KR101007198B1

KR101007198B1 - 나노 격자 기반의 컬러필터

Info

Publication number: KR101007198B1
Application number: KR1020100046098A
Authority: KR
Inventors: 이상신; 윤여택; 이홍식
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-01-12

Abstract

본 발명은 나노 격자 기반의 컬러 필터에 관한 것이다. 상기 컬러 필터는, 빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판; 상기 기판위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 적층 구조물들; 및 상기 기판을 투과한 빛이 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 상기 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 개구부들;을 구비한다. 상기 적층 구조물은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진다.
본 발명에 따른 컬러 필터는, 두 개의 상/하부 금속층과, 이 두 금속층 사이에 유전체층을 배치하고, 금속층 또는 유전체층의 두께, 격자 간격, 듀티비(duty ratio) 등을 조절하여 투과율 및 투과 밴드의 조정할 수 있도록 구성함으로써, 포토리소그래피 공정에 의한 나노 스케일의 패터닝이 구현이 가능하게 되어 시모스 공정에 바로 적용될 수 있고, 시모스 이미지 센서의 내부에 용이하게 결합시켜 이용할 수 있다.

Description

나노 격자 기반의 컬러필터{Color filter based on nano-scale grating}

본 발명은 디스플레이 장치 또는 카메라 등에 사용되는 컬러필터에 관한 것이다.

컬러필터(color filter)는 일반적으로 컬러 PR(photo resist)을 스핀 코터(spin coater)를 통하여 웨이퍼(wafer) 위에 도포하는 방식을 많이 사용하여 제작되고 있다.

컬러필터의 제조공정은 크게 염색법, 인쇄법, 안료분산법, 전착법, 증착법 등이 있으나 최근에는 주로 안료분산법을 이용하여 제작되고 있다. 하지만 이러한 방법은 각각의 색마다 현상, 수세 공정을 반복하여 컬러필터를 제조해야 하기 때문에 공정 특성상 폐액의 발생이 많아 재료 면에서 낭비가 크고 수질오염 및 대기오염 면에서도 불리한 단점을 지니고 있다. 또한 각각의 컬러 도포 과정 시 사용되는 대량의 마스크 사용도 문제가 되고 있다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 굴절률이 서로 다른 두 개 이상의 유전체(dielectric material)를 적층하여 컬러필터를 제작하는 방식이 있다. 구체적으로 설명하면, 이러한 컬러필터는 일반적으로 유리(glass) 기판 상에 굴절률이 다른 두 개 이상의 물질의 두께를 변화시켜 수 십층 이상을 적층하여 얻을 수 있게 된다. 이런 방식으로 제작된 컬러필터는 원하는 밴드(band)특성과 투과도를 얻는데 가능하지만 공정상에 사용되는 물질이 시모스 공정과 호환이 불가능하고 수 십층 이상으로 적층하는 공정이 사용되기 때문에 대량 생산에 적용되는 시모스 공정에는 그 적용이 사실상 불가능한 단점이 있다.

이를 대체하기 위하여 소수의 층에 의해 구현되는 컬러필터에 관한 기술이 연구되었는데 대표적으로는 1차원 광자결정 구조를 응용하는 기술이 있다. 예를 들어 특정한 주기를 갖는 SiO₂/TiO₂ 층 사이에 두께가 다른 유전체 층을 삽입함으로써 투과 밴드를 조절하는 방식이다. 1차원 광자결정 구조를 응용하는 기술은 소수 층을 적층하므로, 공정이 용이하다는 장점이 있으나, TiO₂와 같은 특별한 물질이 요구되며 패턴을 형성하기 어렵다는 단점이 있다.

위와 같은 단점을 해결하기 위하여 금속층에 나노 단위의 패턴(nano-pattern)을 형성하는 금속 나노 패턴 필터(metal nano-pattern filter) 기술이 제안되었다. 이 기술은 얇은 금속 박막에 나노 사이즈의 패턴을 형성하는 것으로, 조사된 빛의 전기장에 의하여 여기된 전자가 제한된 금속 표면을 따라 이동하며 빛을 방사함으로써 빛의 투과 특성을 나타내는 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 특성을 이용한 것이다.

이에 대한 동작원리에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

금속 박막에 빛이 입사되는 경우, 금속 내부의 전자는 빛이 입사되는 방향과 수직인 전기장을 따라서 이동하며 진동하게 되고(surface plasmon) 위와 같이 이동한 전자에 의하여 입사된 빛은 감쇄되며 일정한 투과 깊이(penetration depth) 이상을 투과할 수 없다. 즉, 빛은 금속 내부에서 투과 깊이에 대해 지수함수의 형태로 감소하게 되고 가시 광은 대략 100nm 이상의 두께를 갖는 금속 박막을 투과할 수 없게 된다.

그러나 금속 박막이 입사하는 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 패턴을 갖는 경우에 있어서, 투과 특성에 관한 연구는 광학, 바이오 및 포토닉스(photonics) 등에서 중요하게 연구되고 있으며, 수백 나노미터의 두께를 갖는 금속 박막이 빛의 파장보다 작은 패턴을 갖는 경우, 비정상적으로 빛이 투과됨이 알려져 있다.

즉, 나노 스케일의 패턴을 갖는 금속층이 광학적 필터의 역할을 할 수 있음이 발견되었다. 이러한 구조의 장점은 금속의 나노 단위의 패턴의 크기를 조절하여 특정한 밴드(band)에서의 빛만을 투과하거나 흡수하게 조절할 수 있다는 것이다.

도 1은 금속층에 나노 스케일의 패턴이 형성된 대역 통과 필터를 나타내는 도면으로서, 이를 참조하여, 나노 스케일의 패턴이 형성된 대역 통과 필터에 대하여 살펴본다.

금속층의 두께는 투과하고자 하는 빛의 파장의 밴드 폭에 의하여 결정되며 약 100 나노미터 ~ 5000 나노미터 정도의 두께를 갖는다.

금속층의 두께는 투과하고자 하는 빛의 파장의 밴드 폭이 넓은 경우에 얇은 것이 유리하며, 밴드 폭이 좁은 경우에는 두꺼운 것이 유리하다.

금속층의 재질은 Al, Ag, Au, Pt, Cu, Ti 등의 전도성이 높은 전이 금속으로 이루어지고, 도 1의 (A)를 참조하면, 금속 층의 주기적인 패턴의 거리 a는 투과하고자 하는 빛의 파장에 의하여 결정되며, 투과하고자 하는 빛의 파장보다 작게 설정된다. 또한 열린구간의 길이 L은 투과율을 결정하므로 패턴 형성이 가능한 최대의 크기로 형성된다.

예를 들어서, 금속 배선의 폭의 한계가 90 나노미터인 경우, L=a-90 나노미터와 같은 방법으로 결정된다.

도 1의 (B)를 참조하여 나노 단위의 패턴에 의해 빛이 금속층을 투과하는 원리를 살펴보면 다음과 같다.

빛이 나노 단위의 패턴을 갖는 금속층에 입사하는 경우, 금속 표면의 전자(e)는 입사파의 전기장(E)에 의하여 이동하며, 이동되는 전자는 금속의 형태를 따라 이동하게 된다. 따라서 금속의 모서리 부분에서 강한 방사(radiation)를 하게 되므로, 금속의 나노 단위의 패턴과 입사하는 빛이 매칭(matching)되는 경우에 강한 공진(resonance)에 의한 투과파(transmitted light)가 발생하게 되고, 이에 따라 금속층 내부의 전자의 운동이 많이 꺾이는 형태일 때 투과는 강하게 일어난다.

상기 금속층이 투과되는 빛의 중심 파장, λ_c는 대략 다음과 같이 결정된다.

여기에서, ε_m은 금속의 실수 유전율이며, ε_d는 매질의 실수 유전율이다.

위와 같이 금속층을 사용하는 필터의 장점은 금속층의 구조를 변경함으로써 원하는 파장과 밴드 폭을 갖는 필터를 형성할 수 있다는 것이다.

그러나 상기한 바와 같은 금속층을 사용하는 필터는, 원하는 밴드(band)와 투과도를 금속의 두께와 금속 격자의 주기적인 특성을 조절함으로써 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 알루미늄과 같은 반사도가 높은 금속을 사용할 경우에는 포토리소그래피(photo-lithography) 공정에 적용하기 어려운 문제가 있으며, 또 이차원 격자로 제작할 경우에는 높은 투과율을 기대하기 어렵다는 문제가 있다. 또한 지금까지는 일차원 격자로 구성될 경우에 특정 파장 대역만을 선택적으로 투과 시키는 필터의 특성을 얻는 것은 불가능한 문제가 있다.

또한, 상기한 바와 같은 금속 격자 구조의 필터는 일반적으로 포토리소그래피 공정을 사용하지 않는 나노 임프린트(nano-imprint) 방식이나 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 사용하여 제작되고 있으나, 나노 임프린트 방식은 현재까지 연구단계에서 머물러 있으며, 전자빔 리소그래피 공정은 고가의 공정으로 양산에 적용하기는 어려운 문제점이 있다.

이상 설명한 배경기술의 내용은 이 건 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소수개의 금속층과 유전체층을 사용하여 투과율과 중심파장의 위치 조정이 가능하면서 포토리소그래피 공정과의 호환을 통해 궁극적으로 시모스 공정에 실제적으로 적용 가능한 나노 격자 기반의 컬러필터를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는, 빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판; 상기 기판위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 적층 구조물들; 및 상기 기판을 투과한 빛이 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 상기 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 개구부들;을 구비하고,

상기 적층 구조물은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진다.

본 발명의 제2 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는, 빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판; 상기 기판위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 제1 적층 구조물; 상기 제1 적층 구조물위에 형성된 폴리머층; 상기 폴리머층위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 제2 적층 구조물; 상기 기판을 투과한 빛이 제1 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 제1 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 제1 개구부들; 및 상기 기판을 투과한 빛이 제2 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 제2 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 제2 개구부들;을 구비하고,

상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물의 각각은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진다.

전술한 제1 및 제2 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러 필터에 있어서, 상기 상부 금속층 및 하부 금속층은 Ag, Al, Au, Pt, Cu, Ti 중 적어도 어느 하나의 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러 필터에 있어서, 상기 적층 구조물은 막대형 구조로 이루어지거나, 가로 방향 및 세로 방향으로 교차하는 구조로 이루어져 배치되거나, 상기 적층 구조물은 기둥 구조로 형성되어 기판의 상부에 일정 간격마다 이격되어 배치될 수 있다.

전술한 제2 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러 필터에 있어서, 상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물은 막대형 구조로 이루어지고, 상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물이 서로 직각으로 교차하는 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는, 빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판; 상기 기판위에 배치된 적층 구조물; 및 상기 기판을 투과한 빛이 적층 구조물을 통과할 수 있도록 상기 적층 구조물에 형성된 다수 개의 관통홀들;을 구비하고,

전술한 제1 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터에 있어서, 상기 적층 구조물들의 하부 금속층들은 서로 연결되어 기판 위에 박막 구조로 형성되고, 상기 유전체층 및 상부 금속층은 상기 하부 금속층 위에 막대형 적층 구조물로 배치되어 구성될 수 있다.

전술한 제1 내지 제3 특징에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는 시모스 이미지 센서에 적용되며, 상기 컬러 필터는 시모스 이미지 센서의 금속 배선이 형성된 층에 함께 형성되어 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.

본 발명에 따른 나노 에탈론 격자 기반의 컬러필터는 다음과 같은 효과를 갖는다.

본 발명은, 금속 나노 패턴 필터 기술을 포토리소그래피(Photolithography) 공정에 포함시키고 궁극적으로 시모스(CMOS) 공정에 실제적으로 적용 가능한 효과를 갖는다. 특히 두 개의 금속층과 이 두 금속층 사이에 유전체만을 사용하면서도 투과 밴드와 투과율을 자유롭게 조절하여 원하는 컬러필터를 보다 용이하게 설계하여 구성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 종래의 금속 구조의 컬러필터의 특성을 개선시키고, 비교적 간단한 구조를 통해 공정의 안정성을 증진시킬 수 있고, 또 종래 금속 격자 필터에서는 확인할 수 없는 일차원(선형) 격자 구조에서 원하는 파장 대역만을 선택적으로 투과시키는 대역통과 필터 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 이미지 센서를 제작할 경우 별도의 광학 필터를 구비하지 않고도 회로 배선을 위한 금속층에 나노 스케일로 패터닝 하여 구성할 수 있기 때문에 금속층을 컬러필터로 사용하여 전체 이미지 센서의 크기 감소는 물론, 공정 시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래 도면으로서, 금속층에 나노 스케일의 패턴이 형성된 대역 통과 필터를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터의 일 실시예를 보여주는 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서, 상부 및 하부 금속층의 두께 변화에 따른 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 금속층의 폭과 개구부의 길이의 비(duty ratio)가 70%에서 75%로 변화했을 경우의 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서, 금속층의 폭과 개구부의 길이의 비(duty ratio)가 75%에서 80%로 변화했을 경우의 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서, 듀티비(duty ratio)의 변화와 금속의 두께 변화에 따른 상관관계를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서, 도 3, 4, 5의 결과가 종합된 경우의 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 구조도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬러 필터에서의 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도 10은 본 발명에서 적층 구조물이 가로 및 세로로 교차하는 구조를 보여주는 응용 실시예의 도면이다.
도 11은 본 발명에서 면형태의 적층 구조물에 다수의 홀이 형성된 구조를 보여주는 응용 실시예의 도면이다.
도 12는 본 발명에서 적층 구조물이 기둥형 구조로 이루어진 응용 실시예의 도면이다.
도 13은 본 발명에서, 폴리머층을 사이에 두고 그 상부와 하부에 적층 구조물이 각각 배치되는 구조를 보여주는 응용 실시예의 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 포토리소그래피 공정이 가능한 나노 격자 구조 기반의 컬러필터가 내장된 시모스 이미지 센서의 개략적인 구성도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는, 도 2를 참조하면, 기판(3)의 상부에 빛이 투과하는 방향으로 상하로 배치된 복수의 상부 금속층(1A) 및 하부 금속층(1B)(이하 이 두 금속층을 '상부 및 하부 금속층' 이라고도 함)이 구비되고, 이 상부 및 하부 금속층(1A,1B) 사이에 유전체층(2)이 구비된다.

여기서 상부 및 하부 금속층(1A,1B)은 Ag, Al, Au, Pt, Cu, Ti 등 적어도 어느 하나의 전도성이 높은 금속물질로 이루어지고, 유전체층(2)은 SiO₂, CaO, MgO, CeO₂, Y₂O₃ 등의 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이 상부 및 하부 금속층(1A,1B), 유전체층(2)로 이루어진 적층 구조물은, 도 2에 예시된 바와 같이, 그 사이에 빛이 투과하는 개구부를 형성할 수 있도록 폭에 비해 길이가 긴 막대형 구조로 이루어져, 나노 스케일의 동일한 간격으로 평행하게 배치되는 구성으로 이루어진다.

상기의 적층 구조물로 이루어진 본 실시예의 컬러필터는 유리 기판(3) 또는 유전체 계열의 물질 위에 적층되어 구성된다.

이와 같은 구조를 갖는 컬러필터에 의해서 결정되는 투과율(transmission) T는 수학식 1에 의해서 결정된다.

여기서, R은 두 금속층(1A,1B)의 반사율을 나타내고, n은 유전체층(2)을 구성하는 유전체의 굴절률을 나타내며, d는 두 금속층(1A,1B) 사이의 거리를 나타낸다.

수학식 1을 통하여 두 금속층(1A,1B) 사이의 거리(d)를 조절함으로써 주기적인 대역통과 필터특성을 얻게 됨을 알 수 있다.

수학식 1은 이상적인 에탈론의 광전달 특성을 기반으로 계산된 것이기 때문에 실제적인 금속층의 두께와 분산특성을 고려해야 한다. 따라서 본 발명에서는 실제적으로 보다 정확한 에탈론 격자 구조의 전달특성을 얻기 위하여 FDTD(Finite-difference time-domain) 기법을 도입한 시뮬레이션 툴을 통하여 컬러필터의 성능을 분석하였다.

빛이 수직으로 입사하는 경우, 전기장과 자기장은 금속 막대와 평행이거나 수직인 성분으로 구분될 수 있다. 전기장이 금속 막대와 평행인 경우는 TE 모드 (transverse electric mode)가 된다.

이 경우, 금속층의 두께 변화에 따른 투과 스펙트럼의 변화는 도 3에 예시된 바와 같다. 도 3은 도 2에 예시된 컬러필터 구조에서, Ag 재질로 이루어진 상부 및 하부 금속층(1A,1B) 사이의 유전체층(2)의 두께는 120nm, 적층 구조물 주기 즉, 격자 주기는 400nm, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 금속의 듀티비(duty ratio)는 75%를 차지할 경우이다. 여기서 듀티비는 금속층의 폭과 개구부의 길이의 비를 나타낸다.

이를 참조하면, 금속의 두께를 조절하여 투과율(transmission)과 투과밴드의 대역폭(wavelength)을 결정할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 금속의 두께가 20nm에서 5nm 간격으로 25nm, 30nm까지 증가한 경우에 투과율은 대략 15%정도 감소하는 것을 확인할 수 있었고 대역폭은 대략 220nm에서 150nm 정도 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

또한 막대형 구조를 가진 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 선폭 변화에 따른 결과는 도 4와 도 5에 각각 도시된 바와 같다. 이때 청색 필터의 경우 유전체층(2)의 두께는 100nm, 녹색필터의 경우 유전체층(2)의 두께는 120nm, 그리고 적색필터의 경우 유전체층(2)의 두께는 150nm이다. 도 4를 참조하면 격자 주기(pitch)가 400nm이고, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 두께가 각각 30nm일 때 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 듀티비(duty ratio)를 70%에서 75%로 변화하였을 때의 계산 결과를 보여주고 있다. 이를 통해 격자 주기에서 듀티비 즉, 선폭이 차지하는 면적이 늘어날수록 금속의 두께를 변화시켰을 때와 비슷하게 투과밴드의 대역폭을 조절할 수 있고, 또 투과율도 소폭 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 도 5에서도 격자 주기(pitch)가 450nm이고, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 두께가 각각 30nm일 때, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 듀티비(duty ratio)를 75%에서 80%로 조정하였을 때의 선폭 변화의 결과를 보여주는 것으로서, 위에서 설명한 도 4에서와 유사한 결과를 확인할 수 있다.

결론적으로 도 6에서는 전체적인 계산 결과를 통하여 컬러필터의 특성에 중요한 영향을 미치는 요소인 투과율과 대역폭을 조절하는 요소에 대한 계산 결과를 보여주고 있다. 즉, 격자주기가 400nm, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 두께가 각각 25nm, 유전체층(2)의 두께가 120nm인 경우에, 선폭(width) 즉, 듀티비를 변화시켰을 때는 투과율과 대역폭이 각각 0.11%, 1.74% 정도 변화되었고, 격자주기가 400nm, 듀티비가 30%, 유전체층(2)의 두께가 120nm인 경우에, 금속층의 두께를 변화시켰을 때는 투과율과 대역폭이 각각 1.1%, 6.75% 정도 변화되었다.

이를 통해서, 듀티비(duty ratio)의 증가율 보다는 금속 박막 두께의 증가율이 대역폭 조절에 더 큰 영향을 미친다는 결과를 확인할 수 있었다. 하지만 금속 박막의 두께 증가율이 듀티비(duty ratio)에 의한 영향보다 투과율에 더 크게 영향을 미치기 때문에 실제 적용 조건에 따라 금속 두께와 듀티비(duty ratio) 사이에 적절한 균형이 요구된다.

상기와 같은 도 3과 도 4, 5, 6의 결과를 종합하여, 도 7은 바람직한 본 발명의 나노 격자 기반의 컬러필터의 투과 스펙트럼을 보여주고 있다. 도 7을 참조하면, 상기 격자의 주기는 450nm, 듀티비(duty ratio)는 80%, 상부 및 하부 금속층(1A,1B)의 두께는 각각 25nm로 설정하는 것이 바람직하다. 이때 유전체층(2)의 두께는 필터의 색상에 따라 각각 100nm(청색), 120nm(녹색), 150nm(적색)로 설정할 수 있다. 이와 같이 설정할 경우에 도 7에 예시된 바와 같이 투과율은 460nm에서 74%, 530nm에서 75%, 650nm에서 65% 정도의 투과특성을 가지며, 최대 160nm 정도의 대역폭을 갖게 된다.

다음, 도 8 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는, 도 8을 참조하면, 도 2를 예시하여 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예의 구성과 달리, 하부 금속층(6)이 막대 형태가 아닌 박막 형태로 형성되고, 박막 형태의 하부 금속층(6) 위에 막대형 구조로 유전체층(5)과 상부 금속층(4)이 차례로 적층된 적층 구조물로 이루어진다.

이러한 박막 형태의 하부 금속층(6), 막대형 구조로 유전체층(5)과 상부 금속층(4)으로 적층된 컬러필터는 유리 기판(7) 또는 유전체 계열의 물질 위에 배치되어 구성된다.

도 9는 도 8과 같은 구조를 갖는 본 발명의 다른 실시예의 컬러 필터의 투과 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 9를 참고하면, 유전체의 두께는 색상에 따라 각각 100nm(청색), 120nm(녹색), 150nm(적색)로 설정하고, 상부 금속층(4)의 두께는 25nm, 하부 금속층(6)의 두께가 20nm로 설정된 경우에, 투과율이 대략 460nm에서 73%, 555nm에서 73%, 625nm에서 66% 정도의 투과특성을 보이며, 최대 170nm 정도의 대역폭을 가짐을 확인할 수 있었다.

다음, 상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 기반한 본 발명에 따른 여러 응용 실시예에 대하여, 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 참고로 전술한 실시예와 동일 유사한 구성 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 표시하고 반복 설명은 생략한다.

앞서 설명한 본 발명의 일 실시예(도 2 참조)에서는 컬러필터를 구성하는 적층 구조물이 막대형 구조 즉, 선 형태로 나란히 배치된 구조를 예시하였고, 본 발명의 다른 실시예(도 8 참조)에서는 박막 형태의 하부 금속층(6) 위에 유전체층(5) 및 상부 금속층(4)이 막대형 구조로 배치된 구조를 예시하였다.

도 10에 예시된 본 발명의 응용 실시예에서는, 기판(3) 위에 하부 금속층(1B), 유전체층(2), 상부 금속층(1A)으로 이루어진 선형 적층 구조물이 가로 및 세로로 교차하는 형태로 배치된 구조를 보여준다.

도 11에 예시된 본 발명의 응용 실시예는, 기판(3) 위에 하부 금속층(1B), 유전체층(2), 상부 금속층(1A)으로 이루어진 적층 구조물이 선형이 아닌, 면형태의 적층 구조물로 이루어지고, 이러한 적층 구조물에는 개구부를 구성할 수 있도록 다수의 홀들이 일정 간격마다 형성되어 있는 구조를 보여준다. 도 11에서는 적층 구조물을 관통하는 홀이 원형으로 형성된 구조를 예시하였으나, 이에 한정되지 않고, 삼각, 사각, 오각 등 실시 조건에 따라 홀의 모양은 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다. 참고로 홀이 사각으로 형성된 경우에는 도 10에 예시된 구조와 유사한 구조를 갖게 된다.

도 12에 예시된 응용 실시예는, 하부 금속층(1B), 유전체층(2), 상부 금속층(1A)으로 이루어진 적층 구조물이 원기둥 형태로 이루어져, 기판(3) 위에 일정 간격마다 이격되어 배치된 구조를 보여준다. 이때 원기둥 모양에 한정되지 않고, 육면체 등 다면체 기둥 구조로 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

다음, 도 13에 예시된 응용 실시예는, 본 발명의 일 실시예(도 2 참조)의 구조 즉, 하부 금속층(1B), 유전체층(2), 상부 금속층(1A)이 기판(3) 위에 막대형 구조로 차례로 적층(이하 '하부 적층 구조물' 이라 함)된 구조에서, 하부 적층 구조물의 상부 금속층(1A)의 상부에 폴리머계열의 물질을 평면 구조로 도포하여 폴리머(Polymer)층을 형성한 다음, 이 폴리머층 위에 하부 금속층(1B), 유전체층(2), 상부 금속층(1A)으로 이루어진 막대형 적층 구조물(이하 '상부 적층 구조물' 이라 함)을 적층하여 구성한다.

이때, 상부 적층 구조물의 막대 길이 방향은, 하부 적층 구조물의 막대 길이 방향과 서로 직교하는 방향으로 배치되어 구성되는 것이 바람직하다.

다음, 도 14에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 나노 격자 구조형 컬러필터가 시모스 이미지 센서에 내장된 구조를 도식적으로 보여준다.

종래 기술의 컬러필터는 이미지 센서의 상부에 배치되어 있으나, 본 발명에서는 도 14에 예시된 바와 같이 이미지 센서 내부의 금속 배선에 앞서 설명한 본 발명의 여러 실시예들의 컬러필터들을 탑재하여 구성할 수 있다. 즉, 실리콘 기판에 구현된 광검출기(PD)의 상부에 배치된 금속 배선층에 본 발명에 따른 컬러필터를 배치하고, 그 위에 유전층, 보호막층을 차례로 구성하는 것이다.

이와 같이 시모스 이미지 센서의 내부에 컬러필터를 구성할 경우에 컬러필터와 포토감지기(photo detector)와의 거리를 상당 부분 줄일 수 있고, 이에 따라 점차 소형화 되어가고 있는 시모스 이미지 센서에서 문제시되고 있는 누화(cross-talk) 문제를 상당 부분 해결할 수 있게 된다.

이상 설명한, 여러 실시예들을 통해 예시한 본 발명에 의한 나노 격자 기반의 컬러필터는 금속층을 포함한 금속의 두께, 격자 간격, 듀티비(duty ratio) 등을 적절하게 변경함으로써 투과 밴드와 투과율을 자유롭게 조절하여 컬러필터를 구성할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 나노 격자 기반의 컬러필터는 다음과 같은 주요한 특징적인 효과를 정리하면 다음과 같다.

첫째, 일차원 구조의 광자결정 구조나 다층 박막으로 이루어진 컬러필터에 비해 두 개의 금속층과 그 사이에 배치된 유전체층만을 이용함으로써 공정의 단일화를 가능하게 된다.

둘째, 종래에는 달성할 수 없었던 일차원 금속 격자 구조에서 원하는 파장 대역만을 선택적으로 투과시키는 대역통과 필터 특성을 달성할 수 있게 된다.

셋째, 나노 두께를 갖는 두 개의 금속층과 유전체층만을 사용하여 구현할 수 있기 때문에 종래의 금속 격자형 컬러필터와 현재 상용화 되고 있는 컬러필터에 비해 두께를 혁신적으로 줄일 수 있다.

넷째, 청색 필터, 녹색 필터, 적색 필터의 경우에 격자 주기는 동일하게 설정하고, 유전체층의 두께만 달라하여 구성하는 것으로 가능하기 때문에 기판 한 장에 공정이 가능하며, 제조시 사용되는 마스크의 소모량도 크게 줄일 수 있게 된다.

다섯째, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 컬러필터를 이미지 센서에 적용할 경우에, 이미지 센서 내부에 별도의 광학 필터를 구비하지 않고도, 회로 배선을 위한 금속층에 나노 스케일의 패터닝 하여 구성함으로써 금속층을 컬러필터로 사용할 수 있기 때문에 이미지 센서의 크기를 줄임은 물론, 제조 공정 시간 및 비용 등을 절감할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판;
상기 기판위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 적층 구조물들; 및
상기 기판을 투과한 빛이 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 상기 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 개구부들;을 구비하고,
상기 적층 구조물은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판;
상기 기판위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 제1 적층 구조물;
상기 제1 적층 구조물위에 형성된 폴리머층;
상기 폴리머층위에 배치된 다수 개의 나노 스케일의 제2 적층 구조물;
상기 기판을 투과한 빛이 제1 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 제1 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 제1 개구부들; 및
상기 기판을 투과한 빛이 제2 적층 구조물들의 사이를 통과할 수 있도록 제2 적층 구조물들의 사이에 형성된 다수 개의 제2 개구부들;을 구비하고,
상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물의 각각은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 금속층 및 하부 금속층은 Ag, Al, Au, Pt, Cu, Ti 중 적어도 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항 1에 있어서, 상기 적층 구조물은 막대형 구조로 이루어지거나, 가로 방향 및 세로 방향으로 교차하는 구조로 이루어져 배치된 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항1에 있어서, 상기 적층 구조물은 기둥 구조로 형성되어 기판의 상부에 일정 간격마다 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물은 막대형 구조로 이루어지고, 상기 제1 적층 구조물 및 제2 적층 구조물이 서로 직각으로 교차하는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
빛을 투과하는 성질을 가지며 유전체로 이루어진 기판;
상기 기판위에 배치된 적층 구조물; 및
상기 기판을 투과한 빛이 적층 구조물을 통과할 수 있도록 상기 적층 구조물에 형성된 다수 개의 관통홀들;을 구비하고,
상기 적층 구조물은, 빛이 투과하는 방향을 따라 상하로 배치되는 상부 금속층 및 하부 금속층과, 상기 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 배치되는 유전체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항1에 있어서, 상기 적층 구조물들의 하부 금속층들은 서로 연결되어 기판 위에 박막 구조로 형성되고, 상기 유전체층 및 상부 금속층은 상기 하부 금속층 위에 막대형 적층 구조물로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항1, 청구항 2, 청구항 4, 청구항 5, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컬러필터가 시모스 이미지 센서에 적용된 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.
청구항9에 있어서, 상기 컬러 필터는 시모스 이미지 센서의 금속 배선이 형성된 층에 함께 형성되어 구성된 것을 특징으로 하는 나노 격자 기반의 컬러필터.