KR101075154B1 - 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법 - Google Patents

발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법에 관한 것으로, 코어 및 상기 코어의 외주를 둘러싸는 클래드층으로 이루어진 적어도 1개의 광섬유와, 상기 코어의 외부면 또는 내부에 포함되어 이루어진 서로 다른 적어도 1개의 발광체가 포함됨으로서, 작은 세기의 펌핑용 광원에서도 다양하고 넓은 파장 대역의 빛을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
광섬유, 유기 발광체, 무기 발광체, 광대역 광원

Description

발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법{BROADBAND LIGHT GENERATING DEVICE INCLUDING LUMINESCENT MATERIAL, BROADBAND OPTICAL SOURCE USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 파장의 빛을 내는 발광체가 포함되어 형성된 광섬유를 이용하여 광원 발생소자를 형성함으로서, 작은 세기의 펌핑용 광원에서도 다양하고 넓은 파장 대역의 빛을 발생시킬 수 있는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 연속 광원(White light continuum generation) 또는 초연속 광원(Supercontinuum generation) 등과 같은 넓은 파장 대역(Broadband)의 빛을 발생하는 장치는 자외선, 가시광원 또는 적외선 대역 등의 넓은 스펙트럼을 갖는 광원을 가능하게 한다.
통상적으로, 이러한 백색 연속 광원 또는 초연속 광원 등은 고출력의 극초 단(Short pulse) 펄스 레이저를 예컨대, 사파이어(Sapphire), 형석(CaF2) 등의 다양한 비선형 매질 또는 Tapered glass fibers, Photonic crystal fibers 등의 광파이버 등에 입사시키는 방법으로 발생시킬 수 있다.
한편, 매우 좁은 파장 대역을 갖는 펌핑용 광원으로부터 매우 넓은 파장의 스펙트럼 대역을 갖는 광원을 발생시킬 수 있는 물리적인 요인으로는 예컨대, Kerr-nonlinearity에 의한 Self-phase modulation, Anomalous dispersion과 Self-phase modulation 사이의 상호작용에 의한 솔리톤(Soliton) 형성, Higher order dispersion에 의한 Soliton break-up, Soliton의 Raman shifting 등을 들 수 있는데, 이를 통하여 단파장 영역에서의 Nonsolitonic radiation을 가능하게 한다.
이때, Glass fiber의 경우에는 특별한 분산(Dispersion) 특징을 갖는데, 이는 색깔이 다른 빛은 파이버 내부에서 서로 다른 속도로 진행하기 때문이다.
또한, 광출력 밀도를 높이기 위해서는 작은 영역으로 빛을 집속하여야 하므로 파이버(Fiber)의 코어 직경을 매우 작게 해야 한다. 또한, 파이버의 코어 직경은 파이버의 Dispersion 특징에도 영향을 주기 때문에 넓은 대역 발생 광원을 최적화시키려면 Group velocity dispersion이나 광출력 밀도 등을 고려한 특별한 파이버 제작이 요구된다.
작고 평평한 Anomalous group velocity dispersion 특성을 갖게 하려면, 주어진 펌프용 빛의 파장, Pulse duration, 펌프 파워에 대하여 적절한 굴절률과 최적화된 크기를 갖는 파이버 코어와 클래드 층을 제작하여야 한다.
Tapered fiber는 광파이버에 열을 가해 수 내지 수십 센티미터 가량 잡아당겨 만드는데, Tapered fiber의 직경은 약 125 μm 에서 2 μm 정도로 줄어들게 되고 길이는 훨씬 길어지게 되며, 이렇게 직경이 작아진 부분에 매우 높은 비선형 현상이 일어나게 된다.
이러한 넓은 파장 대역의 광원은 예컨대, Telecommunication, Optical parametric amplification, Optical metrology, Frequency metrology, Optical coherence tomography, Optical component testing, Pump-probe measurement, Material characterizations, Fluorescence spectroscopy, Linear/Nonlinear microscopy 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.
또한, 넓은 파장 대역 광원 중 하나의 예로서, Diode-pumped solid state(DPSS) 레이저로 펌핑된 Ti:sapphire 레이저에 의해 발생된 극초단(Ultra short) 레이저 펄스를 Tapered fiber에 결합(Couple)시키는 경우 약 400 ~ 1400 nm의 넓은 스펙트럼을 얻을 수 있다.
하지만, 이러한 넓은 파장 대역 광원은 고가의 레이저 시스템(약 1억 원 이상)을 사용하게 되므로 그 사용에 있어서 매우 제한적일 수밖에 없는 문제점이 있다. 따라서 저가의 펌핑용 광원을 사용하고도 넓은 대역의 발광 스펙트럼을 갖는 광원을 개발하는 일은 산업적으로 매우 중요하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력 펄스 레이저를 이용한 펌핑용 광원 없이도 저가의 펌핑용 광원을 사용하여 넓은 파장 대역의 광원을 용이하게 형성할 수 있는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 외부 광을 입사하기 위한 입사면, 상기 광을 출사하기 위한 출사면을 갖는 광학부재 및 상기 광학부재의 외부에 결합되거나 또는 상기 광학부재의 내부에 포함되어 형성된 서로 다른 적어도 1개의 발광체를 포함하여 이루어진 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 광학부재는 상기 광을 가이드 할 수 있도록 상기 광학부재의 외부에 형성된 클래드층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 광학부재는 상기 출사면이 일정한 곡률 반경을 갖는 렌즈 형상을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 발광체는, 유기 형광물질, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선을 포함하는 유기 또는 무기 발광체 중 적어도 1개의 발광체일 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 코어 및 상기 코어의 외주를 둘러싸는 클래드층으로 이루어진 적어도 1개의 광섬유; 및 상기 코어의 외부에 결합되거나 또는 내부에 포함되어 형성된 서로 다른 적어도 1개의 발광체가 포함되어 이루어진 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 발광체는 상기 코어의 외주면에 부착되어 형성되거나 또는 상기 코어를 형성하는 물질에 포함되어 상기 코어의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 발광체는 상기 광섬유 말단의 일측에 형성된 절단면의 코어 영역에 결합되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발광체는 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치된 적어도 2개의 광섬유에 대한 상기 마주보는 절단면 사이의 코어 영역에 개재하여 형성하되, 상기 발광체의 외부에 클래드층이 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발광체는 유기 형광물질, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선을 포함하는 유기 또는 무기 발광체 중 적어도 1개의 발광체일 수 있다.
바람직하게는, 상기 광섬유는 광을 출사하기 위한 출사면에 일정형태의 렌즈가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 제3 측면은, 광대역 광원의 제조방법에 있어서, 코어 및 상기 코어의 외주를 둘러싸는 클래드층으로 이루어진 적어도 1개의 광섬유를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 광섬유는 서로 다른 적어도 1개의 발광체를 상기 코어의 외부 또는 내부에 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 발광체는 상기 코어의 외주면에 결합하여 형성하거나 또는 상기 코어를 형성하는 물질에 포함하여 상기 코어의 내부에 형성하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 광섬유는, (a) 상기 코어를 포함한 광섬유 말단의 일측에 절단면을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 절단면의 코어 영역에 상기 발광체를 결합하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광섬유는, (a') 절단면을 형성한 적어도 2개의 광섬유를 구비하는 단계; (b') 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치한 후 절단면 사이의 코어 영역에 개재하여 상기 발광체를 형성하는 단계; 및 (c') 상기 발광체가 형성된 코어 영역의 외부에 클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 빛을 방출하기 위한 상기 광섬유의 말단부에 일정형태의 렌즈를 더 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법에 따르면, 다양한 파장의 빛을 발생시킬 수 있는 복수의 유기 또는 무기 발광체가 포함되어 형성된 광섬유를 이용함으로서, 펌핑용 광원으로 고출력 펄스 레이저를 사용하지 않고서도 저가의 펌핑용 광원만으 로 넓은 파장 대역의 광원을 용이하게 형성할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 설명하기 위한 사시도로서, 발광체(20)가 광학부재(10)의 내부에 포함된 형태를 일 예로 설명하였지만 이에 국한되지는 않으며, 발광체(20)는 광학부재(10)의 입사면, 출사면 또는 그 이외의 광학부재(10) 외부에 형성되는 것도 가능하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치는 외부 빛을 입사하기 위한 입사면 및 빛을 출사하기 위한 출사면을 갖는 광학부재(10)와, 광학부재(10)의 외부 또는 내부에 형성된 발광체(20)를 포함한다.
여기서, 광학부재(10)는 발광체(20)와 결합되어 빛을 전송할 수 있는 물질로 형성될 수 있는데, 본 발명의 제1 실시예에 적용될 수 있는 한 특별히 한정되지 않는다.
발광체(20)는 예컨대, 유기 형광물질 등의 유기 발광체가 이용되거나, 또는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선 등의 반도체 나노 발광체가 이용되는 것도 가능한데, 이에 국한되지는 않는다.
이러한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치는 예컨대, 특정 외부 광원 등과 결합되어 상기 광원로부터 방출된 빛을 발광체(20)가 여기광원으로써 흡수함에 따라 발광체(20) 고유의 빛을 방출시키게 된다. 이렇게 방출되는 발광 신호를 넓은 파장 대역의 광원 즉, 광대역 광원으로 사용할 수 있게 하며, 이를 통해 예컨대, 고출력의 펄스 레이저를 펌핑용 광원으로 사용하지 않더라도 저가의 펌핑용 광원을 사용하여 광대역 광원을 용이하게 형성할 수 있게 된다.
이때, 발광체(20)는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점을 이용하는 것이 바람직한데, 이는, 예컨대, 유기 형광물질 등과 같은 유기 발광체와 비교하여 양자점이 갖는 우수한 발광 및 흡수 특징으로 인하여 보다 높은 광대역 광원 발생 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
예컨대, 양자점은 크기에 따른 양자 효과의 차이로 인하여 크기에 따라 서로 다른 발광 파장을 가질 수 있으며, 발광 피크의 반치폭(Full width at half maximum)이 기존의 형광물질에 비해 훨씬 작다.
이러한 특징은 발광체(130)의 발광 색감을 보다 명확히 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 예컨대, 다수의 색깔을 갖는 Multi-color labeling을 할 때 상호 간의 스펙트럼의 중첩을 최소화할 수 있게 되어 서로 다른 발광 파장을 갖는 많은 종류의 양자점을 동시에 사용할 수 있게 된다.
또한, 기존 형광물질의 흡수 특성은 특정 파장 영역에만 국한되어 있는 반면, 예컨대, 양자점의 흡수 특성은 발광 파장보다 높은 에너지 대역에 넓게 연속적으로 분포한다.
따라서, 기존의 형광물질을 이용하여 여기를 시킬 경우, 여기 광원의 파장과 형광물질의 발광 파장과의 에너지 차이가 크지 않아 적절한 필터를 사용하더라도 여기 광원의 신호로 인한 배경 잡음 효과를 제거하기 힘들고, 이로 인하여 형광물질의 작은 신호는 검출하기가 어려워진다.
하지만 양자점을 이용하는 경우에는 여기 광원의 파장을 발광 파장과 에너지적으로 상당히 떨어져 있는 여기 파장을 사용해도 좋기 때문에 예컨대, 보다 높은 신호 대 잡음비(S/N비)를 얻을 수 있다.
또한, 예컨대, 다수의 색깔을 갖는 Multi-color labeling을 하는 경우, 기존의 형광물질에서는 각 형광물질이 갖는 좁은 흡수 대역을 각각 여기 시켜야 하므로 형광물질의 종류만큼 많은 수의 여기 광원을 사용해야 했는데, 양자점을 사용하는 경우 높은 에너지 대역에 연속적으로 흡수 밴드가 형성되어 있으므로, 예컨대, 서로 다른 파장을 갖는 여러 종류의 양자점들을 사용한다 하더라도 하나의 여기 광원 만으로 모든 양자점을 동시에 여기 시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치는, 도 1의 (a) 내지 (d)에서와 같이 다양한 형태로 형성하는 것이 가능하다.
예컨대, 도 1의 (a)에서와 같은 원통형의 형태를 가질 수 있으며, 도 1의 (c) 및 (d)에서와 같이 출사면을 통해 방출되는 빛의 집광 정도를 조절할 수 있도록 출사면의 형태를 예컨대, 렌즈 등의 형태를 갖도록 하는 것도 가능한데, 이에 국한되지는 않는다.
또한, 필요에 따라서는 도 1의 (b)에서와 같이 광학부재(10)의 외부에 빛을 가이드 하기 위한 클래드층(30)을 더 형성하는 것도 가능하다. 물론, 이에 국한되지는 않으며 이외에도 다양한 형태로 형성되는 것이 가능하다.
(제2 실시예)
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 코어(110) 및 코어(110)의 외주를 둘러싸는 클래드층(120)으로 이루어진 광섬유(100)와, 코어(110)의 내부 또는 코어(110)의 외주면에 포함되어 형성된 서로 다른 적어도 1개의 발광체(130)를 포함한다.
즉, 발광체(130)는 도 2의 (a)에서와 같이 코어(110)를 형성하는 물질과 함께 코어(110) 내부에 포함되어 형성되거나, 또는 도 2의 (b)에서와 같이 코어(110)의 외주면에 부착되어 형성될 수 있다. 물론, 이에 국한되지는 않는다.
이때, 발광체(130)는 예컨대, 유기 형광물질 등의 유기 발광체가 이용되거나, 또는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선 등의 반도체 나노 발광체가 이용되는 것도 가능한데, 이에 국한되지는 않는다.
이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 도 2의 (c)에서와 같이, 발광체(130)가 포함된 광섬유(100)에 광펌핑을 하게 되면, 발광체(130)가 여기광원을 흡수하게 되고 발광체(130) 고유의 빛을 방출시키게 되는데, 이렇게 발생된 빛들 중에 광섬유(100)에 가이드 된 부분이 광섬유(100) 끝단으로 방출되게 된다.
이에 따라, 광섬유(100)에 결합된 이들 발광체(130)로부터 방출되는 발광 신호를 넓은 파장 대역의 광원 즉, 광대역 광원으로 사용할 수 있게 되며, 이를 이용함으로서, 고출력의 펄스 레이저를 펌핑용 광원으로 사용하지 않더라도 저가의 펌핑용 광원을 사용하여 광대역 광원을 용이하게 형성할 수 있게 된다.
이때, 필요에 따라서는, 방출되는 빛의 집광 정도를 조절할 수 있도록 빛이 방출되는 광섬유(100)의 말단부에 일정한 형태의 렌즈(미도시)가 더 형성되는 것도 가능하다.
한편, 발광체(130)는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점을 이용하는 것이 바람직하다. 이는, 예컨대, 유기 형광물질 등과 같은 유기 발광체와 비교하여 무기 발광체로서 특히, 양자점이 갖는 우수한 발광 및 흡수 특징으로 인하여 보다 높은 광대역 광원 발생 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
예컨대, 양자점은 크기에 따른 양자 효과의 차이로 인하여 크기에 따라 서로 다른 발광 파장을 가질 수 있으며, 발광 피크의 반치폭(Full width at half maximum)이 기존의 형광물질에 비해 훨씬 작다.
이러한 특징은 발광체(130)의 발광 색감을 보다 명확히 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 예컨대, 다수의 색깔을 갖는 Multi-color labeling을 할 때 상호 간의 스펙트럼의 중첩을 최소화할 수 있게 되어 서로 다른 발광 파장을 갖는 많은 종류의 양자점을 동시에 사용할 수 있게 된다.
또한, 기존 형광물질의 흡수 특성은 특정 파장 영역에만 국한되어 있는 반면, 예컨대, 양자점의 흡수 특성은 발광 파장보다 높은 에너지 대역에 넓게 연속적으로 분포한다.
따라서, 기존의 형광물질을 이용하여 여기를 시킬 경우, 여기 광원의 파장과 형광물질의 발광 파장과의 에너지 차이가 크지 않아 적절한 필터를 사용하더라도 여기 광원의 신호로 인한 배경 잡음 효과를 제거하기 힘들고, 이로 인하여 형광물질의 작은 신호는 검출하기가 어려워진다.
하지만 양자점을 이용하는 경우에는 여기 광원의 파장을 발광 파장과 에너지적으로 상당히 떨어져 있는 여기 파장을 사용해도 좋기 때문에 예컨대, 보다 높은 신호 대 잡음비(S/N비)를 얻을 수 있다.
또한, 예컨대, 다수의 색깔을 갖는 Multi-color labeling을 하는 경우, 기존의 형광물질에서는 각 형광물질이 갖는 좁은 흡수 대역을 각각 여기 시켜야 하므로 형광물질의 종류만큼 많은 수의 여기 광원을 사용해야 했는데, 양자점을 사용하는 경우 높은 에너지 대역에 연속적으로 흡수 밴드가 형성되어 있으므로, 예컨대, 서로 다른 파장을 갖는 여러 종류의 양자점들을 사용한다 하더라도 하나의 여기 광원 만으로 모든 양자점을 동시에 여기 시킬 수 있게 된다.
이때, 여기용 광원으로는 예컨대, 연속파 레이저, 펄스 레이저, 레이저 다이 오드(Laser Diode; LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), Superluminescent Diode (SLD) 등이 이용될 수 있는데, 이에 국한되지는 않으며, 램프와 필터를 적절히 사용하여 발광체(130)를 여기시킬 수 있는 광원을 이용하는 등 필요에 따라 다양한 광원이 이용될 수 있다.
또한, 예컨대, 발광체(130)의 크기, 모양, 구조, 물질 등이 서로 다른 복수의 발광체를 함께 사용함으로써 보다 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수 있는데, 이는 한가지 종류의 여기 광원을 사용하더라도 복수의 발광체(130)를 동시에 여기 시킬 수 있기 때문이다. 또한, 복수의 발광체 사이에 재흡수 또는 에너지 전달 과정을 통하여 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수도 있다.
또한, 발광체(130)가 결합된 광섬유(100)는 예컨대, 상대적으로 출력이 낮은 연속 광원으로 펌핑하더라도 연속파(Continuous-wave) 형태의 광대역 스펙트럼을 갖는 광원을 만들 수 있을 뿐만 아니라, 예컨대, 다양한 펄스 광원을 이용하더라도 발광체(130)가 갖는 독특한 재결합 특징을 바탕으로 펄스 형태(pulsed)의 광대역 광원으로도 사용할 수 있게 된다.
따라서, 이러한 광대역 광원은 예컨대, Telecommunication, Optical parametric amplification, Optical metrology, Frequency metrology, Optical coherence tomography, Optical component testing, Pump-probe measurement, Material characterizations, Fluorescence spectroscopy, Linear/nonlinear microscopy 등의 다양한 분야에 사용될 수 있기 때문에 다양한 산업 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원의 제조방법을 설명하면, 예컨대, 도 2의 (a)에서와 같이, 광섬유(100)를 제작하는 과정에서 코어(110)를 이루는 물질에 서로 다른 적어도 1개의 발광체(130)를 함유하여 제작함으로서 코어(110) 내부에 발광체(130)를 포함시켜 형성할 수 있다.
또한, 도 2의 (b)에서와 같이, 광섬유(100)의 제작단계에서 광섬유 코어(120)의 외주면 또는 클래드층(120) 상에 다양한 파장의 빛을 방출할 수 있도록 서로 다른 적어도 1개의 발광체(130)를 결합시켜 형성하는 것도 가능한데, 이에 국한하지는 않는다.
이때, 필요에 따라서는, 방출되는 빛의 집광 성능을 조절할 수 있도록 빛이 방출되는 광섬유(100)의 말단부에 일정한 형태의 렌즈(미도시)를 더 형성하는 것도 가능하다.
(제3 실시예)
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도로서, 전술한 제2 실시예의 형태와 비교했을 때 발광체의 결합위치만 다를 뿐, 그 이외의 다른 구성상의 특징은 모두 유사하기 때문에, 그 결합 형태에 대해서 주로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 광섬유(200) 말단 일측의 절단면에 서로 다른 적어도 1개의 발광체(220)가 결합되어 형성된다.
이때, 발광체(220)는 예컨대, 유기 형광물질 등의 유기 발광체가 이용되거나, 또는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선 등의 반도체 나노 발광체가 이용되는 것도 가능한데, 바람직하게는, 무기 발광체 특히, 양자점이 이용될 수 있다.
이는, 예컨대, 유기 형광물질 등과 같은 유기 발광체와 비교하여 무기 발광체로서 특히, 양자점이 갖는 우수한 발광 및 흡수 특징으로 인하여 보다 높은 광대역 광원 발생 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 적용된 발광체(220)는 광섬유(200) 말단에 다양한 형태로 결합될 수 있는데, 예컨대, 방출되는 빛의 집광 성능을 조절할 수 있도록 일정 형태의 렌즈 내부에 포함되어 결합 형성될 수 있다. 물론, 이에 국한되지는 않으며, 렌즈 외부에 부착되어 코어 영역(210)에 결합 형성되는 것도 가능하다.
또한, 이외에도 예컨대, 코팅 등의 방법으로 발광체(220)가 광섬유(200) 말단의 코어 영역(210)에 부착되어 형성되는 것도 가능한데, 이에 국한되지는 않는다.
한편, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원의 제조방법을 설명하면, 먼저, 도 3의 (a)에서와 같이 준비된 광섬유(200) 말단의 일측에 소정의 절단면을 형성한다.
이어서, 도 3의 (b)에서와 같이 절단면의 중심 코어 영역(210)에 예컨대, 다 양한 파장의 빛이 방출될 수 있도록 적어도 1개의 발광체(220)를 결합하여 고정시킴으로서 형성할 수 있다.
이와 같이 형성된 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 도 3의 (c)에서와 같이 예컨대, 광섬유(200)를 통해서 펌핑용 광원으로 여기 시킬 때, 발광체(220)가 결합된 광섬유(200)를 통해 방출되는 여기광이 광섬유(200) 말단의 발광체(220)를 여기함으로서 넓은 파장 대역의 빛을 발생하도록 할 수 있다.
이때, 예컨대, 발광체(220)의 크기, 모양, 구조, 물질 등이 서로 다른 복수의 발광체(220)를 함께 사용함으로써 보다 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수 있다. 이는 한가지 종류의 여기 광원을 사용하더라도 복수의 발광체(220)를 동시에 여기 시킬 수 있기 때문이다. 또한, 복수의 발광체 사이에 재흡수 또는 에너지 전달 과정을 통하여 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수도 있다.
(제4 실시예)
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도로서, 전술한 제2 및 제3 실시예의 형태와 비교하여 발광체의 결합위치만 다를 뿐, 그 이외의 다른 구성상의 특징은 모두 유사하기 때문에, 그 결합형태에 대해서 주로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 2개의 광섬유(300 및 300´) 단면 사이에 서로 다른 적어도 1개의 발광체(320)가 결합되어 형성된다. 물론, 2개 이상의 광섬유 단면 사이에 발광체(320)가 결합되어 형성되는 것도 가능하며 이에 국한되지는 않는다. 이때, 필요에 따라서는 발광체(320)의 외부에는 빛을 가이드 하기 위한 클래드층(330)이 더 형성될 수 있다.
즉, 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치된 2개의 광섬유(300 및 300´)에 대한 상기 절단면 사이의 코어 영역(310 및 310´)에 개재하여 발광체(320)가 형성되며, 발광체(320)를 포함한 코어 영역(310 및 310´)의 외부에 클래드층(330)이 더 형성될 수 있다.
이때, 발광체(320)는 예컨대, 유기 형광물질 등의 유기 발광체가 이용되거나, 또는 무기 발광체로서 예컨대, 양자점, 나노입자, 나노막대, 양자선 등의 반도체 나노 발광체가 이용되는 것도 가능한데, 바람직하게는, 무기 발광체 특히, 양자점이 이용될 수 있다.
이는, 예컨대, 유기 형광물질 등과 같은 유기 발광체와 비교하여 무기 발광체로서 특히, 양자점이 갖는 우수한 발광 및 흡수 특징으로 인하여 보다 높은 광대역 광원 발생 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
또한, 필요에 따라서는, 방출되는 빛의 집광 정도를 조절할 수 있도록 빛이 방출되는 광섬유(300 및 300´)의 말단부에 일정한 형태의 렌즈(미도시)가 더 형성되는 것도 가능하다.
한편, 도 4를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원의 제조방법을 설명하면, 먼저, 도 4의 (a)에 서와 같이 적어도 2개의 광섬유(300 및 300´)를 구비하여 각각의 광섬유(300 및 300´) 말단의 일측에 절단면을 형성한다.
이어서, 도 4의 (b)에서와 같이 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치한 후 절단면 각각의 중심 코어 영역(310 및 310´)에 예컨대, 코팅, 화학적 중합 반응 (Polymerization) 등의 방법을 통해 적어도 1개의 발광체(320)를 결합하여 고정시킨다.
즉, 절단면을 형성한 적어도 2개의 광섬유(300 및 300´)를 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치한 후 절단면 사이의 코어 영역에 개재하여 발광체(320)를 결합 형성한다.
마지막으로, 도 4의 (c)에서와 같이 코어 영역(310 및 310´)에 발광체(320)가 고정되면, 빛이 잘 가이드 되도록 발광체(320)를 형성한 코어 영역(310 및 310´)의 주변에 클래드층(330)을 형성한다.
이때, 필요에 따라서는, 방출되는 빛의 집광 성능을 향상시킬 수 있도록 빛이 방출되는 광섬유(300 및 300´)의 말단부에 일정한 형태의 렌즈(미도시)를 더 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이 형성된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원은, 도 4의 (d)에서와 같이 예컨대, 광섬유(300 및 300´)를 통해서 펌핑용 광원으로 여기 시킬 때, 광섬유(300 및 300´)를 통해 방출되는 여기광이 발광체(320)를 여기함으로서 넓은 파장 대역의 빛을 발생하도록 할 수 있다.
이때, 예컨대, 발광체(320)의 크기, 모양, 구조, 물질 등이 서로 다른 복수의 발광체(320)를 함께 사용함으로써 보다 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수 있는데, 이는 1가지 종류의 여기 광원을 사용하더라도 복수의 발광체(320)를 동시에 여기 시킬 수 있기 때문이다. 또한, 복수의 발광체 사이에 재흡수 또는 에너지 전달 과정을 통하여 넓은 파장 대역의 광원을 발생시킬 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예들에 적용된 양자점의 특징을 설명하기 위한 그래프로서, 도 5a는 양자점의 크기에 따른 발광변화를 나타내는 그래프이며, 도 5b 및 도 5c는 양자점의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
여기서, 도 5b는 다수의 양자점을 이용하여 넓은 파장 대역의 비슷한 세기의 스펙트럼을 구현한 예이며, 도 5c는 다수의 양자점을 이용하여 넓은 파장 대역의 가우시안(Gaussian) 모양의 스펙트럼을 구현한 예이다.
한편, 도 6은 다양한 형광 dye 물질의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프의 예이다.
도 6을 참조하면 예컨대, PE-TR conj, Texas Red, PI, Ethidum, PE, FITC 및 cis-Parinaric acid 각각에 대한 흡수 및 발광 스펙트럼을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치, 이를 이용한 광 대역 광원 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예들에 적용된 양자점의 특징을 설명하기 위한 그래프로서, 도 5a는 양자점의 크기에 따른 발광변화를 나타내는 그래프이며, 도 5b 및 도 5c는 양자점의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 5b는 다수의 양자점을 이용하여 넓은 파장 대역의 비슷한 세기의 스펙트럼을 구현한 예이며, 도 5c는 다수의 양자점을 이용하여 넓은 파장 대역의 Gaussian 모양의 스펙트럼을 구현한 예이다.
도 6은 몇 가지 형광 물질들의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프의 예이다.

Claims (15)

  1. 외부 광을 입사하기 위한 입사면과 상기 광을 출사하기 위한 출사면을 갖는 광학부재; 및
    상기 광학부재의 외부에 결합되거나 또는 상기 광학부재의 내부에, 서로 다른 크기를 갖는 양자점들인 발광체를 포함하여 이루어진 발광체가 포함된 광대역광 발생장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광학부재는 상기 광을 가이드 할 수 있도록 상기 광학부재의 외부에 형성된 클래드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광학부재는 상기 출사면이 일정한 곡률 반경을 갖는 렌즈 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치.
  4. 삭제
  5. 코어 및 상기 코어의 외주를 둘러싸는 클래드층으로 이루어진 적어도 1개의 광섬유; 및
    상기 코어의 외부에 결합되거나 또는 내부에, 서로 다른 크기를 갖는 양자점들인 발광체를 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 코어의 외주면에 부착되어 형성되거나 또는 상기 코어를 형성하는 물질에 포함되어 상기 코어의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 광섬유 말단의 일측에 형성된 절단면의 코어 영역에 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 발광체는 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치된 적어도 2개의 광섬유에 대한 상기 마주보는 절단면 사이의 코어 영역에 개재하여 형성하되, 상기 발광체의 외부에 클래드층이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원.
  9. 삭제
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 광섬유는 광을 출사하기 위한 출사면에 일정형태의 렌즈가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역광 발생장치를 이용한 광대역 광원.
  11. 광대역 광원의 제조방법에 있어서,
    코어 및 상기 코어의 외주를 둘러싸는 클래드층으로 이루어진 적어도 1개의 광섬유를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 광섬유는 서로 다른 크기를 갖는 양자점들인 발광체를 상기 코어의 외부 또는 내부에 포함하여 형성하는 발광체가 포함된 광대역 광원의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 코어의 외주면에 결합하여 형성하거나 또는 상기 코어를 형성하는 물질에 포함하여 상기 코어의 내부에 형성하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역 광원의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    (a) 상기 코어를 포함한 광섬유 말단의 일측에 절단면을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 절단면의 코어 영역에 상기 발광체를 결합하는 단계를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역 광원의 제조방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    (a') 절단면을 형성한 적어도 2개의 광섬유를 구비하는 단계;
    (b') 상기 광섬유를 절단면이 서로 마주보도록 대향 배치한 후 절단면 사이의 코어 영역에 개재하여 상기 발광체를 형성하는 단계; 및
    (c') 상기 발광체가 형성된 코어 영역의 외부에 클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역 광원의 제조방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    광을 출사하기 위한 상기 광섬유의 출사면에 일정형태의 렌즈를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 발광체가 포함된 광대역 광원의 제조방법.
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