KR101635603B1

KR101635603B1 - 색상 가변 컬러 필터 및 색상 가변 컬러 필터링 방법

Info

Publication number: KR101635603B1
Application number: KR1020150138815A
Authority: KR
Inventors: 이병호; 윤한식
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2016-07-01

Abstract

본 발명은 색상 가변 컬러 필터로, 금속 박막의 일측 표면에, 직사각형의 바닥면 및 측면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 복수 형성되고, 상기 공진홈 각각의 바닥면에는 상기 공진홈들이 서로 교차하는 영역에 개구가 관통 형성되며, 상기 공진홈 각각의 길이가 상이하게 형성되며, 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라진다.

Description

색상 가변 컬러 필터 및 색상 가변 컬러 필터링 방법{Color-controllable Color Filter and Method for Color-controllable Color Filtering thereof}

본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 필터에 관한 것으로, 특히 필터링 색상을 변화시킬 수 있는 색상 가변 컬러 필터 및 이를 이용한 필터링 방법에 관한 것이다.

표면 플라즈몬(surface plasmon, SP)은 금속과 유전체 경계면에서 빛이 금속 표면에 존재하는 자유 전자들과 공진(resonance)을 일으켰을 때 발생하는 표면 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation) 현상으로, 이러한 진동에 의해서 발생하는 표면 플라즈몬은 금속과 유전체 경계면을 따라서 진행하는 표면 전자기파의 일종이다.

표면 플라즈몬을 금속 표면 위에 여기시키는 방법들 중 하나로, 금속 표면에 새겨진 슬릿(slit) 또는 개구(aperture)를 이용하는 방법이 있다. 금속 표면의 한쪽 면에 빛이 조사되는 경우, 금속 표면에 새겨진 슬릿이나 개구는 다양한 파수 벡터(wavevector) 성분들을 만들게 되며, 이들 중 일부는 금속 표면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 모드의 파수 벡터에 일치하게 되어 표면 플라즈몬으로 여기된다. 따라서, 입사하는 빛은 표면 플라즈몬의 형태로 한계파장보다 좁은 슬릿 또는 개구를 투과할 수 있다. 이러한 표면 플라즈몬 현상은 특정 파장의 빛만을 투과시키기 위한 컬러 필터로서 디스플레이 시스템의 픽셀에 적용되어 왔다.

한편, 최근 폭발적인 정보의 증가로 유비쿼터스 환경에서 고해상도 및 빠른 응답 시간을 갖는 디스플레이 시스템이 요구됨에 따라, 픽셀의 소형화는 고해상도 휴대용 디스플레이 시스템을 위한 핵심적 과제이다.

그런데, 종래의 디스플레이 시스템에서는 적색(red, R), 녹색(green, G) 및 청색(blue, B)의 세 가지 상이한 색상을 각각 표현하는 세 개의 서브 픽셀들을 하나의 유닛 픽셀로 구성하여 사용하고 있다. 따라서, 유닛 픽셀의 사이즈는 하나의 서브 픽셀 사이즈의 세 배로 증가하므로, 이는 디스플레이 패널의 공간 해상도의 향상을 더디게 한다. 따라서, 서브 픽셀 사이즈에 해당하는 픽셀이 동적으로 다양한 색상을 표현할 수 있도록 하는 기술이 요구된다.

그런데, 전술한 표면 플라즈몬의 공진 파장은 금속 개구의 기하학적 구조에 크게 의존하므로, 금속 개구가 제조된 후에 표면 플라즈몬 공진 파장을 조절하여 다양한 색상을 필터링하는 것을 어렵게 한다.

본 발명은 금속 박막을 이용한 컬러 필터의 구조적 변화없이 입사되는 빛의 편광 방향을 회전시킴으로써 여러 가지 색상의 빛을 선택적으로 투과시키는 색상 가변 컬러 필터 및 색상 가변 컬러 필터링 방법을 제공한다.

본 발명은 디스플레이 시스템의 고해상도 및 소형화를 위해 여러 가지 색상의 빛을 선택적으로 투과시키는 색상 가변 컬러 필터 및 색상 가변 컬러 필터링 방법을 제공한다.

본 발명은 색상 가변 컬러 필터로, 금속 박막의 일측 표면에, 직사각형의 바닥면 및 측면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 복수 형성되고, 상기 공진홈 각각의 바닥면에는 상기 공진홈들이 교차하는 영역에 개구가 관통 형성되며, 상기 공진홈 각각의 길이가 상이하게 형성되며, 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 상기 입사광의 투과 세기가 달라진다.

본 발명은 금속 박막의 일측 표면에, 직사각형의 바닥면 및 측면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 복수 형성되고, 상기 공진홈들이 교차하는 영역에 개구가 관통 형성되며, 상기 공진홈 각각의 길이가 상이하게 형성되는 색상 가변 컬러 필터에, 편광이 상기 공진홈과 나란한 방향에서, 입사광을 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사시키는 단계와, 일 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 배를 형성하도록 투과하고, 다른 파장의 입사광은 상기 개구의 입력단에 마디 혹은 마디 주변부를 형성하도록 투과하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따라, 금속 박막을 이용한 컬러 필터의 구조적 변화없이 입사되는 빛의 편광 방향을 회전시킴으로써 여러 가지 색상의 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있다.

또한, 하나의 픽셀로 여러 가지 색상의 빛을 선택적으로 투과시킬 수 있어, 디스플레이 픽셀의 소형화 및 고해상도 휴대용 디스플레이 시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터의 일 공진홈의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 색상 가변 컬러 필터의 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 일 공진홈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 색상 가변 컬러 필터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 편광 방향을 조절하여 서로 다른 파장을 가지는 세 개의 입사광 중에서 하나의 입사광만 선택적으로 투과시키는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 공진홈의 길이 변화에 따른 RGB 투과맵(transmittance map)을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터가 적용되는 유닛 픽셀 및 픽셀 어레이를 도시한 평면도의 일 예이다.
도 8은 본 발명에 따른 색상 가변 컬러 필터가 적용된 픽셀 어레이에 의한 편광 방향 변화에 따른 투과율을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터의 일 공진홈의 단면도이다.

도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 색상 가변 컬러 필터는 금속 박막(1)의 일측 표면에 직사각형의 바닥면(11) 및 측면(12)을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)이 상호 한점(20)에서 교차되게 복수 형성되는 형태를 갖는다.

도 1에서는 이해를 돕기 위해, 공진홈의 개수가 세 개일 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 공진홈의 개수는 이에 한정되지 않는다. 즉, 주요 투과광들의 개수가 RGB 세 가지에 한정되는 것이 아니고, 투과광들의 개수를 줄이거나 증가시키기 위해 공진홈의 개수가 달라질 수 있다. 다만, 공진홈의 개수가 증가함에 따라, 정상파 형성시 공진홈들 상호간에 간섭이 증가하여 투과광의 파장선택성이 낮아질 가능성이 있으므로, 적용 대상이나 목적에 따라 공진홈의 개수가 결정될 수 있다.

여기서, 금속 박막(1)은 소정 두께로 이루어진 금속층으로, 예를 들어, 금(gold), 은(silver), 동(copper), 알루미늄(aluminium) 등과 같이 자유 전자들을 함유하고 음의 유전상수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다.

공진홈(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 바닥면(도 2a 및 도 2b의 11)에는 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)이 교차하는 영역에 개구(aperture)(20)가 관통 형성된다. 일 실시 예에 따라, 개구(20)는 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)의 바닥면(도 2a 및 도 2b의 11)의 중심축 상에 형성될 수 있다.

공진홈(10-1, 10-2, 10-3)은 각각의 길이(L1, L2, L3)가 상이하게 형성되어, 개구(20)의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 금속 박막(1)의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 개구(20)를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라진다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2a 및 도 2b를 참조하여 후술하기로 한다.

또한, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 폭(W1, W2, W3) 및 깊이(d1, d2, d3)는 정상파의 생성 효율이나 특성에 따라 결정될 수 있다. 즉, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)의 폭(W1, W2, W3)이 넓을수록 입사광 중에서 정상파로 변환되는 양 또는 비율이 높아져서 전체적인 투과 세기를 높일 수 있다. 또한, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)의 깊이(d1, d2, d3)에 따라 정상파의 배와 마디 위치가 미세하게 변화하거나 서로 바뀌기 때문에 정상파의 파장을 정확하게 선택하기 위해서 그 깊이가 조절될 수 있다. 그러나, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)의 폭(W1, W2, W3)과 깊이(d1, d2, d3) 변화에 따른 이러한 경향은 주로 단일 공진홈인 경우에 해당하는 것으로서, 복수의 공진홈들이 교차되도록 중첩된 경우에는 입사광의 임의의 한 가지 편광 방향에 대해 교차되는 공진홈들 사이에서 정상파 형성의 간섭이 생길 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 폭(W1, W2, W3) 및 깊이(d1, d2, d3)는 입사광의 한 파장 길이 이내에서 결정될 수 있다.

또한, 개구(20)는 투과광의 투과효율을 높이거나 조절하기 위해, 그 크기, 모양, 개수 및 위치에 있어서 다양한 실시 예가 가능하다.

우선, 개구(20)의 크기는 클수록 입사광의 투과량이 많아지지만, 파장 선택성이 낮아질 수 있으므로, 입사광 한 파장 길이 이하의 범위에서 결정될 수 있다.

다음으로, 개구(20)의 모양에 따라 투과효율이 변할 수 있으므로 다각형, 보타이(bow-tie)형, C형, H형 및 원형을 포함하는 다양한 형태들 중 하나로 결정될 수 있다.

또한, 개구(20)는 그 개수나 위치에 따라 다양한 실시 예가 가능하다.

일 실시 예에 따라, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 하나의 소정 크기의 관통구의 형태의 개구(20) 형성될 수 있다.

다른 실시 예에 따라, 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 개구(20) 이외에 정상파의 배(antinode)가 형성되는 위치에 다른 하나 이상의 개구가 더 관통 형성되어, 기본 투과광에 대한 투과율을 높일 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3a 및 3b를 참조하여 후술하기로 한다.

또 다른 실시 예에 따라, 도 2a 및 도 2b에 도시된 개구(20)의 크기 내에서 복수의 관통구들의 형성되는 형태를 가질 수도 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

도 2a를 참조하면, 색상 가변 컬러 필터의 공진홈(10)에 개구(aperture)(20)가 관통 형성되어 있다. 이러한 공진홈(10)으로 빛이 조사되면, 입사하는 빛은 표면 플라즈몬의 형태로 한계 파장보다 좁은 개구(20)를 투과할 수 있다. 이때, 여기되는 표면 플라즈몬의 파장(λ_sp)은 입사광의 파장(λ₀), 금속 박막의 유전율(ε_m), 유전체의 유전율(ε_d)을 이용하여 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

이러한 공진홈(10)을 포함하는 금속 박막으로 이루어진 색상 가변 컬러 필터에서, 투과되는 빛 즉, 투과광의 세기가 최대 및 최소가 될 수 있도록 할 수 있다.

특히, 도 2a에 내부 반사 및 공진에 의해 개구(20)의 입력단에서 정상파의 배가 형성되는 조건이 도시되어 있으며, 도 2b에 내부반사 및 공진에 의해 개구(20)의 입력단에서 정상파의 마디가 형성되는 조건이 도시되어 있다.

입사광의 편광 즉, 전기장 방향을 고려하여, 공진홈(10)의 개구(20)가 정상파의 배와 일치하는 공진홈 길이(Lc)에서, 투과광의 세기는 최대가 된다. 즉, 공진홈(10)의 내부 반사 및 공명이 복합적으로 발생하여 개구(20)의 입력단에서 배가 형성되는 정상파가 생기고, 이에 의해 표면 플라즈몬의 투과량이 많아져서 투과 세기는 최대가 된다.

반면, 공진홈(10)의 개구(20)가 정상파의 마디와 일치하는 공진홈 길이(Lc')에서, 투과광의 세기는 최소가 된다. 즉, 공진홈(10) 내부에 개구(20)의 입력단에서 마디가 형성되는 정상파가 생겨서 표면 플라즈몬의 투과량이 적어지고 따라서 투과 세기는 최소가 된다.

본 발명의 실시 예에서는 복수의 입사파장에 대하여 하나의 입사파장에 의해 형성되는 정상파가 개구의 입력단에 배를 형성하고, 나머지 입사파장에 의해 형성되는 정상파가 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변을 형성하는 공통의 조건을 각각 만족하는 복수의 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)을 금속 박막(1)에 형성하여, 입사광에 대해 색상 가변 컬러 필터링을 할 수 있다. 즉, 한 파장에 대하여 입사광의 편광과 수직인 방향으로 표면 플라즈몬이 형성되므로, 입사광의 편광 방향을 변화시켜서, 투과 파장의 투과 세기가 조절될 수 있도록, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 길이(L1, L2, L3)가 결정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 공진홈(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 길이(L1, L2, L3)는 입사광이 바닥면(20)을 향하는 방향으로 입사될 때, 입사광의 편광 방향이 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)과 나란한 방향에서, 일 파장의 입사광이 개구(20)의 입력단에 배(antinode)를 형성하는 투과 조건을 만족하고, 다른 파장의 입사광은 개구(20)의 입력단에 마디(node) 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 결정된다.

또한, 일 실시 예에 따라, 공진홈(10-1, 10-2, 10-3)은 상호 등각을 형성할 수 있다.

도 3a는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 색상 가변 컬러 필터의 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 일 공진홈의 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 공진홈들(10-1, 10-2, 10-3)이 교차되는 위치의 개구(20) 뿐만 아니라, 공진홈들(10-1, 10-2, 10-3) 각각에 복수의 개구가 추가적으로 형성된다.

도 3b를 참조하면, 공진홈(10)에 추가적으로 형성된 개구들(20-1, 20-2)은 정상파의 배가 형성되는 위치에 형성된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 복수의 개구들이 형성된 색상 가변 컬러 필터의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 개구(20')는 공진홈들의 교차영역에 한 개의 큰 관통구 대신 복수의 작은 관통구들이 형성되는 형태를 가질 수도 있다. 이로써, 파장 선택성의 저하를 최소화하면서 투과효율을 높일 수도 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 편광 방향을 조절하여 서로 다른 파장을 가지는 세 개의 입사광 중에서 하나의 입사광만 선택적으로 투과시키는 방법을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 색상 가변 컬러 필터를 통하여 서로 다른 파장 즉, λ1, λ2 및 λ3를 가지는 입사광들이 선택적으로 투과될 수 있도록, 입사광에 대한 편광 방향을 조절한다. 즉, 도 3의 (A)에서와 같이, λ1의 입사광을 투과시키고자 하는 경우에는 편광 방향을 제1 공진홈(10-1)과 나란한 제1 편광 방향으로 하고, 도 3의 (B)와 같이, λ2의 입사광을 투과시키고자 하는 경우에는 편광 방향을 제 2 공진홈(10-2)와 나란한 제2 편광 방향으로 조절하고, 도 3의 (C)와 같이, λ3의 입사광을 투과시키고자 하는 경우에는 편광 방향을 제3 공진홈(10-3)과 나란한 제3 편광 방향으로 조절한다.

그리고, 편광이 제1 편광 방향으로 조절된 도 3의 (A)에서, λ1의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건으로 투과되고 λ2, λ3의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건으로 투과되도록 하고, 편광이 제2 편광 방향으로 조절된 도 3의 (B)에서, λ2의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건으로 투과되고 λ3, λ1의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건으로 투과되도록 하고, 편광이 제3 편광 방향으로 조절된 도 3의 (C)에서, λ3의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건으로 투과되고 λ1, λ2의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건으로 투과되도록 공진홈들(10-1, 10-2, 10-3)의 길이(L1, L2, L3)를 설정한다.

즉, 제1 공진홈(10)의 길이(L1)는 제1 파장 λ1의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건과 제2 파장 λ2, 제3 파장 λ3의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 설정되고, 제2 공진홈(20)의 길이(L2)는 제2 파장 λ2의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건과 제3 파장 λ3, 제1 파장 λ1의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 설정되고, 제3 공진홈(30)의 길이(L3)는 제3 파장 λ3의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건과 제1 파장 λ1, 제2 파장 λ2의 입사광이 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 설정된다.

그러면, 제1 파장 λ1이 적색(red)에 해당하는 671nm이고, 제2 파장 λ2가 녹색(green)에 해당하는 532nm이고, 제2 파장 λ3가 청색(blue)에 해당하는 473nm일 경우, 본 발명에 따라 공진홈들(10-1, 10-2, 10-3) 각각의 길이(L1, L2, L3)가 결정되는 일 예를 도 6을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 6은 공진홈 길이의 변화에 따른 RGB 투과맵(transmittance map)을 도시한 도면이다.

도 6의 (A)는 시뮬레이션(simulation)에 의해 획득된 RGB 투과맵(transmittance map)을 도시하는데, 공진홈의 길이(Lc) 및 깊이(depth)가 각각 1 ~ 5μm 및 50 ~ 200nm인 범위에서 R, G, B 각각에 대한 투과율에 대한 시뮬레이션(simulation) 결과이다.

도 6의 (B)는 실험(experiment)적으로 획득된 RGB 투과맵(transmittance map)을 도시하는데, 1 ~ 3.9μm인 범위에서 공진홈의 길이(Lc)를 100nm씩 증가시킨 공진홈 샘플들을 통해 R, G, B 각각에 대한 빛이 투과된 결과이다.

도 6의 (A), (B)를 참조하면, R, G, B에 해당하는 빛이 함께 또는 하나만 투과되고, R, G, B는 각각 상이한 주기를 가지고 투과됨을 알 수 있다. 또한, 도 6의 (A)의 RGB 투과맵(transmittance map)에서의 적색광 위치, 녹색광 위치, 청색광 위치와 도 4의 (B)의 RGB 투과맵(transmittance map)에서의 적색광 위치, 녹색광 위치, 청색광 위치가 각각 일치함을 알 수 있다.

본 발명에서는 색상 가변 컬러 필터가 특정 색상을 갖는 입사광만을 투과시키도록 하기 위해, 도 6의 (A) 또는 (B)에 도시된 RGB 투과맵(transmittance map)에서 R, G, B 중에서 하나의 컬러에 대해서 높은 투과율을 갖고, 다른 컬러들에 대해서는 낮은 투과율을 갖는 위치에 매핑되는 길이(Lc)의 값을 복수의 공진홈의 길이(L1, L2, L3)로 결정할 수 있다. 즉, 적색광만을 투과시키는 1.2μm, 녹색광만을 투과시키는 2.7μm 및 청색광만을 투과시키는 3.1μm가 공진홈의 길이(L1, L2, L3)로 각각 선택될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 색상 가변 컬러 필터가 적용되는 유닛 픽셀 및 픽셀 어레이 평면도의 일 예이다.

도 7의 (A)를 참조하면, 금속 박막의 일측 표면에 직사각형의 단면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 세 개가 형성된 색상 가변 컬러 필터가 적용된 유닛 픽셀이 도시되어 있고, 도 7의 (B)를 참조하면, 색상 가변 컬러 필터를 적용한 유닛 픽셀이 36개가 배열된 6x6 픽셀 어레이가 도시되어 있다. 본 발명에 따라 픽셀 어레이는 그 면적이 종래에 비해 1/3로 줄어들어 고해상도 및 소형의 디스플레이 시스템을 구현하기 위해 사용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 색상 가변 컬러 필터가 적용된 픽셀 어레이에 의한 편광 방향 변화에 따른 투과율을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 입사되는 RGB 레이저의 편광각이 0°에서 360°로 1 회전할 때, 색상 가변 컬러 필터가 적용된 픽셀 어레이에 의해 투과되는 컬러 및 세기가 변경된다. 이때, R, G, B 각각의 투과율 그래프는 180° 주기를 갖는 사인파(sinusoidal curve)의 형태를 갖는다. 이러한 R, G, B의 투과율의 조합에 따라, 픽셀 어레이는 적색(red), 주황색(orange-yellow), 황색(yellow), 녹색(green), 청록색(cyan), 청색(blue) 및 심홍색(magenta)을 표현할 수 있다.

편광이 공진홈과 나란한 방향일 때, 즉, 편광각이 180°일 때, 적색광(R)의 투과율이 최고이고, 녹색광(G) 및 청색광(B)은 낮은 투과율을 보이므로, 픽셀 어레이에는 적색(R)을 표현할 수 있고, 편광각이 180°에서 60°만큼 회전한 240°일 때, 녹색광(G)의 투과율이 최고이고, 적색(R) 및 청색광(B)은 낮은 투과율을 보이므로, 픽셀 어레이에는 녹색(G)을 표현할 수 있고, 편광각이 240°에서 60°만큼 회전한 300°일 때, 청색광(B)의 투과율이 최고이고, 적색(R) 및 녹색광(G)은 낮은 투과율을 보이므로, 픽셀 어레이에는 청색(B)을 표현할 수 있다.

또한, 편광 방향이 두 공진홈 방향의 사이에 존재할 때, 즉, 편광각이 210°일 때, 적색광(R) 및 녹색광(G)의 투과율이 청색광(B)의 투과율보다 높으므로, 픽셀 어레이에는 적색광(R) 및 녹색광(G)이 혼합된 주황색(orange-yellow)을 표현할 수 있고, 편광각이 270°일 때, 녹색광(G) 및 청색광(B)의 투과율이 적색광(R)의 투과율보다 높으므로, 픽셀 어레이에는 녹색광(G) 및 청색광(B)이 혼합된 청록색(cyan)을 표현할 수 있고, 편광각이 330°일 때, 청색광(B) 및 적색광(R)의 투과율이 녹색광(G)의 투과율보다 높으므로, 픽셀 어레이에는 청색광(B) 및 적색광(R)이 혼합된 심홍색(magenta)을 표현할 수 있다.

그런데, 도 8에서는 공진홈이 상호간에 60°각도를 형성할 경우의 예를 들어 설명한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 적색광(R)을 최대 세기로 투과시키는 제1 공진홈과 녹색광(G)을 최대 세기로 투과시키는 제2 공진홈이 80°각도를 형성하며 교차되고, 녹색광(G)을 최대 세기로 투과시키는 제2 공진홈과 청색광(B)을 최대 세기로 투과시키는 제3 공진홈이 40°각도를 형성하며 교차될 경우, 편광각이 180°, 220°, 260°, 280°, 300°, 330°일 때, 픽셀 어레이는 각각 적색(red), 주황색(orange-yellow), 황색(yellow), 녹색(green), 청록색(cyan), 청색(blue) 및 심홍색(magenta)을 표현할 수 있다.

Claims

금속 박막의 일측 표면에,
직사각형의 바닥면 및 측면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 복수 형성되고,
상기 공진홈 각각의 바닥면에는 상기 공진홈들이 교차하는 영역에 개구가 관통 형성되며,
상기 공진홈 각각의 길이가 상이하게 형성되며, 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 상기 입사광의 투과 세기가 달라짐을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제1 항에 있어서, 상기 공진홈 각각의 길이는
상기 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 입사광에 대한 편광이 상기 공진홈과 나란한 방향에서, 일 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건을 만족하고, 다른 파장의 입사광은 상기 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 결정됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제2 항에 있어서,
상기 공진홈이 세 개일 경우, 제1 공진홈의 길이(L1)는 상기 입사광에 대한 편광이 상기 제1 공진홈과 나란한 제1 편광 방향에서, 제1 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건을 만족하고, 제2 파장 및 제3 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 결정되고,
제2 공진홈의 길이(L2)는 상기 입사광에 대한 편광이 상기 제2 공진홈과 나란한 제2 편광 방향에서, 제2 파장의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건을 만족하고, 제3 파장 및 제1 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 결정되고,
제3 공진홈의 길이(L3)는 상기 입사광에 대한 편광이 상기 제3 공진홈과 나란한 제3 편광 방향에서, 제3 파장의 입사광이 개구의 입력단에 배를 형성하는 투과 조건을 만족하고, 제1 파장 및 제2 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하는 투과 조건을 만족하도록 결정됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제3 항에 있어서, 상기 제1 파장 내지 제3 파장은
적색(red), 녹색(green) 및 청색(blue)에 해당하는 파장들 중 하나임을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제3 항 또는 제 4항에 있어서,
제1 편광 방향 내지 제3 편광 방향은 상호간에 60°각도를 형성함을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제1 항에 있어서, 상기 개구는
상기 공진홈의 바닥면의 중심축 상에 형성됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제 1항에 있어서,
상기 공진홈의 폭 및 깊이의 값은 상기 입사광의 한 파장 길이 이내에서 결정됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제 1항에 있어서, 상기 개구는
그 크기가 입사광 한 파장 길이 이내의 범위에서 결정됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제 1항에 있어서, 상기 개구는
다각형, 보타이(bow-tie)형, C형, H형 및 원형을 포함하는 형태들 중 하나임을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제 1항에 있어서, 상기 공진홈 각각은
상기 입사광이 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 개구 이외에 정상파의 배가 형성되는 위치에 다른 하나 이상의 개구가 더 관통 형성됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
제 1항에 있어서, 상기 개구는
하나의 소정 크기의 관통구의 형태로 형성되거나, 상기 하나의 소정 크기 내에서 복수의 관통구들로 형성됨을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터.
금속 박막의 일측 표면에, 직사각형의 바닥면 및 측면을 갖고 내측으로 오목한 형상의 공진홈이 상호 한점에서 교차되게 복수 형성되고, 상기 공진홈 각각의 바닥면에는 상기 공진홈들이 교차하는 영역에 개구가 관통 형성되며, 상기 공진홈 각각의 길이가 상이하게 형성되는 색상 가변 컬러 필터에,
입사광에 대한 편광이 상기 공진홈과 나란한 방향에서, 입사광을 상기 바닥면을 향하는 방향으로 입사시키는 단계와,
일 파장의 입사광이 상기 개구의 입력단에 배를 형성하도록 투과하고, 다른 파장의 입사광은 상기 개구의 입력단에 마디 또는 마디 주변부를 형성하도록 투과하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터링 방법.
제 12항에 있어서, 상기 입사시키는 단계에서
상기 입사광을 그 편광 방향이 소정 각도로 회전되도록 조절함을 특징으로 하는 색상 가변 컬러 필터링 방법.