KR101775989B1 - Optical filter including array of hybrid nanostructures and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는 광 필터 및 이의 제조 방법을 제공한다.An optical filter including an array of hybrid nanostructures and a method of manufacturing the same are provided.

Description

하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는 광 필터 및 이의 제조 방법{OPTICAL FILTER INCLUDING ARRAY OF HYBRID NANOSTRUCTURES AND METHOD OF PREPARING THE SAME}[0001] OPTICAL FILTER INCLUDING ARRAY OF HYBRID NANOSTRUCTURES AND METHOD OF PREPARING THE SAME [0002]

본원은, 하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는 광 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical filter comprising an array of hybrid nanostructures and a method of making the same.

광 필터는 광 통신, 디스플레이, 이미징을 포함하는 광범위한 광 관련 분야의 핵심적인 구성 부품으로 알려져 있다. 마이크로 단위에서의 광 필터들은 일반적으로 빛의 파장과 상응하는 두께의 유전체 박막들로 이루어져 있으며, 특정한 파장의 빛은 이 구조에 의한 간섭현상으로 인해서 투과 또는 반사된다. 한편, 소형화의 목표를 달성하기 위한 유망한 대안 중 하나는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons; SPPs) 사이의 간섭을 작동 원리로 하는 플라즈몬 그레이팅이다[Barnes, W. L.; Dereux, A.; Ebbesen, T. W. Surface plasmon subwavelength optics. Nature 2003, 424, (6950), 824-830]. 이러한 플라즈몬 그레이팅에 근거한 다양한 설계들이 각종 가시광-필터를 주도하고 있다. 모든 경우들에서, 많은 수의 그레이팅 요소가 빛 및 SPPs 사이의 향상된 운동량에 기인한 향상된 투과(transmission) 효율 및 더 좁은 선폭(linewidth)을 야기하였다. 이러한 유형의 필터는 전통적인 필터를 넘어서는 여러 중요한 이점들을 제공하지만, 투과율의 조절이 어렵다는 점, 그레이팅 요소의 수의 감소에 따라 성능이 감소한다는 점, 복수대역에서의 빛의 투과가 쉽게 제어가 안된다는 점들이 필터의 한계를 제시하고 있다. 또한, 특정한 선모양의 투과대역을 설계하고 싶은 경우, 간섭현상으로 구동되는 박막 필터이나 플라즈모닉 그레이팅으로는 그 실현이 매우 어렵거나 불가능하다.Optical filters are known to be a key component in a wide range of optical applications, including optical communications, displays, and imaging. Optical filters in micros are generally composed of dielectric thin films with a thickness corresponding to the wavelength of light, and light of a specific wavelength is transmitted or reflected due to interference caused by this structure. On the other hand, one of the promising alternatives to achieve the goal of miniaturization is plasmon grating, which operates on interference between surface plasmon polarites (SPPs) [Barnes, WL; Dereux, A .; Ebbesen, TW Surface plasmon subwavelength optics. Nature 2003, 424, (6950), 824-830]. Various designs based on this plasmon grating are leading various visible light filters. In all cases, a large number of grating elements resulted in improved transmission efficiency and a narrower linewidth due to the increased momentum between light and SPPs. This type of filter provides several important advantages over traditional filters, but it is difficult to control the transmittance, the performance decreases as the number of grating elements decreases, the transmission of light in multiple bands is not easily controlled Suggest the limit of the filter. In addition, when it is desired to design a specific line-shaped transmission band, it is very difficult or impossible to realize a thin film filter or a plasmonic grating driven by an interference phenomenon.

본원은, 하이브리드 나노구조체들을 배열한 광 필터 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides an optical filter in which hybrid nanostructures are arranged and a method of manufacturing the same.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 투명 기재 상에 배치된 나노구조체; 및 상기 나노구조체의 적어도 일부 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 코팅된 제 1 층을 포함하는 하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는, 광 필터로서, 상기 나노구조체는 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층은 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수 ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것인, 광 필터를 제공한다: A first aspect of the present application provides a nanostructure comprising: a nanostructure disposed on a transparent substrate; And an array of hybrid nanostructures comprising at least a portion of a surface of the nanostructure and a first layer coated on a surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed, The positive number of the permittivity < RTI ID = 0.0 > epsilon < / RTI > Wherein the first layer comprises a material in which the value of epsilon ', which is the real part of the dielectric constant epsilon, expressed as Equation 1 in the wavelength band in which the optical filter operates is negative:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

본원의 일 구현예에 따른 광 필터는 박막 적층구조로 인한 간섭현상, 또는 귀금속 요철구조에 의한 플라즈모닉 현상과는 차별화된 메카니즘을 기반으로 복수 대역에서도 빛을 동시에 투과시킬 수 있는 기능을 갖는다. 본원의 일 구현예에 따른 광 필터는 상이한 두께 또는 직경 및 물질 또는 그 조합의 하이브리드 나노구조체를 배열함에 따라 복수 대역의 빛을 동시에 투과시킬 수 있고, 하이브리드 나노구조체의 수 및 간격을 조절함으로써 전체 투과율을 효과적으로 조절할 수 있다. 플라즈모닉 필터와는 달리, 광 필터의 하이브리드 나노구조체의 개수와 무관하게 빛의 투과 대역폭은 일정하게 유지되며, 하이브리드 나노구조체의 개수 또는 요소들 사이의 간격에 따라서 전체 투과율의 조절이 가능하다. 이는 투과율과 투과파장의 조절이 독립적으로 실행될 수 있다는 점에서 플라즈모닉 필터와는 크게 차별된다. The optical filter according to an embodiment of the present invention has a function of simultaneously transmitting light even in a plurality of bands based on a mechanism differentiated from an interference phenomenon due to a thin film laminated structure or a plasmonic phenomenon due to a noble metal concave and convex structure. The optical filter according to an embodiment of the present invention can transmit light of a plurality of bands simultaneously by arranging hybrid nano-structures of different thicknesses or diameters and materials or a combination thereof. By controlling the number and spacing of the hybrid nanostructures, Can be effectively controlled. Unlike the plasmonic filter, the transmission bandwidth of light is kept constant regardless of the number of hybrid nanostructures of the optical filter, and the total transmittance can be adjusted according to the number of the hybrid nanostructures or the interval between the elements. This is very different from the plasmonic filter in that the transmittance and the transmission wavelength can be controlled independently.

이러한 기능을 바탕으로 지름이 상이한 나노구조체들을 배열할 경우, 하나의 대역이 아닌 각 나노구조체의 지름에 상응하는 개별적인 대역에서 빛의 투과가 가능한 복수 대역 필터가 실현될 수 있다. 더 나아가서, 나노구조체들의 다양한 배열(예를 들어, 상기 하이브리드 나노구조체들을 일정한 간격으로 배열함)과 배치(예를 들어, 상이한 두께 또는 지름 및/또는 물질을 갖는 상기 하이브리드 나노구조체들을 일정한 순서로 배열함)에 의한 ‘조각기법’을 이용함으로써 특정한 선형(lineshape)과 대역폭(bandwidth)의 형성이 가능하다. When the nanostructures having different diameters are arranged based on these functions, a multi-band filter capable of transmitting light in individual bands corresponding to the diameters of the respective nanostructures, rather than one band, can be realized. Furthermore, it is possible to arrange the hybrid nanostructures having different thicknesses or diameters and / or materials in a certain order (for example, arranging the hybrid nanostructures at regular intervals) It is possible to form specific lineshape and bandwidth by using a 'sculpting technique'.

본원에 따른 복수 대역 필터는 바이오 이미징과 광 통신 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. 바이오 이미징 중에서는 파장대가 다른 형광체의 빛들을 동시에 측정할 수 있다. 광 통신의 경우 멀티플랙싱(multiplexing) 기술에 적용이 가능할 것으로 전망된다.The multi-band filter according to the present invention can be applied to various fields such as bio-imaging and optical communication. In the bioimaging, it is possible to simultaneously measure the lights of the phosphors having different wavelengths. Optical communication is expected to be applicable to multiplexing technology.

본원에서는 기존의 광 필터들의 작동 원리와는 차별화된 새로운 페러다임을 제시함으로써, 필터의 성능에 대한 제어가 용이해졌으며, 실현이 불가능하였던 기능들이 가능해졌다. 이로 인해 다양한 적용분야의 기초 및 실용적인 발전이 급진적으로 일어날 것으로 전망된다.In this paper, we propose a new paradigm which is different from the existing optical filters' operation principle, so that the control of the filter performance is facilitated and the functions that could not be realized become possible. It is expected that the basic and practical development of various application fields will occur radically.

도 1a 및 도 1b는, 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 제조 방법의 개략도이다.
도 3a는, 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도이다.
도 3b는, 본원의 일 실시예에 따른 광 필터의 SEM 이미지이다. 스케일바는 1 ㎛이다.
도 3c는, 본원의 일 구현예에 전력 전송 따른 광 필터를 통한 원거리장 투과를 측정하기 위한 셋업의 개략도이다.
도 3d는, 도 3c에 따른 셋업을 2 차원으로 모델링하여 직경 및 파장의 함수로서 수치적으로 시뮬레이션된 본원의 일 실시예에 따른 광 필터의 투과를 나타낸 것이다.
도 4a는, 예시적인 파라미터를 갖는 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도이다.
도 4b는, 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 상부 Ag 층 두께 및 파장의 함수로서 수치적으로 결정된 전력 전달(power transfer) 효율을 나타낸 것이다.
도 4c는, 본원의 일 실시예에 따른 파장의 함수로써 30 nm 두께의 상부 Ag 층을 갖는 광 필터를 통한 전력 전달 효율을 나타낸 것이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 코어 직경 및 파장의 함수로서 수치적으로 시뮬레이션된 상부 Ag 층이 없는 광 필터(a) 및 하부 Ag 층이 없는 광 필터(b)를 통한 전력 전달 효율을 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 코어-쉘(상부) 및 코팅되지 않은 (하부) 실린더에 대한 Mie 산란에 대한 측정 결과를 나타낸 것이다. (a)는 코어-쉘 ZnO-Ag 실린더(상부) 및 코팅되지 않은 ZnO 실린더(하부)의 개략도로서, Ag 쉘 두께는 30 nm로 고정되었다. (b)는 직경 및 파장의 함수로서 분석학적으로 계산된 산란 단면이고, (c)는 180 nm의 코어-직경에 대한 파장의 함수로서 산란(검은색 곡선) 및 흡수 단면(청색 곡선)이다. (d)는 코어-쉘 실린더에서 근본적인 흡수 공명에 상응하는, 180 nm의 코어-직경 및 591 nm의 파장에서의 정규화된 각 산란 분포로서, 각의 변수인 θ는 (a)에 규정되어 있다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 30 nm 두께의 Ag 쉘로 둘러싸인 ZnO 실린더(a), 및 코팅되지 않은 ZnO 실린더(b)에 대한 직경 및 파장의 함수로서 분석적으로 계산된 흡수 단면을 나타낸 것이다.
도 8a는, 본원의 일 실시예에 따른 광 필터(적색 곡선) 및 기본적인 Ag 막 (검은색 곡선) 상에서의 집광된 빛의 입사에 대한 Ag 막에서의 2 차원 모델로 계산된 전달 효율을 나타낸 것이다. 상기 광 필터는 180 nm 크기의 코어-직경, 30 nm 두께의 상부 Ag 층 및 15 nm 두께의 하부 Ag 층으로 형성되었다. 기본적인 Ag 막은 45 nm 두께이다.
도 8b는, 본원의 일 실시예에 따른 광 필터(상부) 및 기본적인 Ag 막(하부) 상으로 집광된 빛 사이의 상호작용을 설명하는 것으로, y-방향에 따른 포인팅 벡터(Poynting vector)의 실수 부분(real part)을 나타낸 것이다. 1, 2 및 3으로서 표시된 도면은 도 8a에서 화살표로 표시된 각각 475 nm, 612 nm 및 750 nm에서 발생하는 상호작용을 나타낸 것이다.
도 9는, 도 8a의 광 필터 내부의 전기장 분포를 나타낸 것으로, 612 nm의 작동 파장에서(2로서 표시된 도면), 전기장은 나노구조체 내부에 주로 국한되어 있음을 보인 반면, 475 nm(1로서 표시된 도면) 및 750 nm(3으로서 표시된 도면)에서의 전기장은 같은 크기 내에서 거의 강도를 나타내지 않음을 보였다.
도 10a는, 본원의 일 실시예에 따른 제 1 Ag 층을 증착하기 전에 Ag 막 상의 세 개의 코팅되지 않은 ZnO 나노로드의 SEM 이미지로서, 왼쪽 및 오른쪽의 도면들은 각각 나노로드의 확대 및 전체 이미지이다. 명목 직경은 각각 상부로부터 하부로 186 nm, 156 nm 및 125±6 nm에 상응한다. 왼쪽 및 오른쪽의 스케일 바는 각각 250 nm 및 500 nm이다.
도 10b는, 본원의 일 실시예에 따른 제 1 Ag 층의 증착 후 세 개의 나노로드의 광학 현미경 이미지이다. 스케일 바는 2.5 ㎛이다.
도 10c는, 본원의 일 실시예에 따른 세 개의 광 필터 주위의 Ag 막을 통한 투과에 의해 정규화된 상기 하이브리드 디바이스를 통해 측정된 투과(상부) 및 수치적으로 시뮬레이션된 투과(하부)를 나타낸 것이다.
도 10d는, 본원의 일 실시예에 따른 다른 하이브리드 나노로드들로부터의 실험 및 계산된 파장-직경 분산을 나타낸 것이다. Exp1 및 Exp2는 각각 개별적으로 제조된 두 세트의 하이브리드 나노로드에 해당한다.
도 10e의 상부는 두 번째 Ag 층의 증착 전에 Ag 막 상의 점점 매우 가늘어지는 ZnO 나노로드의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 500 nm이다. 하부는 두 번째 Ag 층의 증착 후에 동일한 ZnO 나노로드의 광학 현미경 이미지이다. 스케일 바는 2.5 ㎛이다.
도 11은, 도 10c에서와 같은 세 개의 광 필터에서 나노로드 축에 직각으로 편광된 빛으로부터의 반응을 나타낸 것이다. (a) 평행으로(왼쪽 이미지) 및 직각으로(오른쪽 이미지) 편광된 백색광에 의해 발광된 광학 필터의 광학 현미경 이미지이고, (b) 186±6 nm(적색 곡선), 156±6 nm(녹색 곡선), 및 125±6 nm(청색 곡선)의 지름을 갖는 ZnO 나노로드를 포함하는 세 개의 광학 필터에서 주위를 둘러싼 Ag 막을 통한 투과에 의해 정규화된 하이브리드 디바이스를 통한 측정된 투과를 나타낸 것이다. 스케일 바는 2.5 ㎛이다.
도 12a 내지 도 12c는, 본원의 일 실시예에 따른 하이브리드 나노구조체의 투과 반응을 나타낸 그래프이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 본원에 따른 하이브리드 NR-Ag 필터, 및 (b) 좀더 실질적으로 설계된 본원에 따른 하이브리드 바(bar)-Ag 필터의 요소의 수에 따른 정규화 투과 선형의 의존도를 나타낸 것이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 종래의 플라즈모닉 나노공진기(적색), 본원에 따른 하이브리드 나노로드(청색) 및 실질적 하이브리드 필터(검은색)의 무한 어레이를 통한 절대 투과도를 나타낸 것이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 500 nm 내지 800 nm의 상이한 주기에서 하이브리드 나노로드 필터의 무한 어레이로부터의 투과도를 나타낸 것이다.
도 16a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 상이한 수의 요소에 대하여 하이브리드 나노로드 필터의 어레이로부터의 시뮬레이션된 투과도를 나타낸 것이다.
도 16b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 직사각형 단면으로 각각 구성된 실질적으로 사용할 수 있는 하이브리드 필터의 어레이로부터의 시뮬레이션된 투과도를 나타낸 것이다.
도 16c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 상이한 주기에 대하여 170 nm의 직경을 갖는 나노로드 필터의 무한 어레이를 통한 시뮬레이션된 투과도(상부) 및 주기의 함수로서 필터의 동일한 조립체에 대한 최대 투과도(하부)를 나타낸 것이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 500 nm 이하의 주기를 갖는 170 nm-크기의 하이브리드 필터의 무한 어레이로부터의 시뮬레이션된 투과 및 (b) 왼쪽에서 오른쪽으로 400 nm, 300 nm 및 200 nm 주기성에서 유닛 셀로부터의 전기장 분포를 나타낸 것이다.
도 18은, 본원의 일 구현예에 따른 광 필터 시스템을 나타낸 것이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 따른 광 필터 시스템을 기반으로 유도한 계산 결과를 나타낸 것이다.
도 20은, 본원의 일 실시예에 따른 광 필터 시스템을 기반으로 유도한 계산 결과를 나타낸 것이다.
도 21은, 본원의 일 실시예에 있어서, 도 17b에서와 같은 세 종류의 나노로드 배합을 기반으로한 광 필터 시스템의 계산 결과로서, (a) P1=P2=P3=475 nm이고 D1=100, D2=160, D3=220 nm인 시스템에서 유도된 투과율 및 (b) P1=P2=P3=600 nm이고 D1=160 nm, D2=180 nm, D3=200 nm인 시스템에서 유도된 투과율을 나타낸 것이다.
도 22는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 상이한 지름을 가지는 복수의 나노와이어를 조합 및 배열하여 구현한 화소를 광 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 23은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광 필터의 SEM 이미지이다.
1A and 1B are schematic diagrams of an optical filter according to an embodiment of the invention.
2 is a schematic view of a method of manufacturing an optical filter according to an embodiment of the present invention;
3A is a schematic diagram of an optical filter according to one embodiment of the present disclosure.
3B is an SEM image of an optical filter according to an embodiment of the present invention. The scale bar is 1 占 퐉.
FIG. 3C is a schematic diagram of a setup for measuring far field transmission through an optical filter according to an embodiment of the invention; FIG.
FIG. 3D shows the transmission of an optical filter according to one embodiment of the present invention, which modeled the setup according to FIG. 3C in two dimensions and numerically simulated as a function of diameter and wavelength.
4A is a schematic diagram of an optical filter according to one embodiment of the present disclosure having exemplary parameters.
Figure 4b shows the power transfer efficiency determined numerically as a function of the top Ag layer thickness and wavelength of the optical filter according to one embodiment of the present invention.
4C shows power transfer efficiency through an optical filter having a top Ag layer of 30 nm thickness as a function of wavelength according to one embodiment of the invention.
Figure 5 shows, in an embodiment of the invention, the power transfer efficiency (a) through an optical filter (a) without an upper Ag layer and an optical filter (b) without a lower Ag layer, which are numerically simulated as a function of core diameter and wavelength Lt; / RTI >
Figure 6 shows measurement results for Mie scattering for a core-shell (top) and an uncoated (bottom) cylinder, in one embodiment of the invention. (a) is a schematic diagram of a core-shell ZnO-Ag cylinder (top) and an uncoated ZnO cylinder (bottom), the Ag shell thickness being fixed at 30 nm. (b) is an analytically calculated scattering cross-section as a function of diameter and wavelength, and (c) is scattering (black curve) and absorption cross section (blue curve) as a function of wavelength for core-diameter of 180 nm. (d) is a normalized angular scattering distribution at a wavelength of 591 nm and a core-diameter of 180 nm, corresponding to the fundamental absorption resonance in the core-shell cylinder, and the angle? is defined in (a).
Figure 7 shows the analytically calculated absorption cross-section as a function of diameter and wavelength for a ZnO cylinder (a) surrounded by an Ag shell of 30 nm thickness and an uncoated ZnO cylinder (b) in one embodiment of the present invention will be.
Figure 8a shows the transfer efficiencies calculated with a two-dimensional model on the Ag filter for the incidence of condensed light on an optical filter (red curve) and a basic Ag film (black curve) according to one embodiment of the present invention . The optical filter was formed with a core-diameter of 180 nm, an upper Ag layer 30 nm thick, and a lower Ag layer 15 nm thick. The basic Ag film is 45 nm thick.
FIG. 8B illustrates the interaction between the light condensed onto the optical filter (top) and the basic Ag film (bottom) according to one embodiment of the present invention, wherein the error of the pointing vector along the y- And the real part. The diagrams labeled 1, 2, and 3 show the interactions occurring at 475 nm, 612 nm, and 750 nm, respectively, as indicated by the arrows in FIG.
Figure 9 shows the electric field distribution within the optical filter of Figure 8A, where at an operating wavelength of 612 nm (plotted as 2), the electric field was shown to be primarily localized within the nanostructure, whereas 475 nm And the electric field at 750 nm (plotted as 3) show little intensity within the same size.
10A is an SEM image of three uncoated ZnO nanorods on an Ag film prior to deposition of a first Ag layer according to one embodiment of the present application, wherein the left and right views are magnified and full images of the nanorod, respectively . The nominal diameters correspond respectively to 186 nm, 156 nm and 125 6 nm from top to bottom. The left and right scale bars are 250 nm and 500 nm, respectively.
10B is an optical microscope image of three nanorods after deposition of the first Ag layer according to one embodiment of the present invention. The scale bar is 2.5 占 퐉.
FIG. 10C shows the transmission (top) and the numerically simulated transmission (bottom) measured through the hybrid device normalized by transmission through the Ag film around three optical filters according to one embodiment of the present application.
Figure 10d shows experimental and calculated wavelength-diameter variance from other hybrid nano-rods according to one embodiment of the present application. Exp1 and Exp2 correspond to two sets of hybrid nano rods, each individually manufactured.
The upper part of FIG. 10E is an SEM image of an increasingly tapered ZnO nanorod on the Ag film before deposition of the second Ag layer. The scale bar is 500 nm. The bottom is an optical microscope image of the same ZnO nanorod after deposition of the second Ag layer. The scale bar is 2.5 占 퐉.
Figure 11 shows the response from light polarized at right angles to the nano-rod axis in the three optical filters as in Figure 10c. (a) is an optical microscope image of an optical filter emitted by polarized white light in parallel (left image) and at right angles (right image), (b) 186 ± 6 nm (red curve), 156 ± 6 nm ), And three optical filters including a ZnO nanorod having a diameter of 125 +/- 6 nm (blue curve), as measured by transmission through a surrounding Ag film. The scale bar is 2.5 占 퐉.
FIGS. 12A to 12C are graphs showing the transmission reaction of the hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a graphical representation of an embodiment of a hybrid NR-Ag filter according to one embodiment of the present invention, wherein (a) the hybrid NR-Ag filter according to the present invention, and (b) And the dependence of the transmission linearity is shown.
Figure 14 shows the absolute transmission through an infinite array of conventional plasmonic nanocavities (red), hybrid nano-rods (blue) and substantial hybrid filters (black) according to the present invention, in one embodiment of the present invention.
Figure 15 shows the transmittance of the hybrid nanoload filter from an infinite array at different periods of 500 nm to 800 nm, in one embodiment of the invention.
16A shows simulated transmission from an array of hybrid nano-load filters for different numbers of elements, in one embodiment of the invention.
Figure 16b shows the simulated transmission from an array of substantially usable hybrid filters each of which has a rectangular cross section, in one embodiment of the present invention.
Figure 16c shows, in one embodiment of the present invention, the simulated transmittance (top) through an infinite array of nanodrode filters having a diameter of 170 nm for different periods and the maximum transmittance for the same assembly of filters as a function of period Bottom).
17 shows, in one embodiment of the present application, (a) simulated transmission from an infinite array of 170 nm-sized hybrid filters with periods less than 500 nm and (b) 400 nm from left to right, 300 nm And an electric field distribution from a unit cell at 200 nm periodicity.
18 shows an optical filter system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 shows calculation results derived based on an optical filter system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 20 shows a calculation result derived based on an optical filter system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a graph illustrating the results of calculation of an optical filter system based on three kinds of nanoload combination as shown in FIG. 17B in the embodiment of the present invention. (A) P1 = P2 = P3 = 475 nm and D1 = 100 (B) the transmittance derived from the system where P1 = P2 = P3 = 600 nm and D1 = 160 nm, D2 = 180 nm, D3 = 200 nm will be.
FIG. 22 is a photograph of a pixel formed by combining and arranging a plurality of nanowires, each having a different diameter, according to an embodiment of the present invention, taken by a light microscope.
23 is an SEM image of an optical filter in an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is understood that it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms "about," " substantially, "and the like are used herein to refer to or approximate the numerical value of manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the mentioned disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The term " step "or" step of ~ " as used throughout the specification does not imply "step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다. Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 투명 기재 상에 배치된 나노구조체; 및 상기 나노구조체의 적어도 일부 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 코팅된 제 1 층을 포함하는 하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는, 광 필터로서, 상기 나노구조체는 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층은 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수 ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것인,광 필터를 제공한다: A first aspect of the present application provides a nanostructure comprising: a nanostructure disposed on a transparent substrate; And an array of hybrid nanostructures comprising at least a portion of a surface of the nanostructure and a first layer coated on a surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed, The positive number of the permittivity < RTI ID = 0.0 > epsilon < / RTI > Wherein the first layer comprises a material in which the value of epsilon ', which is the real part of the dielectric constant epsilon, expressed as Equation 1 in the wavelength band in which the optical filter operates is negative:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

본원 명세서 전체에서, "유전 상수(permittivity)"는 매질(medium) 내에서 전기장을 형성할 때 발생하는 저항을 측정한 것으로, 전기장이 유전 매질에 어떻게 영향을 주거나 받는지를 측정한 것을 의미하며, 일반적으로 ε으로서 표시된다. 유전 상수는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있다:Throughout this specification, the term "permittivity" refers to a measure of the resistance that occurs when an electric field is created in a medium, which is a measure of how an electric field affects or receives the dielectric medium, Lt; / RTI > The dielectric constant can be calculated by the following equation:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

유전 상수(dielectric function, 또는 relative permittivity; ε = ε' + iε")는 물질의 광학적 성질을 설명하는 함수이며, 복소수(複素數)체로 정의가 되어있다. 일반적으로 광학 함수는 굴절률(refractive index, N = n + ik)로서 나타내지만, 빛이 파장과 상응하는 영역대에서는 유전 상수(relative permittivity)가 더 적절한 표현법이다. 굴절률과 유전 상수는 아래의 식을 통해 쉽게 상호 전환이 가능하다: The dielectric function (or relative permittivity, ε = ε '+ iε) is a function describing the optical properties of a material and is defined by a complex number. N = n + ik), but relative permittivity is a more appropriate representation in the region where the light corresponds to the wavelength. The refractive index and the dielectric constant can easily be interchanged by the following equation:

(1) ε' = n2 - k2; (1) ε '= n 2 - k 2;

(2) ε" = 2 nk;(2)? "= 2 nk;

여기서 n은 실수로서 빛의 속도(c)와 빛이 물질 내 이동할 시의 속도(phase velocity, v)의 비를 나타낸다;Where n is a real number representing the ratio of the speed of light (c) and the speed of light (phase velocity, v) in the material;

(3) n = c/v (3) n = c / v

k 는 소멸계수(extinction coefficient)를 나타냄으로써, 빛이 물질 내 이동할 시 빛의 쐐기의 약화를 가리키는 계수이다. k represents the extinction coefficient, which is a coefficient indicating the weakening of the light wedge when the light travels through the material.

상기 n 과 k의 조합으로 모든 물질의 광학적인 성질을 나타낼 수 있으며, 미세한 구조내에서 일어나는 현상을 설명할 경우 ε' 와 ε" 이 더 적절하다. 이는 ε 의 경우, 물질의 포논(phonon) 구조 및 전자적 구조에 기인하는 함수이기 때문이다. 물질의 ε을 이론적으로 예측하는 모델들은 Lorentz model, Drude model, Debye relaxation model을 비롯하여 다양하다[참고 문헌: Chapter 9 in 'Absorption and Scattering of Light by Small Particles', C.F. Bohren and D.R. Huffman, Wiley-VCH 2004]. 유전상수는 물질의 전기 감수율(電氣感受率), χe 와 밀접한 관계를 가지고 있으며, 하기 식 (4)로서 표현이 가능하다: The combination of n and k can represent the optical properties of all materials, and ε 'and ε "are more appropriate when describing the phenomenon occurring in fine structures. This is due to the phonon structure of the material And the electronic structure. The models that theoretically predict the ε of a material vary, including the Lorentz model, the Drude model, and the Debye relaxation model (see Chapter 9 in 'Absorption and Scattering of Light by Small Particles'', CF Bohren and DR Huffman, Wiley-VCH 2004. The dielectric constant is closely related to the electrical susceptibility of the material, χ e, and can be expressed as:

(4) ε = 1 + χe. (4) ε = 1 + χ e.

따라서 전기 감수율은 전기장을 걸었을 경우, 물질의 분극화의 정도(degree of polarization)를 나타낸다. 금속의 경우, 높은 전도성으로 인하여 ε' 값이 음수이다. 손실은 ε"로서 표현이 된다[참고 문헌: Lourtioz, J.-M. et al. (2005) Photonic crystals: towards nanoscale photonic devices. Springer. Eq (4.8)-(4.9), p.122]. 본원에서 제 1 층, 제 2 층, 나노구조체 등에 대한 적절한 물질의 선택에 있어서 상기 설명한 바와 같은 유전 상수에 기초하여 선택할 수 있으며, 이러한 적절한 물질의 선택은 상기 설명한 바와 같이 당업계에서 공지된 문헌들 및 굴절률 등의 측정 방법, 데이터 등을 이용하여 각 물질의 유전 상수를 측정 및/또는 계산하여 선택할 수 있다.The electrical susceptibility thus represents the degree of polarization of the material when an electric field is applied. In the case of metals, the value of ε 'is negative due to the high conductivity. Loss is expressed as " epsilon "(Lourtioz, J.-M. et al. (2005) Photonic crystals: towards nanoscale photonic devices. The selection of suitable materials for the first layer, the second layer, the nanostructure, etc. in the selection of suitable materials, and the selection of such suitable materials may be accomplished as described above, The dielectric constant of each material can be measured and / or calculated by using a measuring method such as refractive index, data, or the like.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체들 각각에 포함된 상기 나노구조체 각각의 두께 (characteristic dimension) 또는 직경 및/또는 물질은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 나노구조체의 직경 또는 물질에 따라 빛의 투과 대역이 결정될 수 있다. 두께 또는 직경 및/또는 물질이 서로 상이한 나노구조체들을 포함함으로써 복수의 파장 대역들의 빛을 동시에 투과시키는 복수 대역 필터로서 작동할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the characteristic dimension or diameter and / or the material of each of the nanostructures included in each of the hybrid nanostructures may be the same or different from each other. The transmission band of light can be determined according to the diameter or the material of the nanostructure. Band filters that simultaneously transmit light in a plurality of wavelength bands by including nanostructures of different thickness, diameter, and / or material.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체의 개수 또는 배열 간격을 조절하여 전체 투과율을 조절할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the total transmittance can be controlled by controlling the number or arrangement interval of the hybrid nanostructures.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체들의 배열 및/또는 배치를 조절하여 투과 파장 대역의 폭과 선모양(lineshape)이 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 하이브리드 나노구조체들의 다양한 배열(예를 들어, 하이브리드 나노구조체들을 일정한 간격으로 배열함)과 배치(예를 들어, 상이한 두께 또는 지름 및/또는 물질을 갖는 하이브리드 나노구조체들을 일정한 순서로 배열함)에 의한 ‘조각기법’으로 특정한 선형(lineshape)과 대역폭(bandwidth)의 형성이 가능하다.In one embodiment of the present invention, the width and linehape of the transmission wavelength band can be adjusted by adjusting the arrangement and / or arrangement of the hybrid nanostructures. For example, hybrid nanostructures having different thicknesses or diameters and / or materials may be arranged in a predetermined order (e.g., in a certain order) with a variety of arrangements of the hybrid nanostructures (e.g., arranging hybrid nanostructures at regular intervals) The 'fragmentation technique' by means of the arrangement allows the formation of specific lineshape and bandwidth.

도 18은 상이한 직경을 갖는 복수 개의 하이브리드 나노구조체들을 배열한 광 필터를 나타낸 것으로, 하이브리드 나노구조체들의 직경뿐만 아니라 배열 간격을 다양화하여 복수 대역의 필터를 실현할 수 있다. FIG. 18 shows an optical filter in which a plurality of hybrid nanostructures having different diameters are arranged. It is possible to realize a filter of a plurality of bands by varying not only the diameter of the hybrid nanostructures but also the arrangement interval.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체는 나노 크기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 하이브리드 나노구조체는 나노 크기의 두께 또는 직경, 예를 들어, 약 100 nm 내지 약 5,000 nm의 두께 또는 직경을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the hybrid nanostructure may be nano-sized, but may not be limited thereto. The hybrid nanostructure may have a nano-sized thickness or diameter, for example, a thickness or diameter of about 100 nm to about 5,000 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터는 집속된 빛 또는 평면파를 포함하는 광원에 대해 사용될 수 있다.In one embodiment of the invention, the optical filter can be used for a light source that includes focused light or plane waves.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터의 작동 파장 대역은 가시광선 범위 또는 적외선 범위를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the operating wavelength band of the optical filter may include a visible light range or an infrared range.

도 1a와 도 1b는 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도이다. 1A and 1B are schematic diagrams of an optical filter according to an embodiment of the present invention.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체(400)는 상기 광 필터가 작동하는 파장 영역에서 하기 식 1로 표시되는 유전 상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층(500)은 상기 광 필터가 작동하는 파장 영역에서 하기 식 1로 표시되는 유전 상수 ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것이다:In one embodiment of the present invention, the nanostructure 400 includes a material having a positive value of ε ', which is a real part of a permittivity ε expressed by the following equation 1 in a wavelength range in which the optical filter operates, ; The first layer 500 includes a material having a negative value of a real part ε 'of a dielectric constant ε expressed by the following formula 1 in a wavelength region in which the optical filter operates:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체(400)는 상기 광 필터의 작동 파장보다 작은 두께를 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 광 필터의 작동 파장이 가시광선 또는 적외선인 경우, 상기 나노구조체(400)는 이러한 작동 파장보다 얇은 두께 또는 지름을 가지도록 형성할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nanostructure 400 may have a thickness smaller than an operating wavelength of the optical filter. For example, when the operating wavelength of the optical filter is visible light or infrared light, the nanostructure 400 may have a thickness or diameter smaller than the operating wavelength.

본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a를 참고하면, 상기 나노구조체(400)의 적어도 일부 표면에 형성된 제 1 층(500)의 두께 t는 제 1 층(500)의 두께와 나노구조체(400)의 반지름을 합한 두께 (또는 나노구조체의 중심에서 제 1 층의 상단까지의 길이) a에 대하여 0 < t < a 또는 0 < t/a < 1의 조건을 만족하는 범위일 수 있다. 또한, 제 1 층(500)의 두께 t는 상기 나노구조체(400)의 반지름보다 얇은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이러한 조건은 상기 나노구조체(400)를 형성하는 물질의 유전 상수의 실수 부분 ε'과 제 1 층(500) 또는 제 1 층과 제 2 층의 유전상수의 실수 부분 ε'의 기호가 상이할 경우, 빛의 산란을 최소화하기 위한 조합을 형성하는데 필요한 조건이다. 1A, the thickness t of the first layer 500 formed on at least a portion of the surface of the nanostructure 400 may be greater than the thickness of the first layer 500 and the thickness of the nanostructure 400. In one embodiment, A < a < a or 0 < t / a < 1 with respect to the thickness a of the first layer (or the length from the center of the nanostructure to the top of the first layer) a. In addition, the thickness t of the first layer 500 may be thinner than the radius of the nanostructure 400, but may not be limited thereto. This condition is satisfied when the real part ε 'of the dielectric constant of the material forming the nanostructure 400 is different from the symbol of the first layer 500 or the real part ε' of the dielectric constant of the first layer and the second layer , A condition necessary to form a combination for minimizing light scattering.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체는 상기 투명 기재 상에 배치된 나노구조체의 적어도 일부의 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 코팅된 제 1 층을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 층은 상기 나노구조체의 표면 중 상기 기재에 접촉되지 않은 표면의 적어도 일부(도 1a) 또는 접촉되지 않은 모든 표면(도 1b)에 형성되는 것으로서, 상기 광 필터에 입사되는 빛이 통과하는 부분에 해당하는 상기 나노구조체의 표면에 상기 제 1 층이 형성된다.In one embodiment of the invention, the hybrid nanostructure comprises a first layer coated on at least a portion of a surface of the nanostructure disposed on the transparent substrate and a surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed . For example, the first layer is formed on at least a portion of the surface of the nanostructure that is not in contact with the substrate (FIG. 1A) or all surfaces that are not in contact (FIG. 1B) The first layer is formed on a surface of the nanostructure corresponding to a portion through which light passes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체와 상기 제 1 층의 하부에 형성된 제 2 층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 층(300)은 상기 식 1로서 표시되는 유전 상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the nanostructure may additionally include a second layer formed under the first layer, but the present invention is not limited thereto. In one embodiment of the present invention, the second layer 300 includes a material having a negative value of ε ', which is a real part of the permittivity ε indicated by the formula 1.

상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 서로 동일하거나 다른 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 층의 두께는 제 1 층(500)의 두께와 나노구조체(400)의 반지름을 합한 두께 a에 대하여 상기한 제 1 층의 두께 조건을 만족하는 범위 일 수 있으며, 상기 제 2 층은 상기 제 1 층보다 더 얇은 두께를 가질 수 있다.The first layer and the second layer may comprise the same or different materials. The thickness of the second layer may be in a range satisfying the thickness condition of the first layer with respect to the thickness a of the first layer 500 plus the radius of the nanostructure 400, The layer may have a thickness that is thinner than the first layer.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 빛이 투과할 수 없는 최저 두께일 수 있다. 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층의 두께를 조절하여 투과 효율을 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first layer and the second layer may be the minimum thickness that can not transmit light. The thickness of the first layer and the second layer may be adjusted to control the transmission efficiency.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층은 포함하는 물질에 따라 두께가 달라질 수 있으며, 상기한 바와 같이, 상기 나노구조체(400)의 적어도 일부 표면에 형성된 제 1 층(500)의 두께 t는 제 1 층(500)의 두께와 나노구조체(400)의 반지름을 합한 두께 (또는 나노구조체의 중심에서 제 1 층의 상단까지의 길이) a에 대하여 0 < t < a 또는 0 < t/a < 1의 조건을 만족하는 범위일 수 있다. 또한, 제 1 층(500)의 두께 t는 상기 나노구조체(400)의 반지름보다 얇은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이러한 조건은 상기 나노구조체(400)를 형성하는 물질의 유전 상수의 실수 부분 ε'과 제 1 층(500) 또는 제 1 층과 제 2 층의 유전상수의 실수 부분 ε'의 기호가 상이할 경우, 빛의 산란을 최소화하기 위한 조합을 형성하는데 필요한 조건이다. The thickness of the first layer 500 formed on at least a part of the surface of the nanostructure 400 may be varied according to the material contained in the first layer 500. In one embodiment of the present invention, A <0 or 0 <t / a with respect to a thickness (or a length from the center of the nanostructure to the top of the first layer) a of the thickness of the first layer 500 and the radius of the nanostructure 400 &Lt; 1. In addition, the thickness t of the first layer 500 may be thinner than the radius of the nanostructure 400, but may not be limited thereto. This condition is satisfied when the real part ε 'of the dielectric constant of the material forming the nanostructure 400 is different from the symbol of the first layer 500 or the real part ε' of the dielectric constant of the first layer and the second layer , A condition necessary to form a combination for minimizing light scattering.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층의 두께는 제 1 층을 형성하는 물질에 따라 상기한 두께 조건을 만족하는 것으로서, 예를 들어, 상기 제 1 층은 약 10 nm 내지 약 70 nm 범위의 두께, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 20 nm 내지 약 70 nm, 약 30 nm 내지 약 70 nm, 약 40 nm 내지 약 70 nm, 약 50 nm 내지 약 70 nm, 또는 약 60 nm 내지 약 70 nm의 두께를 가질 수 있다.In one embodiment herein, the thickness of the first layer satisfies the thickness condition according to the material forming the first layer, for example, the first layer has a thickness in the range of about 10 nm to about 70 nm From about 10 nm to about 50 nm, from about 10 nm to about 50 nm, from about 10 nm to about 40 nm, from about 10 nm to about 30 nm, from about 10 nm to about 20 nm, from about 20 nm to about 70 nm , From about 30 nm to about 70 nm, from about 40 nm to about 70 nm, from about 50 nm to about 70 nm, or from about 60 nm to about 70 nm.

본원의 일 구현예에 있어서. 상기 제 2 층은 포함하는 물질에 따라 두께가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 약 5 nm 내지 약 50 nm 범위의 두께, 약 5 nm 내지 약 40 nm, 약 5 nm 내지 약 30 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 40 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가질 수 있다.In one embodiment herein. The second layer may vary in thickness depending on the material it is in, and may have a thickness in the range of, for example, about 5 nm to about 50 nm, about 5 nm to about 40 nm, about 5 nm to about 30 nm, From about 5 nm to about 10 nm, from about 10 nm to about 50 nm, from about 20 nm to about 50 nm, from about 30 nm to about 50 nm, or from about 40 nm to about 50 nm have.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 층은 약 10 nm 내지 약 20 nm의 두께이고 상기 제 1 층은 약 25 nm 내지 약 45 nm의 두께일 수 있다.In one embodiment herein, the second layer is about 10 nm to about 20 nm thick and the first layer can be about 25 nm to about 45 nm thick.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층은 사용하고자 하는 광 필터의 작동 파장 대역에 따라 상기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터의 작동 파장 대역이 가시광선 범위를 포함하는 경우, 상기 제 1 층은 Ag, Au, Pt, Al, Si, Ge, Cu, P-도핑 Si, B-도핑 Si, 및 P-도핑 Ge 등과 같은 고도핑 반도체 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터의 작동 파장 대역이 적외선 범위를 포함하는 경우, 상기 제 1 층은 TiN, InP, Si, Ge, ZnO, GaN, InGaN, InN, Cu, Ga-도핑 ZnO, 및 Si-도핑 GaN 등과 같은 도핑된 반도체로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first layer includes a material having a negative value of a permittivity ε, which is a real part of permittivity ε expressed by Equation 1, in accordance with an operating wavelength band of an optical filter to be used can do. In one embodiment of the present invention, when the operating wavelength band of the optical filter includes a visible light range, the first layer may include Ag, Au, Pt, Al, Si, Ge, Cu, Doped Si, and P-doped Ge, and the like. In one embodiment of the present invention, when the operating wavelength band of the optical filter includes an infrared range, the first layer may be formed of TiN, InP, Si, Ge, ZnO, GaN, InGaN, InN, Cu, , And doped semiconductors such as Si-doped GaN, and the like.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체는 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε 의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하는 것으로서, 상기 광 필터의 작동 파장 대역보다 큰 밴드갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 나노구조체는 상기 조건을 만족하는 무기 또는 유기 반도체 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 광 필터의 작동 파장 영역이 가시광선 범위 또는 적외선 범위인 경우에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 상기 나노구조체는, 상기 광 필터의 작동 파장 대역이 가시광선 범위를 포함하는 경우, 예를 들어, C(diamond), Si, Ge, Sn, SiC, S8, Se, Te, BN, BP, BAs, ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu2S, PbSe, PbS, ObTe, SnS, SnS2, SnTe, B12As2, AlN, AlP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, CdS, CdSe, CdTe, InGaP, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO2, BaTiO3, PbSeTe, Tl2SnTe5, Tl2GeTe5, Bi2Te3, Cd3P2, Cd3As2, Cd3Sb2, ZnsP2, Zn3As2, Zn3Sb2, TiO2, Cu2O, CuO, UO2, UO3, Bi2O3, SnO2, SrTiO3, LiNbO3, La2CuO4, PbI2, MoS2, VO2, V2O3, GaSe, Bi2S3, NiO, CuInSe2, Ag2S, FeS2, Cu2ZnSnS4, CuZnSbS, Cu2SnS3, Si1 - xGex, Si1 - xSnx, AlxGa1 -xAs, InxGa1 - xAs, InxGa1 -xP, AlxIn1 - xAs, AlxIn1 - xSb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAsSbP, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, 및 Cu(In,Ga)Se2로 이루어진 군으로부터 선택된 유전체 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 나노구조체는, 상기 광 필터의 작동 파장 대역이 적외선 범위를 포함하는 경우, 예를 들어, C(diamond), Si, Ge, Sn, SiC, S8, Se, Te, BN, BP, BAs, ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu2S, PbSe, PbS, ObTe, SnS, SnS2, SnTe, B12As2, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, CdS, CdSe, CdTe, InGaP, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO2, BaTiO3, PbSeTe, Tl2SnTe5, Tl2GeTe5, Bi2Te3, Cd3P2, Cd3As2, Cd3Sb2, ZnsP2, Zn3As2, Zn3Sb2, TiO2, Cu2O, CuO, UO2, UO3, Bi2O3, SnO2, SrTiO3, LiNbO3, La2CuO4, PbI2, MoS2, VO2, V2O3, GaSe, Bi2S3, NiO, CuInSe2, Ag2S, FeS2, Cu2ZnSnS4, CuZnSbS, Cu2SnS3, Si1 - xGex, Si1 -xSnx, AlxGa1 - xAs, InxGa1 - xAs, InxGa1 -xP, AlxIn1 - xAs, AlxIn1 - xSb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAsSbP, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, 및 Cu(In,Ga)Se2로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nanostructure includes a material having a positive value of ε ', which is a real part of a permittivity ε expressed by the following equation 1 in a wavelength band in which the optical filter operates, A material having a bandgap greater than the operating wavelength band of the optical filter. The nanostructure can be used without limitation as long as it is an inorganic or organic semiconductor material satisfying the above conditions. The nanostructure can be selected depending on the operating wavelength range of the optical filter in the visible light range or the infrared range. The nano-structure, when the operating wavelength band of the optical filter including a visible light range, for example, C (diamond), Si, Ge, Sn, SiC, S 8, Se, Te, BN, BP, BAs ZnS, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu 2 S, PbSe, PbS, ObTe, SnS, SnS 2 , SnTe, B 12 As 2 , AlN, AlP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb CdSe, CdTe, InGaP, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO 2 , BaTiO 3 , PbSeTe, Tl 2 SnTe 5 , Tl 2 GeTe 5 , Bi 2 Te 3 , Cd 3 P 2 , Cd 3 As 2, Cd 3 Sb 2, ZnsP 2, Zn 3 As 2, Zn 3 Sb 2, TiO 2, Cu 2 O, CuO, UO 2, UO 3, Bi 2 O 3, SnO 2, SrTiO 3, LiNbO 3, La 2 CuO 4, PbI 2, MoS 2, VO 2, V 2 O 3, GaSe, Bi 2 S 3, NiO, CuInSe 2, Ag 2 S, FeS 2, Cu 2 ZnSnS 4, CuZnSbS, Cu 2 SnS 3, Si 1 - x Ge x, Si 1 - x Sn x, Al x Ga 1 -x As, In x Ga 1 - x As, In x Ga 1 -x P, Al x In 1 - x As, Al x In 1 - x Sb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb , AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAs It may comprise a dielectric material selected from the SbP, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, and Cu (In, Ga) Se 2 the group consisting of, but may not be limited thereto. The nano-structure, when the operating wavelength band of the optical filter including the infrared range, for example, C (diamond), Si, Ge, Sn, SiC, S 8, Se, Te, BN, BP, BAs, ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu 2 S, PbSe, PbS, ObTe, SnS, SnS 2, SnTe, B 12 As 2, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, CdS, CdSe, CdTe, InGaP, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO 2 , BaTiO 3 , PbSeTe, Tl 2 SnTe 5 , Tl 2 GeTe 5 , Bi 2 Te 3 , Cd 3 P 2 , Cd 3 As 2 , Cd 3 Sb 2, ZnsP 2, Zn 3 As 2, Zn 3 Sb 2, TiO 2, Cu 2 O, CuO, UO 2, UO 3, Bi 2 O 3, SnO 2, SrTiO 3, LiNbO 3, La 2 CuO 4 , PbI 2, MoS 2, VO 2, V 2 O 3, GaSe, Bi 2 S 3, NiO, CuInSe 2, Ag 2 S, FeS 2, Cu 2 ZnSnS 4, CuZnSbS, Cu 2 SnS 3, Si 1 - x Ge x, Si 1 -x Sn x , Al x Ga 1 - x As, In x Ga 1 - x As, In x Ga 1 -x P, Al x In 1 - x As, Al x In 1 - x Sb, GaAsS, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAsSbP, CdZ nTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, and Cu (In, Ga), but may include a material selected from the group consisting of Se 2, it may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체는 Al 또는 Ga로 도핑된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nanostructure may be doped with Al or Ga, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체의 두께 또는 직경을 조절함으로써 투과 파장 또는 투과 파장 영역을 조절할 수 있어, 빛의 투과 대역을 결정할 수 있다. 상기 나노구조체의 직경은 상기 광 필터의 작동 파장, 예를 들어, 가시광역대 및/또는 적외선 대역대, 및 상기 나노구조체에 포함되는 물질에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 광 필터의 희망 작동 파장 영역대에서 물질에 따라 유전 상수가 상이하므로, 빛의 산란을 최소화하는 유전상수 대 나노구조체의 크기 조합을 만족하는 적절한 두께 또는 직경을 계산을 통하여 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, by controlling the thickness or the diameter of the nanostructure, the transmission wavelength or the transmission wavelength region can be controlled, and the transmission band of light can be determined. The diameter of the nanostructure may be determined according to the operating wavelength of the optical filter, for example, the visible range and / or the infrared range, and the material contained in the nanostructure. For example, since the dielectric constant varies depending on the material in the desired operating wavelength range of the optical filter, a suitable thickness or diameter that satisfies the size combination of the dielectric constant versus the nanostructure that minimizes light scattering can be determined through calculation .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체는 상기 광 필터의 작동 파장보다 작은 두께 또는 직경을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 광 필터의 작동 파장 대역이 가시광 범위를 포함하는 경우에, 상기 나노로드가 ZnO를 포함할 경우, 상기 나노구조체의 두께 또는 직경은 약 50 nm 내지 약 400 nm 또는 그 미만 범위, 예를 들어, 약 50 nm 내지 약 390 nm, 약 50 nm 내지 약 350 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 100 내지 약 390 nm, 약 100 nm 내지 약 350 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 250 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm, 약 150 내지 약 390 nm, 약 150 nm 내지 약 350 nm, 약 150 nm 내지 약 300 nm, 약 150 nm 내지 약 250 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 약 200 내지 약 390 nm, 약 200 nm 내지 약 350 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 200 nm 내지 약 250 nm의 범위일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nanostructure may have a thickness or diameter smaller than the operating wavelength of the optical filter. For example, when the operating wavelength band of the optical filter includes a visible light range, when the nanorod comprises ZnO, the thickness or diameter of the nanostructure may range from about 50 nm to about 400 nm or less, From about 50 nm to about 200 nm, from about 50 nm to about 350 nm, from about 50 nm to about 300 nm, from about 50 nm to about 250 nm, from about 50 nm to about 200 nm, from about 50 nm to about 150 nm nm, about 50 nm to about 100 nm, about 100 to about 390 nm, about 100 nm to about 350 nm, about 100 nm to about 300 nm, about 100 nm to about 250 nm, about 100 nm to about 200 nm, About 150 nm to about 300 nm, about 150 nm to about 250 nm, about 150 nm to about 200 nm, about 200 to about 100 nm, about 150 nm to about 400 nm, about 150 nm to about 390 nm, 390 nm, from about 200 nm to about 350 nm, from about 200 nm to about 300 nm, or from about 200 nm to about 250 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터의 작동 파장 영역이 적외선 범위를 포함하는 경우에 있어서, 상기 나노로드가 ZnO를 포함할 경우, 상기 나노구조체의 두께 또는 직경은 약 50 nm 내지 약 5,000 nm 범위 범위일 수 있으며, 예를 들어, 약 50 nm 내지 약 4,500 nm, 약 50 nm 내지 약 4,000 nm, 약 50 nm 내지 약 3,500 nm, 약 50 nm 내지 약 3,000 nm, 약 50 nm 내지 약 2,500 nm, 약 50 nm 내지 약 2,000 nm, 약 50 nm 내지 약 1,500 nm, 약 50 nm 내지 약 1,000 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 100 nm 내지 약 5,000 nm, 약 500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 1,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 1,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 2,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 2,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 3,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 3,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 4,000 nm 내지 약 5,000 nm, 또는 약 4,500 nm 내지 약 5,000 nm의 범위일 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the operating wavelength region of the optical filter includes an infrared range, when the nanorod includes ZnO, the thickness or diameter of the nanostructure may be about 50 nm to about 5,000 nm And may range from about 50 nm to about 4,500 nm, from about 50 nm to about 4,000 nm, from about 50 nm to about 3,500 nm, from about 50 nm to about 3,000 nm, from about 50 nm to about 2,500 nm, From about 50 nm to about 2,000 nm, from about 50 nm to about 1,500 nm, from about 50 nm to about 1,000 nm, from about 50 nm to about 500 nm, from about 50 nm to about 250 nm, from about 50 nm to about 100 nm, from about 500 nm to about 5,000 nm, from about 500 nm to about 5,000 nm, from about 1,000 nm to about 5,000 nm, from about 1,500 nm to about 5,000 nm, from about 2,000 nm to about 5,000 nm, from about 2,500 nm to about 5,000 nm, From about 5,000 nm, from about 3,500 nm to about 5,000 nm, from about 4,000 nm to about 5,000 nm, or from about 4,500 nm to about 5,000 nm Can.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층은 포함하는 물질에 따라 그의 두께가 달라질 수 있으며, 각 물질에 따라 상기 나노구조체(400)의 적어도 일부 표면에 형성된 제 1 층(500)의 두께 t는 제 1 층(500)의 두께와 나노구조체(400)의 반지름을 합한 두께 (또는 나노구조체의 중심에서 제 1 층의 상단까지의 길이) a에 대하여 0 < t < a 또는 0 < t/a < 1의 조건을 만족하는 범위일 수 있다. 또한, 제 1 층(500)의 두께 t는 상기 나노구조체(400)의 반지름보다 얇은 것일 수 있다. The thickness of the first layer 500 formed on at least a part of the surface of the nanostructure 400 depends on the material of the first layer 500, A <0 or 0 <t / a with respect to a thickness (or a length from the center of the nanostructure to the top of the first layer) a of the thickness of the first layer 500 and the radius of the nanostructure 400 &Lt; 1. Also, the thickness t of the first layer 500 may be thinner than the radius of the nanostructure 400.

예를 들어, 상기 나노구조체의 두께(characteristic dimension) 또는 직경은, 가시광선 영역에서 작동 시, 약 400 nm 이하 또는 미만, 약 350 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 250 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 150 nm 이하, 또는 약 100 nm 이하일 수 있으며, 상기 길이의 하한은, 예를 들어, 약 10 nm, 약 50 nm, 약 70 nm, 또는 약 100 nm일 수 있다.For example, the characteristic dimension or diameter of the nanostructure may be less than or equal to about 400 nm, less than or equal to about 350 nm, less than or equal to about 300 nm, less than or equal to about 250 nm, less than or equal to about 200 nm, About 150 nm or less, or about 100 nm or less, and the lower limit of the length may be, for example, about 10 nm, about 50 nm, about 70 nm, or about 100 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체는 그 형태에 제한이 없으나, 예를 들어, 나노로드, 나노바, 나노와이어, 나노월(nanowall), 또는 나노디스크(nanodisc)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 나노로드 또는 나노바는 원뿔 기둥, 원통 기둥, 삼각 기둥, 사각 기둥, 오각 기둥, 또는 육각 기둥의 형태일 수 있으며, 또는 나노로드의 축의 길이가 짧은 나노로드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nanostructure is not limited in its shape but may include, for example, a nanorod, a nanowire, a nanowire, a nanowall, or a nanodisc, But may not be limited. The nanorod or nanobar may be in the form of a conical column, a cylindrical column, a triangular column, a quadrangular column, a pentagonal column, or a hexagonal column, or may include, but is not limited to, .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체의 길이는 제한이 없으며, 예를 들어, 상기 나노구조체의 두께 또는 직경과 동일하거나 더 길 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 나노구조체는 약 10 ㎛ 이하의 길이, 예를 들어, 약 1 내지 약 10 ㎛ 범위, 예를 들어, 약 1 내지 약 8 ㎛, 약 1 내지 약 7 ㎛, 약 1 내지 약 5 ㎛, 약 1 내지 약 3 ㎛, 약 3 내지 약 10 ㎛, 약 5 내지 약 10 ㎛, 또는 약 8 내지 약 10 ㎛의 범위의 길이일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the length of the nanostructure is not limited, and may be, for example, equal to or longer than the thickness or diameter of the nanostructure, but may not be limited thereto. The nanostructure may have a length of less than about 10 microns, such as from about 1 to about 10 microns, for example, from about 1 to about 8 microns, from about 1 to about 7 microns, from about 1 to about 5 microns, from about 1 To about 3 占 퐉, from about 3 to about 10 占 퐉, from about 5 to about 10 占 퐉, or from about 8 to about 10 占 퐉.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터는 상기 제 2 층 하부에 형성된 웨팅(wetting) 층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층은 제 2 층의 표면 거칠기를 감소시킬 수 있다. 상기 웨팅 층은 약 0.5 nm 내지 약 10 nm 범위의 두께, 예를 들어, 약 0.5 nm 내지 약 8 nm, 약 0.5 nm 내지 약 6 nm, 약 0.5 nm 내지 약 4 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 3 nm 내지 약 10 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 8 nm 내지 약 10 nm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층은 Ge, 또는 Al-도핑 Ag를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the optical filter may additionally include, but is not limited to, a wetting layer formed under the second layer. The wetting layer can reduce the surface roughness of the second layer. The wetting layer may have a thickness ranging from about 0.5 nm to about 10 nm, for example, from about 0.5 nm to about 8 nm, from about 0.5 nm to about 6 nm, from about 0.5 nm to about 4 nm, from about 0.5 nm to about 2 nm , From about 1 nm to about 10 nm, from about 3 nm to about 10 nm, from about 5 nm to about 10 nm, or from about 8 nm to about 10 nm. The wetting layer may include, but is not limited to, Ge, or Al-doped Ag.

도 1a 및 도 1b는 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도로서, 기재(100); 상기 기재 상에 형성된 웨팅 층(200); 상기 웨팅 층 상에 형성된 제 2 층(300); 상기 제 2 층 상에 배치된 나노구조체(400); 및 상기 나노구조체의 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 제 2 층 상에 코팅된 제 1 층(500)의 구조로 형성된다. 도 1a는 제 1 층(500)이 나노구조체(400)의 표면 일부에 형성된 구현예를 도시한 것이고, 도 1b는 제 1 층(500)이 나노구조체 표면 전체에 형성된 구현예를 도시한 것이다. 도 1a 및 도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제 1 층(500)이 상기 나노구조체(400)의 표면 및 하단부 측면에 코팅됨에 따라, 제 1 층에 의해 쉘(shell) 또는 캐비티(cavity)를 형성할 수 있다. FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams of an optical filter according to an embodiment of the invention, comprising a substrate 100; A wetting layer (200) formed on the substrate; A second layer (300) formed on the wetting layer; A nanostructure (400) disposed on the second layer; And a first layer (500) coated on a surface of the nanostructure and a second layer on which the nanostructure is not disposed. FIG. 1A shows an embodiment in which the first layer 500 is formed on a part of the surface of the nanostructure 400, and FIG. 1B shows an embodiment in which the first layer 500 is formed on the entire surface of the nanostructure. As shown in FIGS. 1A and 1B, as the first layer 500 is coated on the surface and the lower side of the nanostructure 400, a shell or a cavity is formed by the first layer, Can be formed.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 나노구조체는 상기 투명 기재 상에 배치된 나노구조체의 적어도 일부의 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 코팅된 제 1 층을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 층은 상기 나노구조체의 표면 중 상기 기재에 접촉되지 않은 표면의 적어도 일부 또는 접촉되지 않은 모든 표면에 형성되는 것으로서, 상기 광 필터에 입사되는 빛이 통과하는 부분에 해당하는 상기 나노구조체의 표면에 상기 제 1 층에 형성된다.In one embodiment of the invention, the hybrid nanostructure comprises a first layer coated on at least a portion of a surface of the nanostructure disposed on the transparent substrate and a surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed . For example, the first layer is formed on at least a part of the surface of the nanostructure that is not in contact with the base material or on all surfaces that are not in contact with the surface of the nanostructure, And is formed on the first layer on the surface of the nanostructure.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층에 의해 형성된 쉘(shell)에 의하여 둘러싸여 통합된 나노구조체의 형태로 단일 나노크기 요소를 사용하여 빛이 필터링되고 파장에 따라 조절될 수 있다. 상기 광 투과에 대한 원리는 상기 나노구조체 내로 빛을 고도로 농축(집중)시키고 강한 흡수 공명을 발생시키는 상기 쉘의 능력, 또는 동등하게, 상기 쉘에 의한 광 산란의 상쇄로부터 유래된 것이다. In one embodiment of the present invention, light can be filtered and adjusted in wavelength using a single nano-sized element in the form of an integrated nanostructure surrounded by a shell formed by the first layer. The principle of light transmission is derived from the ability of the shell to highly concentrate (concentrate) light into the nanostructure and generate strong absorption resonance, or equivalently, to cancel out light scattering by the shell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층 및 제 2 층은 상기 나노구조체의 상부 및 하부에만 각각 형성될 수 있으며 상기 나노구조체 주위에 동심원적으로 균등하게 코팅할 필요가 없으므로, 상기 광 필터의 제조에 대한 제약이 완화될 수 있어서 온-칩 플랫폼(on-chip platform)으로의 상기 디바이스의 통합이 용이해질 수 있다. 게다가, 최대 효율을 달성하기 위해서는 증가된 수의 요철 구조체(grating element)를 필요로 하는 플라즈몬 그레이팅-유형 필터와 달리, 상기 본원의 일 구현예에 따른 단일 요소, 즉, 하이브리드 나노구조체는 투과 선형(lineshape)에 대해서 요소(element)의 수에 의존하지 않는다. 이에 의하여, 단일 요소로서 상기 하이브리드 나노구조체가 궁극적인 크기의 광 필터를 실현할 수 있도록 하고, 나노크기 통신 장치 및 초고해상도 픽셀 어레이의 제조와 같은 무수한 적용 가능성을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the first layer and the second layer may be formed only on the upper and lower portions of the nanostructure, respectively. Since it is unnecessary to uniformly coat the nanostructure concentrically around the nanostructure, The restrictions on manufacturing can be mitigated and the integration of the device into an on-chip platform can be facilitated. Furthermore, unlike the plasmon grating-type filter, which requires an increased number of uneven grating elements to achieve maximum efficiency, a single element according to one embodiment of the present invention, i.e., a hybrid nanostructure, It does not depend on the number of elements for lineshape. This allows the hybrid nanostructure as a single element to realize an ultimate-sized optical filter and provides numerous applications such as nanoscale communication devices and fabrication of ultra high resolution pixel arrays.

본원의 일 구현예에 있어서, 물질의 유전상수는 파장에 대한 함수이므로, 특정한 파장대에서 ε' 이 양수 또는 음수를 띤다. 따라서 본원의 일 구현예에 있어서 상기 광 필터에서는 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층과 나노구조체의 ε'의 부호가 상이한 파장대에서만 투과성능이 발휘된다. 예를 들어, 제 2 Ag 층, ZnO 나노구조체 및 제 1 Ag 층을 포함하는 광 필터의 경우, ZnO은 가시광역대에서 ε'이 양수이며, Ag의 ε'은 음수이다. 따라서 두 물질의 조합은 가시광역대에서의 산란을 약화시키며 투과도를 강화시킬 수 있다.In one embodiment of the invention, the dielectric constant of a material is a function of wavelength, so that at a particular wavelength band, epsilon 'is positive or negative. Therefore, in one embodiment of the present invention, in the optical filter, the transmission performance is exerted only at the wavelength band where the signs of the first layer and the second layer and the ε 'of the nanostructure are different. For example, in the case of an optical filter comprising a second Ag layer, a ZnO nanostructure and a first Ag layer, ZnO is positive in the visible range and ε 'of Ag is negative. Therefore, the combination of the two materials weakens scattering in the visible range and can enhance the transmittance.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터로 입사되는 빛의 편광 방향을 상기 나노구조체 축과 동일한 방향으로 고정함으로써 상기 입사되는 빛에 의하여 형성된 상기 제 1 층 내의 쌍극자(dipole)와 상기 나노구조체 내의 쌍극자 간의 간섭으로 인하여 빛의 산란이 상쇄되어 상기 광 필터의 투과도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 제 2 Ag 층, ZnO 나노구조체 및 제 1 Ag 층을 포함하는 광 필터의 경우, 빛에 반응하여 형성된 Ag 층에 존재하는 성극(polarization)과 ZnO 나노구조체 코어에 존재하는 성극(polarization)간의 간섭으로 산란이 사라짐으로서 Ag-ZnO-Ag의 구조가 국소적으로 투명해지고, 이로 인해 공명 효과가 나타날 수 있다. 투과 효능은 상기 쉘과 나노구조체간에 의한 광 산란의 상쇄간섭으로부터 유래된 것이다. 빛은 진동하는 전기장과 자기장으로 이루어져있다. 빛이 물질에 의해 산란되는 현상은 진동하는 전기장이 물질의 성극(또는 dipole, 쌍극자)과 반응하여, 성극을 동일하게 진동시켜 빛을 다시 발생하게 하는 원리로부터 유래된다. 상기 기술된 식 ε = 1 + χe와 같이 유전상수는 물질이 전기장에 어느 정도 성극화될 수 있는지를 나타내는 함수이다. 물질의 유전상수의 실수가 음수인 경우 성극의 위상이 180 도 뒤바뀌어 진동하게 된다. 이 때, 물질을 이루는 구성요소들 중 일부분이 음수와 양수의 ε'을 가진다면 빛과 반응 시, 성극들이 서로 상쇄간섭하여 빛을 약화시키는 현상이 발생하게 된다. 두 구성요소의 크기가 빛의 상쇄간섭의 정도를 결정하게 된다. 동시에 강한 상쇄간섭이 일어나기 위해서는 빛의 손실이 적어야 하며, 이는 허수인 ε"이 약해야 된다는 조건을 야기한다. 강한 상쇄간섭으로 산란이 줄어들었을 때 물질은 빛에 효과적으로 투명하게 보여, 빛이 물질을 투과할 수 있게 된다.In one embodiment of the present invention, the polarization direction of the light incident on the optical filter is fixed in the same direction as the axis of the nanostructure, so that a dipole in the first layer formed by the incident light, The scattering of light is canceled by the interference between the dipoles and the transmittance of the optical filter can be increased. For example, in the case of an optical filter including a second Ag layer, a ZnO nanostructure, and a first Ag layer, a polarization existing in the Ag layer formed in response to light and a polarization existing in the ZnO nanostructure core ), The structure of the Ag-ZnO-Ag becomes locally transparent, and thus the resonance effect can be exhibited. The transmission efficiency is derived from the destructive interference of light scattering between the shell and the nanostructure. Light consists of an oscillating electric field and a magnetic field. The phenomenon in which light is scattered by matter comes from the principle that an oscillating electric field reacts with the substance's dipole (dipole), causing the light to vibrate by vibrating the same pole. The dielectric constant, such as the above-described equation ε = 1 + χ e , is a function of how much the material can be polarized in the electric field. If the real number of the dielectric constant of the material is negative, the phase of the pole changes 180 degrees and oscillates. At this time, if some of the constituents of the material have negative and positive epsilon (')', when they react with light, they interfere with each other and weaken the light. The size of the two components determines the extent of the cancellation of the light. At the same time strong destructive interference requires a small loss of light, which leads to the condition that the imaginary ε "must be weak." When scattering is reduced by strong destructive interference, the material appears to be effectively transparent to light, It becomes possible to transmit.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터는 바이오 이미징에 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 바이오 이미징에서, 상기 광 필터는 파장대가 다른 형광체의 빛들을 동시에 측정할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the optical filter may be used for, but is not limited to, bio-imaging. In bioimaging, the optical filter can simultaneously measure the lights of different phosphors of the wavelength band.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터는 광 통신에 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 광 통신에서, 상기 광 필터는 멀티플렉싱(multiplexing) 기술에 적용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the optical filter may be used for optical communication but may not be limited thereto. In optical communication, the optical filter can be applied to a multiplexing technique.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광 필터의 제조 방법은 투명 기재 상에 나노구조체를 배치하고; 상기 나노구조체의 적어도 일부의 표면과 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 제 1 층을 코팅하는 것을 포함할 수 있으며, 상기 나노구조체는 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층은 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것인, 광 필터의 제조 방법을 제공한다:In one embodiment of the present invention, the method of fabricating the optical filter comprises: disposing a nanostructure on a transparent substrate; And coating the first layer on the surface of at least a portion of the nanostructure and the surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; a &lt; / RTI &gt; of the permittivity &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Wherein the first layer comprises a material having a negative value of a permittivity? Of a real part represented by the following formula 1 in a wavelength band in which the optical filter operates: to provide:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체를 상기 기재에 배치하기 전에 상기 기재 상에 제 2 층을 코팅하는 것을 추가 포함할 수 있다. 상기 제 1 층과 제 2 층은 서로 동일한 물질을 포함하며, 상기 제 2 층은 상기 제 1 층보다 더 얇은 두께로 코팅될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, it may further comprise coating the second layer on the substrate prior to placing the nanostructure on the substrate. The first layer and the second layer may include the same material, and the second layer may be coated with a thinner thickness than the first layer, but the present invention is not limited thereto.

도 1a와 도 1b는 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 개략도이다.1A and 1B are schematic diagrams of an optical filter according to an embodiment of the present invention.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체(400)는 상기 광 필터가 작동하는 파장 영역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전 상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층(500)은 상기 광 필터가 작동하는 파장 영역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전 상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것이다:In one embodiment of the present invention, the nanostructure 400 includes a material having a positive value of ε ', which is a real part of a permittivity ε expressed as the following equation 1 in a wavelength range in which the optical filter operates: ; The first layer 500 includes a material having a negative value of a permittivity? Of a real part expressed by the following formula 1 in a wavelength range in which the optical filter operates:

[식 1][Formula 1]

유전 상수 ε = ε' + iε".The dielectric constant ε = ε '+ iε ".

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체(400)는 상기 광 필터의 작동 파장보다 작은 두께를 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 광 필터의 작동 파장 영역이 가시광선 또는 적외선 영역인 경우, 상기 나노구조체(400)는 이러한 작동 파장 범위보다 얇은 범위의 두께 또는 지름을 가지도록 형성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nanostructure 400 may have a thickness smaller than an operating wavelength of the optical filter. For example, when the operating wavelength region of the optical filter is a visible light or an infrared region, the nanostructure 400 may have a thickness or diameter that is thinner than the operating wavelength range.

본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a를 참고하면, 상기 나노구조체(400)의 적어도 일부 표면에 형성된 제 1 층(500)의 두께 t는 제 1 층(500)의 두께와 나노구조체(400)의 반지름을 합한 두께 (또는 나노구조체의 중심에서 제 1 층의 상단까지의 길이) a에 대하여 0 < t < a 또는 0 < t/a < 1의 조건을 만족하는 범위일 수 있다. 또한, 제 1 층(500)의 두께 t는 상기 나노구조체(400)의 반지름보다 얇은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이러한 조건은 상기 나노구조체(400)를 형성하는 물질의 유전 상수의 실수 부분 ε'과 제 1 층(500) 또는 제 1 층과 제 2 층의 유전상수의 실수 부분 ε'의 기호가 상이할 경우, 빛의 산란을 최소화하기 위한 조합을 형성하는데 필요한 조건이다. 1A, the thickness t of the first layer 500 formed on at least a portion of the surface of the nanostructure 400 may be greater than the thickness of the first layer 500 and the thickness of the nanostructure 400. In one embodiment, A < a < a or 0 < t / a < 1 with respect to the thickness a of the first layer (or the length from the center of the nanostructure to the top of the first layer) a. In addition, the thickness t of the first layer 500 may be thinner than the radius of the nanostructure 400, but may not be limited thereto. This condition is satisfied when the real part ε 'of the dielectric constant of the material forming the nanostructure 400 is different from the symbol of the first layer 500 or the real part ε' of the dielectric constant of the first layer and the second layer , A condition necessary to form a combination for minimizing light scattering.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 층을 코팅하기 전에 상기 기재 상에 웨팅 층을 코팅하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층은 상기 제 2 층의 표면 거칠기를 감소시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층은 약 0.5 nm 내지 약 10 nm 범위의 두께, 예를 들어, 약 0.5 nm 내지 약 8 nm, 약 0.5 nm 내지 약 6 nm, 약 0.5 nm 내지 약 4 nm, 약 0.5 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 3 nm 내지 약 10 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 8 nm 내지 약 10 nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 웨팅 층은 Ge, 또는 Al-도핑 Ag를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, it may further include, but is not limited to, coating the wetting layer on the substrate prior to coating the second layer. The wetting layer may reduce the surface roughness of the second layer, but may not be limited thereto. The wetting layer may have a thickness ranging from about 0.5 nm to about 10 nm, for example, from about 0.5 nm to about 8 nm, from about 0.5 nm to about 6 nm, from about 0.5 nm to about 4 nm, from about 0.5 nm to about 2 nm , From about 1 nm to about 10 nm, from about 3 nm to about 10 nm, from about 5 nm to about 10 nm, or from about 8 nm to about 10 nm. In one embodiment herein, the wetting layer may include, but is not limited to, Ge, or Al-doped Ag.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체 배열은 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 예를 들어, 전자빔 리소그래피 공정을 통하여 설계가 가능하나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 제 2 층 또는 기재 상에 포토레지스트를 형성하고 전자빔 리소그래피 공정으로 각 나노구조체의 모양 및 길이와 배열구조를 설계할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 나노구조체는 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 예를 들어, 기상(vapor phase) 방식, 용액상 방식, 및 고상 방식 또는 증착 방식에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 기상 방식은 MOVPE(metal-organic vapor-phase epitaxy) 또는 CVD(chemical vapor deposition) 공정을 포함하는 것으로, 예를 들어, MOVPE 방식에 의해 기재 상에 성장시킨 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 용액상 방식은 수열 합성, 또는 용매열 합성(solvothermal)을 포함하고, 상기 고상 방식은 용융염 합성(molten salt synthesis)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 증착 방식은 스퍼터링(sputtering) 증착 방식 및 e-빔 증발 방식을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 나노구조체는 예를 들어, 전자빔 리소그래피와 현상(developing) 절차로 포토레지스트에 패턴을 형성한 후, 스퍼터(sputter) 증착과 리프트오프(lift-off) 공정을 통하여 제작할 수 있다.In one embodiment herein, the nanostructure array can be fabricated by methods known in the art, for example, through electron beam lithography processes, but may not be limited thereto. A photoresist may be formed on the second layer or substrate, and the shape, length, and arrangement of each nanostructure may be designed by an electron beam lithography process, but the present invention is not limited thereto. The nanostructures can be prepared by methods known in the art and can be, for example, but not limited to, vapor phase, solution phase, and solid phase or deposition methods . The gas-phase method includes a metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE) process or a chemical vapor deposition (CVD) process, and may be, for example, grown on a substrate by MOVPE . The solution phase process may include hydrothermal synthesis, or solvent solvothermal, and the solid phase process may include, but is not limited to, molten salt synthesis. The deposition method may include, but is not limited to, a sputtering deposition method and an e-beam evaporation method. The nanostructure can be fabricated through a sputter deposition and a lift-off process, for example, by forming a pattern on a photoresist by an electron beam lithography and a developing process.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층 및 제 2 층은 각각 당업계에 공지된 증착 방법 또는 코팅 방법에 의해 증착 또는 코팅될 수 있으며, 상기 나노구조체는 전자빔 리소그래피와 현상(developing) 절차로 포토레지스트에 패턴을 형성한 후, 스퍼터 증착과 리프트오프(lift-off) 공정을 통하여 제작할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 제 2 층 및 상기 제 1 층은, 예를 들어, e-빔 증발기를 이용하여 증착될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment, the first layer and the second layer may be deposited or coated by a deposition or coating method known in the art, respectively, and the nanostructure may be subjected to electron beam lithography and developing procedures The photoresist may be formed by patterning the photoresist, followed by sputter deposition and lift-off processes, but the present invention is not limited thereto. The second layer and the first layer may be deposited using, for example, an e-beam evaporator, but are not limited thereto.

도 2는 본원의 일 구현예에 따른 광 필터의 제조 방법의 개략도이다. 도 2를 참조하여 본원의 일 구현예를 이하에서 상세히 설명하도록 한다.2 is a schematic view of a method of manufacturing an optical filter according to an embodiment of the present invention. One embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to FIG.

우선, 기재(100) 상에 웨팅 층(200)을 형성한다. 상기 기재는 유전체 물질을 포함하는 기재라면 제한 없이 사용 가능하며, 예를 들어, SiN, SiO2, ITO, Al2O3, 또는 쿼츠일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층(200)은 e-빔 증발기를 이용하여 증착될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 웨팅 층(200)은 추후 증착될 제 2 층의 표면 거칠기를 감소시킨다. 그런 다음, 상기 증착된 웨팅 층(200) 상에 e-빔 증발기를 이용하여 제 2 층(300)을 증착한다. 상기 제 2 층(300)의 산화를 예방하기 위해 낮은 산소 환경에서 질소 흐름 하에 약 300℃의 온도에서 급속 가열 어닐링하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 그런 다음, 상기 제 2 층(300) 상에 포토레지스트 박막을 형성하고 전자빔 리소그래피와 현상(developing) 공정을 통하여 각 나노구조체의 길이 및 모양과 배열 패턴을 형성한 후, 스퍼터링(sputtering) 증착 공정으로 나노구조체 두께에 상응하는 두께의 ZnO 박막을 증착할 수 있다. 리프트오프(liftoff) 공정을 통하여 포토레지스트를 제거하여 배열된 나노구조체(400)을 구현할 수 있다. 이 때, 나노구조체(400)는 원하는 개수 및 간격으로 상기 제 2 층(300) 상에 배열할 수 있다. 그런 다음, 상기와 같은 동일한 조건 하에서 e-빔 증발기를 이용하여 제 1 층(500)을 증착하여 하이브리드 나노구조체를 형성할 수 있다. 도 1d에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 층(500)이 나노구조체(400)의 상부 표면과 상기 나노구조체가 배치되지 않은 하기 제 2 층(300) 상에 코팅되어 캐비티를 형성한다.First, a wetting layer 200 is formed on a substrate 100. The substrate may be any substrate including a dielectric material without limitation, and may be, for example, SiN, SiO 2 , ITO, Al 2 O 3 , or quartz. The wetting layer 200 may be deposited using an e-beam evaporator, but may not be limited thereto. The wetting layer 200 reduces the surface roughness of the second layer to be subsequently deposited. The second layer 300 is then deposited using an e-beam evaporator on the deposited wetting layer 200. But may not be limited to, rapid thermal annealing at a temperature of about 300 DEG C under nitrogen flow in a low oxygen environment to prevent oxidation of the second layer 300. [ Then, a photoresist thin film is formed on the second layer 300, and the length, shape and arrangement pattern of each nanostructure are formed through an electron beam lithography and a developing process, followed by a sputtering deposition process A ZnO thin film having a thickness corresponding to the thickness of the nanostructure can be deposited. The photoresist may be removed through a lift-off process to realize the aligned nanostructure 400. FIG. At this time, the nanostructures 400 may be arranged on the second layer 300 in a desired number and spacing. The first layer 500 may then be deposited using an e-beam evaporator under the same conditions as described above to form the hybrid nanostructure. As shown in FIG. 1D, a first layer 500 is coated on the upper surface of the nanostructure 400 and a second layer 300 on which the nanostructure is not disposed to form a cavity.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are given for the purpose of helping understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the following Examples.

[실시예][Example]

[실시예 1][Example 1]

ZnO 나노로드의 제조 Manufacture of ZnO nanorods

ZnO 나노로드를 MOVPE(metal-organic vapor-phase epitaxy)를 사용하여 c-평면 Al2O3 기재 상에 성장시켰다[Park, W. I.; Kim, D. H.; Jung, S. W.; Yi, G. C. metal organic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods. Appl Phys Lett 2002, 80, (22), 4232-4234]. 디에틸아연 및 산소를 반응물로서 사용하였으며 아르곤을 캐리어 가스로서 사용하였다. ZnO 나노로드를 2-단계 MOVPE 공정으로 길이 및 직경을 조절하여 성장시켰다. 첫 번째 단계에서, 미세 ZnO 나노로드를 4 μm 내지 5 μm의 길이가 되도록 6 시간 동안 700℃ 내지 800℃에서 성장시켰다. 그런 다음, ZnO 나노로드의 측면 성장을 450℃ 내지 550℃에서 2 시간 동안 실시하여 100 nm 내지 240 nm 범위의 평균 직경을 갖도록 하였다. ZnO nanorods were grown on c-plane Al 2 O 3 substrates using metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE) [Park, WI; Kim, DH; Jung, SW; Yi, GC metal organic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods. Appl Phys Lett 2002, 80, (22), 4232-4234]. Diethylzinc and oxygen were used as reactants and argon was used as the carrier gas. The ZnO nanorods were grown by a two-step MOVPE process with controlled length and diameter. In the first step, the fine ZnO nanorods were grown at 700 ° C. to 800 ° C. for 6 hours to a length of 4 μm to 5 μm. The lateral growth of the ZnO nanorods was then carried out at 450 ° C to 550 ° C for 2 hours to have an average diameter in the range of 100 nm to 240 nm.

하이브리드 나노로드의 제조 Manufacture of hybrid nano-rods

기재로서, 0.5 T 쿼츠(quartz) 슬라이드를 포토리소그래피적으로 설계된 10 nm/40 nm Ti/Au 플레이스먼트 마커(placement markers)에 의해 지지하여 제조하였다. 1 nm Ge 및 15 nm Ag 막을 각각 0.1 Å/sec 및 1.5 Å/sec의 증착 속도로 10-6 torr 이하의 e-빔 증발기에서 순차적으로 상기 기재 상에 증착하였으며, 이때 Ge 층은 웨팅 층(wetting layer)으로서 작용하여 Ag의 표면 거칠기를 감소시켰다. 그런 다음, Ag의 산화를 예방하기 위해 낮은 산소 환경에서의 질소 흐름 하에서 300℃에서 3 분간 급속 가열 어닐링을 하여 Ag의 품질을 향상시켰다.As a substrate, 0.5 T quartz slides were prepared by supporting with 10 nm / 40 nm Ti / Au placement markers designed for photolithography. 1 nm Ge and 15 nm Ag films were sequentially deposited on the substrate in an e-beam evaporator of less than 10 -6 torr at deposition rates of 0.1 A / sec and 1.5 A / sec respectively, wherein the Ge layer was wetted layer to reduce the surface roughness of Ag. Then, in order to prevent oxidation of Ag, rapid heating annealing was performed at 300 ° C for 3 minutes under nitrogen flow in a low oxygen environment to improve the quality of Ag.

그런 다음, 무수 에탄올 중 ZnO NRs을 Ag/Ge 코팅된 쿼츠 슬라이드 상으로 드롭-캐스팅(drop-casted)하였다. 상기 슬라이드를 건조하고 100 mA에서 2 분 동안 Ar로 플라즈마 세척하였다. 목적으로 하는 범위의 직경을 갖는 개별 NRs을 15 kV FE-SEM으로 확인한 후, 상술한 것과 동일한 조건 하에서 작동되는 e-빔 증발기에서 30 nm의 추가 Ag 층을 증착하여 Ag-캐비티를 각각의 상기 나노로드 상에 형성하여 광 필터를 제조하였다.ZnO NRs in anhydrous ethanol was then drop-cast onto an Ag / Ge coated quartz slide. The slides were dried and plasma washed with Ar at 100 mA for 2 minutes. Individual NRs having a desired range of diameters were identified with a 15 kV FE-SEM and then an additional Ag layer of 30 nm was deposited in an e-beam evaporator operated under the same conditions as described above to deposit the Ag- And formed on a rod to prepare an optical filter.

[실험예 1][Experimental Example 1]

실시예 1에서와 같이 제조된 광 필터의 투과 효율을 시판되는 FDTD solver(Lumerical)를 사용하여 계산하였다. 2D 시뮬레이션을 실시하여 하이브리드 필터 및 측정 셋업(setup)을 모델링하였다. 0.8 NA의 얇은 렌즈 형상의 Gaussian 빔을 상기 하이브리드 나노로드 상으로 집광하여 발광(illumination)시켰다. 상기 나노로드 또는 Ag 막을 통한 전력 전달 효율을 상기 Ag 막의 500 nm 아래에 위치한 전력 모니터에 의해 판독하였으며, 또한 이를 원거리장(far-field) 분포를 생성하는데 사용하였다. 도 3 및 도 10에서 대물 렌즈로의 원거리장 투과를 수득하기 위해, 우선 쿼츠에서 수집 원뿔(collection cone) 상에서 통합한 원거리장 분포를 모든 각도에서 통합한 원거리장 분포로 나누어 수집 효율을 계산하였다. 그런 다음, 상기 비율을 전력 전달 효율과 곱하여 원거리장 투과를 산출하였다. PML(perfectly matched layers) 경계 조건을 사용하였다. Ag에 대한 유전 함수(dielectric function)를 Johnson 및 Christy의 문헌[Johnson, P. B.; Christy, R. W. Optical Constants of Noble Metals. Phys Rev B 1972, 6, (12), 4370-4379]에서와 같이 수득하였고, ZnO에 대한 유전 함수는 Adachi의 문헌[Yoshikawa, H.; Adachi, S. Optical constants of ZnO. Jpn J Appl Phys 1 1997, 36, (10), 6237-6243]에 따라서, Ge에 대한 유전 함수는 Palik 의 문헌[Palik, E. D., Handbook of Optical Constants of Solids. Academic Press: New York, 1985]에 따라 수득하였다.The transmission efficiency of the optical filter manufactured as in Example 1 was calculated using a commercially available FDTD solver (Lumerical). 2D simulations were performed to model the hybrid filter and measurement setup. A Gaussian beam with a lens shape of 0.8 NA was condensed onto the hybrid nano-rod and illuminated. The power transfer efficiency through the nanorod or Ag film was read by a power monitor located 500 nm below the Ag film and was used to generate a far-field distribution. In order to obtain the far field transmission to the objective lens in FIGS. 3 and 10, the collection efficiency was first calculated by dividing the far field distribution integrated on the collection cone in quartz into the far field distribution integrated from all angles. The ratio was then multiplied by the power transfer efficiency to yield the far field transmission. PML (perfectly matched layers) boundary conditions were used. The dielectric function for Ag can be found in Johnson and Christy, Johnson, P. B .; Christy, R. W. Optical Constants of Noble Metals. Phys Rev B 1972, 6, (12), 4370-4379], and the genetic function for ZnO is described in Adachi, Yoshikawa, H .; Adachi, S. Optical constants of ZnO. According to Jpn J Appl Phys 1 1997, 36, (10), 6237-6243, the dielectric function for Ge is described by Palik, Palik, E., Handbook of Optical Constants of Solids. Academic Press: New York, 1985].

필터 요소의 임의 개수에 대한 연구에서, 평면파 여기를 사용하였다. 주기적 경계 조건(periodic boundary conditions)을 무한 어레이의 계산을 위해 실시하였다.In the study of any number of filter elements, plane wave excitation was used. Periodic boundary conditions were performed for infinite array calculations.

[실험예 2][Experimental Example 2]

상기 실시예 1과 같이 제조한 광 필터의 투과를 측정하기 위해, 백색광 소스로서 초연속체 레이저(supercontinuum laser)(Fianium, sc-400)를 사용하였다. 단-통과 필터(short-pass filter)(FF01-890/SP-25, Semrock)를 사용하여 적외선에서의 빛을 제거하였다. 입사광을 약 1 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 크기의 스팟 크기를 갖는 0.8 NA 대물 렌즈를 통해 단일 나노로드 필터 상으로 집광시켰다. 투과된 빛을 상기 샘플 뒤에 위치한 별개의 0.8 NA 대물 렌즈에 의해 수집하였고 질소-냉각된 CCD 어레이가 장착된 300/mm 그루브 500 nm 블레이즈드 그레이팅을 사용하여 분광기(Princeton Instrument SP2300i)에 의해 검출하였다. Ag-코팅된 NR을 CCD를 통해 공간 이미지를 관찰하여 수동으로 중앙에 위치시켰다. 400 nm 내지 700 nm에 걸친 통합된 전력(power)을 중성 밀도 필터의 사용을 통해 거의 1 μW로 유지시켰다. 하이브리드 NR의 투과 스펙트럼을 측정한 후, 초점을 조사된 NR 근처의 처리되지 않은 대역(bare area)으로 이동시켰으며, 여기에서는 표준화 목적을 위한 백그라운드 투과 스펙트럼이 수집되었다.A supercontinuum laser (Fianium, sc-400) was used as a white light source in order to measure the transmission of the optical filter manufactured in the same manner as in Example 1 above. The light from the infrared was removed using a short-pass filter (FF01-890 / SP-25, Semrock). The incident light was focused onto a single nano-rod filter through an 0.8 NA objective lens with a spot size of about 1 um to about 2 um in size. Transmitted light was collected by a separate 0.8 NA objective located behind the sample and detected by a spectrometer (Princeton Instrument SP2300i) using a 300 mm grid of 500 nm blazed grating equipped with a nitrogen-cooled CCD array. The Ag-coated NR was manually centered by observing the spatial image through the CCD. Integrated power over 400 nm to 700 nm was maintained at approximately 1 μW through the use of a neutral density filter. After measuring the transmission spectrum of the hybrid NR, the focus was shifted to the untreated bare area near the illuminated NR, where background transmission spectra were collected for standardization purposes.

결과result

도 3a는 두 층의 Ag 막 사이에 위치한 단일 ZnO 나노로드로 이루어진 하이브리드 광 필터를 나타낸 것이다. ZnO는, 이의 큰 밴드캡 에너지 때문에 선택된 것으로서, 이의 유전 함수의 실수 부분을 통해 가시광이 효율적으로 국한되며 작은 허수 부분(imaging part)을 통해 손실이 최소화되도록 한다. GaN과 같은 다른 큰 밴드갭 물질 역시 사용될 수 있으나, 더 작은 손실 성분에 기인하여 ZnO가 더 우수한 물질인 것으로서 발견되었다. 상기 하이브리드 시스템은 MOVPE 공정[Park, W. I.; Kim, D. H.; Jung, S. W.; Yi, G. C. Metalorganic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO Nanoroads. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, (22), 4232-4234]을 통해 성장되며 100 nm 내지 200 nm의 직경을 나타내는 초고순도 ZnO 나노로드를 Ge 박막에 의해 발수처리(wetting)된 쿼츠 기재의 상부에 준비된 Ag 표면에 제 1 드롭-캐스팅함으로써 제조되었다. 상기 Ge 웨팅 층은 Ag 막의 거칠기를 감소시키기 위해 제공되었다. ZnO 나노로드의 기하학적 크기를 SEM으로 측정하자마자, 별개의 Ag 층을 ZnO 나노로드의 상부에 증착시켜, 제 1 Ag-층을 형성하였다. 여기서, 필터링된 투과 효율을 최대화하는 최적의 조합을 찾아 제 1 및 제 2 Ag-층 두께를 수치적으로 결정하였다. 표피 깊이보다 작은 총 두께를 갖는 Ag의 매우 얇은 층은 백그라운드를 통해 누광(light leaking)을 야기하는 반면 두꺼운 층은 빛이 상기 나노로드로 들어가고 나가는 것을 방해하므로(도 4), 본 실시예에서는 제 1 및 제 2 Ag 층 각각에 대해 30 nm 및 15±5 nm의 최적 두께 조합을 목표로 하였다.3A shows a hybrid optical filter consisting of a single ZnO nanorod positioned between two layers of Ag films. ZnO is chosen because of its large band cap energy, so that visible light is efficiently localized through the real part of its dielectric function and loss is minimized through a small imaging part. Other large bandgap materials such as GaN could also be used, but ZnO was found to be a better material due to the smaller loss factor. The hybrid system may be a MOVPE process [Park, W. I .; Kim, D. H .; Jung, S. W .; Yi, G. C. Metalorganic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanoroads. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, (22), 4232-4234] and an ultra-high purity ZnO nanorod having a diameter of 100 nm to 200 nm was formed on the Ag surface prepared on the top of the quartz substrate wetted with a Ge thin film First drop-cast. The Ge wetting layer was provided to reduce the roughness of the Ag film. As soon as the geometry of the ZnO nanorods was measured by SEM, a separate Ag layer was deposited on top of the ZnO nanorods to form a first Ag-layer. Here, the first and second Ag-layer thicknesses were numerically determined by finding the optimal combination to maximize the filtered transmission efficiency. A very thin layer of Ag with a total thickness less than the epidermal depth causes light leaking through the background while a thick layer prevents light from entering and exiting the nano rod (Figure 4) 1 &lt; / RTI &gt; and 15 &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 5 &lt; / RTI &gt;

도 3b는 Ag-코팅된 ZnO 나노로드를 나타내는 SEM 이미지이다. 금속 증발원으로부터 하부 절반이 감싸진 나노로드의 상부 절반으로 인하여, Ag-코팅은 ZnO 나노로드를 완전히 감싸지 않았다. 그러나, 상기 절반의 캐비티는 충분한 산란 상쇄(cancellation) 및 광학적 제한을 제공함에 의해 입사광이 ZnO 나노로드 내에서 강한 공명을 일으키고 제 2 Ag 층을 통해 투과되는 것을 가능하게 했다. 도 3c에 도시된 바와 같은 셋업을 이용하여 공간적으로 국한된 여기를 사용해 원거리장에서의 본 실시예의 하이브리드 디바이스의 성능을 측정하였다. 초연속체 레이저(Fianium Inc.)에 의해 공급되고 상기 나노로드 축을 따라 편광된 가시광(400~700 nm)을 1 μm 내지 2 μm 크기 범위의 여기 스팟 크기를 생성하는, 0.8 NA 대물렌즈를 통해 상기 디바이스 상에 집광시켰다. 나노로드 축을 따른 편광화는, Ag 표면에 직교하는 전기장 성분의 결여 때문에 표면 플라즈몬의 여기를 배제한다. 이후, 상기 투과된 빛은 상기 디바이스 뒤에 위치한 별개의 0.8 NA 대물 렌즈를 통해 수집되어 분광기에 의해 관찰하였다.3B is an SEM image showing Ag-coated ZnO nanorods. Due to the upper half of the nano-rods enclosing the lower half from the metal evaporation source, the Ag-coating did not completely encapsulate the ZnO nanorods. However, the half-cavity enabled sufficient scattering cancellation and optical constraints to allow the incident light to be strongly resonant in the ZnO nanorods and transmitted through the second Ag layer. The performance of the hybrid device of this embodiment in the far field was measured using a spatially localized excitation using the setup as shown in Figure 3c. (400-700 nm), supplied by Fianium Inc. and polarized along the nano-rod axis, through an 0.8 NA objective lens producing an excitation spot size in the range of 1 [mu] m to 2 [ Lt; / RTI &gt; Polarization along the nanorod axes excludes the excitation of surface plasmons due to the lack of electric field components orthogonal to the Ag surface. The transmitted light was then collected through a separate 0.8 NA objective located behind the device and observed by a spectroscope.

상기 셋업으로부터 발생된 이론적 원거리장 투과 효율을 상업적인 FDTD(Finite difference time domain) solver (Lumerical, Inc)를 사용하여 예측하였다. 3D 시스템을 설명하기 위해 2D 모델을 사용하였다. 입사 Gaussian 빔(incident Gaussian beam)이 2 차원으로 붕괴됨에 의해 이러한 간소화가 투과 강도를 다소 적게 추정하기는 하지만, 투과 특성의 빠르고 충분히 정확한 근사치를 제공한다. 도 3d는 파장 및 명목 코어 직경의 함수로써 원거리장 투과 효율을 나타낸 것이다. 상기 플롯은, 투과가 코어 직경의 함수로써 가시 파장에 걸쳐 필터링 및 조절이 둘 다 가능함을 입증하였다. 두 개의 0.8 NA 대물 렌즈에 의해 생성되고 수집된 투과 효율이 20% 내지 50% 의 수치에 이르렀음을 보였다. 이러한 이론적 값들은, Ge 층의 기여를 포함하지 않으므로, 달성가능한 효율에 대한 상한을 나타내는 것이다. Ge가 강하게 흡수하므로, 0.8 NA 대물 렌즈를 통해 집광된 빛(illumination) 및 수집(collection)을 사용하였을 때 1 nm 두께의 Ge 층은 실제로 최대 원거리장 효율을 50%에서 거의 45%로 감소시킬 수 있었다(도 4). 도 4에서, 처리되지 않은 Ag 층은 검은색으로 나타냈으며, 모든 계산은 두 개의 0.8 NA 대물 렌즈를 사용한 여기 및 수집을 포함한다. Al-도핑된 Ag 합금과 같은 상이한 Ag 웨팅 물질(wetting material)은 가시 범위에서 무시해도 될 정도의 흡수를 나타낸다고 보고되어 있으며, 이는 희생 효율(sacrificing efficiency) 없이 매끄러운 Ag 막을 달성하기 위한 대안적 경로를 제안하는 것이다.The theoretical far field transmission efficiency resulting from the setup was predicted using a commercially available finite difference time domain (FDTD) solver (Lumerical, Inc). A 2D model was used to describe the 3D system. This simplification, due to the collapse of the incident Gaussian beam in two dimensions, provides a fast and sufficiently accurate approximation of the transmission characteristics, although the transmission strength is somewhat less extrapolated. Figure 3d shows the far field transmission efficiency as a function of wavelength and nominal core diameter. The plot demonstrated that transmission is both filtering and control over visible wavelengths as a function of core diameter. The transmission efficiencies produced and collected by the two 0.8 NA objectives reached values of 20% to 50%. These theoretical values do not include the contribution of the Ge layer and thus represent an upper bound on the achievable efficiency. Because of the strong absorption of Ge, a 1 nm thick Ge layer can actually reduce the maximum far field efficiency from 50% to almost 45% when using focused illumination and collection through a 0.8 NA objective (Fig. 4). In Figure 4, the untreated Ag layer is shown in black, and all calculations involve excitation and collection using two 0.8 NA objectives. Different Ag wetting materials, such as Al-doped Ag alloys, have been reported to exhibit negligible absorption in the visible range, which is an alternative route to achieving a smooth Ag film without sacrificing efficiency It suggests.

제 1 Ag 층 및 제 2 Ag 층의 역할은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 층 및 제 2 층 중 하나가 없을 때, 밑에 있는 쿼츠로의 전력 전달이 관찰됨에 따라 더욱 강조되었다. 두 경우 모두에서, 필터링 기능성은 도 3d에서 볼 수 있는 바와 같이 두 층이 모두 존재할 때에 비해 매우 결여되거나 상당히 감소되었다. 이로부터, 각 Ag 층은 하이브리드 나노로드가 공간 및 스펙트럼 필터로서 가능하도록 하는 두 가지 주요 목적을 제공함을 추론할 수 있다. 첫 번째 목적은 하이브리드 나노로드를 제외한 Ag 막의 모든 대역을 통한 빛 누출을 막는 것이다. 다른 목적은 ZnO 나노로드를 둘러싼 효과적인 Ag-캐비티의 형성함으로서, Mie 공명의 생성에 근거한 공간-국소화 필터링 메커니즘을 발생시키는 것이다.The role of the first Ag layer and the second Ag layer was further emphasized, as shown in Figure 5, when the underlying quartz power transmission was observed when one of the first and second layers was absent. In both cases, the filtering functionality was very poor or significantly reduced compared to when both layers were present, as can be seen in FIG. 3D. From this, it can be inferred that each Ag layer provides two main purposes for hybrid nano-rods to be possible as spatial and spectral filters. The first objective is to prevent light leakage through all bands of the Ag film except the hybrid nano-rods. Another goal is to create a spatial-localization filtering mechanism based on the generation of Mie resonance by forming an effective Ag-cavity surrounding the ZnO nanorods.

본 실시예에 따른 광 필터의 작동 메커니즘을 분석하기 위해, 본원의 내용 안팎으로 무한대로 연장되는 코어-쉘 ZnO-Ag 실린더의 형태로 간소화된 모델을 감안하여, 하이브리드 나노로드를 주위의 Ag 막으로부터 분리하였다. 이러한 모델은 Mie 산란 이론을 사용하여 분석적으로 문제를 처리하고 빛과 하이브리드 나노로드 사이의 상호작용을 이해하기 위한 좀더 직관적인 지침을 달성할 수 있도록 하였다. 유사한 접근이 유전체-코팅된 Ge 나노와이어에서의 증가된 라만 신호를 기술하는데 사용되어 왔다. 도 6a는 상기 모델의 개략도로서, 상부 도면은 30 nm-두께의 Ag 쉘로 둘러싸인 ZnO 실린더를 나타낸 것이고, 하부 도면은 아무것도 코팅되지 않은 ZnO 실린더를 나타낸 것이다. 빛은 나노로드 축에 직각으로 입사되고 나노로드 축을 따라 편광되었다.Considering a simplified model in the form of a core-shell ZnO-Ag cylinder extending infinitely in and out of the context of the present invention to analyze the operating mechanism of the optical filter according to this embodiment, the hybrid nano- Respectively. This model uses the Mie scattering theory to analytically address the problem and to achieve a more intuitive guideline to understand the interaction between light and hybrid nano-rods. A similar approach has been used to describe increased Raman signals in dielectric-coated Ge nanowires. FIG. 6A is a schematic view of the model, with the top view showing a ZnO cylinder surrounded by a 30 nm-thick Ag shell and the bottom view showing a ZnO cylinder with nothing coated. Light is incident at right angles to the nano-rod axis and polarized along the nano-rod axis.

도 6b에 도시된 바와 같이, 우선 코어 직경 및 파장의 범위에 걸쳐 코어-쉘 및 코팅되지 않은 실린더의 산란 단면을 분석적으로 계산하였다. 두 경우 모두에서, 목적하는 파장 및 직경 범위에서 쌍극성(m=0) 산란 모드에 의해 산란이 조절됨이 발견되었다. 코어-쉘 실린더에서, 상기 플롯에서 진한 밴드로서 나타낸, 특정 직경 및 파장에서 산란이 현저히 감소되었다. 이러한 특징들은 도 3d에서 나타낸 투과 특성과 유사한 양상을 보였으나, 강도에 있어서는 반대의 양상을 나타냈다. 반면에, 코팅되지 않은 실린더에서는, 이러한 밴드가 발견되지 않았으며 산란 단면은 더 큰 직경에 대하여 증가하는 양상을 보였다. 코팅되지 않은 실린더와 코어-쉘 실린더 사이의 대비되는 거동은, Ag-쉘이 특정 파장 및 직경에서 산란을 감소시키는 것을 보조함으로써 빛이 정방향으로 방해받지 않고 투과되도록 함을 제시하는 것이다. 이러한 현상은, 금속 쉘을 소-직경 나노와이어에서의 투명도를 달성하기 위한 경로로서 제시하고 있는 선행 문헌[Alu, A.; Engheta, N. Achieving transparency with plasmonic and metamaterial 코팅s. Phys Rev E 2005, 72, (1)]에서 설명되었다. 이러한 스킴은 Au-코팅Si 나노와이어를 포함하는 비가시 광검출기의 형태로 선행문헌[Fan, P. Y.; Chettiar, U. K.; Cao, L. Y.; Afshinmanesh, F.; Engheta, N.; Brongersma, M. L. An invisible metal-semiconductor photodetector. Nat Photonics 2012, 6, (6), 380-385]에 의해 추가 입증되었다. 상기 선행문헌들에 따라, 하이브리드 ZnO 나노로드에서의 감소된 산란이 Ag 쉘 및 ZnO 코어에서의 상반되는 쌍극자의 존재에 의한 것으로 밝혀졌으며, 이는 증가된 투명도(transparency)를 야기한다.As shown in Fig. 6B, the scattering cross-sections of the core-shell and uncoated cylinders over the range of core diameter and wavelength were analytically calculated. In both cases, it was found that scattering was controlled by the bipolar (m = 0) scattering mode in the desired wavelength and diameter range. In core-shell cylinders, scattering at specific diameters and wavelengths, shown as a dense band in the plot, was significantly reduced. These characteristics were similar to the transmission characteristics shown in Fig. 3d, but showed opposite patterns in strength. On the other hand, in uncoated cylinders, these bands were not found and the scattering section showed an increasing pattern for larger diameters. The contrast behavior between the uncoated cylinder and the core-shell cylinder suggests that the Ag-shell assist in reducing scattering at specific wavelengths and diameters so that the light is transmitted unhindered in the forward direction. This phenomenon is evident in the prior literature [Alu, A .;;;;;;;;;;;;;;;;;; Engheta, N. Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coating s. Phys Rev. E 2005, 72, (1)]. Such schemes are described in the prior art [Fan, P. Y.; Chettiar, U. K .; Cao, L. Y .; Afshinmanesh, F .; Engheta, N .; Brongersma, M. L. An invisible metal-semiconductor photodetector. Nat Photonics 2012, 6, (6), 380-385. According to the preceding documents, reduced scattering in the hybrid ZnO nanorods has been found to be due to the presence of opposing dipoles in the Ag shell and ZnO core, which leads to increased transparency.

하이브리드 디바이스에서의 증가된 투과에 대해 상응하는 설명은 코어-쉘 실린더의 흡수 단면을 평가하여 발견할 수 있었다. 도 7은 파장 및 직경의 함수로서 코어-쉘 및 코팅되지 않은 실린더의 분석적으로 계산된 흡수 단면을 나타낸 것이다. 누출-모드 공명(leaky-mode resonances)으로도 알려진 흡수 공명이 Ag 쉘에 의해 상당히 증가하고 도 6b의 산란 밸리(valleys)와 거의 동일한 양상을 갖는 것이 관찰되었다. 도 6c는 파장의 함수로서 180 nm 직경 코어로부터 코어-쉘 및 코팅되지 않은 실린더의 분석적 산란 및 흡수 단면을 동시에 나타낸 더 선명한 도면이다. 코어-쉘 실린더에서, 흡수가 590 nm의 공명 근처에서 피크일 때 산란이 감소하는 것이 관찰되었으나, 이러한 거동은 고체 실린더의 경우에서는 나타나지 않았다.Corresponding explanation for increased permeation in hybrid devices could be found by evaluating the absorbing cross section of the core-shell cylinder. Figure 7 shows the analytically calculated absorption cross-sections of the core-shell and uncoated cylinders as a function of wavelength and diameter. It has been observed that the absorption resonance, also known as leaky-mode resonances, is significantly increased by the Ag shell and approximately the same pattern as the scattered valleys of Figure 6b. Figure 6c is a sharper view showing simultaneously the analytical scattering and absorption cross-sections of a core-shell and a non-coated cylinder from a 180 nm diameter core as a function of wavelength. In core-shell cylinders, scattering was observed to decrease when the absorption was at a peak near resonance at 590 nm, but this behavior did not occur in the case of solid cylinders.

도 6d는 흡수 공명에서의 산란된 빛의 정규화 각도 분포(normalized angular distribution)를 나타낸 것이다. 상부 및 하부 도면에서 보여지는 바와 같은 코어-쉘 및 코팅되지 않은 실린더 사이의 각도 산란(angular scattering)의 비교는 각각 Ag 쉘의 존재가 산란된 빛이 정방향으로 가도록 실제로 돕는 것임을 보였다. 180 도에서의 한정된 후방 산란은 산란의 불완전한 상쇄에 기인한 한계이다. 증가된 투과 및 흡수 사이의 밀접한 연관성은, 선행문헌[Rodrigo, S. G.; Garcia-Vidal, F. J.; Martin-Moreno, L. Theory of absorption-induced transparency. Phys. Rev. B 2013, 88, 155126.]에서 메커니즘이 이론적으로 확인된 금속막에서의 염료-충진 홀에서 관찰되는, 흡수-유도 투명도라고 명명된 거동과 유사하다. 상기 선행문헌에서, 흡수 및 투과의 동시 피크가 흡수 공명에서 유효 유전률(effective permittivity)의 변경의 결과로서 염료-충진 홀을 통해 전파되는 소실광(evanescent light)에서의 감소에 의해 발생된 것임을 입증하였다. 도 3a에서의 본 실시예에 따른 하이브리드 기하학이 선행기술들에 개시된 바와 같은 흡수제-충진 홀을 나타내지 않지만, 투과가 흡수 표적에서 공간적으로 및 이의 흡수 공명에서 스펙트럼으로 피크된 점에서 메커니즘이 유사하다.Figure 6d shows the normalized angular distribution of scattered light at the absorption resonance. A comparison of angular scattering between core-shell and uncoated cylinders as shown in the top and bottom views shows that the presence of an Ag shell, respectively, is indeed aiding the scattered light to go forward. The limited backscattering at 180 degrees is a limitation due to incomplete offset of scattering. A close link between increased permeation and absorption is found in previous studies [Rodrigo, S. G .; Garcia-Vidal, F. J .; Martin-Moreno, L. Theory of absorption-induced transparency. Phys. Rev. B 2013, 88, 155126.] is similar to the behavior named absorption-induced transparency, which is observed in the dye-filled holes in the metal films theoretically confirmed. In the preceding document it has been demonstrated that the simultaneous peaks of absorption and transmission are caused by a reduction in evanescent light propagated through the dye-filled hole as a result of an alteration of the effective permittivity in the absorption resonance . Although the hybrid geometry according to this embodiment in Fig. 3A does not represent an absorber-filled hole as disclosed in the prior art, the mechanism is similar in that the transmission is peaked spatially from the absorption target and spectrally from its absorption resonance.

간단한 코어-쉘 모델을 통한 공명에서 증가된 투과에 대한 기본 메커니즘을 확립하여, 본 실시예에 따른 실제 하이브리드 디바이스에서의 필터링을 설명할 수 있다. Ag 막을 거쳐 전달된 전력의 비율을 계산하기 위해, 도 3a에서의 모델의 2D 기술을 사용하고 0.8 NA 얇은 렌즈를 통해 생성된 Gaussian 빔을 주입하였다. 도 8a는 180 nm의 명목 직경(적색 곡선)을 나타내는 Ag 쉘-ZnO 코어를 포함하는 하이브리드 디바이스 및 백그라운드를 구성하는 기본적인 Ag 막(검은색 곡선)의 수치적으로 시뮬레이션된 전력 전달 효율을 나타낸 것이다. 상기 하이브리드 나노로드에 대해 명확한 피크가 612 nm에서 나타난 반면 기본적인(bare) Ag 막에 대해서는 단조로운 저하만이 관찰되었다. 도 8b는 각각 도 8a에서의 번호가 매겨진 화살표에 의해 표시된 선택된 파장에서 상기 하이브리드 나노로드 및 기본적인 Ag 막의 y-방향에 따른 포인팅 벡터(Poynting vector)의 실수 부분을 관찰한 것이다. 기본적인 Ag 막의 경우, 하부 이미지는 3 개의 관심 파장 모두에서 전력이 Ag 막을 따라 투과될 수 없음을 보였다.The basic mechanism for increased transmission in resonance through a simple core-shell model can be established to illustrate the filtering in an actual hybrid device according to this embodiment. To calculate the ratio of transmitted power through the Ag film, we injected a Gaussian beam generated through a 0.8 NA thin lens using the 2D technique of the model in Figure 3a. FIG. 8A shows the numerically simulated power transfer efficiency of a hybrid device including an Ag shell-ZnO core showing a nominal diameter (red curve) of 180 nm and a basic Ag film (black curve) constituting the background. A distinct peak was observed at 612 nm for the hybrid nano-rods, whereas only monotonic degradation was observed for the bare Ag film. FIG. 8B is a view of the real part of a pointing vector along the y-direction of the hybrid nano-rod and the basic Ag film at the selected wavelength indicated by the numbered arrows in FIG. 8A, respectively. For a basic Ag film, the bottom image showed that power could not be transmitted along the Ag film at all three wavelengths of interest.

ZnO 나노로드가 두 Ag 층 사이에 삽입됐을 때, 전력 분배는 도 8b의 상부 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이 상당히 변경되었다. 도 8b의 상부 이미지의 1 및 3 도면에서, 빛은 상기 하이브리드 디바이스를 통해 효과적으로 침투될 수 없었다. 그러나, 도 8b의 상부 이미지의 2 도면에서와 같이 흡수 공명 근처에서, 상기 나노로드가 백그라운드에 비해 좀더 투과성을 나타내므로 빛이 상기 나노로드를 통해 유출될 수 있으며, 이것은 Ag 배리어를 가로질러 전력을 효과적으로 전달할 수 있다. 이러한 전달은 도 9에 도시된 바와 같이, 공명에서 전기장을 제한(confinement)하는 것에 의해 매개된다. 공명에서 농축된 장(field) 분포를 관찰함에 의해, 금속 계면에서 상기 장이 발생하지 않기 때문에, 상기 메커니즘이 국소화된 표면 플라즈몬에 의해 통제되지 않음을 또한 확인할 수 있었다.When the ZnO nanorods were inserted between the two Ag layers, the power distribution varied considerably as can be seen in the top image of Figure 8b. In Figures 1 and 3 of the top image of Figure 8b, light could not penetrate effectively through the hybrid device. However, near the absorption resonance, as in the two figures of the upper image of Figure 8b, the nanorods are more transmissive than the background, so that light can flow out through the nanorods, Can be effectively transmitted. This transmission is mediated by confinement of the electric field in resonance, as shown in FIG. By observing the concentrated field distribution at the resonance, it was also confirmed that the mechanism was not controlled by localized surface plasmons because the field did not occur at the metal interface.

빛을 필터링하는 능력 및 상기 필터링된 응답의 조절성(tunability)을 확인하기 위해, 청색, 녹색 및 적색 파장에서의 출력에 상응하는 별개의 직경을 갖는 세 개의 하이브리드 나노로드를 통한 투과를 측정하였다. 도 10a는 상부로부터 하부로 명목 직경이 감소하는 순서로 상기 세 개의 ZnO 나노로드의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 상기 이미지들은 명목 직경의 정확한 측정을 위해 두 번째 Ag 층을 증착하기 전에 촬영된 것이다. 왼쪽 이미지들은 각각의 나노로드의 확대된 스캔 이미지로서 상부로부터 하부로 직경에서의 차이를 명확하게 보이며, 전체 형태는 오른쪽 이미지로 나타냈다. 일부 나노로드들이 길이에 따라 직경에서의 불균일성을 보이는 반면, 왼쪽 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 광학 특성들은 가장 적은 변화를 나타내는 대역에 의해 매우 두드러졌다. 상기 나노로드들은 각각 상부로부터 하부로 186 nm, 156 nm, 및 125 ± 6 nm의 직경을 보였다. 도 10b는 상기 나노로드 축을 따라 편광화된 빛으로 조사된(illuminated) 세 개의 상기 하이브리드 나노로드의 광학 현미경 이미지이다. 실제로, 각 하이브리드 나노로드는 각각 상부로부터 하부로 적색, 녹색 및 청색의 출력에 상응하는, 개별 파장에서 투과하였다. 도 10c는 도 3c에 보여진 바와 같은 셋업을 사용하여 구성된 측정 셋업에 의해 측정되고 계산된 각 나노로드에서의 투과 응답을 나타낸 것이다. 여기에서, 이웃하는 기본적인 Ag 막을 통한 투과에 의해 정규화된 상기 하이브리드 디바이스를 통한 투과를 나타냈다. 모든 경우에서, 유니티(unity) 이상의 값을 갖는 피크들이 관찰되었으며, 이는 상기 하이브리드 나노로드가 이의 흡수 공명에서 좀더 투과성을 나타냄을 확인하는 것이다. 또한, 명목 직경의 증가는 상기 투과 피크의 적색-변위에서 나타나는데, 이 피크는, 도 10c의 하부 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 수치적으로 시뮬레이션된 프로필과 매우 일치하며, 이것은 입력 파라미터로서 실험적으로 수득된 코어 직경, Ag 두께 및 Ge 층에 의해 발생된 것이다. 직경을 다양화한 하이브리드 나노로드로부터 별개의 피크 파장을 확인하고 도 10d에서 볼 수 있는 바와 같은 시뮬레이션으로부터 추출된 파장-직경 분산 관계와의 일치성을 관찰하여 상기 투과의 조절성을 확인하였다. 여기에서, 상이한 Ag 두께를 갖도록 각각 제조된 두 세트의 하이브리드 필터를 플롯팅하였다. 첫 번째 세트는 도 10c에 도시한 세 개의 측정 결과에 상응하였다. 두 번째 세트는, 적색-변위된 피크 파장을 야기하는 목표 값 이하의 제 1 Ag 두께를 나타내는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같은 파장-Ag 두께 관련성에서 예상되고 실험적으로 입증된 경향과 일치하였다. 피크 위치가 예상된 선형 경향을 따르지만, 측정되고 예상된 피크 강도가 도 10c에서 확인될 수 있는 바와 같이 서로 상당히 상이하였다. 이러한 큰 차이는 측정에서 사용된 집광된 빛의 더 큰 스팟 크기에 대부분 기인된 것이다. 본 실시예에서의 집광된 빔 스팟 크기는 1 ㎛ 내지 2 ㎛로 상기 모델에서 사용된 Abbe 회절 한계(~0.6 λ/NA)에서보다 3 배 내지 4 배 가까이 더 큰 것이다. 이러한 거의 3 배 내지 4 배 증가된 스팟 크기는 투과 강도에서 3 배 내지 4 배의 감소를 야기하며, 계산 및 측정 사이의 강도의 여분의 차이는 나노로드 축 및 Ag의 표면 거칠기에 따른 불균일성에 의한 것으로 여겨질 수 있다. 나노로드 축에 직각으로 편광된 입사광에서, 가시 색 콘트라스트는 근적외선 대역(near-infrared regime)으로 피크 위치가 이동함에 따라 각 나노로드에서 감소되었다(도 11). 또한, 본 실시예에서는 나노로드의 직경에서의 차이를 분석하여 상이한 색들을 단일 요소 내로 코딩하는 가능성을 제안하였다. 도 10e는 40 nm의 팁(tip) 직경 및 169±6 nm의 기저(base) 직경을 갖는 점진적으로 매우 가늘어지는 ZnO 나노로드를 나타낸 것이다. 두 번째 Ag 층으로 덮였을 때, 상기 디바이스는 이의 파장-직경 분산에 따라 색들의 분류를 필터링하였다.To determine the ability to filter light and the tunability of the filtered response, we measured the transmission through three hybrid nano-rods with distinct diameters corresponding to the output at the blue, green and red wavelengths. 10A shows SEM images of the three ZnO nanorods in order of decreasing nominal diameter from top to bottom. The images were taken before deposition of the second Ag layer for accurate measurement of the nominal diameter. The left images clearly show the difference in diameter from top to bottom as an enlarged scanned image of each nanorod, with the overall shape shown in the right image. While some nanorods exhibit non-uniformities in diameter along their length, optical properties are very noticeable by the band exhibiting the least change, as seen in the left image. The nanorods showed diameters of 186 nm, 156 nm, and 125 6 nm, respectively, from top to bottom. FIG. 10B is an optical microscope image of three of the hybrid nano-rods illuminated with polarized light along the nano-rod axis. In practice, each hybrid nano-rod transmitted at individual wavelengths, corresponding to red, green and blue outputs, from top to bottom, respectively. Figure 10c shows the transmission response at each nanorod measured and calculated by a measurement setup configured using the setup as shown in Figure 3c. Here we have shown the transmission through the hybrid device normalized by transmission through a neighboring basic Ag film. In all cases, peaks with values greater than unity were observed, confirming that the hybrid nanorods are more transmissive in their absorption resonance. In addition, an increase in the nominal diameter occurs at the red-displacement of the transmission peak, which is very consistent with the numerically simulated profile, as can be seen in the bottom graph of Figure 10c, The core diameter obtained, the Ag thickness and the Ge layer. Separate peak wavelengths were confirmed from the hybrid nano-rods having various diameters and the correspondence with the wavelength-diameter dispersion relationship extracted from the simulation as shown in Fig. 10D was observed to confirm the controllability of the transmission. Here, two sets of hybrid filters, each made to have a different Ag thickness, were plotted. The first set corresponded to the three measurement results shown in FIG. 10C. The second set represents the first Ag thickness below the target value resulting in the red-shifted peak wavelength, consistent with the expected and experimentally proven tendency in the wavelength-Ag thickness relationship as shown in Fig. Although the peak position follows the expected linear trend, the measured and predicted peak intensities were significantly different from each other as can be seen in Fig. 10C. This large difference is mostly due to the larger spot size of the condensed light used in the measurement. The condensed beam spot size in this embodiment is 1 to 2 占 퐉 which is 3 to 4 times larger than the Abbe diffraction limit (? 0.6? / NA) used in the model. This nearly 3 to 4 times increased spot size results in a 3 to 4 fold decrease in transmittance intensity and the extra difference in intensity between calculation and measurement is due to non-uniformity due to surface roughness of the nano rod axis and Ag Can be considered. In incident light polarized at right angles to the nano-rod axis, the visible color contrast was reduced at each nanorod as the peak position moved into the near-infrared regime (Figure 11). In addition, the present embodiment has analyzed the difference in diameter of the nanorods and proposed the possibility of coding different colors into a single element. Figure 10E shows a progressively very thin ZnO nanorod having a tip diameter of 40 nm and a base diameter of 169 6 nm. When covered with a second Ag layer, the device filtered the classification of colors according to its wavelength-diameter variance.

이러한 하이브리드 필터의 성공적인 완성을 위한 중요한 기준은 나노로드의 폭(width) 및 높이에서의 제조 오류에 대한 중심 파장의 강인성(robustness)이다. 이러한 변화에 대한 필터의 민감도를 감소시키기 위한 하나의 방법은 도 10d에 도시된 바와 같은 파장-직경 분산 관계의 기울기를 증가시키는 것이다. 유전 함수의 더 작은 실수 부분은 더 낮은 광학적 제한(confinement)이 생김에도 불구하고 기울기에서의 증가를 가능하게 하며, Al 또는 Ga로 ZnO 나노로드를 도핑하여 달성될 수 있다.An important criterion for the successful completion of such a hybrid filter is the robustness of the central wavelength to manufacturing errors at the width and height of the nanorod. One way to reduce the sensitivity of the filter to such changes is to increase the slope of the wavelength-diameter dispersion relationship as shown in Fig. 10D. The smaller real part of the dielectric function allows an increase in the slope despite lower optical confinement, and can be achieved by doping the ZnO nanorod with Al or Ga.

요약하면, 본 실시예에서는 Ag-캐비티와 통합된 ZnO 나노로드의 형태로 단일 나노크기 요소를 사용하여 빛이 필터링되고 파장에 따라 조절될 수 있는 간단한 설계를 입증하였다. 투과에 대한 원리는 상기 나노로드 내로 빛을 고도로 농축(집중)시키고 강한 흡수 공명을 발생시키는 Ag 캐비티의 능력, 또는 동등하게, Ag 캐비티에 의한 산란된 빛의 감소로부터 유래된 것이다. Ag 코팅은 상기 나노로드의 위 및 아래에만 실시하며 상기 나노로드 주위에 동심원적으로 균등하게 코팅할 필요가 없으므로, 제조에 대한 제약이 완화될 수 있고 온-칩 플랫폼(on-chip platform)으로의 상기 디바이스의 통합이 용이해질 수 있다. 게다가, 최대 효율을 달성하기 위해서는 증가된 수의 주기(period)를 필요로 하는 플라즈몬 그레이팅-유형 필터와 달리, 상기 하이브리드 나노로드는 투과 선형(lineshape)에 대해서 요소(element)의 수에 의존하지 않음을 나타냈다. 이는, 상기 하이브리드 나노로드가 궁극적인 크기의 광 필터를 실현할 수 있도록 하고, 나노크기 통신 장치 및 초고해상도 픽셀 어레이의 제조와 같은 무수한 적용 가능성을 열였다.In summary, this example demonstrates a simple design in which light can be filtered and tuned to wavelength using a single nano-sized element in the form of ZnO nanorods integrated with the Ag-cavity. The principle of transmission is derived from the ability of the Ag cavity to highly concentrate the light into the nanorod and generate strong absorption resonance, or equivalently, the reduction of scattered light by the Ag cavity. Ag coating is performed only on the top and bottom of the nano-rods and does not need to be coated uniformly concentrically around the nano-rods, so that restrictions on manufacturing can be relaxed and the on-chip platform Integration of the device can be facilitated. Furthermore, unlike the plasmon grating-type filter, which requires an increased number of periods to achieve maximum efficiency, the hybrid nano-rod does not depend on the number of elements for the lineshapes Respectively. This opens up myriad applications, such as the hybrid nano-rods, enabling ultimate-size optical filters to be realized, as well as nanoscale communications devices and the fabrication of ultra-high resolution pixel arrays.

[실험예 3][Experimental Example 3]

나노구조체로서 다양한 물질을 사용하여, 유전상수와 필터의 구성요소들의 크기와 두께를 기초로 계산하고 그 결과를 도 12a 내지 도 12c에 나타냈다.Using various materials as nanostructures, the dielectric constant and the size and thickness of the filter elements were calculated based on the results, and the results are shown in FIGS. 12A to 12C.

나노구조체로서 Si, InAs, GaN 등의 물질들을 포함하는 나노와이어를 사용하여 계산한 결과, 모두 나노와이어의 두께에 따라 파장이 변할 수 있다는 점을 보여주고 있으며, 작동 파장영역는 유전상수에 따라 다른다는 것도 나타냈다. 작동 파장영역에서는 나노로드의 ε'가 양수이며 ε"가 경미하고 제 1 층과 제 2 층의 ε'가 음수이라는 공통점들을 가지고 있다.As a result of using nanowires including Si, InAs, and GaN as nanostructures, it can be seen that the wavelength can be changed according to the thickness of the nanowires. The operating wavelength range depends on the dielectric constant I also showed. In the operating wavelength range, the ε 'of the nanorod is positive, ε "is mild, and ε' of the first layer and the second layer are negative.

도 12a는 Si 나노와이어와 각각 20 nm 및 10 nm 두께의 제 1 Ag 층 및 제 2 Ag 층을 포함하는 하이브리드 나노구조체의 투과 반응을 나타내고 있다. 영역대는 700 nm 내지 1,100 nm로서 근적외선 영역에서의 작동을 보였다. 도 12b는 InAs 나노와이어와 각각 20 nm 및 10 nm 두께의 제 1 Ag 층 및 제 2 Ag층을 포함하는 하이브리드 나노구조체의 투과 반응을 나타내고 있다. 영역대는 700 nm 내지 1,200 nm로써 근적외선 영역에서의 작동을 보였다. 도 12c는 GaN 나노와이어와 각각 30 nm 및 10 nm 두께의 제 1 Ag 층 및 제 2 Ag 층을 포함하는 하이브리드 나노구조체의 투과 반응을 나타내고 있다. 영역대는 400 nm 내지 800 nm로서 가시광역대에서의 작동을 보였다.12A shows the transmission reaction of a hybrid nanostructure including a Si nanowire and a first Ag layer and a second Ag layer of 20 nm and 10 nm thickness, respectively. The area band was 700 nm to 1,100 nm and showed operation in the near infrared region. 12B shows the transmission reaction of the hybrid nanostructure including the InAs nanowire and the first Ag layer and the second Ag layer of 20 nm and 10 nm thickness, respectively. The zone zone showed an operation in the near infrared region with 700 nm to 1,200 nm. 12C shows the transmission reaction of a GaN nanowire and a hybrid nanostructure including a first Ag layer and a second Ag layer of 30 nm and 10 nm thickness, respectively. The area band was 400 nm to 800 nm and showed an operation in the visible range.

[실험예 4][Experimental Example 4]

본 실시예의 하이브리드 필터는 상기 실시예에서와 같이 제조하였다. 또한, 실시하기에 좀더 실용적이고 실질적인 픽셀 설계를 위한 적용을 위해 직사각형의 단면을 갖는 나노바 형태의 나노로드를 포함하는 변형된 하이브리드 바-Ag 필터를 제조하였다. 상기 변형된 하이브리드 바-Ag 필터는 리소그래피 및 증발의 순차적 단계에 의해 달성될 수 있다. 우선 Ag 코팅된 투명 기재(사이에 웨팅 층이 형성됨)로 시작하였다. 포토레지스트로 코팅한 후 리소그래피 기술을 실시하고, ZnO를 산소 흐름 하에서 e-빔 증발시킬 수 있었다. Ag/투명 기재 상에 ZnO 나노바의 어레이를 생성한 후, Ag의 상부 층을 열 증발 또는 e-빔 증발을 사용하여 증발시켰다. 상기 하이브리드 NR-Ag 필터는 500 nm 간격으로 이격된 170 nm 직경으로 구성되었다. 상기 변형된 하이브리드 바-Ag 필터는 180 nm 폭 및 120 nm 높이를 갖는 사각형 바로 구성되었다. 본 실시예의 하이브리드 ZnO-Ag 필터에서, 하부 및 상부 Ag 두께는 각각 15 nm 및 30 nm이었다.The hybrid filter of this embodiment was manufactured as in the above embodiment. In addition, a modified hybrid bar-Ag filter including a nano-rod in the form of a nano bar having a rectangular cross-section was prepared for practical application of a more practical and practical pixel design. The modified hybrid bar-Ag filter can be achieved by sequential steps of lithography and evaporation. Initially we started with an Ag-coated transparent substrate (with a wetting layer in between). After coating with photoresist, lithography techniques were performed and ZnO could be e-beam evaporated under oxygen flow. After generating an array of ZnO nanova on an Ag / transparent substrate, the top layer of Ag was evaporated using thermal evaporation or e-beam evaporation. The hybrid NR-Ag filter was configured with a 170 nm diameter spaced apart by 500 nm. The modified hybrid bar-Ag filter was composed of a rectangular bar having a width of 180 nm and a height of 120 nm. In the hybrid ZnO-Ag filter of this example, the lower and upper Ag thicknesses were 15 nm and 30 nm, respectively.

모든 구조는 평면파에 의해 여기되나, 본 실시예에 따른 구조들은 나노로드 축에 평행하게 편광된 전기장으로 구동되었다. All structures were excited by plane waves, but the structures according to this example were driven to an electric field polarized parallel to the nano rod axis.

도 13으로부터, 본 실시예의 하이브리드 필터는 요소의 수가 한 개로 감소되었을 때도 필터링된 빛의 스펙트럼 순도를 유지하였다. 이는 플라즈모닉 설계를 통한 필터들과는 극명하게 대조되는 특성이다. 13, the hybrid filter of this embodiment maintained the spectral purity of the filtered light even when the number of elements was reduced to one. This is in sharp contrast to the filters through the plasmonic design.

도 14는 상기 세 개의 시스템에서 요소의 무한 어레이 구축을 통해 달성될 수 있는 최대 투과 강도를 나타낸 것이다. 투과 강도 및 선형이 거의 70% 정도를 달성하는 것을 볼 수 있었다. . Figure 14 shows the maximum transmission intensity that can be achieved through the infinite array construction of elements in the three systems. It was observed that the transmission intensity and linearity attain almost 70%. .

요소의 수가 감소할 때, 나노로드 시스템에서 강도가 이에 부응하여 감소하였다. 본 실시예의 하이브리드 나노로드가 요소의 수에 따른 선형으로부터 투과 강도가 디커플링(decoupling)되도록 함을 알 수 있었다. 다시 말하면, 본 실시예의 하이브리드 ZnO-Ag 설계가 선형에 영향을 미치지 않으면서 더 많은 수의 요소를 단순히 추가(제거)함에 따라 투과 강도가 증가(감소)되도록 하였다. 이러한 능력은 본 실시예의 이러한 설계가 나노 내지 마크로 범위의 모든 임의의 공간적 규모로 실질적이고 변경가능하도록 하는 것이다.As the number of elements decreased, the strength in the nanorod system decreased correspondingly. It can be seen that the hybrid nano-rods of this embodiment decouple the transmission intensity from the linearity according to the number of elements. In other words, the hybrid ZnO-Ag design of the present embodiment increases (reduces) the transmission strength by merely adding (removing) a larger number of elements without affecting the linearity. This capability is such that this design of this embodiment is substantially and interchangeable to any arbitrary spatial scale in the nanometer to macro range.

[실험예 5][Experimental Example 5]

평면파에 의해 조사된 하이브리드 필터의 무한 어레이에 대한 그레이팅 주기에 대한 효율 의존도를 조사하였다(도 15). 사용된 하이브리드 나노로드는 170 nm 직경의 ZnO 나노로드를 포함하였다. 이 연구의 주요 목적은 투과 피크의 스펙트럼 위치가 주기성(periodicity)의 함수로서 고정되어 유지되고, 절대 투과가 조절될 수 있음을 나타내는 것이다. 그레이팅 주기의 증가에 따라, 나노로드 커버리지(coverage)가 감소하기 때문에 예상한 바와 같이 투과 강도가 감소하였다(도 15). 이러한 거동은 그레이팅 주기의 변화가 필터링된 응답(response)의 스펙트럼 위치를 변화시키며, 투과 효율을 독립적으로 조절하는 직접적인 방법은 없는 플라즈모닉 그레이팅에서의 거동과 대비되는 것이다. 상기 하이브리드 필터 조립체의 그레이팅 주기는 선형 또는 스펙트럼 위치에 영향을 주지 않으면서 투과 효율을 조절하는 새로운 자유도(degree of freedom)를 제공한다.The efficiency dependence of the grating period on the infinite array of hybrid filters illuminated by plane waves was investigated (Figure 15). The hybrid nanorods used included 170 nm diameter ZnO nanorods. The main objective of this study is to show that the spectral position of the transmission peak is held fixed as a function of periodicity and the absolute transmission can be controlled. As the grating period increased, the transmission strength decreased as expected because the nanorod coverage decreased (FIG. 15). This behavior is in contrast to the behavior in the plasmonic grating where the change in grating period changes the spectral position of the filtered response and there is no direct method of independently controlling the transmission efficiency. The grating period of the hybrid filter assembly provides a new degree of freedom in adjusting the transmission efficiency without affecting linear or spectral positions.

비-플라즈모닉 메카니즘의 중요하고 실질적인 결과는 필터 요소의 추가 또는 제거를 통한 나노 내지 마크로 범위의 모든 임의적인 공간적 규모에서 우수한 스펙트럼 순도를 가지면서 빛을 필터링하는 능력이다. 도 16a는 500 nm 피치(pitch)를 갖는 규칙적인 그레이팅으로 조립된 170 nm 직경의 하이브리드 나노로드에 대한 상기 거동을 나타낸다. 평면파에 의해 여기된 상기 정규화(normalized) 투과 스펙트럼은 필터링된 응답의 선형 및 중앙 파장이 포함된 요소의 수와 관계없이 고정되어 유지됨을 나타낸다. 무한개의 필터 및 단일 필터 모두 동일 파장에서 유사한 선형을 갖는 응답을 발생시켰다. 이러한 양상은 마이크로-규모의 소형 크기를 위해 빛의 높은 처리량(throughput)이 요구되는, 컬러 픽셀을 구축할 때 특히 유용하다. 전형적인 컬러 서브픽셀에서, 500 nm 피치를 사용하는 수평적 차원에서 거의 100 개 내지 200 개 요소들을 설치할 수 있다. 도 16b는 직사각형 단면으로 각각 구성된 실질적으로 사용할 수 있는 하이브리드 필터의 어레이로부터의 시뮬레이션된 투과를 나타낸 것이다. 도 16b의 상부 도면은 상기와 같은 목적을 위한 실질적 설계를 제안하는 것으로서, 리소그래피, 현상, 산소 흐름 하에서의 ZnO 증발, 및 Ag 증발 기술을 통해 조립될 수 있다. 500 nm 간격으로 이격된 180 nm 폭 및 120 nm 높이를 갖는 ZnO 나노바를 포함하는 필터로부터의 정규화 투과 곡선은 상기 하이브리드 나노로드 필터의 경우와 유사한 선형 및 스펙트럼 위치를 유지함을 나타냈다. 이러한 특징은 선형이 요소의 수의 함수이며 요소의 수가 조금 감소되었을 때 선형이 붕괴되고 넓어지는 플라즈모닉 그레이팅과 구별되는 것이다.An important and substantial result of the non-plasmonic mechanism is the ability to filter light with good spectral purity at all arbitrary spatial scales ranging from nano to macro through the addition or removal of filter elements. Figure 16a shows this behavior for a hybrid nanorod of 170 nm diameter assembled with a regular grating with a pitch of 500 nm. The normalized transmission spectrum excited by a plane wave indicates that the linear and central wavelengths of the filtered response are held fixed, regardless of the number of elements included. Both infinite filters and single filters produced responses with similar linearity at the same wavelength. This aspect is particularly useful when constructing color pixels where high throughput of light is required for a micro-scale small size. In a typical color subpixel, approximately 100 to 200 elements can be installed in a horizontal dimension using a 500 nm pitch. Figure 16b shows simulated transmission from an array of substantially usable hybrid filters each of which has a rectangular cross section. The upper part of FIG. 16B suggests a practical design for such an aim, and can be assembled through lithography, development, ZnO evaporation under oxygen flow, and Ag evaporation techniques. The normalized transmission curves from a filter comprising ZnO nanobars with a width of 180 nm and a height of 120 nm spaced apart at intervals of 500 nm showed similar linear and spectral positions as in the case of the hybrid nano-rod filter. This feature is distinguished from the plasmonic grating, where the linearity is a function of the number of elements and the linearity collapses and widens when the number of elements is slightly reduced.

본 실시예의 하이브리드 필터 조립체의 다른 이점은 무한 그레이팅에서의 스펙트럼 거동 및 투과 효율이 디커플링될 수 있어 둘 다 서로 독립적으로 최적화될 수 있다는 것이다. 도 16c의 상부 도면은 상이한 주기에서 170 nm 크기의 하이브리드 나노로드의 무한 어레이를 통한 투과를 시뮬레이션한 것이다. 순수한(bare) Ag 백그라운드에 비하여 하이브리드 필터의 커버리지가 증가하므로 더 작은 주기에서 투과 효율이 증가하면서 스펙트럼 위치는 고정된 채로 유지된다. 도 16c의 하부 도면은 주기의 함수로서 피크 투과 수치를 플롯팅한 것으로서, 1 μm 주기에서 거의 30%로부터 600 nm 주기에서 거의 70%까지 투과에서의 증가를 나타냈다. 도 16c의 하부 도면의 색이 있는 부분은 스펙트럼 위치가 기본적인 캐비티 모드 사이의 커플링에 의해 더 이상 고정되어 유지되지 않음을 나타내는 대역이다. 상기 최대 70% 이론적 효율이 플라즈모닉-그레이팅으로부터의 이론적 효율에 필적함이 주목된다. 약 600 nm 이하에서, 상기 필터링된 파장은 주기보다 더 커서 상기 하이브리드 필터 조립체가 효과적인 매체로서 나타나기 시작했으며, 이것은 스펙트럼 위치의 적색 변위를 생성하였다(도 17). 동일 주기 이상에서, 상기 투과는 선형 또는 중앙 파장에 영향을 주지 않고 조절할 수 있어, 필터 설계에서 유용한 자유도를 가능하게 한다. 도 17은 작동 파장보다 더 낮은 피치를 갖는 하이브리드 필터 그레이팅에 대한 것으로, 주기성을 이용한 투과 조절의 한계를 나타낸다. 도 17a는 500 nm 이하의 주기를 갖는 170 nm-크기의 하이브리드 필터의 무한 어레이로부터의 시뮬레이션된 투과를 나타낸 것으로, 중앙 파장에서의 적색 변위가 감소하는 주기성에 대해서 관찰되었다. 도 17b는 왼쪽에서 오른쪽으로 400 nm, 300 nm 및 200 nm 주기성에서 유닛 셀로부터의 전기장 분포를 나타낸 것으로, 장(field)은 왼쪽에서 오른쪽으로 각각 최대 투과를 발생시키는 파장에 상응하는 600 nm, 610 nm 및 630 nm에서 플롯팅된 것이다.Another advantage of the hybrid filter assembly of this embodiment is that the spectral behavior and transmission efficiency in the infinite grating can be decoupled and both can be optimized independently of each other. The top view of Figure 16c simulates transmission through an infinite array of hybrid nano-rods 170 nm in size at different periods. Since the coverage of the hybrid filter increases as compared to the bare Ag background, the spectral position remains fixed while the transmission efficiency increases in a smaller period. The lower part of Figure 16c shows peak transmittance values plotted as a function of period, showing an increase in transmission from approximately 30% to approximately 600% in the 1 μm cycle to approximately 70% in the cycle. The colored portion in the lower view of Figure 16c is a band indicating that the spectral position is no longer held fixed by coupling between the basic cavity modes. It is noted that the maximum 70% theoretical efficiency is comparable to the theoretical efficiency from plasmonic-grating. Below about 600 nm, the filtered wavelength was larger than the period so that the hybrid filter assembly began to appear as an effective medium, which produced a red displacement of the spectral position (FIG. 17). Above the same period, the transmission can be adjusted without affecting the linear or the central wavelength, allowing a degree of freedom that is useful in filter design. Figure 17 is for a hybrid filter grating having a pitch that is lower than the operating wavelength and represents the limit of transmission control using periodicity. 17A shows simulated transmission from an infinite array of 170 nm-sized hybrid filters with periods less than or equal to 500 nm, observed for periodicity where the red displacement at the center wavelength decreases. 17B shows the electric field distributions from the unit cells at 400 nm, 300 nm and 200 nm periodicities from left to right. The fields are 600 nm, 610 nm corresponding to the wavelengths that cause maximum transmission respectively from left to right nm and 630 nm, respectively.

실질적인 컬러 픽셀은 고효율을 나타내며 평면파 빛을 투과하고 필터링하는 것을 필요로 하며, 또한 표준 크기에 일치해야 할 것이다. 모든 실질적인 목적에서, 많은 하이브리드 나노로드를 픽셀 크기에 상응하는 크기의 어레이로 구성하여 이러한 위업을 이룰 수 있다. 실질적인 픽셀 설계를 보이는 도면을 도 13b에 나타냈으며, 여기에서 나노로드 대신 나노바가 필터링 요소로서 거동하였다.The actual color pixels represent high efficiency and require the transmission and filtering of plane wave light, and should also conform to standard sizes. For all practical purposes, this feat can be achieved by configuring many hybrid nano-rods into arrays of sizes corresponding to pixel sizes. A diagram showing a substantial pixel design is shown in FIG. 13B, where a nanobar behaves as a filtering element instead of a nanorod.

1024x768 해상도를 갖는 15.4 인치 디스플레이(수평: 13.1 인치, 수직: 8.2 인치)에서, 각 픽셀은 322 μm 및 273 μm 의 수평 및 수직 차원을 가질 것이라고 생각되었다. RGB 픽셀에서, 각 컬러 서브픽셀은 ~107 μm 의 수평 차원을 가질 것이다. 500 nm로 본원의 주기성을 설정한다면, 거의 200 개 요소를 설치할 수 있으며, 이는 거의 ~70% 근처의 투과 상한을 달성하기에 충분한 것이다(도 14). 이러한 수치는 실질적인 플라즈모닉 필터에 대해 현재까지 보고된 가장 높은 수치를 나타내고 있는 Xu [Xu, T.; Wu, Y. K.; Luo, X. G.; Guo, L. J. Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and spectral imaging. Nat Commun 2010, 1, 59] 등의 문헌에 보고된 것에 근접한 것이다.At a 15.4 inch display (horizontal: 13.1 inches, vertical: 8.2 inches) with a resolution of 1024 x 768, each pixel was thought to have horizontal and vertical dimensions of 322 μm and 273 μm. For RGB pixels, each color subpixel will have a horizontal dimension of ~ 107 μm. If we set our periodicity at 500 nm, we can install nearly 200 elements, which is enough to achieve a transmission upper limit close to ~ 70% (Figure 14). These values are the highest values reported to date for actual plasmonic filters, Xu [Xu, T .; Wu, Y. K .; Luo, X. G .; Guo, L. J. Plasmonic nanoresonators for high-resolution color filtering and spectral imaging. Nat Commun 2010, 1, 59] and the like.

[실험예 6][Experimental Example 6]

도 18에서와 같이 직경이 상이한 복수 개의 하이브리드 나노구조체를 배열한 복수 대역 필터를 제조하였다.A multiple band filter in which a plurality of hybrid nanostructures having different diameters were arranged as shown in Fig.

도 18a는 두 가지 대역에서 광 투과가 가능한 필터 시스템을 나타낸 것이다. 도 18b는 세 가지 대역에서 광 투과가 가능한 필터 시스템을 나타낸 것이다. 여기서 각 단위 필터요소를 구성하는 나노로드의 단면 모양은 사각형, 직사각형, 원, 삼각형, 정육면체 등 다양한 형태를 포함할 수 있으며 빛의 파장보다 구조의 크기가 몇 배 작은 경우, 모양의 선택에는 아무런 제한이 없다. 본 실험예에서는 사각형 단면의 나노로드를 사용했다.18A shows a filter system capable of transmitting light in two bands. Figure 18b shows a filter system capable of transmitting light in three bands. Here, the cross-sectional shape of the nanorods constituting each unit filter element may include various shapes such as a rectangle, a rectangle, a circle, a triangle, and a cube. When the size of the structure is several times smaller than the wavelength of light, There is no. In this experiment, a nano rod having a rectangular cross section was used.

도 19는 도 18a의 광 필터를 기반으로 유도한 계산 결과이다. 두 가지 종류의 나노로드를 사용하면 그 지름에 상응하는 두 가지 대역에서 투과가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 주기는 P=P1=P2로 동일하게 잡고, D1은 고정시키되 D2를 바꿔줌으로써 근적외선 투과대역을 조정 할 수 있다는 것을 보여준다.FIG. 19 is a calculation result derived based on the optical filter of FIG. 18A. Using two kinds of nano-rods, we can confirm that the transmission is possible in two bands corresponding to the diameter. Also, it is shown that the period can be adjusted equally to P = P 1 = P 2, and the near infrared ray transmission band can be adjusted by fixing D 1 and changing D 2.

도 20은 도 18a에서 나타낸 시스템을 기반으로 유도한 계산 결과이다. 여기서는 D2을 고정시키되 D1과 주기를 바꿔줌으로써 극적외선 투과대역은 변함없이 유지시키나 가시광역대의 투과대역을 조정할 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 도 19와 도 20은 두 가지 투과 대역을 독립적 그리고 개별적으로 제어할 수 있는 용이성이 필터 디자인에 내포되어 있다는 것을 보여준다.FIG. 20 is a calculation result derived based on the system shown in FIG. 18A. In this example, D2 is fixed but it is possible to adjust the transmission band of the visible range while maintaining the extreme infrared transmission band unchanged by changing the period with D1. Thus, Figures 19 and 20 show that the ease of being able to independently and separately control the two transmission bands is embedded in the filter design.

도 21a는 도 18b에서 나타낸 세 종류의 나노로드의 배합을 기반으로 한 계산 결과물들을 보여준다. 도 21a는 P1=P2=P3=475 nm이고, D1=100 nm, D2=160 nm, D3=220 nm인 시스템에서 유도된 투과율을 나타내고 있다. 각 나노로드의 지름에 상응하는 대역에서 투과가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 투과율이 극명하게 낮아진 것도 확인 할 수 있다. 이는 각 종류의 나노로드의 개수가 도 18a와 동일한 공간 내에서 적어졌기 때문이다.FIG. 21A shows calculation results based on the combination of the three types of nano-rods shown in FIG. 18B. 21A shows the transmittance derived from a system where P1 = P2 = P3 = 475 nm and D1 = 100 nm, D2 = 160 nm, and D3 = 220 nm. It can be seen that the transmission appears in the band corresponding to the diameter of each nanorod. However, it is also confirmed that the transmittance is significantly lowered. This is because the number of nano rods of each kind is reduced in the same space as in Fig.

도 21b는 P1=P2=P3=600 nm이고, D1=160 nm, D2=180 nm, D3=200 nm인 시스템에서 유도된 투과율을 나타내고 있다. 각 종류의 나노로드간의 크기차가 작은 만큼 투과 대역이 겹치게 되고, 이로 인해서 효과적으로 더 넓은 투과대역폭을 얻게 되었다. 이러한 방식의 ‘조각 기법’을 활용하면 사용자가 원하는 투과특성을 설계할 수 있다는 강한 이점이 있다.FIG. 21B shows the transmittance derived from a system where P1 = P2 = P3 = 600 nm and D1 = 160 nm, D2 = 180 nm and D3 = 200 nm. The smaller the difference in size between the nano-rods of each kind, the more the transmission bandwidths are overlapped. As a result, the larger transmission bandwidth is effectively obtained. Using such a 'sculpting technique' has the strong advantage of being able to design the desired transmission characteristics.

[실시예 2][Example 2]

복수의 Plural TiOTiO 22 나노와이어를Nanowire 포함하는 광 필터 Including an optical filter

도 22는 각각 상이한 지름을 가지는 복수의 나노와이어를 조합 및 배열하여 구현한 화소를 광 현미경으로 촬영한 사진이다. 상기 도 22의 화소는 하기 표 1에 기재된 공간적 수치들에 의해 구현되었다.22 is a photograph of a pixel formed by combining and arranging a plurality of nanowires having diameters different from each other and photographed by a light microscope. The pixel of FIG. 22 is implemented by the spatial values shown in Table 1 below.

<표 1><Table 1>

(단위: nm)(Unit: nm)

Figure 112016072268916-pat00001
Figure 112016072268916-pat00001

상기 필터의 제조 공정은 하기와 같다. 순차적으로 쿼츠 기재 상에 3 nm의 Ge 및 20 nm의 Ag 층을 전자빔 증착 공정을 이용하여 형성하였고, 상부에 지정된 두께와 150 nm 높이의 TiO2 나노와이어들을 전자빔 리소그래피, 증착, 및 리프트 오프 공정을 이용하여 형성하였다. 마지막으로 상부에 30 nm의 Ag 층을 형성하여 최종 광 필터가 완성되었다. 상기 나노와이어의 길이(세로 방향)는 10 μm로 고정하였다. 도 23의 SEM 이미지와 같이 각 화소 내에 복수 개의 Ag-TiO2 복합 나노와이어가 형성 되었음을 확인할 수 있었다. 상기 필터의 작동을 위해 입사되는 빛의 편광 방향이 나노와이어의 긴축과 동일하게 설정되었다. 할로젠 램프를 광원으로 하는 광 현미경을 사용하여 도 22의 사진을 얻을 수 있었다. The manufacturing process of the filter is as follows. Sequentially, 3 nm Ge and 20 nm Ag layers were formed on the quartz substrate using an electron beam deposition process, and TiO 2 nanowires of the thickness specified at the top and 150 nm high were subjected to electron beam lithography, deposition, and lift-off processes . Finally, a 30 nm Ag layer was formed on the top to complete the final optical filter. The length of the nanowire (longitudinal direction) was fixed at 10 μm. As shown in the SEM image of FIG. 23, it was confirmed that a plurality of Ag-TiO 2 composite nanowires were formed in each pixel. For the operation of the filter, the polarization direction of incident light was set to be the same as that of the nanowire. The photograph of FIG. 22 was obtained by using a light microscope having a halogen lamp as a light source.

도 22의 1 행에서 상기 나노와이어의 가로 두께와 필터되는 색 간의 상관 관계의 확인 및 단일과 복수 나노와이어 간의 강도(intensity)를 확인할 수 있었다.In line 1 of FIG. 22, the correlation between the lateral thickness of the nanowire and the color to be filtered and the intensity between single and multiple nanowires can be confirmed.

도 22의 (행,열)=(1,1)은, 단일 나노와이어의 가로 두께를 100 nm에서 200 nm까지 10 nm 단위로 증가시키면서 필터를 구현하여 얻은 결과이다. 상기 두께가 증가함에 따라 색이 파란색에서 붉은색으로 변하는 것을 확인할 수 있었으나, 두께가 수백나노미터인 나노와이어를 투과함으로써 빛의 강도가 다소 희미함을 확인할 수 있었다.(Row, column) = (1,1) in FIG. 22 is a result obtained by implementing a filter while increasing the lateral thickness of a single nanowire from 100 nm to 200 nm in units of 10 nm. It was confirmed that the color changed from blue to red as the thickness increased. However, it was confirmed that the intensity of light was slightly faint by passing through the nanowire having a thickness of several hundred nanometers.

도 22의 (행,열)=(1,2)은, 단일 나노와이어의 가로 두께를 100 nm에서 300 nm까지 20 nm 단위로 증가시키면서 필터를 구현하여 얻은 결과이다. 상기 두께가 증가함에 따라 색이 파란색에서 붉은색으로 변하는 것을 확인할 수 있었으나, 두께가 수백나노미터인 나노와이어를 투과함으로써 빛의 강도가 다소 희미함을 확인할 수 있었다.(Row and column) = (1, 2) in FIG. 22 is a result obtained by implementing a filter while increasing the lateral thickness of a single nanowire from 100 nm to 300 nm in units of 20 nm. As the thickness increased, it was confirmed that the color changed from blue to red. However, it was confirmed that the intensity of light was slightly faint by passing through the nanowire having a thickness of several hundred nanometers.

도 22의 (행,열)=(1,3)의 경우, 한 화소가 500 nm 주기의 나노와이어를 6개 포함하고 있으며 각 화소를 구성하는 나노와이어의 두께는 화소 내에서는 동일하나, 화소 별로 100 nm에서 200 nm까지 10 nm 단위로 증가하였다. 각 화소에 포함되는 나노와이어의 수가 6 개로서 단일 필터보다 강도가 높다는 것을 확인 할 수 있었다.In the case of (rows and columns) = (1, 3) in FIG. 22, one pixel includes six nanowires each having a period of 500 nm, and the thickness of the nanowires constituting each pixel is the same in the pixel, 100 nm to 200 nm in 10 nm increments. The number of nanowires included in each pixel is 6, which indicates that the intensity of the nanowires is higher than that of a single filter.

도 22의 (행,열)=(1,4)의 경우, 한 화소가 500 nm 주기의 나노와이어를 6 개 포함하고 있으며 각 화소을 구성하는 나노와이어의 두께는 화소 내에서는 동일하나, 화소 별로 100 nm에서 300 nm까지 20 nm 단위로 증가하였다. 각 화소에 포함되는 나노와이어의 수가 6 개로서 단일 필터보다 강도가 높다는 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 300 nm 까지 두께를 증가시킴으로써 진한 붉은색을 얻을 수 있었다.In the case of (row, column) = (1, 4) in FIG. 22, one pixel includes six nanowires each having a period of 500 nm, and the thickness of each nanowire constituting each pixel is the same within a pixel, nm to 300 nm in 20 nm increments. The number of nanowires included in each pixel was 6, indicating that the intensity was higher than that of a single filter. Further, by increasing the thickness up to 300 nm, a dark red color could be obtained.

도 22의 2 행은 한 화소에서 한 파장이 아닌 복수 파장에서의 필터 기능을 확인한 결과이다. 상기 결과를 통하여, 단일 파장으로 구현할 수 없는 색 또는 맞춤형 복수파장 필터를 각각 두께가 상이한 복합체 나노와이어들을 조합함으로써 수득할 수 있음을 확인할 수 있었다.The second row in FIG. 22 is a result of checking the filter function at a plurality of wavelengths, rather than one wavelength in one pixel. From the above results, it can be seen that color or customized multiple wavelength filters that can not be realized with a single wavelength can be obtained by combining composite nanowires having different thicknesses.

도 22의 (행,열)=(2,1) 및 (2,2)의 경우, 상기 표 1에서 나타낸 두께의 조합을 각 화소 내에 3 번씩 반복한 결과이다. 구체적으로 (2,1)의 첫 번째 화소는 가로 두께가 100, 150, 및 200 nm인 나노와이어들을 3 번씩 반복하여 구현하였다. 각 가로 두께에 해당하는 파란색, 초록색, 및 주홍색의 빛이 동시에 한 화소에서 필터됨을 알 수 있었다.In the case of (rows and columns) = (2,1) and (2,2) in FIG. 22, the combinations of the thicknesses shown in Table 1 are repeated three times in each pixel. Specifically, the first pixel of (2,1) has nanowires of 100, 150, and 200 nm thicknesses repeated three times. It was found that the light of blue, green, and vermilion corresponding to each lateral thickness was filtered at one pixel at the same time.

도 22의 (행,열)=(2,3)과 (2,4)의 경우 복수파장 필터 기능의 재현성을 확인하기 위해 (2,1) 및 (2,2)과 동일한 수치로 설계되었다. (2,1)과 (2,3)이 동일하고 (2,2)와 (2,4)가 동일한 복합색을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.In the case of (rows and columns) = (2,3) and (2,4) in FIG. 22, numerical values are the same as (2,1) and (2,2) in order to confirm the reproducibility of the multi-wavelength filter function. (2,1) and (2,3) are the same, and (2,2) and (2,4) show the same composite color.

도 22의 3 행은 화소 내 나노와이어의 개수에 따른 화소의 성능을 확인한 결과이다.The third row in FIG. 22 shows the result of checking the performance of the pixel according to the number of nanowires in the pixel.

도 22의 (행,열)=(3,1), (3,2), (3,3), (3,4)의 경우, 가로 두께가 각각 120, 160, 200, 및 240 nm인 나노와이어가 한 화소 내에서 1, 3, 6, 및 12 번 반복된 결과이다. 화소들은 상하에 각각 형성 되었는데, 상하의 화소들은 재현성을 확인하기 위한 목적으로 동일하게 설계되었다. 나노와이어의 개수와 무관하게 필터되는 색은 동일하다는 것을 확인할 수 있었으며, 단일 나노와이어의 필터보다는 다수로 형성된 필터의 강도가 더 높다는 것을 확인할 수 있었다.In the case of (rows and columns) = (3,1), (3,2), (3,3) and (3,4) in FIG. 22, The result is that the wire is repeated 1, 3, 6, and 12 times in one pixel. The pixels are formed on the upper and lower sides, respectively, and the upper and lower pixels are designed in the same manner for the purpose of confirming the reproducibility. It was confirmed that the filter colors were the same regardless of the number of nanowires, and it was confirmed that the number of filters formed was larger than that of the single nanowire filter.

도 22의 4 행은 가로 두께가 동일한 나노와이어들의 주기를 변환시켜 필터되는 파장과 주기는 서로 상관관계가 약하다는 것을 증명하는 결과이다. 이는, 기존의 플라즈모닉 필터들과는 크게 대조되는 결과이며, 본 발명의 특성을 잘 나타내고 있다.The fourth row in FIG. 22 is a result of proving that the wavelengths and periods to be filtered by correlating the periods of the nanowires having the same lateral thickness are weakly correlated with each other. This is a result contrasted with the conventional plasmonic filters, and shows the characteristics of the present invention well.

도 22의 (행,열)=(4,1),(4,2),(4,3),(4,4)의 경우, 각 필터를 형성하는 나노와이어의 두께가 120, 160, 200, 및 240 nm로써, 500, 600, 및 700 nm 주기로 반복된 결과이다. 주기가 바뀌어도 색의 변화가 크지 않다는 것을 확인할 수 있었다.In the case of (rows and columns) = (4,1), (4,2), (4,3) and (4,4) in FIG. 22, the thickness of the nanowires forming each filter is 120, , And 240 nm, at 500, 600, and 700 nm cycles, respectively. It was confirmed that the color change was not large even when the cycle was changed.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

100 : 기재
200 : 웨팅 층
300 : 제 2 층
400 : 나노구조체
500 : 제 1 층
100: substrate
200: Wetting layer
300: Second layer
400: nanostructure
500: 1st layer

Claims (17)

투명 기재 상에 배치된 나노구조체; 및 상기 나노구조체의 적어도 일부 표면 및 상기 나노구조체가 배치되지 않은 상기 투명 기재의 표면에 코팅된 제 1 층을 포함하는 하이브리드 나노구조체들의 배열을 포함하는, 광 필터로서,
상기 나노구조체는 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수(permittivity) ε의 실수 부분인 ε'의 값이 양수인 물질을 포함하며; 상기 제 1 층은 상기 광 필터가 작동하는 파장 대역에서 하기 식 1로서 표시되는 유전상수 ε의 실수 부분인 ε'의 값이 음수인 물질을 포함하는 것이며:
[식 1]
유전 상수 ε = ε' + iε";
상기 나노구조체를 형성하는 물질의 상기 유전 상수 ε 의 실수 부분인 ε'의 값과 상기 제 1 층을 형성하는 물질의 상기 유전 상수 ε 의 실수 부분인 ε'의 값의 기호가 서로 상이하여, 상쇄간섭에 의해 빛의 산란을 최소화하는 것인,
광 필터.
A nanostructure disposed on a transparent substrate; And an array of hybrid nanostructures comprising at least a portion of the surface of the nanostructure and a first layer coated on a surface of the transparent substrate on which the nanostructure is not disposed,
Wherein the nanostructure comprises a material having a positive value of epsilon 'as a real part of a permittivity epsilon represented by the following formula 1 in a wavelength band in which the optical filter operates; Wherein the first layer comprises a material having a negative value of a real part ε 'of a dielectric constant ε expressed in the following equation 1 in a wavelength band in which the optical filter operates:
[Formula 1]
Dielectric constant ε = ε '+ iε ";
The value of? 'Which is the real part of the dielectric constant? Of the material forming the nanostructure and the value of?' Which is the real part of the dielectric constant? Of the material forming the first layer are different from each other, Which minimizes scattering of light by interference,
Optical filter.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 나노구조체들 각각에 포함된 상기 나노구조체는 직경이 서로 동일하거나 상이한 것들을 포함함으로써 복수의 파장 대역들의 빛을 동시에 투과시키는 복수 대역 필터로서 작동하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructures included in each of the hybrid nanostructures operate as a multi-band filter that simultaneously transmits light of a plurality of wavelength bands by including the same or different diameters.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 나노구조체들 각각에 포함된 상기 나노구조체는 물질이 서로 동일하거나 상이한 것들을 포함함으로써 복수의 파장 대역의 빛을 동시에 투과시키는 복수 대역 필터로서 작동하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructures included in each of the hybrid nanostructures operate as a multi-band filter that simultaneously transmits light of a plurality of wavelength bands by including materials that are the same or different from each other.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 나노구조체들의 개수 또는 배열 간격을 조절하여 투과율이 조절되는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the transmittance is adjusted by adjusting the number or arrangement interval of the hybrid nanostructures.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 나노구조체들의 배열 및/또는 배치를 조절하여 투과 파장 대역의 폭과 선모양(lineshape)이 조절되는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the arrangement and / or arrangement of the hybrid nanostructures is controlled to adjust the width and linehape of the transmission wavelength band.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체와 상기 제 1 층의 하부에 형성된 제 2 층을 추가 포함하는, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructure further comprises a second layer formed on the lower portion of the first layer.
제 1 항에 있어서,
상기 광 필터의 작동 파장 대역은 가시광선 범위 또는 적외선 범위를 포함하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the operating wavelength band of the optical filter comprises a visible light range or an infrared range.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 상기 광 필터의 작동 파장 대역보다 큰 밴드갭을 갖는 물질을 포함하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructure comprises a material having a bandgap greater than an operating wavelength band of the optical filter.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 C(diamond), Si, Ge, Sn, SiC, S8, Se, Te, BN, BP, BAs, ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu2S, PbSe, PbS, ObTe, SnS, SnS2, SnTe, B12As2, AlN, AlP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, CdS, CdSe, CdTe, InGaP, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO2, BaTiO3, PbSeTe, Tl2SnTe5, Tl2GeTe5, Bi2Te3, Cd3P2, Cd3As2, Cd3Sb2, ZnsP2, Zn3As2, Zn3Sb2, TiO2, Cu2O, CuO, UO2, UO3, Bi2O3, SnO2, SrTiO3, LiNbO3, La2CuO4, PbI2, MoS2, VO2, V2O3, GaSe, Bi2S3, NiO, CuInSe2, Ag2S, FeS2, Cu2ZnSnS4, CuZnSbS, Cu2SnS3, Si1 - xGex, Si1 - xSnx, AlxGa1 - xAs, InxGa1-xAs, InxGa1 -xP, AlxIn1 - xAs, AlxIn1 - xSb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAsSbP, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, 및 Cu(In,Ga)Se2으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
The nano-structure is C (diamond), Si, Ge , Sn, SiC, S 8, Se, Te, BN, BP, BAs, ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CuCl, Cu 2 S, PbSe, PbS, ObTe, InGaN, InN, InP, InAs, InSb, BaTiO 2 , SnS, SnS 2 , SnTe, B 12 As 2 , AlN, AlP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, CdS, CdSe, CdTe, InGaP , BaTiO 3 , PbSeTe, Tl 2 SnTe 5 , Tl 2 GeTe 5 , Bi 2 Te 3 , Cd 3 P 2 , Cd 3 As 2 , Cd 3 Sb 2 , ZnsP 2 , Zn 3 As 2 , Zn 3 Sb 2 , TiO 2, Cu 2 O, CuO, UO 2, UO 3, Bi 2 O 3, SnO 2, SrTiO 3, LiNbO 3, La 2 CuO 4, PbI 2, MoS 2, VO 2, V 2 O 3, GaSe, Bi 2 S 3, NiO, CuInSe 2 , Ag 2 S, FeS 2, Cu 2 ZnSnS 4, CuZnSbS, Cu 2 SnS 3, Si 1 - x Ge x, Si 1 - x Sn x, Al x Ga 1 - x As, In x Ga 1-x As, In x Ga 1 -x P, Al x In 1 - x As, Al x In 1 - x Sb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, water selected from AlGaAsP, IGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAsAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb, GaInAsSbP, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, HgZnSe, and Cu (in, Ga) Se 2 the group consisting of That is, the optical filter comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 광 필터의 작동 파장 대역이 가시광선 범위를 포함하는 경우, 상기 제 1 층은 Ag, Au, Pt, Al, Si, Ge, Cu, P-도핑 Si, B-도핑 Si, 및 P-도핑 Ge로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the first layer comprises one or more of Ag, Au, Pt, Al, Si, Ge, Cu, P-doped Si, B-doped Si, and P- doped Ge &Lt; / RTI &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 광 필터의 작동 파장 대역이 적외선 범위를 포함하는 경우, 상기 제 1 층은 TiN, InP, Si, Ge, ZnO, GaN, InGaN, InN, Cu, Ga-도핑 ZnO, 및 Si-도핑 GaN으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the first layer is made of TiN, InP, Si, Ge, ZnO, GaN, InGaN, InN, Cu, Ga-doped ZnO, and Si-doped GaN when the operating wavelength band of the optical filter includes an infrared range. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1, &lt; / RTI &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 상기 광 필터의 작동 파장보다 작은 두께를 가지는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructure has a thickness smaller than an operating wavelength of the optical filter.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체의 두께에 의해 상기 광 필터의 투과 파장 또는 투과 파장 영역이 조절되는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein a transmission wavelength or a transmission wavelength region of the optical filter is controlled by a thickness of the nanostructure.
제 6 항에 있어서,
상기 제 2 층 하부에 형성된 웨팅(wetting) 층을 추가 포함하는, 광 필터.
The method according to claim 6,
Further comprising a wetting layer formed on the bottom of the second layer.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층은 상기 나노구조체의 표면 중 상기 기재에 접촉되지 않은 표면의 적어도 일부 또는 접촉되지 않은 모든 표면에 형성되는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the first layer is formed on at least a portion of the surface of the nanostructure that is not in contact with the substrate or on all surfaces that are not in contact with the substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 광 필터로 입사되는 빛의 편광 방향을 상기 나노구조체의 축과 동일한 방향으로 고정함으로써 상기 입사되는 빛에 의하여 형성된 상기 제 1 층 내의 쌍극자(dipole)와 상기 나노구조체 내의 쌍극자 간의 간섭으로 인하여 빛의 산란이 상쇄되어 상기 광 필터의 투과도가 증가하는 것인, 광 필터.
The method according to claim 1,
The polarization direction of the light incident on the optical filter is fixed in the same direction as the axis of the nanostructure so that interference between the dipole in the first layer formed by the incident light and the dipole in the nanostructure causes light Scattering is canceled out and the transmittance of the optical filter is increased.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 필터는 바이오 이미징 또는 광 통신에 사용되는 것인, 광 필터.

17. The method according to any one of claims 1 to 16,
Wherein the optical filter is used for bio-imaging or optical communication.

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