KR101321079B1 - 금속 격자 기반의 광 파장 필터 - Google Patents

금속 격자 기반의 광 파장 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 파장 필터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 사전에 설정된 두께의 유전체로 이루어지는 코어층을 포함하는 제1 도파층; 및 상기 제1 도파층 상에 다수 개의 단위 블록이 격자 구조로 배열되는 격자층;을 구비하고, 상기 단위 블록은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 격자층의 단위 블록을 금속 재질로 형성하는 것에 의해, 종래에 많은 유전체층을 이용하던 투과형 광 파장 필터보다 훨씬 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있어, 제작 및 응용이 용이하다는 장점을 갖게 된다.

Description

금속 격자 기반의 광 파장 필터{Wavelength filter based on a subwavelength metal grating}
본 발명은 광 파장 필터에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 유전체로 형성되는 도파층 및 상기 도파층의 정면에 금속 재질로 이루어지는 금속 격자층을 구비함으로써, 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있으며, 효과적으로 중심 파장 및 대역폭 조절이 가능한 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 관한 것이다.
일반적으로 광 파장 필터는 디스플레이, 이미지센서, 색조명, 무선 광통신 등 수많은 분야에서 활용되고 있다. 종래에는 광 파장 필터로 포토레지스트에 안료를 분산시킨 용액을 기판 상에 도포하고, 이를 패터닝함으로써 각 색상의 픽셀들을 형성하는 안료형 광필터 또는 다중 박막층을 이용하는 박막층 광필터가 주로 사용되었다. 그러나 안료형 광 필터의 경우, 포토리소그라피(photolithography) 공정을 사용하기 때문에 대면적 구현이 가능하고, 열적, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 색 균일성을 확보할 수 있지만, 필터의 전달 특성이 사용되는 안료 고유의 광학적 특성에 의해서만 결정이 되며, 고색순도를 얻기 위해서는 안료의 두께를 두껍게 형성해야 하는데 두꺼워질수록 광 투과율이 감소하는 단점이 있다. 또한, 박막형 광 필터의 경우, 필터의 전달특성이 보다 자유롭게 제작되어 질 수 있으나 입사광의 입사각에 의해 전달 특성이 민감하게 변화할 수 있고, 박막의 두께에 민감하게 필터의 특성이 변화하므로, 정밀한 두께로 제작해야 하는 어려움이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근, 나노 격자 구조물을 기반으로 하는 광 파장 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노 격자 구조물 기반의 광 파장 필터는 그 전달 특성이 사용되는 물질의 광학 특성에 의존하는 안료형 광 필터와 달리 구조 파라미터를 적절히 조절하여 원하는 전달 특성을 얻을 수 있다. 이러한 나노 격자 구조물 기반의 파장 필터의 대표적인 구조에는 유전체의 굴절률을 격자 형태로 배열하는 유전체 격자층과 유전체 박막이 혼합된 구조인 도파 공진 모드(Guided mode resonance;GMR) 필터와 표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 금속 나노격자구조 기반의 광 필터가 있다. 여기서, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 금속 나노격자구조물 기반의 광 파장 필터의 경우, 특정 주기와 형태로 패터닝된 단일 금속 층으로 구현이 가능하여 그 구조가 다른 나노 격자 구조에 비하여 비교적 단순하지만, 대역폭이 넓고 조절이 어려운 단점이 있다.
한편, 도파 공진 모드를 이용한 광 파장 필터는 일반적으로 굴절률이 서로 다른 유전체가 광 파장 이하의 주기를 갖는 1차원 또는 2차원 격자 층과 일정 두께를 갖는 유전체 층들이 반복적으로 형성되는 구조로 이루어진다. 이러한 구조에 백색광이 입사되면 주기적인 나노 격자 층에 의해 회절되고, 특정 파장대역의 광만 유전체 층의 도파 모드와 일치하여 구조상에 도파되게 된다. 도파되는 광은 다시 격자층에 의해 회절되어 다른 파장들과 공진하여 투과 또는 반사하는 현상이 일어난다. 여기서, 격자 주기를 조절하면 격자층에 의해 회절되는 광의 회절 성분의 크기가 파장별로 변화하여 도파층의 도파모드와 결합되는 광파장이 바뀌게 되고, 이에 따라 공진 주파수가 바뀌게 된다. 이러한 특성을 이용하면 격자 주기의 조절을 통해 투과 또는 반사하는 광의 중심 파장을 조절할 수 있다. 하지만, 이러한 종래의 도파 공진 모드를 이용한 광 파장 필터는 투과형 광 파장 필터를 구현하는 경우, 원하는 전달 특성을 얻기 위해서 많은 층의 유전체 층이 요구되고, 그 구조 또한 복잡하여 구현에 많은 어려움이 따른다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유전체로 형성되는 도파층 및 상기 도파층의 정면에 금속 재질로 이루어지는 금속 격자층을 구비함으로써, 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있으며, 효과적으로 중심 파장 및 대역폭 조절이 가능한 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 사전에 설정된 두께의 유전체로 이루어지고 제2 굴절률을 갖는 코어층을 포함하는 제1 도파층; 및 상기 제1 도파층 상에 다수 개의 단위 블록이 격자 구조로 배열되는 격자층;을 구비하고, 상기 단위 블록은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 제1 도파층은 상기 코어층의 상부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제1 굴절률을 갖는 유전체로 이루어지는 상부 클래드 층; 및 상기 코어층의 하부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제3 굴절률을 갖는 유전체로 이루어지는 하부 클래드 층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 굴절률 및 제3 굴절률은 동일할 수 있다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록은 1차원 격자 구조 및 2차원 격자 구조 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록은 정사각형 및 직사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.또한, 상기 단위 블록은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 유전체는 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전체는 각각 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 광 파장 필터는 상기 격자층의 상부에 제2 도파층을 더 구비하며, 상기 제2 도파층은 상기 제1 도파층과 동일한 구조 및 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 격자층은 상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층과 동일한 유전체 물질로 채워넣는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 코어층은 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 코어층은 공기층의 굴절률보다 큰 제1 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 제1 도파층 및 상기 제1 도파층 정면에 배치되며 금속 재질로 이루어지는 격자층을 구비함으로써, 단위 블록들의 배열주기, 상부 클래드층 및 코어층의 두께, 코어층의 굴절률과 같은 다양한 변화 요인을 통해 중심파장을 효과적으로 조절이 가능한 광 파장 필터를 구현할 수 있다. 특히 격자층의 단위 블록을 금속 재질로 형성하는 것에 의해, 종래에 많은 유전체층을 이용하던 투과형 광 파장 필터보다 훨씬 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있어, 제작 및 응용이 용이하다는 장점을 갖게 된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 반도체 공정에 호환되는 물질을 이용하여 제작할 수 있어, 기존의 반도체 공정을 통해서 용이하게 제작이 가능하다.
본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 1차원 격자 구조로 단위 블록을 배치시킴으로써, 편광되지 않은 입사광에 대해 전기장의 방향이 단위 불록의 배열 방향과 수평한 편광 성분만을 투과시키는 광 파장 필터의 구현이 가능하게 된다. 따라서, 현재 액정 디스플레이에서 요구되는 편광판과 컬러필터의 기능을 동시에 수행할 수 있어, 액정 디스플레이의 구조를 단순화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 격자층을 2차원 격자 구조로 형성함으로써, 입사 편광에 의해 중심 파장을 변화시킬 수 있는 광 필터 소자를제작할 수 있게 있으며, 편광되지 않은 입사광이 입사하는 경우, 2개의 중심 파장을 갖는 필터를 제작할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 다른 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 투과중심파장에 대한 FDTD 시뮬레이션 결과와 수학식 1 및 2에 의해 계산된 결과를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 이용하여 컬러필터를 구현하는 경우, 광 투과 특성을 FDTD 시뮬레이션으로 나타낸 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상부 클래드층의 두께가 변화하였을 때 필터의 광 투과 특성 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 코어층의 두께에 따른 광 파장 필터의 특성 변화에 대한 시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 입사광의 편광 상태에 따른 광 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 서로 다른 경우 입사광의 편광 방향에 따른 투과 특성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터의 구조 및 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(10)는 제1 도파층(100) 및 상기 제1 도파층(100) 상에 다수 개의 단위 블록(125)이 격자 구조로 배열되는 격자층(120)을 구비하고, 상기 단위블록(125)은 금속 재질로 이루어진다. 상기 격자 구조는 1차원 격자 구조 또는 2차원 격자 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 제1 실시예는 상기 격자층(120)의 격자 구조가 1차원인 것을 특징으로 한다.
상기 격자층(120)은 다수 개의 단위 블록들이 1차원적으로 배열되는 것으로 형성된다. 이때, 상기 단위 블록(125)들은 정사각형 또는 직사각형과 같이 어떤 형태로든 형성될 수 있으나, 도 1에서와 같이 1차원 격자 구조를 형성하기 위해서는 직사각형으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 1차원 격자 구조를 갖는 다수 개의 단위 블록들은 일 방향으로 일정한 격자 주기를 갖고 배열된다. 이러한 일방향의 격자 주기를 제1 배열주기(Λ)라고 명칭한다. 상기 제1 배열주기(Λ)를 조절함으로써, 상기 광 파장 필터는 투과 대역 또는 반사 대역을 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 광 파장 필터의 투과 중심 파장을 가시광선 대역으로 설정하고자 하는 경우, 상기 제1 배열주기(Λ)는 대략 100nm ~ 500nm로 설정한다. 본 발명에서는 이러한 제1 배열주기(Λ)뿐만 아니라 후술하는 도파층(100)의 굴절률, 두께 등과 같은 변수에 의해서도 조절이 가능하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 단위블록은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu)와 같은 금속 재질로 형성된다. 이러한 금속 재질의 단위 블록을 통해 본 발명은 격자층 및 제1 도파층의 구성만으로 투과형 광 파장 필터를 구현이 가능하게 되어, 구조를 간단히 할 수 있다는 장점을 갖게 된다. 이는 금속 재질로 형성되는 격자층에서 대부분의 파장 대역을 반사시키고, 격자 주기에 해당하는 특정 파장 대역만을 투과시키기 때문에, 간단한 구조를 통해서도 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있는 것이다. 종래에는 유전체 재질의 단위 블록으로 형성되는 격자층를 이용하기 때문에, 특정한 파장 대역만을 투과시키기 위하여 투과형 광 파장 필터의 도파층에 많은 유전체층이 요구되었다. 그로 인해 광 파장 필터의 구조가 복잡하여 제작이나 응용에 어려움이 많았으나, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터는 간단한 구조를 통해서도 효과적으로 빛을 투과시킴으로써, 제작 및 응용이 용이한 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있게 된다. 하지만, 이는 투과형 광 파장 필터에만 국한된 것이 아니며, 후술하는 본 발명에 따른 광 파장 필터의 다양한 변수들을 통해 광 파장 필터의 다양한 투과 또는 반사 특성을 설계할 수 있다.
한편, 상기 제1 도파층(100)은 사전에 설정된 두께의 유전체로 이루어지는 코어층(105)을 포함한다. 상기 제1 도파층(100)은 단일의 코어층(105)만으로 이루어질 수 있으며, 또는 상기 코어층(105)의 상부 및 하부에 각각 상부 클래드층(107) 및 하부 클래드층(103)을 배치하여 구성할 수 있다. 상기 제1 도파층(100)은 광 파장 필터에 있어서, 투과되거나 반사되는 특정 파장의 빛을 제외한 나머지 다른 파장의 빛을 도파(guided)하게 된다.
도 1을 참조하면, 상기 제1 도파층(100)은 상부 클래드층(107), 코어층(105), 하부클래드층(103)으로 순차적으로 배치된다. 여기서, 상기 상부 클래드층(107) 및 하부 클래드층(103)의 제1 굴절률은 상기 코어층(105)의 제2 굴절률보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 굴절률 차이로 인하여 빛은 상기 코어층(105)에서 도파되어 진행하게 된다. 이때, 상기 코어층(105)의 제2 굴절률을 공기층의 굴절률보다 큰 값을 갖는 물질로 구성하는 경우, 상부 클래드층 및 하부 클래드층의 기능을 공기층으로 대체할 수 있다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 다른 형태를 개략적으로 도시한 것으로서, 도 2를 참조하면, 상기 제1 도파층(100)은 단일의 코어층(105)으로 구성됨을 알 수 있다. 상기 코어층(105)의 상부 및 하부에는 공기층이 항상 존재하기 때문에, 상기 코어층(105)에 비해 굴절률이 작은 공기층은 전술한 상부 클래드층 및 하부 클래드층의 역할을 대신하여 도파 모드 공진(GMR; guided mode resonance)이 가능하게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 코어층의 두께는 1 ㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 코어층의 두께를 한정짓는 것은 도파층에 하나의 도파 모드만을 형성하기 위함이다. 일반적으로 도파층에서의 도파 모드의 수는 일반적으로 코어층의 두께와 굴절률에 매우 큰 영향을 받는다. 예를 들면, 코어층의 두께가 두꺼워지거나, 굴절률이 커질수록 도파 모드의 수가 많아지게 된다. 굴절률이 매우 작은 물질을 코어층으로 사용하는 경우에는 그 두께가 두꺼워도 무방하나, 코어층의 두께는 광 파장 필터의 광 특성에 밀접한 영향을 미치므로, 공기층의 굴절률보다 큰 값의 굴절률을 갖는 도파층을 사용하는 본 발명에서는 이러한 코어층의 두께를 1 ㎛ 이하로 함으로써, 도파 모드의 수를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 상기 제1 도파층(100)의 코어층, 상부 클래드층 및 하부 클래드층은 각각 광 손실이 적은 제2 유전체, 제1 유전체 및 제3 유전체로 이루어지며, 상기 제1 유전체 내지 제3 유전체는 Si, SiC, ZnS, Aln, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 이들 중 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 유전체 및 제3 유전체는 동일한 유전체로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 동작원리에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 격자층의 제1 배열주기(Λ), 상기 제1 도파층(100)을 형성하는 물질의 굴절률, 코어층(105)의 두께에 의해 투과 중심 파장이 결정된다. 즉, 제1 도파층(100)을 형성한 후 상부의 격자층의 제1 배열주기(Λ)를 조절함으로써, 투과되는 광 파장필터의 중심 파장을 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터의 중심파장은 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 의해서 결정된다.
[수학식 1]
Figure 112012016343778-pat00001
[수학식 2]
Figure 112012016343778-pat00002
수학식 1은 제1 도파층(100)의 분산관계 공식이며, 상부 클래드층(107)과 하부 클래드층(105)의 굴절률인 제1 굴절률과 제3 굴절률이 동일한 경우에만 적용된다. Hh는 코어층(105)의 두께이며, n1은 상부 및 하부 클래드층의 제1 굴절률, n2는 코어층의 제2 굴절률이다. 또한, kn1, kn2는 각각 제1 굴절률, 제2 굴절률에서의 파장별 전파 상수이며, βw는 도파 모드의 전파 상수를 나타낸다. ρ는 TE 모드의 경우에 0 이며, TM 모드의 경우에는 1로 나타내어진다.
수학식 2는 격자층(120)에 수직 입사되는 광에 1차 회절 성분에 관한 공식이다.
Figure 112012016343778-pat00003
는 격자층(120)에 회절되는 회절 성분의 크기를 의미하며, Λ는 격자층의 제1 배열주기를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 상기 수학식 1의 도파모드의 전파 상수 βw와 수학식 2의 회절성분의 크기
Figure 112012016343778-pat00004
가 같아지는 파장에서 투과 현상이 일어나게 된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 투과중심파장에 대한 FDTD(Finite difference time domain) 시뮬레이션 결과(B1)와 상기 수학식 1 및 2에 의해 계산된 결과(A1)를 비교한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 격자층의 제1 배열주기(Λ)를 200nm에서 600nm로 변화시킴에 따라 중심파장이 300 nm에서 900 nm 까지 거의 선형적으로 변화되는 것을 볼 수 있다. 이때, 코어층(105)의 두께는 150nm, 굴절률은 1.65이다. 도 3의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 중심파장을 원하는 값으로 설정하기 위해서, 수학식 1 및 2를 통해 제1 도파층의 정면에 배치되는 격자층의 제1 배열주기를 간단하게 계산할 수 있게 된다.
예를 들면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 전술한 원리를 이용하여 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)에 해당하는 파장의 빛만을 투과시키는 컬러필터로 설계될 수 있다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 이용하여 컬러필터를 구현하는 경우, 광 투과 특성을 FDTD 시뮬레이션으로 나타낸 결과 그래프이다. 여기서, 상기 광 파장 필터를 구성하는 물질은 반도체 공정에 호환될 수 있는 물질로 설계하였다. 상기 격자층의 단위블록은 알루미늄(Al)로 형성하고, 적, 녹, 청색에 해당하는 각각의 제1 배열주기는 260nm, 330nm, 410nm이다. 또한, 상부 클래드층 및 코어층은 각각 반도체 공정에 호환되는 물질인 SiO2 및 TiO2로 형성하였으며, 그 두께는 각각 110nm, 10nm이다. 전술한 조건을 통해 도 4에 도시된 바와 같이, 적, 녹, 청색의 광 투과 특성을 나타내는 광 파장 필터를 구현할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상부 클래드층의 두께가 변화하였을 때 필터의 광 투과 특성 시뮬레이션 결과 그래프이다. 여기서, 상기 광 파장 필터는 녹색광만을 투과한다. 도 5를 참조하면, 상부 클래드층의 두께를 조절하여 광 파장 필터의 투과 대역폭을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해, 상부클래드층의 두께가 얇아질수록 광파장필터의 투과 대역폭이 좁아진다.
또한, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 코어층의 두께에 따른 광 파장 필터의 특성 변화에 대한 시뮬레이션 그래프이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 코어층의 두께가 두꺼워질수록 중심파장이 길어짐을 알 수 있으며, 제0번째 모드(zeroth mode)와 더불어 굴절 모드(diffracted mode) 또한 형성됨을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 제1 도파층 및 상기 제1 도파층 정면에 배치되며 금속 재질로 이루어지는 격자층을 구비함으로써, 단위 블록들의 배열주기, 상부 클래드층 및 코어층의 두께, 코어층의 굴절률과 같은 다양한 변화 요인을 통해 중심파장을 효과적으로 조절이 가능한 광 파장 필터를 구현할 수 있다. 특히 격자층의 단위 블록을 금속 재질로 형성하는 것에 의해, 종래에 많은 유전체층을 이용하던 투과형 광 파장 필터보다 훨씬 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있어, 제작 및 응용이 용이하다는 장점을 갖게 된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 반도체 공정에 호환되는 물질을 이용하여 제작할 수 있어, 기존의 반도체 공정을 통해서 용이하게 제작이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 구조에 따라 입사하는 광의 편광 상태에 따른 전달 특성을 달리할 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록(125)의 배열 방향과 수직인 입사광을 TE 편광이라 하고, 수평한 입사광은 TM 편광이라 한다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 입사광의 편광 상태에 따른 광 투과 특성을 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 제1 실시예에 따른 광 파장 필터에 있어서, TE 편광은 대부분 차단하고, TM 편광에 대해서만 투과함을 알 수 있다. 이때, 적, 녹, 청색의 중심파장에 해당하는 제1 배열주기는 각각 405 nm, 365 nm, 290 nm이며, 코어층의 두께와 제2 굴절률은 100 nm와 2 이며, 상부 및 하부 클래드층의 두께와 굴절률은 110 nm와 1.5이다. 이러한 특성을 이용하면 편광되지 않은 입사광에 대해 전기장의 방향이 단위 불록(125)의 배열 방향과 수평한 편광 성분만을 투과시키는 광 파장 필터의 구현이 가능하게 된다. 이러한 구조를 갖는 본 발명에 따른 광 파장 필터를 통해, 현재 액정 디스플레이에서 요구되는 편광판과 컬러필터의 기능을 동시에 수행할 수 있어, 액정 디스플레이의 구조를 단순화시킬 수 있다.
제2 실시예
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 제1 도파층(200) 및 상기 제1 도파층(200) 상에 다수 개의 단위 블록(225)이 격자 구조로 배열되는 격자층(220)을 구비하고, 상기 단위블록(225)은 금속 재질로 이루어진다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 상기 격자층(120)의 격자 구조가 2차원인 것을 제외하고는 제1 실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 상기 격자층의 단위블록을 2차원 구조로 배열하는 것을 특징으로 한다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터는 x 방향과 y 방향으로 2가지 배열주기를 갖으며, x 방향의 배열주기를 제1 배열주기(Λx), y 방향의 배열주기를 제2 배열주기(Λy)라 명칭한다. 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기는 같을 수 있으며, 다른 값을 가질 수도 있다.
여기서, 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기가 같은 경우에 상기 광 파장 필터는 입사광의 편광 성분과 무관한 편광 특성을 갖는다. 일반적인 광 파장 필터는 입사 편광과 무관한 투과 특성이 요구되어지는 경우가 많다. 이러한 경우 전술한 제1 실시예에 따른 광 파장 필터는 1차원 구조로 단위 블록을 배열하기 때문에, 특정 방향의 편광 성분을 차단하게 되어 투과 대역의 효율이 50 % 떨어지게 된다. 반면, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 동일한 제2 실시예에 따른 광파장필터는 모든 방향의 편광에 대해 동일한 투과 특성을 갖기 때문에 보다 높은 투과 효율을 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기가 다른 경우에는, 입사광의 편광 방향에 따라 광파장 필터의 투과 중심파장을 변화시킬 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 편의상 전기장의 방향이 x 방향으로 편광된 입사광은 x 편광, y 방향으로 편광된 입사광은 y 편광이라 명칭한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터(20)는 x 편광이 상기 광 파장 필터로 입사하는 경우 제1 배열주기(Λx)에 의해 중심 파장이 결정 되며, y 편광이 상기 광 파장 필터로 입사하는 경우 제2 배열주기(Λy)에 의해 중심 파장이 결정된다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 서로 다른 경우 입사광의 편광 방향에 따른 투과 특성을 나타낸 도면이다. 여기서, 코어층(205)의 두께와 굴절률은 100 nm와 2이며, 상부 및 하부 클래드층의 두께와 굴절률은 110 nm와 1.5이다. 도 9의 (a)에서의 제1 배열주기 및 제2 배열주기는 각각 405 nm, 290 nm 이며, 도 9의 (b)에서의 제1 배열주기 및 제2 배열주기는 각각 405 nm, 365nm 이다. 도 7을 참조하면, 제1 실시예에서 제1 배열주기가 405 nm, 290 nm 인 경우, 중심파장이 620 nm, 470 nm 임을 알 수 있다. 이를 참고하여, 도 9를 참조하면, 제1 배열주기(Λx)가 405 nm이고, x 편광이 입사하는 경우 x 방향의 제1 배열주기의 영향을 받아 중심 파장이 620 nm가 됨을 알 수 있다. 또한, y 편광이 입사하는 경우, y 방향의 제2 배열주기(Λy) 280 nm의 영향을 받아 중심파장이 470 nm가 된다.
전술한 특성을 이용하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 격자층을 2차원 격자 구조로 형성함으로써, 입사 편광에 의해 중심 파장을 변화시킬 수 있는 광 필터 소자를제작할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터는 편광 되지 않은 입사광이 입사하는 경우, 2개의 중심 파장을 갖는 필터를 제작할 수 있으며, 이때, 2개의 중심파장은 서로 수직하는 편광 성분을 갖게 된다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터는 제1 도파층(200) 정면에 배치된 격자층(220)의 상부에 제2 도파층(240)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 제2 도파층(240)은 제1 도파층(200)과 동일한 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 격자층(220)은 상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층(207)과 동일한 유전체 물질로 채워넣을 수 있다.
이러한 구조의 광 파장 필터는 상기 격자층의 상부 하부에 제2 도파층 및 제1 도파층을 각각 배치시킴으로써, 투과 중심 파장을 제외한 나머지 다른 파장에 대해서 더욱 확실하게 도파시킬 수 있게 되어, 특정 중심 파장만을 투과 또는 반사하게 되는 필터로서의 효율을 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 특정 파장을 투과하거나 반사해야 하는 모든 분야에 적용이 가능하다. 특히, 컬러필터로서 다양한 디스플레이 분야에 응용이 가능하다.
10, 20 : 광 파장 필터
100, 200 : 제1 도파층
103, 203 : 하부 클래드 층
105, 205 : 코어층
107, 207 : 상부 클래드 층
120, 220 : 격자층
125, 225 : 단위 블록
240 : 제2 도파층

Claims (12)

  1. 제1 도파층; 및
    상기 제1 도파층 상에 다수 개의 단위 블록이 격자 구조로 배열되는 격자층;
    을 구비하고,
    상기 단위 블록은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 도파층은
    사전에 설정된 두께의 제2 유전체로 이루어지고, 제2 굴절률을 갖는 코어층;
    상기 코어층의 상부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제1 굴절률을 갖는 제1 유전체로 이루어지는 상부 클래드 층; 및
    상기 코어층의 하부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제3 굴절률을 갖는 제3 유전체로 이루어지는 하부 클래드 층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 굴절률 및 제3 굴절률은
    동일한 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
    1차원 격자 구조 및 2차원 격자 구조 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
    정사각형 및 직사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
    알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제2 유전체는
    Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전체는
    각각 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 광 파장 필터는
    상기 격자층의 상부에 제2 도파층을 더 구비하며,
    상기 제2 도파층은 상기 제1 도파층과 동일한 구조 및 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 격자층은
    상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층과 동일한 유전체 물질로 채워넣는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 코어층은
    1㎛ 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 코어층은
    공기층의 굴절률보다 큰 제1 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.

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