n p is the refractive index of the colloidal particles forming the photonic crystal, n b is the particle Is the refractive index when air or other materials are filled in the void space between them, n eff is the effectivc index, D is the diameter of the colloidal particles, f is the volume fraction of the colloidal particles, In the case of 0.74.

본 발명에서는 상기 반응식 1에서 nb의 값을 공간적으로 변화시킴으로써 nb=f(x), 즉, 광자결정 내의 빈 공간을 이루는 물질의 굴절률이 위치 x의 함수라 두고, 광자결정의 위치에 따른 광띠간격의 파장의 변화를 가지는 광자결정을 제조하고자 하는 것이다.In the present invention, by spatially varying the value of n b in the above reaction scheme 1 n b = f (x) , that is, with a function called the refractive index of the material of the blank spaces in the photonic crystal where x, according to the position of the photonic crystal It is intended to produce a photonic crystal having a change in wavelength of the light band interval.

먼저, 중합용 셀의 일면에 고분자 층을 형성시키는 제 1 단계이다. First, a first step of forming a polymer layer on one surface of the polymerization cell.

첨부도면 도 3에 의거하여 설명하면, 도 3에서 나타낸 바와 같이 적절한 크기를 가지는 중합용 유리셀(8)의 한쪽 부분에 고분자 층(7)을 형성시킨다. 이때 상기한 고분자는 벌크 중합이 가능한 대부분의 고분자 단량체를 선택하여 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 에틸렌, 비닐 클로라이드, 부타디엔, 스티렌, 메틸 메타크릴레이트 및 비닐 아세테이트 단량체 등 중에서 선택된 중합체를 사용할 수 있으며, 특히 아크릴계 고분자나 스티렌계 고분자와 같이 투명도가 우수 한 고분자를 사용할 경우 보다 좋은 광특성을 가지는 광자결정 제조에 유용하다.Referring to FIG. 3, the polymer layer 7 is formed on one portion of the glass cell 8 for polymerization having an appropriate size as shown in FIG. 3. In this case, the polymer may be used to select most polymer monomers capable of bulk polymerization, and specifically, for example, a polymer selected from ethylene, vinyl chloride, butadiene, styrene, methyl methacrylate, and vinyl acetate monomer may be used. In particular, it is useful for the production of photonic crystals having better optical properties when a polymer having excellent transparency, such as an acrylic polymer or a styrene polymer, is used.

다음으로 상기 고분자 층이 형성된 셀과 구분되면서 고분자 층과 인접한 셀의 일면에 형성된 광자결정을 위치시키는 제 2 단계이다.Next, the second step of positioning the photonic crystal formed on one surface of the cell adjacent to the polymer layer while being distinguished from the cell in which the polymer layer is formed.

즉, 도 3과 같이 상기 고분자 층(7)이 형성된 셀과 구분되면서 인접한 셀의 또 다른 일면에 상기한 고분자 층(7)을 구성하는 고분자 단량체에 녹지 않는 재료를 선택사용하여 제조된 콜로이드 입자를 유리 기판(9)에 자기 조립시켜 광자결정(10)을 제조하고 앞서 벌크 중합으로 만들어 놓은 중합용 셀(8) 내의 고분자 층(7)에 인접하게 위치시킨다. 상기 광자결정은 유기물 또는 무기물 등의 다양한 재료로 제조될 수 있으나, 다음 단계인 광자결정을 구성하는 단위입자에 의하여 형성된 빈 공간에 주입되는 고분자 단량체와 굴절률 분포제, 또는 중합개시제나 연쇄이동제 등의 첨가제의 종류에 따라 선택하여 사용한다. That is, the colloidal particles prepared by using a material that is insoluble in the polymer monomer constituting the polymer layer 7 on the other side of the adjacent cell while being separated from the cell on which the polymer layer 7 is formed as shown in FIG. The photonic crystal 10 is prepared by self-assembly on the glass substrate 9 and placed adjacent to the polymer layer 7 in the polymerization cell 8 previously made by bulk polymerization. The photonic crystal may be made of various materials such as an organic material or an inorganic material, but a polymer monomer and a refractive index dispersing agent or a polymerization initiator or a chain transfer agent are injected into empty spaces formed by unit particles constituting the photonic crystal. Select and use according to the type of additive.

상기한 광자결정은 다양한 기존의 방법으로 제조할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 콜로이드 법, 자기조립법, 포토 리소그래피(photolithography)법, 전자 빔 리소그래피(e-beam lithography)법, 홀로그래피(holography)법, 스테레오 리소그래피 법(stereo lithography) 등의 방법으로 제조할 수 있다.The photonic crystals can be prepared by various conventional methods. Specifically, for example, it can be produced by a colloid method, a self-assembly method, a photolithography method, an electron beam lithography method, a holography method, a stereo lithography method, or the like. have.

본 발명에서는 편의상 실시예에서 자기 조립에 의한 콜로이드 광자결정을 사용하여 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 제조하는 사례를 들고 있지만, 광자결정의 단위입자가 형성하는 빈 공간이 전체 광자결정에 상호 연결되어 있는 구조에 모두 적용될 수 있다. 따라서, 광자결정 내의 규칙적인 공기층이 서로 연결되어 있게 하기 위해서는 상당한 정밀도를 요구하는 나노 가공 기술이 개발되 어야 한다. 본 발명에서 의도하는 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 제조하기 위해서는 광자결정 자체 내에 형성된 나노 크기의 공간이 광자결정 형성 당시에 막히거나 작아지는 영향을 최소화 시켜야 함은 물론이며, 기존의 광자결정 내의 나노 크기의 빈 공간에 고분자의 단량체와 굴절률 조절제가 채워지고 원하는 굴절률 분포를 가지도록 하기 위하여 최적의 중합 조건을 확립해야 한다. In the present invention, for the sake of convenience, an example of manufacturing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution using colloidal photonic crystal by self-assembly is given, but the empty space formed by the unit particles of the photonic crystal is interconnected to the entire photonic crystal. Any structure can be applied. Therefore, in order to ensure that the regular air layers in the photonic crystals are connected to each other, nanofabrication techniques requiring considerable precision have to be developed. In order to manufacture a photonic crystal having a gradual refractive index distribution intended in the present invention, the nano-sized space formed in the photonic crystal itself should be minimized or minimized at the time of photonic crystal formation. Optimum polymerization conditions should be established to fill the voids of the polymer with the polymer monomer and the refractive index control agent and to have the desired refractive index distribution.

상기한 광자결정은 1차원, 2차원 및 3차원 구조를 가지도록 제조할 수 있으며, 단순 입방구조, 면심 입방구조, 체심 입방 구조 및 다이아몬드 구조 등의 광자결정의 단위입자의 구조에 따라 굴절률의 분포가 달라지게 되므로 필요에 따라 상기한 광자결정의 구조를 선택하여 제조할 수 있다.The photonic crystals may be manufactured to have one, two, and three dimensional structures, and the refractive index may be distributed according to the structure of unit particles of photonic crystals such as simple cubic, face-centered cubic, body-centered cubic, and diamond structures. Since it will be different, it can be produced by selecting the structure of the photonic crystal as described above.

본 발명의 실시예에서는 자기조립법으로 제조한 콜로이드 결정, 즉 화학적 방법을 통해 제조되는 수십~수백 나노미터 크기의 콜로이드 구의 자기조립체인 3차원 광자결정인 오팔 구조를 제조하여 사용하였다. In the embodiment of the present invention, the colloidal crystals prepared by the self-assembly method, that is, the opal structure, which is a three-dimensional photonic crystal self-assembly of the colloidal spheres of several tens to hundreds of nanometers produced by the chemical method was used.

마지막으로 상기 고분자 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정이 형성된 셀 내를 채운 다음 겔-중합시키는 제 3 단계이다.Finally, the third step of filling the inside of the cell in which the photonic crystal is formed with a mixed solution containing the polymer monomer and the refractive index regulator is followed by gel-polymerization.

즉, 상기 콜로이드 광자결정에서는 결정화된 콜로이드 입자들 사이에 존재하는 나노 크기의 미세 공간이 존재하게 되는데, 이는 광자결정 내에 유전체의 반복 주기를 형성하게 되며, 나노 크기의 빈 공간 내로 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 채워 넣고 겔-효과에 의한 중합으로 점진적인 굴절률을 가지는 광자결정을 형성한다. 즉, 광자결정 내에 형성되어 있는 나노 크기의 빈 공간은 첨부도면 도 2b에 나타낸 것과 같이 서로 연결되며, 이렇게 상호적으로 연결되어 있는 채널을 통하여 굴절률 조절제가 겔-효과에 의한 중합에 의해 확산되어 그 분포가 결정되게 되며 굴절률 분포를 가지는 광자결정이 구현되게 되는 것이다. That is, in the colloidal photonic crystals, there is a nano-sized microspace existing between the crystallized colloidal particles, which forms a repeating period of the dielectric in the photonic crystals, and the monomer and the refractive index of the polymer into the nano-sized voids. The regulator is charged and the gel-effect polymerization forms a photonic crystal with progressive refractive index. That is, the nano-sized void spaces formed in the photonic crystals are connected to each other as shown in FIG. 2B, and the refractive index regulators are diffused through the gel-effect polymerization through the mutually connected channels. The distribution is determined and a photonic crystal having a refractive index distribution is realized.

그리고, 이러한 겔-효과를 이용하여 중합 속도를 적절히 조절함으로써, 점진적이거나 급격한 변화를 가지는 굴절률 구배를 형성시킬 수도 있다. 이때 광자결정 소재와 겔-효과 중합에 사용된 고분자와의 선택적인 용해성을 이용해 광자결정을 녹여내어 광자결정 구조를 도 2b와 같이 역전시킬 수도 있으며 그에 대한 반복적인 조작 또한 가능하다. And, by appropriately controlling the rate of polymerization using this gel-effect, it is possible to form a refractive index gradient having a gradual or sudden change. At this time, the photonic crystal may be melted using selective solubility between the photonic crystal material and the polymer used in the gel-effect polymerization to reverse the photonic crystal structure as shown in FIG. 2B, and repetitive manipulation thereof may also be performed.

상기 제 2 단계의 광자결정이 제조된 중합용 셀에 상기 1 단계에서 사용한 고분자 층을 구성하는 고분자의 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액을 채워 넣은 후 중합시키는데, 이때 상기 광자결정의 단위입자 간에 형성된 빈 공간이 굴절률이 점진적으로 다른 고분자 중합체로 채워지게 되는 것이다.Into the polymerization cell in which the photonic crystal of the second step is prepared, a mixed solution containing the monomer and the refractive index regulator of the polymer constituting the polymer layer used in the first step is filled and polymerized, wherein the unit particles of the photonic crystal The empty space formed is filled with a polymer having a different refractive index gradually.

겔-중합의 원리는 고분자와 단량체의 경계면에서 생성된 겔층으로 단량체 분자는 확산이 쉬우나 그에 반해 높은 굴절률을 갖는 굴절률 조절제는 분자 구조적으로 상당히 비대하여 겔 층 내로 확산이 어렵다. 즉, 이러한 특성에 따라 겔의 형성으로 인해 중합이 진행되면서 굴절률 조절제가 고분자 층의 반대 방향으로 밀리게 되고, 따라서 광자결정 내에서의 굴절률 조절제의 분포는 곧 점진적인 굴절률 분포를 의미하게 되며, 결과적으로 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 제조할 수 있게 되는 것이다. The principle of gel-polymerization is a gel layer formed at the interface between the polymer and the monomer. The monomer molecules are easily diffused, whereas the refractive index regulator having a high refractive index is quite large in molecular structure and difficult to diffuse into the gel layer. In other words, as the polymerization proceeds due to the formation of the gel, the refractive index control agent is pushed in the opposite direction of the polymer layer. Thus, the distribution of the refractive index control agent in the photonic crystals means a gradual refractive index distribution. It is possible to produce photonic crystals having a gradual refractive index distribution.

따라서, 굴절률 분포는 이상적으로 중합용 셀 전체에 온도 구배가 없고 단량체와 굴절률 조절제의 혼합용액이 완벽히 균일하게 혼합되어 있다면 겔-중합 전에 형성되어진 고분자 층의 반대 방향으로 완만한 굴절률 분포가 형성되게 된다.Therefore, the refractive index distribution ideally forms a moderate refractive index distribution in the opposite direction of the polymer layer formed before gel-polymerization if there is no temperature gradient throughout the polymerization cell and the mixed solution of the monomer and the refractive index regulator is perfectly uniformly mixed. .

고분자 단량체와 굴절률 조절제 및 여기에 추가적으로 포함될 수 있는 유기 첨가제의 종류 및 농도와 겔-중합에 적용되는 온도는 겔-중합 시 굴절률 분포를 결정하는 중요한 변수가 된다. 상기한 고분자 단량체와 굴절률 조절제 및 추가적으로 포함될 수 있는 유기 첨가제의 조성은 다음과 같은 조건에 의해서 원하는 용도에 따라 최적화가 될 수 있다. The type and concentration of the polymer monomer and the refractive index regulator and the organic additives that may be additionally included therein and the temperature applied to the gel-polymerization are important parameters for determining the refractive index distribution during the gel-polymerization. The composition of the polymer monomer and the refractive index regulator and the organic additive that may be additionally included may be optimized according to the desired use under the following conditions.

단량체 내의 굴절률 조절제의 양이 많을수록 광자결정 내의 굴절률 분포의 차를 크게 할 수 있으나 굴절률 조절제 자체가 중합 후 고분자 내에서 잔존하므로써 가소제 역할을 하게 되므로 열적 특성이 현저하게 저하될 수 있다. The larger the amount of the refractive index control agent in the monomer can increase the difference in the refractive index distribution in the photonic crystal, but the thermal property may be significantly lowered since the refractive index regulator itself serves as a plasticizer by remaining in the polymer after polymerization.

이때 굴절률 조절제는 사용하는 고분자 보다 높은 굴절률을 가지는 것을 선택사용하여야 하며, 상기 고분자의 단량체와 상 분리가 일어나지 않아야 하고, 또한 기 형성된 고분자층과 첨가되는 고분자 단량체의 계면에서 생성되는 겔층 내로 진입이 어려울 정도로 분자크기가 큰 것을 선택사용하여야 한다. 즉, 겔층 내로 고분자의 단량체는 잘 들어갈 수 있고, 굴절률 조절제는 겔층에 의해서 배제 되어야만 고분자 층이 겔층에 의해 성장하면서 굴절률 조절제 분자들이 점점 밀려지는 원리로서 점진적인 굴절률 분포를 이룰수 있도록 하는 것이다. In this case, the refractive index control agent should be selected to have a higher refractive index than the polymer used, and phase separation should not occur with the monomer of the polymer, and it is difficult to enter into the gel layer formed at the interface between the polymer layer formed and the polymer monomer added. The molecular size should be selected to be large enough. That is, the monomer of the polymer can enter well into the gel layer, and the refractive index regulator should be excluded by the gel layer, so that the refractive index regulator molecules are gradually pushed out as the polymer layer grows by the gel layer, thereby achieving a gradual refractive index distribution.

이러한 굴절률 조절제로는 치환 또는 비치환된 페닐기, 아릴기, 벤질기, 벤조일기가 포함되거나 포함되지 않은 프레이트 계열, 벤조에이트 계열, 설파이드 계열, 설페이트 계열 및 포스페이트 계열 등의 유기물질, 액정 분자, 수나노미터 크기의 양자점(quantum dot) 및 금속 나노입자 등을 선택사용할 수 있는데, 상기 유 기물질로는 구체적으로 벤질 n-부틸 프탈레이트, 벤질 벤조에이트, 디페닐 설페이트, 트리페닐 포스페이트 및 디페닐 프탈레이트 등을 사용할 수 있다. Such refractive index regulators include organic materials such as phthalate, phosphate, phosphate, phosphate, phosphate, phenyl, aryl, benzyl, and benzoyl groups such as substituted or unsubstituted phenyl, aryl, benzyl and benzoyl groups. Metric sized quantum dots and metal nanoparticles may be selected and used. Specific examples of the organic materials include benzyl n-butyl phthalate, benzyl benzoate, diphenyl sulfate, triphenyl phosphate and diphenyl phthalate. Can be used.

본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 사항을 고려하여, 굴절률 조절제와 고분자 단량체의 사용량을 30 : 70 부피%로 한정하였으나, 상기한 한정은 실시예에 사용된 고분자 단량체와 굴절률 조절제의 경우에 한하는 것으로 본 발명의 모든 범위에 적용되는 것은 아니며, 고분자와 광자결정의 소재에 따라서 당업자가 용이하게 조절하여 선택사용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, in consideration of the above matters, the amount of the refractive index regulator and the polymer monomer is limited to 30: 70% by volume, but the above limitation is limited to the case of the polymer monomer and the refractive index regulator used in the examples. The present invention is not applicable to all the scopes of the present invention, and can be easily used by those skilled in the art depending on the material of the polymer and the photonic crystal.

필요에 따라 선택적으로 첨가할 수 있는 유기 첨가제로는 중합개시제, 연쇄이동제 등이 있으며, 이들의 선택은 기 사용된 고분자와 광자결정의 소재에 따라서 달라진다. 즉, 겔-중합의 속도가 빠르게 일어나면 중합 속도가 빨라지고 급격하게 두꺼운 겔층이 형성되어 굴절률 조절제가 한꺼번에 밀려나가게 되어 계단모양과 같은 굴절률 분포를 이루는 문제점이 생기게 된다. 따라서, 겔-중합의 속도를 조절하여 완만하게 유지되어 겔 층의 성장을 점진적으로 일어나게 하기 위하여 필요에 따라 상기 고분자 단량체와 굴절율 조절제 외에 중합개시제 또는 연쇄이동제 등을 선택사용한다. Organic additives that can be selectively added as needed include a polymerization initiator, a chain transfer agent, and the like, and their selection depends on the polymer used and the material of the photonic crystal. In other words, if the rate of gel-polymerization occurs quickly, the polymerization rate is increased and a thick gel layer is formed rapidly, which causes the refractive index regulator to be pushed out all at once, resulting in a problem of forming a refractive index distribution like a step shape. Therefore, in order to maintain the gentle growth by controlling the rate of gel-polymerization to gradually cause the growth of the gel layer, a polymerization initiator or a chain transfer agent is optionally used in addition to the polymer monomer and the refractive index regulator as necessary.

이러한 중합개시제로는 퍼옥사이드 계열, 아조 계열, 디설파이드 계열 및 테트라젠 계열의 열중합개시제를 사용할 수 있으며, 구체적으로 벤조일퍼옥사이드(BPO), 디벤조일퍼옥사이드(DBPO)나 터셔리부틸 퍼옥사이드 등의 알킬퍼옥사이드, 큐밀 하이드로퍼옥사이드, 터셔리 부틸 퍼벤조에이트, 아조비스아이소부틸론나이트릴(AIBN) 등을 들 수 있고, 아세토페논 계열의 광중합개시제를 사 용할 수 있으며, 구체적으로 디에톡시아세토페논, 사아오젠톤 계열 등을 사용할 수 있다. 또한, 중합속도를 천천히 완만하게 유지함으로써 겔 층의 성장 또한 점진적으로 일어나게 하면 보다 점진적인 굴절률 분포를 얻을 수 있게 되므로, 중합개시제의 양을 적절히 조절하여, 일반적으로 0.00 ∼ 0.04 중량% 정도를 사용할 수 있다. As the polymerization initiator, peroxide-based, azo-based, disulfide-based and tetragen-based thermal initiators may be used, and specifically, benzoyl peroxide (BPO), dibenzoyl peroxide (DBPO), tertiary butyl peroxide, etc. Alkyl peroxide, cumyl hydroperoxide, tertiary butyl perbenzoate, azobisisobutylone nitrile (AIBN), and the like, and may use acetophenone series photopolymerization initiator, specifically, diethoxyaceto Phenone, saogenton series and the like can be used. In addition, if the growth of the gel layer also gradually occurs by slowly and slowly maintaining the polymerization rate, a more gradual refractive index distribution can be obtained, so that the amount of the polymerization initiator can be adjusted appropriately, and generally about 0.00 to 0.04% by weight can be used. .

또한 고분자의 분자량이 너무 커지면 그만큼 중합시의 열분산이 어렵기 때문에 필요에 따라 연쇄이동제를 필요에 따라 적절히 투입하여 고분자의 분자량을 조절함으로써 양질의 투명한 고분자를 얻도록 한다.In addition, if the molecular weight of the polymer is too large, it is difficult to disperse the heat during polymerization, so as necessary, a chain transfer agent is added as needed to obtain a high quality transparent polymer by controlling the molecular weight of the polymer.

상기한 겔-중합은 가열처리, 자외선 조사 및 마이크로파 조사 등의 방법을 적용할 수 있으며, 이때 적용되는 중합온도는 사용되는 고분자의 종류에 따라서 달라지게 되는데, 중합온도가 너무 높을 경우 반응이 급격히 진행되어 점진적인 굴절률 분포를 얻을 수 없을 뿐 아니라 벌크 중합의 단점인 열분산의 어려움으로 인해 기포가 생기는 등 양질의 투명 고분자를 얻기 힘들 수 있다. The gel-polymerization may be a method such as heat treatment, ultraviolet irradiation, microwave irradiation, etc., wherein the polymerization temperature is different depending on the type of polymer used. If the polymerization temperature is too high, the reaction proceeds rapidly. As a result, it is not possible to obtain a gradual refractive index distribution, and it may be difficult to obtain a high quality transparent polymer, such as bubbles, due to the difficulty of thermal dispersion, which is a disadvantage of bulk polymerization.

이러한 겔-효과를 이용한 방법은 초기에 형성시키는 고분자 층의 공간적 구조나 중합 조건을 적절히 조절함으로써 다양한 굴절률 분포를 가지는 광자결정 구조의 구현이 용이한 특징이 있다. 이러한 특징은 기존의 다른 미세 나노 가공기술로써 광자결정의 공간적인 굴절률의 변화, 즉 빈 공간의 크기를 다르게 만들 경우 엄청난 노력과 비용이 든다는 점을 감안할 때 본 발명의 우수성을 다시 한번 강조할 수 있는 효과가 된다.This gel-effect method is characterized in that it is easy to implement a photonic crystal structure having various refractive index distributions by appropriately adjusting the spatial structure or polymerization conditions of the polymer layer to be initially formed. This feature can be emphasized once again with respect to the excellence of the present invention in view of the fact that the change of the spatial refractive index of the photonic crystal, that is, the different size of the empty space, requires tremendous effort and cost with other existing nano-machining techniques. It works.

본 발명에 따라 제조된 점진적인 굴절률 분포를 갖는 광자결정의 광특성은 위치에 따른 투과도를 측정함으로써 얻어질 수 있다(도 6 참조). 광원으로는 백색광원으로 600 ∼ 1800 ㎚의 파장을 갖는 빛이 단일 모드 광섬유를 통하여 전달되고, 광섬유 끝단에서 발산하는 빛을 렌즈로 모아주고, 이때 시료가 수직으로 위치하게 되고 시료를 통과하면서 모아진 빛은 다중모드 광섬유를 통해 스펙트럼 분광기로 들어가 파장에 따른 투과도를 분석하게 된다. 광자결정에 주입된 백색광원 중에 광자결정 내에서 존재 할 수 없는 광띠간격에 해당하는 파장은 반사되므로 투과도를 측정하면 광띠간격에 해당하는 특정 파장만 걸러 나오게 된다. The optical properties of the photonic crystals having a gradual refractive index distribution prepared according to the present invention can be obtained by measuring the transmittance according to the position (see FIG. 6). As a light source, light having a wavelength of 600 to 1800 nm is transmitted through a single mode optical fiber, and light emitted from the end of the optical fiber is collected by a lens, and the sample is positioned vertically and the light is collected while passing through the sample. The light enters the spectral spectrometer through the multimode optical fiber and analyzes the transmittance according to the wavelength. Among the white light source injected into the photonic crystal, the wavelength corresponding to the optical band interval which cannot exist in the photonic crystal is reflected, so when measuring the transmittance, only the specific wavelength corresponding to the optical band interval is filtered out.

본 발명의 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정의 경우 시료가 광원과 수광소자 사이에서 빛이 진행하는 방향에 수직으로 고정되는데, 광자결정의 길이 방향이나 높이 방향으로 이동할 수 있게 마이크로 스테이지를 구축하여 위치에 따른 광띠간격 특성을 측정하였다(도 6 참고). In the photonic crystal having a gradual refractive index distribution of the present invention, the sample is fixed perpendicularly to the direction of light propagation between the light source and the light receiving element, and the micro stage is constructed to move in the longitudinal direction or the height direction of the photonic crystal. The optical band spacing characteristic was measured (see FIG. 6).

본 발명이 공지 기술 등에 비해 우수한 점은 광자결정 자체가 위치에 따라 광띠간격이 달라지므로 외부의 특정 장을 인가할 필요가 없다는 것이다. 또한 광자결정 내에 공간적으로 다양한 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 용이하게 제조할 수 있기 때문에 다양한 광띠간격 엔지니어링을 시도할 수 있다는 점이다.The advantage of the present invention over the known art is that the photonic crystal itself does not need to apply an external specific field because the light band interval varies depending on the position. In addition, since photonic crystals having spatially varying refractive index distributions within the photonic crystals can be easily manufactured, various optical band gap engineering can be attempted.

상기한 바와 같은 특성을 가지는 광자결정의 연구개발은 차세대 고밀도 광집적화에 크게 공헌할 것으로 기대되는 여러 가지 광소자들의 응용 분야에 폭넓게 적용될 수 있다. 상기한 광 소자로서는 구체적으로 광자결정 레이져와 광자결정 발광소자를 비롯한 능동형 소자, 광자결정 광도파로나 광자결정 광섬유 등의 수동 소자, 광필터, 광분배기, 고굴절 프리즘 등 다양하다.Research and development of photonic crystals having the characteristics described above can be widely applied to the application fields of various optical devices that are expected to contribute greatly to the next generation high density photo-integration. Specific examples of the optical devices include active devices including photonic crystal lasers and photonic crystal light emitting devices, passive devices such as photonic crystal optical waveguides and photonic crystal optical fibers, optical filters, optical splitters, and high refractive prism.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예 Example

제 1 단계 : 고분자 층의 제조First step: preparation of the polymer layer

첨부도면 도 3(a)과 같이 가로, 세로, 두께 (7 ㎜ × 30 ㎜ × 1 ㎜)의 크기를 갖게 제조된 중합용 유리 셀에 메틸메타크릴산 단량체 99.8 중량%, 0.1 중량%의 중합 개시제(벤조일퍼옥사이드), 0.1 중량%의 연쇄이동제(노말 부틸머캅탄)의 혼합 용액으로 80 ℃의 대류 오븐 중에서 중합하여 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 고분자 층을 형성시켰다. 99.8% by weight of a methylmethacrylic acid monomer and 0.1% by weight of a polymerization initiator in a glass cell for polymerization having a size of horizontal, vertical, and thickness (7 mm × 30 mm × 1 mm) as shown in FIG. 3 (a). (Benzoylperoxide) and 0.1 wt% of a chain transfer agent (normal butylmercaptan) were polymerized in a convection oven at 80 ° C. to form a polymethyl methacrylate (PMMA) polymer layer.

제 2 단계 : 자기조립법에 의한 광자결정 제조Second step: photonic crystal manufacturing by self-assembly

수용성 분산매(증류수:에탄올=1:1(w/w))에 분산되어 500 nm 크기의 균일한 직경을 갖는 실리카 콜로이드 입자들을 분산매를 적절히 증발시켜 결정화시켰다. 여기서 실리카 콜로이드 입자는 후에 겔-중합을 위해 콜로이드 광자결정에 채워질 단량체인 메타아크릴레이트에 녹지 않으며, 실리카 재료 자체의 강성으로 인해 콜로이드 결정 내의 나노 크기의 빈 공간이 결정 형성 중에 메워지거나 작아지는 현상이 현저히 적다는 이유로 선택되었다. The silica colloid particles having a uniform diameter of 500 nm and dispersed in an aqueous dispersion medium (distilled water: ethanol = 1: 1 (w / w)) were crystallized by appropriate evaporation of the dispersion medium. The silica colloidal particles do not dissolve in methacrylate, which is a monomer that will later be filled into colloidal photonic crystals for gel-polymerization, and due to the stiffness of the silica material itself, nano-sized voids in the colloidal crystals are filled or become smaller during crystal formation. It was chosen because it was significantly less.

상기 결정화된 콜로이드 입자의 정전기적 인력과 중력을 이용한 자기조립을 통해 유리판 위에 700 ㎛ × 20 ㎜ × 41 ㎛의 크기를 갖는 실리카 콜로이드상 광자결정을 얻었다. 유리 기판에 형성된 콜로이드상 광자결정의 실사를 도 5의 (c)에 나타내었고, 빛의 입사 각도에 따라 다른 가시광 영역 파장의 빛을 반사해 나타나는 무지개 빛 오팔 색을 띠는 광학현미경 사진을 도 5의 (a)[스케일 바 100 ㎛]에 각각 나타내었다. Silica colloidal photonic crystals having a size of 700 μm × 20 mm × 41 μm were obtained on a glass plate through self-assembly using electrostatic attraction and gravity of the crystallized colloid particles. Figure 5 (c) shows the photo-realization of the colloidal photonic crystal formed on the glass substrate, and an optical micrograph with an iridescent opal color reflected by reflecting light of different wavelengths of visible light according to the incident angle of light is shown in FIG. (A) [scale bar 100 micrometer] of each is shown.

첨부도면 도 4a와 도 4b에 상기한 광자결정을 확대시킨 전자 주사현미경 사진을 도시하였으며, 상당히 넓은 영역에서 균일하며 약 100층에 가까운 양질의 면심입방 구조의 콜로이드 광자결정을 얻었음을 확인하였다. 또한 도 7의 실선에서 실리카 콜로이드 결정의 광띠간격 특성을 도시하였는데 1052 ㎚ 파장에서 약 -12 ㏈를 가지는 것이 확인됨으로써 광띠간격 파장에서는 거의 빛이 투과하지 못하는 우수한 광특성을 가지는 콜로이드상 광자결정을 얻음을 확인하였다.4A and 4B show an enlarged electron scanning micrograph of the photonic crystal, and it was confirmed that a colloidal photonic crystal having a good quality face-centered cubic structure close to about 100 layers was obtained in a fairly large area. In addition, the optical band spacing characteristics of the silica colloidal crystal are shown in the solid line of FIG. 7, and it is confirmed that the optical band gap has about -12 에서 at a wavelength of 1052 nm, thereby obtaining a colloidal photonic crystal having excellent optical properties that almost no light passes through the optical band interval wavelength. It was confirmed.

제 3 단계 : 점진적인 굴절율 분포를 가지는 광자결정의 제조Third Step: Preparation of Photonic Crystals with Gradual Refractive Index Distributions

상기 제 2 단계에서 제조된 콜로이드상 광자결정을 상기 제 1 단계에서 제조된 고분자 층에 인접한 중합용 유리 셀 내에 위치시키고(도 3b), 69.02 중량%의 메틸메타크릴레이트 단량체, 0.04 중량%의 중합개시제(벤조일퍼옥사이드), 0.1 중량%의 연쇄이동제(노말 부틸머캅탄) 및 29.58 중량%의 굴절률 조절제(다이페닐 설파이드)의 혼합용액을, 상기 제 2 단계에서 제조된 콜로이드상 광자결정이 들어가 있는 중합용 유리 셀에 주입한 후 셀을 밀폐시키고, 질소가스 분위기 하의 80 ℃의 대류 오븐 중에서 중합하여 겔-중합을 수행하여 본 발명의 점진적인 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 얻었다. The colloidal photonic crystal prepared in the second step was placed in a glass cell for polymerization adjacent to the polymer layer prepared in the first step (Fig. 3b), and 69.02% by weight of methyl methacrylate monomer, 0.04% by weight of polymerization A mixed solution of an initiator (benzoyl peroxide), 0.1% by weight of a chain transfer agent (normal butyl mercaptan) and 29.58% by weight of a refractive index regulator (diphenyl sulfide) containing colloidal photonic crystals prepared in the second step is contained. After injection into a glass cell for polymerization, the cell was sealed, polymerized in a convection oven at 80 ° C. under a nitrogen gas atmosphere, and gel-polymerized to obtain a photonic crystal having a gradual refractive index distribution of the present invention.

상기한 겔-중합을 완료한 후의 시료 셀의 사진을 도 5d에 광학현미경 사진( 스케일 바 200 ㎛)을 도시하고 겔-중합 전후의 콜로이드 광자결정의 광 띠간격 특성을 도 7에 도시하였다. The photomicrograph of the sample cell after completion of the above-mentioned gel-polymerization is shown in FIG. 5D by an optical micrograph (scale bar 200 µm), and the optical band gap characteristics of the colloidal photonic crystals before and after gel-polymerization are shown in FIG. 7.

광자결정 내에 공기 대신 굴절률 조절제가 분포된 고분자가 채워짐에 따라 광자결정의 유효굴절률의 변화로 띠간격 파장이 바뀌고 그에 따라 결정 방향에 따라 가시광 영역에 반사되는 파장의 변화로 인해 오팔의 색이 겔-중합 전(도 5a)과 비교하여 변한 것을 확인할 수 있었다. 도 7의 점선은 겔-중합 후 광자결정 임의의 위치에서 측정한 투과 스펙트럼으로 유효굴절률의 증가로 인해 띠간격 파장이 1052 ㎚에서 1174 ㎚로 장파장으로 이동하는 것이 확인되었으며, 광자결정 내에 np와 nb의 굴절률의 차가 감소함으로써 광 필터 특성은 낮아짐이 관찰되었다. 또한 낮은 굴절률 차로 인해 광띠간격의 간격의 감소가 투과 곡선의 너비(Full Width Half Maximum)가 47.3 ㎚에서 43.1 ㎚로 좁아짐을 관찰할 수 있었다.As the polymer with the refractive index control agent distributed in the photonic crystal is filled, the band gap wavelength is changed by the change of the effective refractive index of the photonic crystal, and accordingly, the color of the opal is changed due to the change of the wavelength reflected in the visible region along the crystal direction. It was confirmed that the change was compared with before the polymerization (FIG. 5A). FIG broken line in 7-gel due to the increase in the effective refractive index in a transmission spectrum measured at any point after polymerization photonic crystal was confirmed that the band gap wavelength is moving in a long wavelength to 1174 ㎚ in 1052 ㎚, as in the photonic crystal n p It was observed that the optical filter characteristic was lowered by decreasing the difference in refractive index of n b . In addition, it was observed that the decrease in the interval of the optical band interval due to the low refractive index narrows the width of the transmission curve (Full Width Half Maximum) from 47.3 nm to 43.1 nm.

결론적으로 도 8에서 제조된 점진적 굴절률 분포를 광자결정은 광자결정 위치에 따라서 광띠간격 파장이 점진적으로 변하는 것이 관찰되었다. In conclusion, in the progressive refractive index distribution manufactured in FIG. 8, it was observed that the wavelength of the light band gap gradually changed according to the photonic crystal position.

또한 본 발명에서 설명한 굴절률 분포가 초기에 형성된 고분자 층의 수직 방향으로 형성되어지므로 초기의 형성된 고분자의 구조에 따라 다양하게 굴절률 분포를 구현할 수 있다. 즉, 상기 실시예에서 보인 3 차원 콜로이드 광자결정의 경우에 굴절률 분포를 특정 결정방향, 즉 FCC의 (111) (-110) (11-2) (100) 등의 다양한 방향으로 인가시킬 수 있다. In addition, since the refractive index distribution described in the present invention is formed in the vertical direction of the initially formed polymer layer, various refractive index distributions may be implemented according to the structure of the initially formed polymer. That is, in the case of the three-dimensional colloidal photonic crystal shown in the above embodiment, the refractive index distribution can be applied in a specific crystal direction, that is, in various directions such as (111) (-110) (11-2) (100) of the FCC.

또한, 광자결정의 결정방향이나 구조에 따라 각기 원하는 굴절률 분포를 형 성 시켜 줌에 따라 다양한 굴절률 분포를 가지는 광자결정을 구현할 수 있다. 이는 광자결정에 여러 가지 굴절률 분포를 인가시킴에 따라 다양한 광자결정의 광특성을 유도할 수 있음을 의미하며, 그에 따라 관련 광소자 구현에 있어 광범위한 응용을 기대할 수 있다. In addition, by forming the desired refractive index distribution according to the crystal direction or structure of the photonic crystal, it is possible to implement a photonic crystal having a variety of refractive index distribution. This means that by applying various distributions of refractive index to the photonic crystal, it is possible to induce optical characteristics of various photonic crystals, and thus, a wide range of applications can be expected in the implementation of related optical devices.

상술한 바와 같이, 기존의 광자결정이 결정 전체에서 하나의 광띠간격을 가지는데 반해 본 발명의 제조방법으로 제조된 광자결정은 그 자체에 위치에 따른 연속적인 광띠간격의 변화를 가져오는 다양한 굴절률 분포를 갖는 진보적이면서 신규한 광자결정으로서, 일반적인 광학계가 광원과 수동 및 능동형 기능성 광학계 그리고 수광소자 이 세 가지 조합이 이루어져야만 작동하는 치명적인 제한성에 있어 가지는 낮은 공간적 집적도로 인한 비효율성을 해결하여, 최근 차세대 고밀도 광집적 시스템에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.As described above, the conventional photonic crystals have one light band interval in the entire crystal, whereas the photonic crystals produced by the manufacturing method of the present invention have various refractive index distributions that bring about continuous changes in the light band intervals according to their positions. As a progressive and novel photonic crystal with a conventional optical system, it solves the inefficiency due to the low spatial density of the critical limitations that only a combination of a light source, a passive and active functional optical system, and a light receiving element must work. It is expected to play an important role in high density optical integrated systems.

본 발명의 방법에 의하면 1 차원, 2 차원, 3 차원의 다양한 결정구조를 가지는 광자결정을 제조할 수 있으므로, 광자결정의 면심입방구조(fcc), 체심입방 구조(bcc), 단순입방 구조(sc) 및 다이아몬드 구조 등으로 이루어진 단위구조에 따라 다양한 결정방향으로 인가가 가능하다.According to the method of the present invention, photonic crystals having various crystal structures of one, two, and three dimensions can be manufactured, so that the face-centered cubic structure (fcc), the body-centered cubic structure (bcc), and the simple cubic structure (sc) of the photonic crystals can be produced. It can be applied in various crystal directions according to the unit structure consisting of) and diamond structure.

또한, 본 발명에 따라 제조된 광자결정은 그 공간적 위치에 따라 유효 굴절률를 변화시킬 수 있어 기존의 광자결정 소자가 전체 소자에서 외부 장(external field) 부재 하에서 하나의 광띠간격을 가지는 것에 비해서 외부장이 없어도 광자 결정 소자 전체에 수많은 광띠간격 파장을 가지고 있으므로 공간적인 효율성 면에서는 비교할 수 없을 만큼 우수하다고 할 수 있다. In addition, the photonic crystal manufactured according to the present invention can change the effective refractive index according to its spatial position, so that even if the existing photonic crystal device has one optical band interval under the external field member in the entire device, there is no external field. Since the photonic crystal element has a large number of optical band spacing wavelengths, it is incomparable in terms of spatial efficiency.

특히 이는 초소형 광필터로써 유용하며 그밖에도 광자결정 내에 다양한 굴절률 분포를 줄 수 있으므로 정보 소재용 광학 소자 등에 있어 응용 범위가 매우 넓다고 할 수 있으므로, 차세대 정보화 사회에서 고집적 광통신 정보 시스템에서 매우 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다.In particular, it is useful as an ultra-compact optical filter, and since it can give various refractive index distributions in photonic crystals, it can be said that the application range is very wide in optical elements for information materials, so it plays a very important role in the highly integrated optical communication information system in the next generation information society. It is expected to do.

Claims (7)

입사되는 빛의 파장 크기에 준하는 반복되는 굴절률을 가지는 광자결정의 단위입자 간에 존재하는 상호 연결된 공기층으로 이루어진 공간에, 굴절률이 점진적으로 증가 또는 감소하면서 분포된 고분자 중합체가 채워진 것을 특징으로 하는 점진적 굴절율 분포를 지닌 광자결정.Gradual refractive index distribution characterized in that the polymer layer is filled with a gradually increasing or decreasing refractive index in a space composed of interconnected air layers existing between the unit particles of the photonic crystal having a repeated refractive index corresponding to the wavelength of the incident light. Photonic crystal with. 중합용 셀의 일면에 고분자 층을 형성시키는 제 1 단계,A first step of forming a polymer layer on one surface of the polymerization cell, 상기 고분자 층이 형성된 셀과 구분되면서 고분자 층과 인접한 셀의 일면에 광자결정을 형성시키는 제 2 단계, 및 A second step of forming a photonic crystal on one surface of a cell adjacent to the polymer layer while being separated from the cell on which the polymer layer is formed; and 상기 고분자 단량체와 굴절률 조절제를 포함하는 혼합용액으로 상기 광자결정이 형성된 셀 내를 채운 다음 겔-중합시키는 과정Process of filling the inside of the cell in which the photonic crystal is formed with a mixed solution containing the polymer monomer and the refractive index control agent and then gel-polymerized 을 포함하는 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.Method for producing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution comprising a. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자는 벌크 중합이 가능한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.The method of claim 2, wherein the polymer is one capable of bulk polymerization. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 단계의 광자결정은 고분자 단량체에 용해되지 않는 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.3. The method of claim 2, wherein the photonic crystal of the second step is made of a material that does not dissolve in the polymer monomer. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 단계의 광자결정은 콜로이드 법, 자기조립법, 포토 리소그래피(photolithography)법, 전자 빔 리소그래피(e-beam lithography)법 및 홀로그래피(holography)법 중에서 선택된 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.The photonic crystal of claim 2, wherein the photonic crystal of the second step is manufactured by a method selected from among colloid, self-assembly, photolithography, e-beam lithography, and holography. A method for producing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution. 제 2 항에 있어서, 상기 굴절률 조절제는 치환 또는 비치환된 페닐기, 아릴기, 벤질기, 벤조일기가 포함되거나 포함되지 않은 프탈레이트 계열, 벤조에이트 계열, 설파이드 계열, 설페이트 계열 및 포스페이트 계열의 유기물질, 나노 크기의 양자점(quantum dot) 및 나노 크기의 금속 입자 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.The method of claim 2, wherein the refractive index adjusting agent is substituted or unsubstituted phenyl group, aryl group, benzyl group, phthalate-based, benzoate-based, sulfide-based, sulfate-based and phosphate-based organic material, with or without a benzoyl group, nano A method of manufacturing a photonic crystal having a gradual refractive index distribution, characterized in that it is selected from quantum dots of the size and nano-sized metal particles. 제 2 항에 있어서, 상기 겔-중합은 가열처리, 자외선 조사 및 마이크로파 조 사 중에서 선택된 방법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 점진적인 굴절률 분포를 지닌 광자결정의 제조방법.3. The method of claim 2, wherein the gel-polymerization is carried out by a method selected from heat treatment, ultraviolet irradiation and microwave irradiation.
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