KR101613581B1 - 광 검출 장치 및 광 검출 방법 - Google Patents

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KR101613581B1 KR1020140035149A KR20140035149A KR101613581B1 KR 101613581 B1 KR101613581 B1 KR 101613581B1 KR 1020140035149 A KR1020140035149 A KR 1020140035149A KR 20140035149 A KR20140035149 A KR 20140035149A KR 101613581 B1 KR101613581 B1 KR 101613581B1
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광 검출 장치 및 광 검출 방법에 관한 것을, 광 검출 장치는, 기판; 상기 기판상에 형성되는 제1 전극; 상기 기판상에 형성되는 제2 전극; 상기 기판상에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 나노구조체; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 전압을 인가하는 전압원; 및 상기 나노구조체에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류계를 포함하며, 상기 전류 값에 기초하여 상기 나노구조체에 조사되는 입사광을 검출한다.

Description

광 검출 장치 및 광 검출 방법{OPTICAL DETECTION APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING OPTICAL SIGNAL}
본 발명은 광 검출 장치 및 광 검출 방법에 관한 것이다.
데이터 전송량이 증가하면서, 데이터 전송 속도가 중요해지고 있으며, 데이터 전송 속도가 빠른 광 통신에 대한 관심이 고조되고 있다. 광 통신은 신호 지연이 적어 데이터 전송을 초고속으로 수행할 수 있으며, 대역 폭이 넓고 전자기 간섭에 강인한 특성을 가지며, 다양한 회로를 동시 제어하기 위한 파장 멀티플렉싱(multiplexing)이 가능한 잇점이 있으나, 광 연결(optical interconnect) 구조의 소형화에 어려움이 있으며, 기존의 금속(예를 들어, 구리) 배선에 의한 데이터 전송에 비해 제조 비용이 큰 문제점을 갖는다. 광 통신 소자의 제조 비용을 절감하기 위한 기존의 연구는 실리콘 광학(silicon photonics) 및 MEMS(micro electro-mechanical systems) 기술을 기반으로 한다. 그러나, 기존의 광 통신 기술은 광전변환 소자의 효율이 낮기 때문에, 레이저와 같이 출력이 높은 고가의 광원(light source)을 필요로 하는 단점을 갖는다. 광센서는 그 용도에 따라서 다양한 크기를 가질 수 있지만, 칩 위에서 트랜지스터 간의 신호 전송을 빛으로 구현하는 광 연결(optical interconnect) 구조의 경우, 트랜지스터와 유사한 수준의 나노 크기로 제작될 필요가 있다. 그러나, 일반적인 광소자의 경우 회절 한계로 인해 그 크기가 제한되고 있으며, 빛을 회절 한계 이하로 집속하는 것이 불가능하고, 또한 소재 및 공정의 특성상 전자 소자와의 집적(integration) 및 호환이 어려운 문제점을 갖는다.
본 발명은 높은 반응도(responsivity)를 갖는 광 검출 장치 및 광 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 입사광 파장(주파수)에 따라 효과적으로 광을 검출할 수 있는 광 검출 장치 및 광 검출 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 초소형의 크기를 가지며, 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 광 검출 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 소형, 저가인 동시에 다양한 파장의 입사광을 동시에 검출할 수 있는 광 검출 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광 검출 장치는, 기판; 상기 기판상에 형성되는 제1 전극; 상기 기판상에 형성되는 제2 전극; 상기 기판상에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 나노구조체; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 전압을 인가하는 전압원; 및 상기 나노구조체에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류계를 포함하며, 상기 전류 값에 기초하여 상기 나노구조체에 조사되는 입사광을 검출한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 상기 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 상기 입사광에 따라 전도성이 변화된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 적어도 하나의 나노와이어(nano-wire)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 복수의 나노와이어(nano-wire)를 포함하며, 상기 복수의 나노와이어는, 서로 다른 폭을 갖는 나노와이어들을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 등방성 단면 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 이방성 단면 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 적어도 하나의 나노와이어(nano-wire)를 포함하며, 상기 나노와이어는 길이 방향을 따라 폭이 변화된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 나노구조체는 상기 기판상에 일체로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 금속을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는 준금속, 전도성 고분자, 및 그래핀을 포함한 전도성 소재 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광 검출 장치는 상기 입사광 중 상기 나노구조체의 길이 방향에 수직한 편광을 검출한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광 검출 장치는, 상기 기판상에 형성되는 도전라인; 및 상기 도전라인에 결합되는 복수의 나노구조체를 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판상에 형성되는 복수 쌍의 전극; 상기 기판상에 각 쌍의 전극 사이를 연결하도록 형성되는 복수의 나노구조체; 상기 각 쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압원; 상기 복수의 나노구조체 각각에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류계를 포함하며, 각각의 나노구조체에 흐르는 상기 전류 값에 기초하여 상기 복수의 나노구조체 각각에 대응하는 입사광을 검출하는 광 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 서로 다른 나노구조체는 서로 다른 폭을 갖는다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 광 검출 장치에 의하여 수행되는 광 검출 방법으로서, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압을 인가하는 단계; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간을 전기적으로 연결하는 나노구조체에 흐르는 전류 값을 측정하는 단계; 및 상기 전류 값이 임계값 이상이면 입사광이 조사되지 않는 것으로 결정하고, 상기 전류 값이 상기 임계값 미만이면 상기 입사광이 조사되는 것으로 결정하는 단계를 포함하는 광 검출 방법이 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판상에 형성되는 제1 전극; 상기 기판상에 형성되는 제2 전극; 및 상기 기판상에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되고, 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는 나노구조체를 포함하고, 상기 나노구조체에 흐르는 전류 값은, 상기 입사광의 입사 여부에 따라 가변적인 광 검출 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광 검출 소자는 상기 전류 값에 기초하여 상기 입사광을 검출하는 검출부를 더 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격되어 형성되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되고, 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는 나노구조체를 포함하고, 상기 나노구조체에 흐르는 전류 값은, 상기 입사광의 입사 여부에 따라 가변적인 광 검출 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노구조체는, 상기 입사광의 파장에 대응하는 폭을 가지며, 상기 입사광에 따라 전도성이 변화된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 높은 반응도를 갖는 광 검출 장치 및 광 검출 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 입사광 파장(주파수)에 따라 효과적으로 광을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 저렴한 비용으로 광 검출 장치를 제조할 수 있으며, 광 검출 장치의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 소형, 저가의 광 검출 장치를 이용하여 다양한 파장의 입사광을 동시에 검출할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 소자를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 검출 소자의 'A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 전류계에 의해 측정된 전류 값을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체로 입사되는 입사광의 전력과 나노구조체에 흐르는 광전류 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 전압원에 의해 인가되는 전압과 입사광에 따른 나노구조체의 광전류 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치에 의하여 편광을 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치에 의하여 S 편광을 검출하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 전계 분포를 보여주는 그래프이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 광 검출 장치를 보여주는 구성도이다.
도 13은 도 12a 내지 도 12d에 도시된 광 검출 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 12a 내지 도 12d에 도시된 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 파장별 광전류 세기를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 다양한 형상을 보여주는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 보여주는 구성도이다.
도 19는 도 18에 도시된 광 검출 장치를 구성하는 광 검출 소자의 단면도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 본 명세서에 정의되어 있지 않은 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 명세서에서 '~ 상에' 형성되는 것은 구성 A의 상면에 직접 구성 B가 형성되는 것은 물론, 다른 물질을 매개로 하여 형성되는 것을 포함하는 의미이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 소자를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 광 검출 소자의 'A-A' 선에 따른 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 개략적으로 보여주는 평면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 나노구조체(140), 전압원(150), 및 전류계(160)를 포함한다. 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 및 나노구조체(140)는 광 검출 소자(10)를 구성한다.
기판(110)은 유리 기판이나 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판(110)은 상부층이 절연되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 이의 상부층에 SiO2 등의 절연층을 구비할 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 기판(110) 상에 이격되어 금속 패드의 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 예를 들어, 금속 등의 도전성 물질을 증착하는 것에 의해 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
나노구조체(140)는 기판(110)상에 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이를 연결하도록 형성된다. 나노구조체(140)는 금속 등의 도전성 물질을 증착하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 나노구조체(140)는 금속 이외에, 준금속, 전도성 고분자, 및 그래핀을 포함한 전도성 소재 중의 적어도 하나로 형성될 수도 있다. 본 발명의 실시 예에서, 제1 전극(120), 제2 전극(130), 및 나노구조체(140)는 일체로 형성될 수 있다. 제1 전극(120), 제2 전극(130)은 예를 들어, 기판(110)상에 금속 레이어를 증착 형성한 후, 포토리소그래피(photolithography) 및 리프트오프(lift-off) 공정을 통해 패터닝하는 것에 의하여 형성될 수 있다. 나노구조체(140)는 예를 들어, 이온집속빔을 이용한 밀링(milling)이나 전자빔리소그래피(electron beam lithography) 등에 의해 탑다운(top-down) 방식으로 전극(120,130)과 일체형으로 제작될 수 있다.
도 1 내지 도 3의 실시 예에서, 나노구조체(140)는 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이를 연결하는 다수의 나노와이어(nano-wire)(141)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 나노구조체(140)는 7개의 나노와이어(141)로 이루어져 있으나, 나노와이어(141)의 개수나 배열 구조는 도시된 바에 의하여 제한되지 않는다. 나노와이어(141)는 수 ~ 수백 nm(예를 들어, 1 nm 이상, 1 ㎛ 미만)의 폭을 가질 수 있다. 나노구조체(140)는 그 적용 분야나 입사광 등에 따라 나노와이어 뿐 아니라, 나노파티클(nano-particle), 나노리본(nano-ribbon), 혹은 이들의 조합 등의 형태로 다양하게 변형될 수 있다.
나노구조체(140)는 입사광의 파장에 대응하는 폭(W)을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(140)를 이루는 각 나노와이어(141)는 입사광의 파장에 대응하는 폭(W)을 갖도록 형성될 수 있다. 나노구조체(140)는 입사광에 따른 플라즈몬 공명(plasmonic resonance)에 의하여 전도성이 변화된다. 나노구조체(140)의 양단에 전압이 인가된 상태에서, 나노구조체(140)에 흐르는 전류 값은 입사광의 입사 여부에 따라 변화한다.
전압원(150)은 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 간에 전압을 인가한다. 전압원(150)의 전압에 따라, 나노구조체(140)에 전류가 흐르게 된다. 전류계(160)는 나노구조체(140)에 흐르는 전류 값을 측정한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 광 검출 소자는 전류계(160)에 의해 측정된 전류 값에 기초하여, 광 검출 소자(10)의 나노구조체(140)에 조사되는 입사광을 검출하는 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141)의 배열 방향, 즉 길이 방향에 수직한 방향으로 전계가 형성될 때, 나노와이어(141)의 자유전자는 전계에 따라 이동한다. 빛은 전자기파에 해당하므로, 나노구조체(140)에 입사광이 조사될 때, 나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141)에 입사광에 의한 전계가 파동의 형태로 전파되고, 이에 따라, 나노와이어(141)의 자유전자는 입사광의 전자기파 파동에 따라 진동한다.
전압원(150)에 의하여 제2 전극(130)에 제1 전극(120)보다 높은 전위가 인가되고, 이에 따라 자유전자들은 제1 전극(120)으로부터 제2 전극(130)으로 이동하여, 제2 전극(130)으로부터 제1 전극(120)으로 전류가 흐르게 된다. 이에 따라, 입사광이 조사되는 경우, 플라즈몬 공명에 의해 전도도가 감소하며, 입사광이 조사되지 않는 경우보다 나노구조체(140)에 흐르는 전류가 감소하므로, 나노구조체(140)에 흐르는 전류 값의 변화로부터 입사광의 조사 여부를 검출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 의하면, 입사광의 광신호(optical signal)를 전기 신호로 전환하여, 전기 신호의 변화로부터 입사광의 입사 여부를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 전류계에 의해 측정된 전류 값을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 입사광이 나노구조체(140)에 조사되지 않는 오프(off) 상태일 때, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에 형성되는 전위차에 따라 나노구조체(140)에 전류가 흐르다가, 입사광이 나노구조체(140)에 조사되는 온(on) 상태일 때, 나노구조체(140)에 흐르는 전류는 광전류의 크기만큼 감소한다. 이는 입사광에 의하여 형성되는 플라즈몬 공명(plasmonic resonance)에 의하여 나노구조체(140)에 음의 광전류가 형성되는 것으로 이해될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체로 입사되는 입사광의 전력과 나노구조체에 흐르는 광전류 간의 관계를 보여주는 그래프이다. 입사광 전력(Peff)은 광 측정기를 사용하여 측정되었으며, 활성 영역에서의 전력(effective power)(Peff)은 역제곱법칙(inverse-square law)에 기초하여 계산되었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광 전류(photocurrent)는 증가된 흡수 에너지로 인해 입사광 전력이 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 전압원에 의해 인가되는 전압과 입사광에 따른 나노구조체의 광전류 간의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광전류(photocurrent) 및 수송 전류(transport current)는 전압원(150)에 의해 인가되는 전압에 따라 선형적으로 증가한다. 나노구조체(140)의 양단에 인가되는 전압에 비례하여 전류가 증가하고, 이에 따라 전자들의 산란 역시 증가하므로 전류의 감소값으로 정의되는 광 전류 역시 비례하여 증가한다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치에 의하여 편광을 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 7 내지 도 8을 참조하면, 입사광에 의한 광전류는 편광 이방성(polarization anisotropy) 특성을 보인다.
도 7에 도시된 바와 같이, 나노와이어(141)의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 편광된 입사광(S 편광)은 나노와이어(141)에 국부적인 플라즈몬을 여기할 수 있지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 나노와이어(141)의 길이 방향에 평행하게 편광된 입사광(P 편광)은 나노와이어(141)의 폭 방향으로 구속되지 않기 때문에 지속적인 플라즈몬을 여기할 수 없다. 나노와이어(141)의 길이 방향에 평행한 편광을 갖는 입사광은 구속된 나노구조체(140)에 의한 영향을 받지 않고 연속적인 금속 플레이트로 인식될 뿐이므로, 어떠한 광전도성 효과도 일으키지 않는다. 이에 따라, 입사광이 S 편광인 경우와 달리, P 편광인 경우에서 광전류는 거의 나타나지 않는다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치에 의하여 S 편광을 검출하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 9는 나노구조체(140)에 P 편광과 S 편광을 교대로 조사하였을 때, 그에 따른 전류계(160)의 전류 값을 보여주는 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 입사광이 S 편광인 경우, 음의 광전류로 인해 나노구조체(140)에 흐르는 전류 값이 감소하는 것으로부터, S 편광이 조사되는 구간을 검출할 수 있다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 전계 분포를 보여주는 그래프이다. 도 10 내지 도 11은 2차원 도메인에서 편미분 방정식을 풀어 광 검출 소자를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 나노구조체는 무한한 길이와 무한한 주기의 배열 구조를 갖는 나노와이어에 입사광이 조사되는 것으로 가정되었다. 나노와이어의 주사 전자 현미경 사진에 기초하여 나노와이어의 단면은 종형(bell-shape) 형상을 갖는 것으로 가정하였다. 나노와이어의 폭은 110 nm 인 것으로 가정하였다. 입사광의 파장이 450 nm 인 경우와 550 nm 인 경우에 대해 각각 시뮬레이션을 수행하였다. 도 10은 나노와이어의 전계의 노옴 분포(norm distribution)를 나타내며, 도 11은 Z축 방향, 즉 나노와이어의 높이 방향으로의 전계(EZ) 분포를 나타낸다. 450 nm 파장의 입사광이 조사될 때와 달리, 550 nm 파장의 입사광을 조사 시 나노와이어의 전자가 강하게 진동하고, 상부를 향한 방향으로 전계를 방사하는 것을 확인할 수 있다. 이는 나노와이어의 공명 파장이 550nm 인 것을 의미한다.
레이저는 높은 출력 전력을 가지며, 가간섭성(coherent)을 가진 집속광을 제공하는 이점이 있으나, 나노스케일의 광원이 간섭성과 강한 빛을 생성할 수 없는 온-칩 광학기술에서는 레이저를 적용하기 곤란하다. 본 발명의 실시 예는 비간섭성(incoherent) 광원으로서 광섬유에 결합한 할로겐 램프를 사용할 수 있으며, 이의 출력 전력은 레이저보다 훨씬 약하다. 광원의 약한 전력에 불구하고, 입사광 조사 시 광전류는 확연하게 드러나며, 전류 세기에 뚜렷한 변화가 나타난다. 전압원(150)에 의한 바이어스 전압이 증가할수록, 반응도는 향상되고, 보다 우수한 감도의 광 검출 소자가 제공될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 소자는 나노스케일의 사이즈를 가지며, 간단한 구조로 인하여 전자 칩에 쉽게 집적될 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 광 검출 장치를 보여주는 구성도이고, 도 13은 도 12a 내지 도 12d에 도시된 광 검출 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 도 12a 내지 도 12d에 도시된 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 파장별 광전류 세기를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 12a, 도 13 및 도 14를 참조하면, 나노구조체(140)는 서로 다른 폭(W1,W2)을 갖는 나노와이어들(141a,141b)을 포함할 수 있다. 나노구조체(140)는 제2 폭(W2) 보다 작은 제1 폭(W1)을 갖는 제1 나노와이어(141a)들로 이루어지는 제1 나노구조체(140a)와, 제1 폭(W1) 보다 큰 제2 폭(W2)을 갖는 제2 나노와이어(141b)들로 이루어지는 제2 나노구조체(140b)를 포함할 수 있다.
도 12a의 실시 예에서, 제2 주파수 대역보다 높은 제1 주파수 대역(짧은 파장)의 제1 입사광은 상대적으로 좁은 폭을 갖는 제1 나노와이어(141a)로 이루어진 제1 나노구조체(140a)에 의해 검출되고, 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역(긴 파장)의 제2 입사광은 상대적으로 넓은 폭을 갖는 제2 나노와이어(141b)로 이루어진 제2 나노구조체(140b)에 의해 검출될 수 있으므로, 입사광의 검출 대역을 넓힐 수 있다. 나노구조체(140) 내부의 전자의 공진 특성, 예를 들어 공진 파장이나 공진 주파수, 대역 폭 등은 나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141a,141b)의 폭이나 형상에 따라 변화한다. 따라서, 나노와이어(141a,141b)의 폭이나 형상을 조절함으로써, 원하는 파장의 입사광을 검출할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 나노구조체(140)를 이루는 각 나노와이어(141)는 이의 길이 방향(Y)을 따라 폭이 변화된다. 나노와이어(141)는 상대적으로 제1 전극(120)에 가까운 영역에서 제2 폭(W2) 보다 좁은 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되고, 상대적으로 제2 전극(130)에 가까운 영역에서 제1 폭(W1) 보다 넓은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성되어 있다. 제2 주파수 대역보다 높은 제1 주파수 대역(짧은 파장)의 입사광은 상대적으로 좁은 폭(W1)의 영역에서 음의 광전류를 발생하여 전류의 감소를 일으키고, 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역(긴 파장)의 입사광은 상대적으로 넓은 폭(W2)의 영역에서 음의 광전류를 발생하여 전류의 감소를 일으키므로, 동일한 폭으로 나노와이어가 형성되어 있는 경우에 비해 입사광의 검출 대역폭이 증가한다.
도 12c를 참조하면, 나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141)는 길이 방향(Y)을 따라 연속적으로 변화하는 폭을 갖도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노와이어(141)는 제1 전극(120)으로부터 제2 전극(130)을 향하여 점차 증가하는 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 도 16c의 실시 예에 의하면, 상대적으로 높은 주파수 대역(짧은 파장)의 입사광은 제1 전극(120) 측의 영역에서 음의 광전류를 발생하여 전류의 감소를 일으키고, 상대적으로 낮은 주파수 대역(긴 파장)의 입사광은 제2 전극(130) 측의 영역에서 음의 광전류를 발생하여 전류의 감소를 일으키므로, 동일한 폭으로 나노와이어가 형성되어 있는 경우에 비해 입사광의 검출 대역폭이 증가한다.
도 12d를 참조하면, 광 검출 장치(100)는 기판(110), 기판(110)상에 형성되는 제1 전극(120a), 기판(110)상에 형성되는 제2 전극(130a), 기판(110)상에 형성되는 제3 전극(120b), 기판(110)상에 형성되는 제4 전극(130b), 기판(110)상에 제1 전극(120a)과 제2 전극(130a) 사이를 연결하도록 형성되는 제1 나노구조체(140a), 기판(110)상에 제3 전극(120b)과 제4 전극(130b) 사이를 연결하도록 형성되는 제2 나노구조체(140b), 제1 전극(120a)과 제2 전극(130a) 간, 및 제3 전극(120b)과 제4 전극(130b) 간에 전압을 인가하는 전압원(150), 제1 나노구조체(140a)에 흐르는 제1 전류 값(I1)을 측정하는 제1 전류계(160a), 및 제2 나노구조체(140b)에 흐르는 제2 전류 값(I2)을 측정하는 제2 전류계(160b)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 장치(100)는 서로 다른 폭을 갖는 나노구조체에 개별적으로 전극을 형성하여, 복수의 파장을 동시에 개별적으로 검출할 수 있다. 도 20d에는 서로 다른 폭을 갖는 2개의 나노구조체(140a,140b)에 2 쌍의 전극(120a,130a)(120b,130b)이 형성된 예가 도시되어 있으나, 광 검출 장치(100)는 서로 다른 폭으로 제공되는 3개 이상의 나노구조체에 3 쌍 이상의 전극이 형성된 구조를 가질 수도 있다.
광 검출 장치(100)는 제1 전류 값(I1)에 기초하여 제1 나노구조체(140a)에 대응하는 짧은 파장(높은 주파수)의 제1 입사광을 검출하고, 제2 전류 값(I2)에 기초하여 제2 나노구조체(140b)에 대응하는 긴 파장(낮은 주파수)의 제2 입사광을 검출할 수 있다. 도 12d의 실시 예에 의하면, 서로 다른 파장을 갖는 다수의 입사광을 동시에 검출할 수 있다. 제1 나노구조체(140a)와 제2 나노구조체(140b)의 양단에는 동일한 전압원(150)에 의해 전압이 인가될 수도 있고, 다른 전압원(150)에 의해 전압이 인가될 수도 있다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 장치를 구성하는 나노구조체의 다양한 형상을 보여주는 단면도이다. 일 실시 예로, 나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141)는 도 15 내지 도 16에 도시된 바와 같이 등방성(istropic) 단면 구조를 가질 수 있다. 등방성 단면 구조는 예를 들어, 정사각형이나 원형의 단면 구조와 같이 서로 다른 복수의 방향으로 동일한 폭을 갖는 단면 구조를 의미할 수 있다. 도 15의 실시 예에서, 나노와이어(141)는 정사각형의 단면 형상을 가지며, 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(X)으로 일정한 폭(W)을 갖기 때문에, 광 검출 장치는 나노와이어(141)의 폭에 대응하는 특정 파장의 입사광을 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서, 도 15의 광 검출 장치의 파장별 광전류 세기 분포는 상대적으로 좁은 대역폭으로 나타난다. 도 16의 실시 예에서, 나노와이어(141)는 원형의 단면 형상을 가지며, XZ 평면 상의 전방향으로 일정한 폭(W)을 갖기 때문에, 광 검출 장치는 나노와이어(141)의 폭에 대응하는 특정 파장의 입사광을 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서, 도 15의 광 검출 장치의 파장별 광전류 세기 분포는 상대적으로 좁은 대역폭으로 나타난다.
다른 예로, 나노구조체(140)를 이루는 나노와이어(141)는 도 17에 도시된 바와 같이 이방성(anisotropic) 단면 구조를 가질 수 있다. 이방성 단면 구조는 예를 들어, 직사각형이나 종형(bell-shape)의 단면 구조와 같이 어느 한 방향을 따라 폭이 변화하거나 서로 다른 복수의 방향으로 다른 폭을 갖는 단면 구조를 의미할 수 있다. 도 17의 실시 예에서, 나노와이어(141)는 상하 방향(Z)으로 폭이 변화되는 단면 형상을 갖는다. 즉, 도 17의 실시 예에서, 나노와이어(141)는 예를 들어, 종형(bell-shaped)과 같이 기판(110)의 상부를 향하여 폭(W)이 좁아지는 단면 형상을 갖는다. 도 17의 실시 예에서, 나노와이어(141)는 상하 방향(Z)으로 변화되는 폭(W)을 갖기 때문에, 광 검출 장치는 나노와이어(141)의 변화되는 폭에 대응하는 다양한 파장(넓은 주파수 대역)의 입사광을 검출하는데 유리하다. 이때, 광 검출 장치의 파장별 광전류 세기 분포는 상대적으로 넓은 대역폭으로 나타난다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광 검출 장치를 보여주는 구성도이고, 도 19는 도 18에 도시된 광 검출 장치를 구성하는 광 검출 소자의 단면도이다. 도 18 및 도 19의 실시 예에서, 광 검출 장치(100)는 기판(110)의 절연층(110a)상에 형성되는 도전라인(142), 도전라인(142)에 결합되는 다수의 나노구조체(143)를 포함한다. 도전라인(142)은 예를 들어, 전도성을 갖는 그래핀층으로 형성될 수 있다. 나노구조체(143)는 일 예로, 나노파티클(nano-particle) 형태로 제공될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 다수의 나노구조체(143)는 도전라인(142)을 관통하여 형성되어 있으나, 다수의 나노구조체(143)는 도전라인(142)을 관통하지 않고 접촉되는 구조로 제공될 수도 있다. 도 18 내지 도 19의 실시 예에 따른 광 검출 소자(10)는 나노구조체(140)에 입사광 조사 시 플라즈몬 공명에 의해 도전라인(142)을 따라 흐르는 전류가 변화되는 것으로부터 입사광을 검출할 수 있다. 나노파티클(143)은 원형, 사각형, 삼각형 등의 다양한 형상을 가질 수 있으며, 주기적인 구조뿐 아니라, 비주기적인 구조로도 배열될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 장치는 원하는 파장 대역의 빛을 흡수하기 위하여 새로운 물질을 합성해야 하는 번거로움 없이, 나노 패턴 기술을 이용하여 나노구조체(140)의 폭이나 형상을 조절하는 것에 의하여 용이하게 특정 파장 대역의 입사광을 검출할 수 있고, 손쉽게 제작이 가능하며, 초소형의 크기를 갖는다. 나노구조체(140)에 흐르는 전류 및 광전류 값은 나노구조체(140)의 모양, 길이, 개수, 제작 방법과, 전극의 모양, 크기, 제작 방법 등에 따라 변화될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출 소자는 광 통신 기술 등의 분야에서 광 연결(optical interconnect)소자로서 광범위하게 사용될 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 광 검출 소자
100: 광 검출 장치
110: 기판
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 나노구조체
141: 나노와이어
142: 도전라인
143: 나노파티클
150: 전압원
160: 전류계

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 제1 전극;
    상기 기판상에 형성되는 제2 전극;
    상기 기판상에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 나노구조체;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 전압을 인가하는 전압원; 및
    상기 나노구조체에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류계를 포함하며,
    상기 전류 값에 기초하여 상기 나노구조체에 조사되는 입사광을 검출하며,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 나노구조체는 동일한 금속 레이어로 이루어져 상기 기판상에 일체로 형성되는 광 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 상기 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는 광 검출 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 상기 입사광에 따라 전도성이 변화되는 광 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 적어도 하나의 나노와이어(nano-wire)를 포함하는 광 검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 복수의 나노와이어(nano-wire)를 포함하며,
    상기 복수의 나노와이어는, 서로 다른 폭을 갖는 나노와이어들을 포함하는 광 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 등방성 단면 구조를 갖는 광 검출 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 이방성 단면 구조를 갖는 광 검출 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되는 적어도 하나의 나노와이어(nano-wire)를 포함하며,
    상기 나노와이어는, 길이 방향을 따라 폭이 변화되는 광 검출 장치.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 금속을 포함하는 광 검출 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체는 준금속, 전도성 고분자, 및 그래핀을 포함한 전도성 소재 중의 적어도 하나를 포함하는 광 검출 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 광 검출 장치는 상기 입사광 중 상기 나노구조체의 길이 방향에 수직한 편광을 검출하는 광 검출 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 광 검출 장치는,
    상기 기판상에 형성되는 도전라인; 및
    상기 도전라인에 결합되는 복수의 나노구조체를 포함하는 광 검출 장치.
  14. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 복수 쌍의 전극;
    상기 기판상에 각 쌍의 전극 사이를 연결하도록 형성되는 복수의 나노구조체;
    상기 각 쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압원;
    상기 복수의 나노구조체 각각에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류계를 포함하며,
    각각의 나노구조체에 흐르는 상기 전류 값에 기초하여 상기 복수의 나노구조체 각각에 대응하는 입사광을 검출하며,
    상기 복수 쌍의 전극, 상기 복수의 나노구조체는 동일한 금속 레이어로 이루어져 상기 기판상에 일체로 형성되는 광 검출 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    서로 다른 나노구조체는 서로 다른 폭을 갖는 광 검출 장치.
  16. 삭제
  17. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 제1 전극;
    상기 기판상에 형성되는 제2 전극; 및
    상기 기판상에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되고, 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는 나노구조체를 포함하고,
    상기 나노구조체에 흐르는 전류 값은, 상기 입사광의 입사 여부에 따라 가변적이고,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 나노구조체는 동일한 금속 레이어로 이루어져 상기 기판상에 일체로 형성되는 광 검출 소자.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 전류 값에 기초하여 상기 입사광을 검출하는 검출부를 더 포함하는 광 검출 소자.
  19. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 이격되어 형성되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 연결하도록 형성되고, 입사광의 파장에 대응하는 폭을 갖는 나노구조체를 포함하고,
    상기 나노구조체에 흐르는 전류 값은, 상기 입사광의 입사 여부에 따라 가변적이고,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 나노구조체는 동일한 금속 레이어로 이루어져 상기 기판상에 일체로 형성되는 광 검출 소자.
  20. 제17 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조체는, 상기 입사광의 파장에 대응하는 폭을 가지며, 상기 입사광에 따라 전도성이 변화되는 광 검출 소자.
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