KR101308079B1 - 표면 플라즈몬 컬러필터 - Google Patents

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최경철
도윤선
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한국과학기술원
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Abstract

표면 플라즈몬 컬러필터는, 기판과, 기판 위에 형성되고, 주기적으로 배치되고 나노(nano) 크기를 각각 가지는 다수의 구멍(hole)들을 각각 가지는 적어도 두 개의 단위 셀(cell)들을 포함하는 금속 박막과, 금속 박막 위에 형성되는 제1 유전체층을 포함하며, 단위 셀들 중 제1 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향과 단위 셀들 중 제2 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향은 서로 다르다.

Description

표면 플라즈몬 컬러필터{Surface plasmon color filter}
본 발명은 컬러필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 표면 플라즈몬을 이용하는 컬러필터에 관한 것이다.
최근 정보 디스플레이에 관한 관심이 고조되고 휴대가 가능한 정보매체를 이용하려는 요구가 높아지면서 기존의 표시장치인 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 대체하는 경량 박막형 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)에 대한 연구 및 상업화가 중점적으로 이루어지고 있다. 특히, 이러한 평판표시장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 해상도와 컬러표시 및 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 활발하게 적용되고 있다.
액정표시장치는 컬러필터(color filter) 기판, 어레이(array) 기판(TFT(thin film transistor) 어레이 기판), 및 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)으로 구성될 수 있다. 액정표시장치의 제조공정은 기본적으로 다수의 마스크공정 즉, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 필요로 하므로 생산성 면에서 마스크 수를 줄이는 방법이 요구되고 있다.
상기 액정표시장치에 사용되는 컬러필터는 염료 또는 안료를 이용하여 불필요한 색의 광은 흡수하여 소멸시키고 구현하고자 하는 색의 광만 투과시켜 컬러를 구현함에 따라 하나의 서브-화소를 기준으로 입사된 백색광에서 RGB 삼원색 중 한가지색만 투과시킴으로써 컬러필터층에서 투과율이 30(%)이상 되기 어려울 수 있다. 이러한 이유로 패널(LCD 패널)의 투과효율이 매우 낮아 백라이트(backlight)에 의한 전력 소비가 증가할 수 있다. 또한, 상기 컬러필터는 각 원색별로 컬러 레지스트(resist) 도포, 노광, 현상 및 경화공정을 반복하여 진행하기 때문에 공정이 복잡할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛의 투과효율을 향상시키며 시야각에 따라 색 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있는 표면 플라즈몬 컬러 필터를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 컬러필터는, 기판; 상기 기판 위에 형성되고, 주기적으로 배치되고 나노(nano) 크기를 각각 가지는 다수의 구멍(hole)들을 각각 가지는 적어도 두 개의 단위 셀(cell)들을 포함하는 금속 박막; 및 상기 금속 박막 위에 형성되는 제1 유전체층을 포함할 수 있으며, 상기 단위 셀들 중 제1 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향과 상기 단위 셀들 중 제2 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향은 서로 다를 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 컬러필터는, 상기 기판 및 상기 금속 박막 사이에 형성되는 제2 유전체층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 유전체층에 포함된 유전물질과 상기 제2 유전체층에 포함된 유전물질은 서로 동일할 수 있다. 상기 제1 유전체층에 포함된 유전물질 또는 상기 제2 유전체층에 포함된 유전물질은 전도성 산화물일 수 있다.
상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함되는 구멍들의 개수는 적어도 9개일 수 있다. 상기 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함된 구멍의 주기와 구멍의 크기에 따라 상기 표면 플라즈몬 컬러필터가 필터링(filtering)하는 색상의 파장 대역이 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 컬러필터는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛의 투과효율(나노 크기의 홀(hole)에서의 투과효율)을 향상시킬 수 있으므로, 본 발명은 컬러필터 구조에서의 안료 및 염료의 사용을 배제하여 안료 또는 염료를 이용하는 컬러필터의 재료적인 특성에 따른 낮은 투과도 문제를 해결하는 것에 의해 컬러필터의 재료적인 한계점을 극복시킬 수 있다. 그 결과, 백색광원의 빛을 필터링하는 본 발명의 컬러필터는 백색광원에서의 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 금속박막에 포함된 구멍(hole)의 준 주기성 패턴(Semi-periodic 또는 quasi-periodic)(또는 금속박막의 다결정(polycrystal)형 주기성 패턴(poly-periodic pattern))을 이용하는 것에 의해 주기성 패턴의 표면 플라즈몬 공명을 이끌어 낼뿐만 아니라 빛의 입사각의 변화에 대한 영향을 없앨 수 있으므로 시야각(viewing angle)에 따른 색상 변화문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 금속박막에 형성된 일정한 주기를 가지는 홀 어레이 패턴(hole array pattern)에서 발생될 수 있는, 관찰자의 위치에 따라 색상이 변하는 현상을 해결하기 위해 금속박막의 다결정형 주기성 패턴(poly-periodic pattern)에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 것에 의해 시야각에 따라 색 변화가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명과 비교되는 표면 플라즈모닉(plasmonic) 컬러필터 구조를 나타내는 도면(사시도)이다.
도 2는 도 1의 표면 플라즈모닉 컬러필터에서의 빛의 입사각에 따른 빛의 투과도(transmittance)의 변화를 나타내는 그래프(graph)이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 컬러필터(100)를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다.
도 5는 도 4의 다결정형 주기성 패턴이 형성된 금속 박막을 포함하는 표면 플라즈몬 컬러필터에서의 빛의 입사각에 따른 빛의 투과도(transmittance)의 변화를 나타내는 그래프(graph)이다.
도 6은 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다.
도 7은 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다.
본 발명 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
컬러필터는, 평판 디스플레이의 대표적인 예인 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display)와 유기 발광 다이오드(OLED, organic light emitting diode display)에서의 백색 광원의 빛 중 적색, 녹색, 또는 청색의 빛을 선택적으로 투과시켜 색상을 만들어 디스플레이 소자를 구성하는 중요 부품중의 하나이다. 상용화된 평판 디스플레이의 색상 구현을 위한 안료(顔料, pigment) 또는 염료(dye)를 이용한 컬러필터를 사용하는 기술은 불필요한 색의 빛을 흡수하고 목표로 하는 색의 빛만을 투과시키기 때문에 투과율이 30(%) 이상 되기 어렵고, 높은 휘도를 위해 백라이트(배면광원, back light)의 전력소모가 커지는 단점이 있다.
본 발명을 설명하기 전에, 본 발명과 대비되는 비교예가 다음과 같이 설명된다.
도 1은 본 발명과 비교되는 표면 플라즈모닉(plasmonic) 컬러필터 구조를 나타내는 도면(사시도)이다.
도 1을 참조하면, 상기 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조는, 기판(10), 기판(10)위에 형성되는 유전체 막(11), 유전체 막(11) 위에 형성되는 금속 박막(12), 및 금속 박막(12) 위에 형성되는 유전체 막(13)으로 구성된다. 상기 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조의 상부 또는 하부에 백라이트가 배치될 수 있다.
금속 박막층(12)에는 도 1에 도시된 바와 같이 주기성을 가지는 나노(nano) 크기의 다수개의 홀(hole)들로 이루어진 홀 어레이 패턴(hole array pattern)이 형성된다. 즉, 표면 플라즈모닉 컬러필터는 일정한 주기의 홀(hole)들이 형성된 금속 나노 패턴을 가진다.
상기 홀 어레이 패턴이 형성된 금속 박막(12)을 포함하는 도 1의 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조에 빛이 입사되는 경우 플라즈몬 효과(표면 플라즈몬 공명 효과)가 발생된다. 상기 플라즈몬 효과에 의해 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조는 컬러필터로 동작한다. 이 때, 빛의 특정 파장대역에서의 투과도 증가를 위해 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 일정한 주기를 가지는 홀 어레이 패턴(hole array pattern)이 사용된다.
그러나 구조적으로 일정한 주기를 가지는 개체(예를 들어, 홀 어레이 패턴의 홀(hole))에서의 광학적 특성 때문에, 상기 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조를 투과하는 빛의 경로에 따라 색상이 변할 수 있는 단점이 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조에서 존재할 수 있다. 즉, 소자(예를 들어, LCD 소자의 액정층)를 투과하는 빛(백라이트의 빛)이 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조를 수직으로 입사하는 경우와 비스듬히 입사하는 경우 투과도 특성이 서로 달라질 수 있다. 투과도 특성이 서로 달라짐에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 투과 파장 대역이 이동하여 투과하는 빛의 색상이 변경될 수 있다. 즉, 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조가 장착된 디스플레이 소자를 보는 관찰자의 입장에서 볼 때, 관찰자의 위치에 따라 색상이 변하게 되는 현상이 발생한다.
따라서 도 1의 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조는 주기적인 홀(hole) 구조를 가지기 때문에 전술한 문제(현상)를 반드시 수반하고, 주기적인 나노(nano) 크기의 홀(hole) 패턴이 형성된 금속박막(12)에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 대역이 입사되는 빛의 방향에 영향을 받는 것에 의해 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조에서 시야각에 따라 색상이 변하는 현상이 발생할 수 있으므로, 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조는 넓은 시야각을 요구하는 대면적의 디스플레이 소자에 적용되기에는 한계가 있을 수 있다.
도 2는 도 1의 표면 플라즈모닉 컬러필터에서의 빛의 입사각에 따른 빛의 투과도(transmittance)의 변화를 나타내는 그래프(graph)이다.
도 2를 참조하면, 빛의 입사각(0도(degree), 5도, 10도, 15도, 20도, 및 25도)에 따라 빛의 투과 파장 대역이 이동함을 알 수 있다. 상기 빛의 입사각은 유전체 막(13)의 윗면에 대한 수직선(법선)과 빛의 진행방향이 이루는 각을 의미한다. 위에서 첫 번째 선(line)은 빛의 입사각이 0도인 경우의 투과도를 지시(indication)한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 컬러필터(100)를 나타내는 도면(사시도)이다.
도 3을 참조하면, 표면 플라즈몬 컬러필터(100)는, 기판(105), 제2 유전체층(110), 금속 박막(115), 및 제1 유전체층(120)을 포함한다. 기판(105) 위에 제2 유전체층(110), 금속 박막(115), 및 제1 유전체층(120)이 순서대로 적층되어 형성될 수 있다. 표면 플라즈몬 컬러필터(100)는, 예를 들어, 액정표시장치(LCD)의 TFT 어레이 기판에 포함된 하나의 화소(pixel)(또는 서브-화소(subpixel))에 대응하는 필터일 수 있다.
기판(105)은 유리(grass) 기판과 같은 투명한 평판 기판, 또는 PET(polyethylene terephthalate, 폴리에스터) 또는 PEN(Polyethylene naphthalate, 폴리에틸렌 나프탈레이트)을 포함하는 플라스틱 기판(투명 플라스틱 기판)과 같은 플렉시블(flexible) 기판일 수 있다.
제2 유전체층(110)은 기판(105) 및 금속 박막(115) 사이에 형성(배치)될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제2 유전체층(110)은 제거(생략)될 수 있다. 제2 유전체층(110)의 두께는 예를 들어 10(nm)이상이고 1000(nm)이하일 수 있다.
금속 박막(115)은 기판(105)(또는 제2 유전체층(110)) 위에 형성되고, 제1 방향(예를 들어, 가로 방향) 및 제2 방향(예를 들어, 세로 방향)으로 주기적으로 배치되고 나노(nano) 크기를 각각 가지는 구멍(hole)들을 각각 가지는 적어도 두 개의 단위 셀(cell)들을 포함한다. 상기 구멍(hole)들은 나노 크기(입사광(예를 들어 적색의 빛)의 파장이하(sub-wavelength)의 크기)를 가지는 나노 홀(nano hole)일 수 있다. 파장이하의 작은 홀(hole)이 금속 박막(115)에 주기적으로 배열되면 표면 플라즈몬의 여기로 광의 투과도가 크게 증폭될 수 있다. 상기 구멍(hole)들은 2차원적으로 배열될 수 있다. 상기 단위 셀들 중 제1 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향과 상기 단위 셀들 중 제2 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향은 서로 다르다.
상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함된 구멍은 일정한 주기를 가지고 제1 방향 및 제2 방향으로 최소 3회 이상 복수 번 반복될 수 있다. 즉, 상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함되고 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 배치되는 구멍들의 개수는, 표면 플라즈몬 공명을 통해 특정 파장대역의 빛을 투과시키기 위해, 예를 들어 적어도 9개일 수 있다. 상기 구멍들 각각의 형태는 예를 들어 백색광인 입사광의 파장이하(sub-wavelength)의 직경 크기를 가지는 원형, 타원형, 사각형, 또는 삼각형일 수 있다. 예를 들어, 상기 구멍(hole)들 각각은 50(nm)이상이고 1(μm)이하의 크기(직경)를 가지며, 상기 구멍(hole)들 사이의 간격(주기)은 50(nm)이상이고 1(μm)이하일 수 있다.
상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함된 구멍의 주기(패턴의 주기)와 구멍의 크기(패턴의 모양)에 따라 컬러필터(100)가 필터링(filtering)하고자 하는 색상(빛)의 파장 대역이 결정(조정)될 수 있다. 예를 들어, 구멍의 주기가 상대적으로 크면 색상(가시광선)의 파장 대역은 장파장 쪽으로 치우치며, 구멍의 크기가 상대적으로 커질수록 투과대역(pass band)이 넓어질 수 있다.
금속 박막(115)에 형성된 나노 홀들(nano holes)의 패턴은 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 부분적으로 주기적인 패턴의 단위가 산포(분산)되어 있는 형태이다. 상기 주기적인 패턴의 단위가 부분적으로 분산되어 있는 형태는 서로 다른 주기성 패턴을 가지는 단위 주기성 패턴들이 랜덤하게 다수개 분산된다는 의미에서 준 주기성 패턴(Semi-periodic)으로 언급될 수 있거나 또는 다결정 형태와 유사하다는 의미에서 다결정형 주기성 패턴(poly-periodic pattern)이라고 언급될 수 있다. poly-periodic pattern은 도 4, 도 6, 및 도 7에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.
금속 박막(115)은, 예를 들어, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 금속 박막(115)은 예를 들어 10(nm)이상 400(nm)이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 유전체층(120)은 금속 박막(115) 위에 형성되고, 제1 유전체층(120)의 유전물질이 금속 박막(115)의 홀(hole)들의 내부를 채울 수 있다. 제1 유전체층(120)이 전도성 산화물로 구현되는 경우, 제1 유전체층(120)(또는 제1 유전체층(120)을 포함하는 컬러필터(100))은 예를 들어 액정표시장치(LCD)의 공통 전극(common electrode), 또는 유기발광다이오드(OLED)의 유기물 층(백색 발광층) 아래에 배치(형성)되는 투명전극인 양극 전극(anode)으로 이용될 수 있다. 표면 플라즈몬 컬러필터(100)의 상부 또는 하부에 백색광원인 백라이트가 배치될 수 있다. 제1 유전체층(120)은 LiF 또는 SiO2와 같은 일반 유전체(유전물질)를 포함하거나, 또는 Al2O3, MgO, ZnO, ZnS, 또는 ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 전도성 산화물(투명 전도성 산화물)인 유전체를 포함할 수 있다. 제1 유전체층(120)에 포함된 유전체는 그 종류에 따라 굴절률이 다르다(예를 들어, ITO의 경우 평균 굴절률은 2.0이다). 따라서 제1 유전체층(120)의 유전체의 종류를 선택하여 제1 유전체층(120)을 형성하는 것에 의해 컬러필터(100)를 투과하는 빛의 투과 파장 대역이 결정될 수 있다.
제1 유전체층(120)의 두께는 예를 들어 10(nm)이상이고 1000(nm)이하일 수 있다.
제2 유전체층(110)은 LiF 또는 SiO2와 같은 일반 유전체를 포함하거나, 또는 Al2O3, MgO, ZnO, ZnS, 또는 ITO(Indium Tin Oxide)과 같은 전도성 산화물(투명 전도성 산화물)을 포함할 수 있다. 제2 유전체층(110)에 포함된 유전체는 그 종류에 따라 굴절률이 다르다. 따라서 제2 유전체층(110)의 유전체의 종류를 선택하여 제2 유전체층(110)을 형성하는 것에 의해 컬러필터(100)를 투과하는 빛의 투과 파장 대역이 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제1 유전체층(120)에 포함된 유전물질과 제2 유전체층(110)에 포함된 유전물질은 예를 들어 전도성 산화물로 서로 동일할 수 있다. 제1 유전체층(120)의 물질과 제2 유전체층(110)의 물질을 동일하게 하여 투과 파장 대역을 일치시킴으로써 표면 플라즈몬에 의한 투과효율 증가 현상을 극대화할 수 있다.
컬러필터(100)는 제1 유전체층(120) 위에 배치될 수 있는 배면광원(back light)에서 나오는 백색광에서 화소 단위로 빨강, 초록, 또는 파랑 3가지 색을 추출하여 액정 디스플레이에서 컬러를 구현할 수 있도록 하는 박막 필름 형태의 광학부품일 수 있다.
컬러필터(100)는 금속 박막(115)에 일정한 주기를 갖는 나노크기의 다수개의 홀들(holes)을 형성하는 것에 의해 특정 파장의 빛만이 선택적으로 투과되도록 구조를 형성하여 색상을 필터링하는 방식을 이용한다. 즉, 컬러필터(100)는 다결정형 주기성 패턴을 가지는 금속 박막(115)에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 것에 의해 컬러필터로 동작한다.
표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상은 나노 수준의 주기적인 홀(hole) 패턴을 갖는 금속막(금속박막) 표면에 빛이 입사할 경우 특정 파장의 빛과 금속막 표면의 자유전자가 공명을 일으켜 특정 파장의 빛을 형성하는 현상을 말하며, 입사된 빛에 의해 표면 플라즈몬을 형성할 수 있는 특정 파장의 빛만이 홀(hole)을 투과할 수 있으며 나머지 빛은 모두 금속막 표면에 의해 반사 또는 흡수가 이루어진다.
표면 플라즈몬은 입사된 빛의 전기장에 의해 금속막 표면에 유도된 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자로서 금속 박막 표면에서 일어나는 자유 전자들의 집단적인 진동을 의미하고, 금속막 표면에 국부적으로 존재한다. 평평한(Planar) 금속 층의 표면에서 입사광의 전기장에 의해 여기된 플라즈몬은 금속 표면에서 전파하기 때문에 표면 플라즈몬(surface plasmon)이라 부르기도 한다.
특정 파장대역에서의 투과도 증가를 위해, 일정한 주기성을 가지는 홀 어레이 패턴을 금속막(115)에 형성하여 금속(115)과 유전체(유전물질, dielectric substance)(120) 사이의 경계면에서 발생하는 표면 플라즈몬의 효과로 특정 주파수 대역에서 홀(hole)을 투과하는 빛의 양이 극대화될 수 있다. 이 주파수 대역(표면 플라즈몬 공명 파장 대역)은 표면 플라즈몬 공명 조건에 의해 결정되는데, 금속(115)의 유전상수, 유전 물질(120)의 유전상수, 금속막(115)의 두께, 홀(hole)의 크기, 또는 홀 패턴(hole pattern)의 주기(구멍(hole)의 주기) 등에 의해 영향을 받는다.
금속(115)의 양면에서 각각 발생하는 표면 플라즈몬 모드(mode)에 따라 각 공명 파장 대역에서 모두 투과도 피크(peak) 값을 획득할 수 있으며, 이 두 가지 모드를 일치(matching)시켜줄 때 한 가지 파장 대역에서의 선택적 투과도 효과를 높일 수 있다. 따라서 금속(115) 주변은 동일한 유전 물질로 통일해주는 것이 좋을 수 있다. 기판(105)/금속(115)/유전체(120)로 표면 플라즈몬 컬러필터 구조(100)를 형성할 경우 한 가지 파장 대역에서의 선택적 투과도 효과를 높이기 위해 유전체(120)는 기판(105)의 굴절률과 동일하거나 비슷한 물질을 도포해야 하며, 기판(105) 위에 표면 플라즈몬 공명 모드의 일치를 위해 추가로 유전물질(110)을 도포(application)할 수도 있다. 추가로 유전물질(제2 유전체층)(110)을 도포하는 경우, 유전물질(제1 유전체층)(120)의 굴절률은 기판(105)의 굴절률과 동일하거나 비슷할 필요가 없고 제2 유전체층(110)의 굴절률과 제1 유전체층(120)의 굴절률은 동일하거나 비슷할 필요가 있다.
굴절률이 낮은 물질을 사용할수록 단파장 대역에서 공명을 일으킬 수 있고, 금속(115) 양면에 같은 유전물질을 이용하면 기판의 종류에 상관없이 공명 모드를 조정할 수 있으므로 표면 플라즈몬 컬러필터(100)의 설계에 유리하다. 또한 전도성 산화물을 유전물질(120)로 이용하는 경우 전극(예를 들어, 공통 전극)으로 활용할 수도 있다. 즉, 전도성 산화물인 제1 유전체층(120)은 액정표시장치의 공통 전극(common electrode)으로 이용될 수 있다.
투과대역은 표면 플라즈몬 공명 조건에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 금속 박막(12)의 평면을 따른(in-plane) 빛의 모멘텀(momentum, 운동량) 변화에 따라 표면 플라즈몬 공명조건이 변하게 되고, 투과 피크값(peak)의 위치가 이동하게 된다. 수직으로 입사하는 빛의 입사각을 변화시키면, 빛의 in-plane 성분이 변하기 때문에 공명 조건이 바뀌고, 투과 색상이 변화하는 결과를 가져온다.
빛의 모멘텀 변화는 빛의 In-plane 성분이 주기 패턴의 방향성과 일치하는 정도와도 상관관계가 있다. 주기 패턴을 이용하여 매칭(matching)(일치) 조건을 만들어 내기 위해서 홀 패턴(hole pattern)은 최소한 3개 이상의 복수개가 필요할 수 있으며 반복되는 방향성이 균일한 영역이 넓을수록 빛의 모멘텀 변화의 효과는 더 커진다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 금속 박막(115)은 부분적으로 일정한 주기성을 가지는 패턴이 전체 영역에 무작위로(randomly) 배열되어 있는 패턴이 형성되어 있다. 이 구조는 패턴의 방향성에 따른 빛의 모멘텀의 변화를 줄여 시야각에 따른 색상변화 현상을 저하(감소)시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 금속박막에 포함된 구멍(hole)의 준 주기성 패턴(금속박막의 다결정형 주기성 패턴)을 이용하는 것에 의해 주기성 패턴의 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 동시에 빛의 입사각의 변화에 대한 영향을 없앨 수 있으므로, 시야각에 따른 색상 변화문제를 해결할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다. 즉, 도 4는 도 3의 금속 박막(115)의 다른 실시예를 위에서 바라볼 때의 금속 박막의 다결정형 주기성 패턴을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 부분적으로 5x5개의 홀(hole)들(원형 구멍들)이 일정한 방향성을 가지고 가로 세로 방향으로 반복되어 있고, 이를 단위 셀(unit cell)로, 각 단위 셀이 랜덤(random)한 방향으로 산포되어 있다.
도 5는 도 4의 다결정형 주기성 패턴이 형성된 금속 박막을 포함하는 표면 플라즈몬 컬러필터에서의 빛의 입사각에 따른 빛의 투과도(transmittance)의 변화를 나타내는 그래프(graph)이다.
도 5를 참조하면, 빛의 입사각(0도(degree), 5도, 10도, 15도, 20도, 및 25도)에 따라 빛의 투과 파장 대역이 이동하지 않음을 알 수 있다. 상기 빛의 입사각은 유전체층(120)의 윗면을 기준으로 하는 수직선(법선)과 빛의 진행방향이 이루는 각을 의미한다. 위에서 첫 번째 선(line)은 빛의 입사각이 0도인 경우의 투과도를 지시(indication)한다. 빛의 입사각이 0도인 경우 입사광의 투과도가 최대가 되고 입사각이 증가할수록 투과도는 감소한다.
도 5에 도시된 바와 같이 시야각(또는 입사각)에 따라 빛의 투과량이 감소하지만, 도 1에서와 같은 빛의 투과도의 피크값(peak)이 이동하는 현상은 발생하지 않는다. 따라서 본 발명은 시야각에 따른 색상변화가 일어나지 않을 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다. 즉, 도 6은 도 3의 금속 박막(115)의 다른 실시예를 위에서 바라볼 때의 금속 박막의 다결정형 주기성 패턴을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 다결정형 주기성 패턴에 있어서, 제1 경사각(금속박막(115)의 수평선을 기준으로 하여 예를 들어 80 도(degree))의 방향을 가지고 경사지게 배치된 다수의 홀(hole)들(원형 구멍들)을 포함하는 제1 단위 셀(가장 왼쪽 영역에 있는 단위 셀)과, 제2 경사각(예를 들어 100 도(degree))을 가지고 경사지게 배치된 다수의 홀(hole)들(구멍들)을 포함하는 제2 단위 셀(제1 단위 셀 옆에 배치된 단위 셀)이 좌우방향으로 교대로 배치되어 있다.
컬러 필터의 전체 면적의 관점에서 볼 때, 도 6의 다결정형 주기성 패턴의 정렬 정도(구멍의 정렬 정도)는 도 4의 다결정형 주기성 패턴의 정렬 정도보다 더 양호하다. 따라서 도 6의 다결정형 주기성 패턴의 전체 면적 내의 패턴의 정렬 정도가 더 좋으므로, 도 6의 표면 플라즈몬 공명대역에서의 다결정형 주기성 패턴의 투과도가 도 4의 다결정형 주기성 패턴의 투과도보다 높을 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 금속 박막(115)의 다른 실시예를 설명하는 도면(평면도)이다. 즉, 도 7은 도 3의 금속 박막(115)의 다른 실시예를 위에서 바라볼 때의 금속 박막의 다결정형 주기성 패턴을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 다결정형 주기성 패턴에 있어서, 제1 경사각(예를 들어 80 도(degree))을 가지고 경사지게 배치된 다수의 홀(hole)들(원형 구멍들)을 포함하는 제1 단위 셀(가장 왼쪽이고 가장 위쪽 영역에 있는 단위 셀)과, 제2 경사각(예를 들어 100 도(degree))을 가지고 경사지게 배치된 다수의 홀(hole)들(구멍들)을 포함하는 제2 단위 셀(제1 단위 셀 옆에 배치된 단위 셀)이 좌우방향 및 상하방향으로 교대로 배치되어 있다.
컬러 필터의 전체 면적의 관점에서 볼 때, 도 7의 다결정형 주기성 패턴의 정렬 정도는 도 4의 다결정형 주기성 패턴의 정렬 정도보다 더 양호하다. 따라서 도 7의 다결정형 주기성 패턴의 전체 면적 내의 패턴의 정렬 정도가 더 좋으므로, 도 7의 표면 플라즈몬 공명대역에서의 다결정형 주기성 패턴의 투과도가 도 4의 다결정형 주기성 패턴의 투과도보다 높을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러필터는 표면 플라즈몬 공명현상으로 인한 투과 효율 향상을 통해, 안료 또는 염료를 이용한 컬러필터의 재료적 특성에 따른 낮은 투과도 문제를 해결하여 백색광원에서 발생하는 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 다결정형 주기성 패턴(poly-periodic pattern)은 표면 플라즈몬 공명 조건을 만들어 내기 위해 사용되는 주기적인 패턴에서 나타나는 시야각에 따른 색상 변화 현상을 완화 또는 제거(방지)함으로써, 액정 디스플레이(LCD) 및 유기발광디스플레이(OLED) 등과 같은 디스플레이 소자, 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서 등 컬러 필터가 사용되는 영역(분야)에서 도 1의 표면 플라즈모닉 컬러필터 구조의 대체 기술로 활용될 수 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
105: 기판
110: 제2 유전체층
115: 금속 박막
120: 제1 유전체층

Claims (7)

  1. 표면 플라즈몬 컬러필터에 있어서,
    기판;
    상기 기판 위에 형성되고, 주기적으로 배치되고 나노(nano) 크기를 각각 가지는 다수의 구멍(hole)들을 각각 가지는 적어도 두 개의 단위 셀(cell)들을 포함하는 금속 박막; 및
    상기 금속 박막 위에 형성되는 제1 유전체층을 포함하며,
    상기 단위 셀들 중 제1 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향과 상기 단위 셀들 중 제2 단위 셀에 포함된 구멍들의 배열 방향은 서로 다른 표면 플라즈몬 컬러필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 컬러필터는,
    상기 기판 및 상기 금속 박막 사이에 형성되는 제2 유전체층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 컬러필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유전체층에 포함된 유전물질과 상기 제2 유전체층에 포함된 유전물질은 서로 동일한 표면 플라즈몬 컬러필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유전체층에 포함된 유전물질 또는 상기 제2 유전체층에 포함된 유전물질은 전도성 산화물인 표면 플라즈몬 컬러필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함되는 구멍들의 개수는 적어도 9개인 표면 플라즈몬 컬러필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판인 표면 플라즈몬 컬러필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단위 셀 또는 상기 제2 단위 셀에 포함된 구멍의 주기와 구멍의 크기에 따라 상기 표면 플라즈몬 컬러필터가 필터링(filtering)하는 색상의 파장 대역이 결정되는 표면 플라즈몬 컬러필터.
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