KR101382890B1 - 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기는 기판층, 상기 기판층의 상부에 적층된 제1전극층, 상기 제1전극층의 상부에 적층된 전기광학층, 및 상기 전기광학층의 상부에 형성된 제2전극층으로 구성되되, 상기 전기광학층은 유기 고분자 재질을 LB 법에 의하여 나노 두께로 복수 회 적층하여 형성되고, 상기 제1전극층과 제2전극층을 통해 변조 전압을 인가할 경우 전기 광학 효과를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기는 고분자 재질을 이용하여 기판 상에 형성되는 전기광학층을 LB 법을 이용하여 구조적으로 안정된 나노 두께의 결정체로 구성하는 방식이기 때문에 전기 광학 특성이 우수함은 물론 상기 전기 광학 특성이 시간에 따라 감쇠하는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Description

나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기 및 그 제조방법{An Electro-Optic Modulator using Nano thin film and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 재질을 이용하여 기판 상에 형성되는 전기광학층을 종래의 스핀코팅-극화 방법을 대체하여 LB 법에 의하여 구조적으로 안정된 나노 두께의 결정체로 형성함으로써 전기 광학 특성이 우수함은 물론 상기 전기 광학 특성이 시간에 따라 감쇠하는 현상을 방지할 수 있는 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 광학 효과(electro-optic effect)라 함은 외부에서 전계를 인가할 경우 매질의 굴절률이 변화되어 매질을 투과하거나 매질에 의해 반사되는 광의 세기를 변화시키는 현상을 말하며, 상기 전기 광학 효과를 나타내는 매질은 통상 비선형 광학(NLO, nonlinear optic) 재질에 속한다.

이러한 전기 광학 효과는 광을 제어하는 광통신, 광신호처리 및 고밀도 저장 장치 등에 사용되는 여러 가지 형태의 광전자 소자로 응용되고 있는데, 그 대표적인 예가 입사되는 광의 위상 및 세기를 변조하는 전기 광학 변조기이다.

종래에는 상기 비선형 광학 재질로서 InGaAsP, LiNbO₃와 같은 무기 결정들을 주로 사용하였는데, 이와 같이 무기 비선형 광학 재질을 이용한 전기 광학 변조기는 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.

그러나, 상기 무기 비선형 광학 재질의 경우 재료 성장 및 소자의 가공성이 좋지 않고 전기 광학 계수가 낮기 때문에 대역폭이 큰 전기 광학 변조기에 적용되기 곤란한 문제점이 있었다.

따라서, 최근에는 무기 비선형 광학 재질보다 재료 가공성이 우수하고 전기 광학 계수가 큰 기능성 고분자로 이루어진 유기 비선형 광학 재질에 관한 연구가 수행되고 있는데, 이러한 유기 비선형 광학 재질의 경우 비선형 특성을 위해서는 매질이 비중심 대칭 구조를 가질 것이 요구된다.

이를 위하여 유기 비선형 광학 재질을 이용한 종래의 전기 광학 변조기는 기판 위에 상기 유기 비선형 광학 재질을 스핀코팅(spin-coating) 방식으로 코팅한 후 유기 매질내에서 불규칙하게 배열된 쌍극자를 퀴리온도(Curie temperature) 이상으로 가열하고 강한 DC 전기장을 인가함으로써 상기 쌍극자를 일정한 방향으로 배열시키는 극화(poling) 과정을 거치게 되는데, 상기 극화 과정에 의해 배열된 쌍극자들은 시간이 지남에 따라 열적 요동에 의하여 원래의 무질서 상태로 다시 이완되는 문제점이 있다.

이러한 유기 비선형 광학 재질의 문제점을 해결하기 위하여 분자들의 가교화나 내부 전기장을 이용하는 방법 등 많은 노력들이 시도되었으나 아직 산업적 요구에는 미흡한 수준이며, 따라서 상기 쌍극자 배열의 이완을 억제하기 위한 획기적인 해결방안이 절실히 요구되고 있다.

[문헌 1] 한국공개특허 제2004-0003099호(2004년 1월 13일 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고분자 재질을 이용하여 기판 상에 형성되는 전기광학층을 종래의 스핀코팅-극화 방법을 대체하여 LB 법에 의하여 구조적으로 안정된 나노 두께의 결정체로 형성함으로써 전기 광학 특성이 우수함은 물론 상기 전기 광학 특성이 시간에 따라 감쇠하는 현상을 방지할 수 있는 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기는 기판층, 상기 기판층의 상부에 적층된 제1전극층, 상기 제1전극층의 상부에 적층된 전기광학층, 및 상기 전기광학층의 상부에 형성된 제2전극층으로 구성되되, 상기 전기광학층은 LB 법에 의하여 고분자 재질의 단층막을 복수 회 적층하여 나노 두께로 형성되고, 상기 제1전극층과 제2전극층을 통해 변조 전압을 인가할 경우 전기 광학 효과를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고분자는 P(VDF-TrFE)이고, 상기 전기광학층의 두께는 5 내지 15층의 단층막이 적층된 두께인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1전극층과 전기광학층의 사이 또는 상기 전기광학층과 제2전극층의 사이 중 적어도 어느 한 부분에는 변조 전압을 인가할 경우 전기적 단락을 방지하기 위한 절연층이 더 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연층은 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄) 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기의 제조방법은 기판층에 적층된 제1전극층의 상부에 LB 법에 의하여 P(VDF-TrFE) 고분자 재질의 단층막을 복수 회 적층하여 나노 두께의 전기광학층을 형성하는 제1단계와, 상기 전기광학층의 상부에 제2전극층을 형성하는 제2단계를 포함하되, 상기 전기광학층은 제1전극층과 제2전극층을 통해 변조 전압을 인가할 경우 전기 광학 효과를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1단계에서 전기광학층을 형성하기 이전에 상기 제1전극층의 상부에 절연층을 형성하는 공정 또는 상기 제2단계에서 제2전극층을 형성하기 이전에 상기 전기광학층의 상부에 절연층을 형성하는 공정 중 적어도 어느 하나의 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기는 고분자 재질을 이용하여 기판 상에 형성되는 전기광학층을 LB 법을 이용하여 구조적으로 안정된 나노 두께의 결정체로 구성하는 방식이기 때문에 전기 광학 특성이 우수함은 물론 상기 전기 광학 특성이 시간에 따라 감쇠하는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기의 구성 및 제조방법을 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명에서 적용한 LB 법으로 형성된 LB 막의 표면적에 따른 표면압을 측정하기 위한 시스템을 나타낸 도면,
도3은 도2의 시스템을 이용하여 구한 LB막의 면적-표면압 관계 곡선,
도4는 본 발명에 따른 전기광학층을 기판 상에 증착하는 방법을 나타낸 도면,
도5는 도2의 시스템을 이용하여 복수 층의 LB막을 기판에 증착하는 방법을 나타낸 도면,
도6a와 도6b는 각각 본 발명에 따른 전기 광학 변조기의 전기광학계수를 측정하기 위한 장치구성 및 변조 전압 인가방식을 나타낸 도면, 및
도7은 본 발명에 따른 전기 광학 변조기의 전기광학층 두께에 따른 전기광학계수의 측정결과를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기(1)는 기판층(10), 상기 기판층(10)의 상부에 적층된 제1전극층(20), 상기 제1전극층(20)의 상부에 적층된 전기광학층(30), 상기 전기광학층(30)의 상부에 적층된 절연층(40), 및 상기 절연층의 상부에 적층된 제2전극층(50)을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 전기 광학 변조기(1)는 기판층(10)의 하부면을 통해 입사되는 입사광을 제2전극층(50)에 의해 반사시키는 과정에서 상기 전기광학층(30)의 전기 광학 효과에 의하여 반사광을 변조시키는 기능을 수행한다.

이때, 상기 기판층(10)은 입사광이나 반사광이 투과될 수 있도록 유리 기판이나 사파이어 기판 등과 같이 투명한 재질로 구성되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 기판층(10)을 유리 기판으로 구성하였다.

또한, 상기 제1전극층(20)도 입사광이나 반사광이 투과될 수 있도록 ITO층, ZnO층 또는 AZO층과 같은 투명 전극층으로 구성되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 제1전극층(20)을 ITO층으로 구성하였다.

또한, 상기 전기광학층(30)은 전기광학 효과를 가지는 유기 비선형 광학 재질인 기능성 폴리머로 구성되는데, 본 실시예에서는 상기 전기광학층(30)이 시간에 따른 전기 광학 계수의 완화 현상이 매우 적은 견고한 비중심 대칭구조를 유지할 수 있도록 하기 위하여 구조적으로 안정된 나노 결정체를 이용하여 상기 전기광학층(30)을 구성하였다.

구체적으로는, 본 발명에 따른 전기 광학 변조기(1)는 종래 기술에 따른 스핀 코팅 및 극화 과정을 대체하여 후술하는 바와 같이 Langmuir-Blodgett(이하, 'LB'라 함) 방법을 이용하여 상기 전기광학층(30)을 형성하였다.

또한, 본 실시예에서는 상기 전기광학층(30)을 형성하기 위한 기능성 고분자로서 [PVDF](poly (vinylidene fluoride))라는 결정성 고분자에 [TrFE] (trifluoroethylene)가 일정 비율로 혼합된 공중합 고분자인 P(VDF-TrFE)를 이용하였다.

상기 P(VDF-TrFE)는 강유전성 고분자로서 다른 강유전성 고분자보다 큰 정전용량을 가지기 때문에 고성능 커패시터의 제작에 사용될 수 있으며, 압전 특성과 초전 특성을 동시에 가지고 있어서 압전 변환기나 적외선 센서로 유용하게 사용될 수 있으며, 전기 편극에 대한 이력곡선의 쌍안정성을 가지고 있어서 비휘발성 메모리 소자로도 이용될 수 있는 특징을 가진다.

한편, 상기 절연층(40)은 나노 두께로 형성되는 전기광학층(30)의 미세한 결함으로 인하여 제1전극층(20)과 제2전극층(50) 사이에 전기적 단락이 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로서 본 실시예에서는 일예로서 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄)를 이용하여 구성하였다.

또한, 상기 제2전극층(50)은 후술하는 바와 같이 제1전극층(20)과 전기적으로 연결되어 상기 전기광학층(30)에 전계를 인가하여 전기 광학 효과를 발생시키기 위한 것으로서 입사광의 반사를 위하여 금, 은, 동, 알루미늄 등의 단일 금속 또는 이들의 합금으로 구성되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 제2전극층(50)을 알루미늄 전극으로 구성하였다.

이하에서는 상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기의 제조방법에 관하여 도1을 참조하여 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.

(제1단계 : 시료 준비단계)

먼저, 전술한 제1전극층(20)이 상부에 적층된 기판층(10)(이하, '기판'이라 한다.)을 마련하고 상기 기판의 유기물을 제거하기 위하여 유기 클리닝(cleaning)을 수행한다.

이때, 상기 유기 클리닝이란 증류수 초음파 세척(약 5분), 아세톤 보일링(boiling)(약 5분), 증류수 초음파 세척(약 5분)을 순차적으로 수행하는 것을 의미한다.

또한, 상기 전기광학층(30)을 LB 방법으로 형성하기 위한 시료를 준비하는데, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 Solvay사의 강유전성 고분자인 P(VDF-TrFE)(70:30, mol%)을 극성 용매인 DMSO(dimethyl sulfoxide)에 무게비 0.05wt%로 혼합하여 제작하였다.

이때, 상기 시료의 충분한 교반을 위하여 마그네틱 바(magnetic bar)를 이용한 24시간 이상의 교반 과정과, 교반된 시료의 불순물 제거를 위하여 0.2㎛ PVDF 실린지 필터(syringe filter)를 이용한 1회 이상의 필터링 과정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1단계에서는 후술하는 바와 같이 LB법에 의하여 전기광학층(30)를 적층하기 위한 시스템에 대한 준비도 이루어지는데, 본 실시예에서는 상기 시스템으로서 Apex사의 LB 트로프(trough)를 사용하였다.

LB 방법은 양친매성 분자들을 수면상에 분산한 후 물리적인 방법으로 압축하여 유기 단분자막을 형성하고 상기 유기 단분자막을 고체 기판 위에 한층씩 전이시켜 단층 또는 다층의 박막을 제조하는 방법을 의미하는데, 이와 같이 LB 방법에 의하여 제조된 유기 박막을 LB 막이라고 한다.

상기 LB 방법은 이미 공지된 기술이기 때문에 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 LB 방법은 단층막의 정확한 두께 조절이 용이하고 넓은 면적 위에 균일한 단층막을 형성할 수 있으며, 여러 층을 쌓을 경우 다층막 형성도 가능하다.

한편, 본 실시예에서 사용한 LB 트로프는 테프론 재질로 이루어지고 수면 위에 뿌려진 분자들의 단층막을 형성하기 위한 단일 베리어(single barrier)를 갖춘 장비이다.

또한, 상술한 방법으로 형성된 유기 단층막을 기판에 증착하기 위한 디퍼(dipper)가 설치되어 있으며, 물 표면의 표면압 변화를 측정하기 위하여 백금으로 제작한 Wilhelmy plate가 전자저울에 연결되어 있는데 상기 형성된 LB 막의 표면적에 따른 표면압을 측정하기 위한 구체적인 구성을 도2에 도시하였다.

상기 LB 트로프는 스테핑 모터로 구동하며 모든 시스템은 컴퓨터와 시리얼 통신을 통해 연결되고 HP VEE 프로그램을 이용하여 제어된다.

상기 제1단계에서는 이와 같이 구성된 상기 LB 트로프에 DI 워터(18.2㏁)를 채우고 흡입기(aspirator)를 이용하여 DI 워터에 있는 먼지를 제거한 후, 상기 LB 프로프의 내부 온도를 약 25℃ 정도로 유지한다.

(제2단계 : LB 막 형성 및 열처리 단계)

상기 제1단계의 시료 준비단계가 완료되면 필터링된 상기 P(VDF-TrFE) 시료를 마이크로 피펫으로 상기 DI 워터 위에 살포하게 되는데, 본 실시예에서는 1분당 100 ㎕씩 총 3㎖를 LB 트로프 전체 면적에 균일하게 살포하고, 시료에 포함된 용매(DMSO)를 증발시키기 위하여 약 2시간 내외의 안정화 시간을 가진다.

한편, LB 막을 형성하기 위해서는 수면상에 분자들이 분산되었을 때 분산된 분자들의 한 분자당 2차원적 점유 면적(A)과 표면압(Π)의 관계를 측정하여야 하는데, 이를 위하여 상기 안정화 시간이 완료되면 LB 트로프 위의 베리어를 0.5㎜/s의 속도로 밀어 표면압이 5dyne/㎝가 되도록 하는 과정(compression 과정)과 다시 베리어를 원위치로 복귀시키는 과정(expansion 과정)을 Π-A 관계 곡선이 일정하게 구해질 때까지 반복한다.

상술한 압축 과정(compression 과정)과 확장 과정(expansion 과정)을 반복하여 도3에 도시한 바와 같은 Π-A 관계 곡선을 얻을 수 있는데, 이로부터 DI 워터 위에 안정된 LB 막이 형성되었음을 알 수 있다.

즉, 일반적으로 P(VDF-TrFE)와 같은 고분자는 양친매성 물질은 아니기 때문에 수면 위에 LB 막을 형성하기 어려우나, 상기 반복적인 Π-A 관계 곡선을 확인함으로써 수면 위에 안정된 LB 막이 형성되었음을 알 수 있게 된다.

이와 같이 안정된 LB 막이 형성되면 이를 기판(10,20)(즉, 제1전극층이 적층된 기판층)에 증착시키게 되는데, 본 실시예에서는 도4에 도시한 바와 같은 수평전이(Langmuir-Schaefer) 방법을 사용하였다.

또한, 상술한 바와 같이 LB 막의 적층이 완료되면 결정화를 위한 열처리 과정을 수행하게 되는데, 상기 열처리 과정은 오븐에서 135℃로 2시간 동안 열처리를 하고 1℃/min의 속도로 상온까지 자연 냉각시키는 방식으로 이루어진다.

본 실시예에서는 상기 LB 막의 적층시 기판을 약간 기울여서 DI 워터 위의 LB 막을 0.05㎜/s의 속도로 상기 기판(10,20)에 복수 개의 층을 반복하여 증착하는데, 이 경우 1개 층의 두께는 약 1.5 내지 2.5nm 내외이다.

즉, 상기 P(VDF-TrFE)의 경우 화학적 구조의 측면에서는 이론적으로 고분자 1개 층의 두께가 0.5nm이나, LB 법에 의하여 형성되어 실제 기판에 증착되는 LB 막은 상기와 같은 고분자 몇 개층(일예로서, 3개 층)이 단일층 박막(이하, 단층막이라 함)을 구성하게 된다.

상기와 같이 구성된 P(VDF-TrFE) 재질로 이루어진 LB 단층막의 경우 그 두께가 나노 수준으로 워낙 얇기 때문에 동일한 방식에 의하여 형성된 경우 동일한 두께를 가질 것으로 예상됨에도 불구하고, 측정 오차 등에 의하여 그 두께가 1.5 내지 2.5.nm의 범위를 가지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 불명확한 측정 오차를 배제하기 위하여 전기광학층(30)(즉, LB 막)의 두께는 상기 단층막의 적층 횟수를 기준으로 설명하기로 하며, 이는 본 출원의 전체 명세서에 동일하게 적용되는 개념이다.

한편, 상기 증착시에는 도5에 도시한 바와 같이 단층막(즉, 안정된 LB 막)을 제조한 후 X-Y 스테이지를 구동하여 상기 기판(10,20)을 각각의 단층막에 순차적으로 이동시키면서 증착시키게 된다.

본 실시예에서는 상기 전기광학층(30)의 전기 광학 계수가 가장 우수한 최적 두께를 구하기 위하여 단층막의 적층 횟수(즉, 전기광학층의 두께)를 1개 층에서 45개 층까지 변화시키면서 샘플을 제작하였다.

이와 같이 본 발명에 의하여 생성된 전기광학층(30)은 수 내지 수십 nm의 두께를 가지는 것이기 때문에 상기 전기광학층이 통상 수 ㎛의 두께로 형성되는 종래의 유기 전기광학변조기와 대비할 때 상대적으로 매우 낮은 전압으로 구동될 수 있다는 장점이 있다.

즉, 일반적으로 전기 광학 효과를 위하여 전기장을 걸어줄 때 E(전기장)=V(인가전압)/d(전기광학층 두께)의 관계가 성립하기 때문에 종래 기술에 따른 유기 전기광학변조기의 경우 인가되는 전압이 높아야 하나, 본 발명에 따른 전기광학변조기의 경우 전기광학층의 두께가 nm 수준으로 매우 얇게 형성될 수 있기 때문에 상대적으로 매우 낮은 전압에 의한 구동이 가능하게 되는 것이다.

(제3단계 : 절연막 및 상부 전극 형성 단계)

상술한 바와 같이 제1전극층(20)의 상부에 전기광학층(30)을 LB 법에 의하여 형성시킨 후에는 그 상부에 절연층(40)과 제2전극층(50)을 순차적으로 형성하게 된다.

이때, 상기 절연층(40)은 제1전극층(30)과 제2전극층(50)에 전원을 인가하여 상기 전기광학층(30)에 전기 광학 효과를 발생시키는 경우에 전기적인 단락을 방지하기 위한 것이다.

본 실시예에서는 스퍼터(sputter)를 이용하여 상기 절연층(40)을 형성하였으며, 그 재질은 전술한 바와 같이 실리콘 나이트라이드를 사용하였으며 증착 두께는 약 5nm로 구성하였다.

또한, 알루미늄으로 이루어지는 상기 제2전극층(50)은 진공열 증착을 이용하여 약 200nm의 두께로 증착하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 제조방법으로 제작된 본 발명에 따른 전기 광학 변조기의 전기광학층(30)의 두께에 따른 성능을 시험하기 위하여 도6a와 도6b와 같이 구성한 측정시스템을 이용하여 전기광학계수를 측정하였으며, 그 결과를 도7에 도시하였다.

본 실시예에서는 전기 광학 변조에 의하여 s-파와 p-파 사이의 광학적 위상 변화를 측정하는 방법인 단순 반사법을 이용하여 상기 전기광학계수를 측정하였다.

광원으로는 He-Ne 레이저를 사용하였으며, 레이저 빔은 기판층(10), 제1전극층(20), 전기광학층(30), 절연층(40)을 통과하여 상기 제2전극층(50)에 45˚로 입사된 후 제2전극층(50)에서 반사되어 나오게 된다.

또한, 입사빔의 편광 방향은 전기장의 p편광 성분과 s편광 성분의 크기를 같게 하기 위하여 Glan-Thompson 편광기를 사용하여 45˚로 설정하였다.

상술한 바와 같이 제2전극층(50)에서 반사된 빔은 전기광학층(30)의 분자 구조에 의하여 p편광과 s편광에 대한 굴절률이 다르기 때문에 두 파 사이에 위상지연이 발생하게 되는데, 장치의 구성 중 위상을 제어하는 광학 소자인 솔레일-바비넷 보상기(Soleil-Babinet compensator)는 p편광 성분과 s편광 성분 사이의 위상차를 90˚가 되도록 조절하여 보상기를 통과한 후의 빔이 원형 편광으로 바뀌도록 한다.

이때, 상기 전기광학층(30)에 변조 전압을 인가하면 상기 원형 편광이 타원 편광으로 변조되며, 이러한 편광상태의 변조를 광의 세기 변조로 바꾸기 위하여 검광자를 사용한다.

상기 검광자를 통과한 빔은 검출기를 통해 미세 신호 증폭기(lock-in amplifier)와 오실로스코프(oscilloscope)에 의해 광의 세기 변조를 측정하게 된다.

상술한 바와 같은 방법으로 상기 변조 전압을 인가할 때 측정되는 전기광학층(30)의 전기광학계수 r₃₃은 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

이때, 상기 λ는 광원의 파장, θ는 입사각(즉, 45˚), V_m은 인가된 변조 전압의 진폭, n은 매질의 굴절률(즉, 1.42), I_c는 보상기를 조절하였을 때 레이저 빔의 DC성분 세기의 1/2값, I_m은 변조된 빔의 진폭이다.

상술한 바와 같은 방식으로 전기광학층(30)의 두께에 따른 전기광학계수를 측정한 결과 상술한 단층막의 적층 횟수가 5층 내지 15층인 두께에서 전기광학계수가 매우 높게 나타났으며, 더욱 구체적으로는 9개 내지 10개 층의 적층 두께에서 전기광학계수가 가장 높고 그 이상의 두께에서는 서서히 전기광학계수가 감소하는 것으로 나타났다.

즉, 상기 전기광학층(30)의 두께가 상술한 단층막이 9개 내지 10개 적층된 두께인 경우를 그 이상의 두께인 경우와 비교할 때, 상기 9개 층 내지 10개 층 두께인 경우 분자수가 더 적음에도 불구하고 오히려 전기광학계수는 더 높게 나타나는 결과가 나타났는데 그 이유는 다음과 같이 분석될 수 있다.

일반적으로 전기광학층을 구성하는 매질의 두께가 nm 수준으로 매우 얇은 경우에는 두께가 얇아질수록 비선형을 일으키는 분자수(즉, 쌍극자수)가 비례적으로 작아지기 때문에 전기 광학 효과가 낮아지게 되는 것이 일반적이지만, 본 발명에서 적용하고 있는 P(VDF-TrFE)의 경우 나노 박막 두께의 변화에 따라 특이한 결정구조를 나타내는 특징이 있다.

이를 상세히 살펴보면, 상기 P(VDF-TrFE)의 경우 단층막의 적층 두께에 따라 결정구조가 2차원 막 구조에서 3차원 벌크 구조로 변화되는데, 상기 2차원 구조일 경우 3차원 구조에서는 나타나지 않는 매우 안정된 구조인 나노메사, 나노웰과 같은 나노구조를 가지게 된다.

이와 같은 상기 P(VDF-TrFE)의 2차원 나노 구조는 상대적으로 매우 큰 전기광학계수를 나타냄과 동시에 결정구조가 매우 안정적이어서 비선형성이 시간의 경과에 따라 감쇠되지 않는 특징을 가지게 된다.

따라서, 상기 P(VDF-TrFE) 재질로 된 LB막의 경우 2차원 나노구조를 유지하면서 쌍극자의 수가 최대가 되는(즉, 2차원 구조와 3차원 구조의 경계가 되는) 최적 두께가 존재할 것임을 예상할 수 있다.

본 실시예에서는 이와 같은 P(VDF-TrFE) 재질로 된 LB막의 특성을 이용한 것으로서 전기광학층(30)의 두께에 따른 전기광학계수를 측정하여 상기 최적 두께를 실험적으로 확인하였다.

그 결과 상술한 바와 같이 상기 전기광학층(30)의 두께가 5 내지 15층의 단층막이 적층된 두께일 때 전기광학효과가 우수한 것으로 나타났으며, 더욱 바람직하게는 상기 전기광학층(30)의 두께가 9 내지 10층의 단층막이 적층된 두께일 때 전기광학효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.

이때, 상기 전기광학층(30)의 두께가 9 내지 10층의 단층막이 적층된 두께일 때가 상기 P(VDF-TrFE) 재질로 된 LB막이 2차원 나노구조를 유지하면서 쌍극자의 수가 최대가 되는(즉, 2차원 구조와 3차원 구조의 경계가 되는) 최적 두께임을 알 수 있다.

한편, 종래의 전기 광학 변조기의 경우 상기 전기광학층(30)의 두께가 과도하게 얇을 경우(일예로서, 약 15층의 단층막이 적층된 두께 이하) 상기 제1전극층(20)과 제2전극층(50)을 통하여 전원을 인가할 경우 전기적 단락이 발생되기 때문에 본 실시예에서 확인한 최적 두께를 가지는 전기광학층(30)을 형성하기 곤란한 문제점이 있었다(나아가, 상기 최적 두께의 전기광학층에 대한 전기광학계수의 측정도 제대로 이루어질 수 없었음).

그러나, 본 발명의 경우 전기광학층(30)과 제2전극층(50) 사이에 절연층(40)을 형성함으로써 상술한 바와 같은 전기적 단락 현상을 방지할 수 있었으며, 이로 인하여 전기광학계수가 최대가 되는 상기 전기광학층(30)의 최적 두께를 구현할 수 있었다.

한편, 본 실시예에서는 상기 절연층(40)을 전기광학층(30)과 제2전극층(50) 사이에 형성한 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 제1전극층(20)과 전기광학층(30)의 사이 또는 전기광학층(30)과 제2전극층(50) 사이 중 적어도 어느 한 부분에 형성될 수도 있다.

또한, 상술한 바와 같은 전기광학층(30)의 안정된 나노 구조로 인하여 본 발명에 따른 전기 광학 변조기의 경우 50일이 경과한 후에도 전기광학계수의 감쇠(즉, 전기 광학 효과의 감쇠)가 발생되지 않음을 실험적으로 확인함으로써, 상기 본 발명에 따른 전기 광학 변조기가 장시간 안정성을 구비함을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기는 전기광학층(30)을 LB 법을 이용하여 구조적으로 안정된 2차원 나노 두께의 결정체로 구성하는 방식이기 때문에 전기 광학 효과가 매우 우수하고 시간의 경과에 따라 안정적이며, 종래 기술보다 두께가 얇아서 낮은 전압에서 구동이 가능하다는 장점이 있다.

10 : 기판층 20 : 제1전극층
30 : 전기광학층 40 : 절연층
50 : 제2전극층

Claims (7)

1. 기판층;
   상기 기판층의 상부에 적층된 제1전극층;
   상기 제1전극층의 상부에 적층된 전기광학층;
   상기 전기광학층의 상부에 형성된 제2전극층;
   상기 제1전극층과 상기 제2전극층 사이에 변조 전압을 인가시 발생하는 전기적 단락을 방지할 수 있도록 상기 제1전극층과 전기광학층의 사이 또는 상기 전기광학층과 제2전극층의 사이 중 적어도 어느 한 부분에 형성된 절연층으로 구성되되,
   상기 전기광학층은 LB 법에 의하여 고분자 재질의 단층막을 복수 회 적층하여 나노 두께로 형성하는 경우, 상기 전기광학층의 두께는 2차원 나노구조를 유지하면서 쌍극자의 수가 최대가 되는 최적 두께로서 5층 내지 15층의 단층막이 적층된 두께로 형성함으로써 상기 제1전극층과 상기 제2전극층을 통해 변조 전압을 인가할 경우 전기 광학 효과를 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고분자는 P(VDF-TrFE)이고,
   상기 절연층은 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 박막을 이용한 전기 광학 변조기.
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