KR101783428B1 - 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 글래스 기판; 상기 글래스 기판 위에 형성되며 일정한 주기 간격을 가지고 슬릿이 형성된 1차원 나노선 어레이; 및 상기 슬릿을 포함한 1차원 나노선 어레이를 덮도록 형성되는 유전체 오버레이; 를 포함하며, 상기 글래스 기판의 하부에서 입사되는 입사광의 편광 각도와 상기 주기 간격에 의해 상기 유전체 어레이의 상부로 출력되는 출력광의 색상을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터가 제공된다.

Description

나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터{Polarization-tuned dynamic color filter based on nanowire array}
본 발명은 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에 관한 기술이다.
컬러필터(color filter)는 일반적으로 컬러 PR(photo resist)을 스핀 코터(spin coater)를 통하여 웨이퍼(wafer) 위에 도포하는 방식을 많이 사용하여 제작되고 있다.
컬러필터의 제조공정은 크게 염색법, 인쇄법, 안료분산법, 전착법, 증착법 등이 있으나 최근에는 주로 안료분산법을 이용하여 제작되고 있다. 하지만, 이러한 방법은 각각의 색마다 현상, 수세 공정을 반복하여 컬러필터를 제조해야 하기 때문에 공정 특성상 폐액의 발생이 많아 재료 면에서 낭비가 크고 수질오염 및 대기오염 면에서도 불리한 단점을 지니고 있다. 또한, 각각의 컬러 도포 과정 시 사용되는 대량의 마스크 사용도 문제가 되고 있다.
또한, TV, 스마트폰, 잉크젯 프린터 등에 사용되는 상술한 컬러필터는 빛을 흡수하는 화학 염료를 기반으로 구현되어 낮은 광효율과 자외선에 의한 변색 등의 한계를 가지고 있다.
또한, 기존의 화학 염료 방식의 컬러필터는 하나의 고정된 색상만을 표현할 수 있어서 다양한 색상 구현을 위해서는 적어도 삼원색의 컬러필터 조합이 필요하다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 굴절률이 서로 다른 두 개 이상의 유전체(dielectric material)를 적층하여 컬러필터를 제작하는 방식이 있다. 구체적으로 설명하면, 이러한 컬러필터는 일반적으로 유리(glass) 기판상에 굴절률이 다른 두 개 이상의 물질의 두께를 변화시켜 수 십 층 이상을 적층하여 얻을 수 있게 된다. 이런 방식으로 제작된 컬러필터는 원하는 밴드(band)특성과 투과도를 얻는데 가능하지만 공정상에 사용되는 물질이 시모스 공정과 호환이 불가능하고 수 십 층 이상으로 적층하는 공정이 사용되기 때문에 대량 생산에 적용되는 시모스 공정에는 그 적용이 사실상 불가능한 단점이 있다.
또한, 소수의 층에 의해 구현되는 컬러필터에 관한 기술이 연구되었는데 대표적으로는 1차원 광자결정 구조를 응용하는 기술이 있다. 예를 들어 특정한 주기 간격(period)을 갖는 SiO2/TiO2 층 사이에 두께가 다른 유전체 층을 삽입함으로써 투과 밴드를 조절하는 방식이다. 1차원 광자결정 구조를 응용하는 기술은 소수 층을 적층 하므로, 공정이 용이하다는 장점이 있으나, TiO2와 같은 특별한 물질이 요구되며 패턴을 형성하기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 금속층에 나노 단위의 패턴(nano-pattern)을 형성하는 금속 나노 패턴 필터(metal nano-pattern filter) 기술이 제안되었다. 이 기술은 얇은 금속 박막에 나노 사이즈의 패턴을 형성하는 것으로, 조사된 빛의 전기장에 의하여 여기된 전자가 제한된 금속 표면을 따라 이동하며 빛을 방사함으로써 빛의 투과 특성을 나타내는 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 특성을 이용한 것이다.
컬러필터에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1007198호에 나타나 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1007198호(나노 격자 기반의 컬러필터)
본 발명은 나노선 어레이 주기 간격 및 편광의 방향을 제어하여 단일 필터로 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 경제적으로 제조할 수 있는 구조를 가지는 동적 컬러 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 글래스 기판; 상기 글래스 기판 위에 형성되며 일정한 주기 간격을 가지고 슬릿이 형성된 1차원 나노선 어레이; 및 상기 슬릿을 포함한 1차원 나노선 어레이를 덮도록 형성되는 유전체 오버레이; 를 포함하며, 상기 글래스 기판의 하부에서 입사되는 입사광의 편광 각도와 상기 주기 간격에 의해 상기 유전체 어레이의 상부로 출력되는 출력광의 색상을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 컬러 필터가 제공된다.
또한, 상기 입사광의 편광 각도는 상기 슬릿의 배열방향인 x-방향과 상기 입사광의 진행방향과의 각인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노선 어레이는 알루미늄 나노선 어레이가 110~130 nm 두께로 형성되며, 상기 유전체 오버레이는 실리카 (SiO2)가 150~250 nm로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주기 간격이 300 nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광 각도 Φ가 0° 내지 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 노란색에서 파란색을 향하여 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주기 간격이 380 nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광 각도 Φ가 0° 내지 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 마젠타(magenta) 컬러에서 그린 컬러를 향하여 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주기 간격이 460 nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광 각도 Φ가 0° 내지 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 갈색 레드 컬러에서 시안 컬러를 향하여 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 상기 주기 간격을 300에서 460 nm로 변경할 때, TM 편광의 중심 파장은 λ= 450에서 650 nm으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 상기 주기 간격을 320에서 460 nm로 변경할 때, TE 편광의 중심 파장은 λ= 420에서 538 nm으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주기 간격에 대한 1차원 나노선 구조체의 폭의 비(duty ratio)는 0.5인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 나노선 어레이 주기 간격 및 편광의 방향을 제어하여 단일 필터로 동적으로 다양한 색상을 구현할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬릿을 포함하는 간단한 1차원 나노선 어레이 패턴으로 반도체 식각 기술에 의하여 경제적으로 제조할 수 있는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 서로 다른 스펙트럼 위치들에서 선택적으로 억제된 전송 상태들로 제어하기 위하여, TE(Transverse Electric Field / Wave, 횡방향 전계) 및 TM(Transverse Magnetic Field / Wave, 횡방향 자계) 편광들 하에 SPR (surface plasmon resonance 표면 플라즈몬 공명) 및 GMR(guided-mode resonance 도파모드 공명)을 각각 이용하여, 그에 의해 2개의 직교 편광들에 대한 두 개의 별개 색상들을 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터의 예를 설명하기 위하여 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 (i) 300, (ii) 380 및 (iii) 460nm의 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 다른 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 입사광의 편광상태의 각 Φ의 변화에 따른 편광 조정 전송 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 다른 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 입사광의 편광상태의 각Φ의 변화에 따른 스펙트럼들에 대한 컬러응답을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1차원 나노선 어레이의 주기 간격(period) 변화에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 TM 및 TE 편광들에 대한 전송 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 1차원 나노선 어레이의 주기 간격(period) 변화에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 TM 및 TE 편광들에 대한 컬러응답을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 주기 간격과 입사 편광에 따른 광 마이크로 이미지를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 투과 딥의 위치에서 전기장 및 자기장의 강도 플롯을 도시한 것이다.
도 9는 투과되는 광의 표면 플라즈몬 모드 및 도파모드를 포함하는 전송스펙트럼을 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터는 2개의 편광에 대한 억압된 전송과 관련하여 독립적인 제어를 제공하면서, TE 및 TM 편광 모두에 대한 강화된 전송을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, GMR(guided-mode resonance 도파모드 공명)과 함께 SPR(surface plasmon resonance 표면 플라즈몬 공명)을 적절하게 활용함으로써, 유전체층이 결합된 1차원 알루미늄(Al) 나노선 어레이 기반의 고효율 편광 제어 동적 컬러 필터를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터의 예를 설명하기 위하여 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터(1)는 X-Z평면으로 형성된 장방형 형상의 글래스 기판(21) 상부에 X축을 가로지르는 직사각형 형상의 홈으로 형성된 슬릿(12) 들이 상기 X축을 따라 일정한 주기 간격으로 평행하게 배열된 1차원 나노선 어레이를 포함한다.
상기 1차원 나노선 어레이(11)에 형성된 슬릿(12) 들은 유전체 오버레이(31)로 덮어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 나노선 어레이(11)는 1차원으로 배열된 알루미늄 나노선 어레이로 형성되며, 상기 유전체 오버레이(31)는 실리카(SiO2)로 제조된다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터(1)는 1차원의 알루미늄 나노선 어레이로 제조된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄 나노선 어레이 공정은, 120 nm 두께의 알루미늄 필름이 전자-빔 증착기(electron-beam evaporator)로 유리 기판상에 증착된다.
증착된 알루미늄 필름은 포지티브 전자-빔 레지스트를 사용하는 전자-빔 리소그래피(electron-beam lithography) 시스템에 의해 후속 패턴화되며, 그 다음은, 플라즈마 식각기에서 Cl2, BCl3 및 Ar가스들을 포함하는 혼합 식각가스에 의하여 일정한 주기 간격을 가지도록 건식 식각되어 제조된다.
알루미늄 나노선 어레이 공정 후에는 나노선 어레이 상부에 플라즈마-강화 화학 증착기 (plasema-enhanced chemical vapor deposition)를 사용하여 200 nm 두께의 SiO2 유전체 오버레이(31)가 코팅된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄 나노선 어레이는 두께 Hg(= 110 ~130 nm), x축을 따른 일정한 주기 간격(period) P, 나노선의 폭(width) W 에 대한 duty ratio 0.5를 갖는다. 여기서 duty ratio는 상기 주기 간격에 대한 나노선의 폭의 비를 나타낸다.
유전체 오버레이(31)는 두께 Hd (= 150~ 250 nm)를 갖는다.
유전체 오버레이는 환경 요인들에 대항하여 보호층으로서 역할을 할 뿐만 아니라 동적 컬러 발생을 위한 기능층으로서 역할을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬릿을 포함하는 간단한 1차원 나노선 어레이 패턴으로 반도체 식각 기술에 의하여 경제적으로 제조할 수 있는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터를 제공할 수 있다.
도 1을 참조하면, xz-평면에서 슬릿의 배열방향인 x-방향에 대한 전기장(E-field)의 정렬은, 각 Φ로 표시되며, 입사광의 편광 상태를 결정한다.
즉, 입사각의 편광각도 Φ는 슬릿의 배열방향인 x-방향과 입사광의 진행방향과의 각을 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터는 CIE 1931 색도도(chromaticity diagram) 상에 점에 의해 표현되는 단일 고정 컬러만을 생성하는 종래의 컬러 필터들과 달리, 입사광의 편광 각도에 따라 사용자가 요구하는 컬러들을 제공하면서, 색도도 상에 라인에 의해 표시되는 연속적인 컬러들을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 서로 다른 스펙트럼 위치들에서 선택적으로 억제된 전송 상태들로 제어하기 위하여, TE(Transverse Electric Field / Wave , 횡방향 전계) 및 TM(Transverse Magnetic Field / Wave, 횡방향 자계) 편광들 하에 SPR (surface plasmon resonance 표면 플라즈몬 공명) 및 GMR (guided-mode resonance 도파모드 공명)을 각각 이용하여, 그에 의해 2개의 직교 편광들에 대한 두 개의 별개 색상들을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터(1)를 통한 광전송은, 선택적으로 변화되는 컬러들을 생성하기 위하여, 편광각도(Φ)에 따라 특정 공진 파장에서 선택적으로 제한될 수 있다.
도 1을 참조하면, 입사되는 백색광은, Φ=0° 즉 TM 편광모드에서 노란색을 발생하기 위하여 나머지 파장이 효율적으로 제거되며, 파란색은 Φ= 90° 즉 TE편광 모드에서 얻어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, TM 편광에 대해서, 전송 파장의 선택적인 억제라는 결과를 가져오며 특정 컬러들을 생성하기 위한 가시광의 필터링은 SPR을 통해서 얻어진다.
반면에 TE 편광에 대해서, 컬러의 생성은 누설 평면 도파관(leaky planar waveguide)에 의해 지원되며, 이는 나노선 어레이 및 공기의 클래딩들에 의해 둘러싸인 유전체 오버레이(31)의 코어에 의해 형성된다.
본 발명의 일 실시 에에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터(1)는 상기 글래스 기판(21)의 하부에서 입사되는 입사광(101)의 편광 각도에 따라 상기 유전체 어레이의 상부로 출력되는 출력광(121, 131)의 컬러를 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 다른 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 2는 (i) 300, (ii) 380 및 (iii) 460nm의 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터를 나타낸다.
도 2에서 E-필드(파란색 화살표)에 의해 표시된 서로 다른 직교 편광 방향, TM 및 TE 에 의해 밝은 컬러 이미지들을 생성할 수 있다.
도 2를 참조하면, P=300, 380 및 460nm를 가진 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터들은 편광 방향에 따라 노랑과 파랑 컬러, 마젠타(magenta)와 그린 컬러, 청록(cyan)과 갈색 레드(brownish red)의 쌍들 간에 스위치 되는 특성을 가지는 것으로 나타난다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 다른 주기 간격을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 입사광의 편광상태의 각 Φ의 변화에 따른 편광 조정 전송 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 주기 간격 P = 300, 380, 460 nm를 가진 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 입사광의 편광상태의 편광 각도Φ를 0°에서 90° 까지 15°씩 변화시킨 편광 조정 전송 스펙트럼을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터들은 TM(Φ = 0°) 및 TE(Φ = 90°) 편광 성분에 대해 가시광 대역에서 80% 이상의 효율을 얻을 수 있다.
도 3을 참조하면, TM의 경우에서, 300, 380 및 460nm의 주기 간격(period)을 가진 필터들은 λ = ~450, 550, 650nm가 각각 중심 파장이 되는 넓은 전송 딥(dip)을 가진다.
한편, TE 편광에 대해서, 저역 전송 특성이 P= 300 nm인 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 관찰될 수 있다.
P= 380 및 460nm을 갖춘 다른 2개의 필터 소자에 대해서, 저역 스펙트럼 응답은 λ= 466 및 540nm가 각각 중심 파장이 되는 상대적으로 날카로운 딥(dip)들에 의해 국부적으로 영향을 받는다는 것으로 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, Φ=0° 및 90° 사이에 있는 다른 중간 편광 방향들에 대해서, 2개의 직교 편광들에 관한 전송의 조합으로 전송이 결정된다.
본 발명의 일 실시 예에서 Φ= 0° 및 90°의 직교 경우들의 전송이 T0 및 T90으로 디자인되었을 때, Φ의 임의 편광은 다음 수식 1로 주어진다.
Figure 112015127809894-pat00001
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 각각 다른 주기 간격(period)을 가지는 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 입사광의 편광상태의 각 Φ의 변화에 따른 스펙트럼들에 대한 컬러응답을 도시한 것이다.
도 4는 편광 각도Φ를 0°에서 90°까지 15°씩 변화시키면서, P= 300, 380, 460nm 가진 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터에서 측정된 스펙트럼들에 대한 컬러응답을 색도좌표로 도시한 것이다.
색도 좌표는 표준 CIE (International Commission on Illumination) 1931 색도도를 사용하여 산출된 것이다.
도 4를 참조하면, 각도 Φ의 함수로서 색도 좌표들에서 변화의 관점에서, 각 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터들로부터 생긴 컬러는, 까만 화살표로 표시한 바와 같이, Φ을 변경함으로써 요구 조건에 맞추어 동적으로 제어될 수 있다.
도 4의 (i)에서 P = 300nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터에서, 획득된 컬러는 도면 내의 좌표들로 표시한 바와 같이, Φ가 0° 내지 90°까지 변화될 때, 노란색에서 파란색을 향하여 변화되었다.
또한, 도 4의 (ii)에서 P = 380nm를 가진 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터로부터 Φ가 0° 내지 90°까지 변화될 때, 이용 가능한 출력 컬러는 마젠타(magenta) 컬러에서 그린 컬러로 변화되도록 제어될 수 있다.
또한, 도 4의 (iii)에서 P = 460nm를 가진 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터인 경우, 출력 컬러는 Φ가 0°내지 90°까지 변화될 때 갈색 레드 컬러에서 시안 컬러로 변화되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터들의 성능에 대한 나노선 어레이의 주기 간격(period)의 특성을 평가하기 위하여 TM 및 TE 편광들에 대한 전송 스펙트럼들이 FDTD기법((Finite Difference Time Domain Method: 유한차분 시간영역법)기반 시뮬레이션들을 통하여 조사된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1차원 나노선 어레이의 주기 간격(period) 변화에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 TM 및 TE 편광들에 대한 전송 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 0.5로 고정된 duty ratio를 가지고, 300에서 460 nm까지 나노선 어레이의 주기 간격(period)을 20nm씩 증가시키면서, TM(φ = 0°) 및 TE (φ = 90°) 편광들에 대한 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 시뮬레이션시 측정된 스펙트럼들을 나타낸다.
TM 편광의 경우, 주기 간격(피치)을 300에서 460 nm로 변경할 때, 파장은 떨어진 전송 효율성의 위치에 따라 거의 선형 방식으로 중심파장은 λ= 450에서 650nm으로 이동하고, 점선으로 지정된 경향을 따르며, 광 응답은 주기 간격에 따라 넓은 딥(broad dip)으로 나타낸다.
한편, TE 편광의 경우, 주기 간격을 320에서 460nm로 변화될 때, 제한된 전송의 위치는 거의 중심파장 λ= 420에서 538nm로 선형적으로 이동하며, 응답특성은 점선들로 나타낸 것과 같은 경향을 따르며, 주기 간격에 따라 의존적인 딥을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 300nm의 주기 간격의 경우, 딥(dip)은 가시 밴드 아래의 UV 영역에 존재하며, 도 5에서는 숨겨져 있다.
300 nm의 주기 간격의 경우, TM 및 TE 편광에 대한 측정된 특성들은, 전술한 시뮬레이션 된 결과들의 그것들과 매우 유사하게, 점선을 따라 매우 낮아진 전송 효율을 나타낸다.
따라서, 컬러들의 광범위한 팔레트는 주기 간격(P)을 변경함으로써 제어될 수 있다. 이는 도 5로부터 편광에 대한 딥의 특별한 위치에서의 선형 이동으로부터 추론될 수 있다.
또한, TM 및 TE 편광들 하에서 컬러들의 독립적인 팔레트(palette)를 위하여 나노선 어레이의 주기 간격이 조정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 1차원 나노선 어레이의 주기 간격(period) 변화에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 TM 및 TE 편광들에 대한 전송 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 편광 각도 Φ를 고정하고, 구조적 변수 P를 조정하여 다양한 컬러 출력을 자유롭게 설계할 수 있으며, 색도 좌표들은 증가하는 P에 따라 검정 실선과 같이 변화하는 것으로 나타난다.
도 6에 나타난 바와 같이 주어진 주기 간격(P)을 가진 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터에 대한 출력 컬러는 편광에 따라 조절될 수 있다.
서로 다른 컬러들이 나노선 어레이의 주기 간격 및 입사 편광의 변화에 따라 생성될 수 있다는 것은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 광 마이크로-사진들로부터도 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 주기 간격과 입사 편광에 따른 광 마이크로 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터로부터의 컬러 출력의 투과모드 이미지들을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터로부터의 컬러 출력의 투과모드 이미지들을 나노선의 주기 간격을 300에서 460 nm까지 20 nm씩 변화시킴에 따라, 행(column)을 따라 정렬되며, 반면에 각 주기 간격에 대한 필터들의 컬러 출력의 투과모드 이미지는 편광 각도 Φ를 0° 에서 90°까지 15°씩 변경하였을 때, 열(row)을 따라 정렬된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 높은 콘트라스트를 특징으로 하는 매우 다양한 밝은 컬러들은 편광 특성뿐만 아니라 나노선 어레이의 주기 간격 변화에 따른 특성에서 실현될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최적 두께를 가진 유전체 오버레이의 채택이 상응하는 특성 파장들에서 전송 딥들이 생기도록 허락하면서, 알루미늄 나노선 사이의 슬릿들을 충전하여, TM 및 TE 편광에 대한 전송을 강화하는 것을 가능하게 하고, 그에 의해 서로 다른 두 편광 하에 컬러들을 생성하는 것을 가능하게 하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 120nm 두께, duty ratio 0.5의 나노선과 200nm의 유전체 오버레이에 의해, 감법 혼색의 원색 컬러(subtractive color)들이 공진 파장에서 무시할 수 있는 낮은 투과를 보장함으로써 성공적으로 생성될 수 있으며, 여전히 공진으로부터 떨어진 특별한 밴드에 대한 높은 투과효율을 보장할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, TE 및 TM 편광과 두 편광에 대한 다른 색상 모두 향상된 전송으로 이어질 수 유전체 오버레이의 최적의 두께를 결정하기 위해, 본 발명자는 송신 스펙트럼 및 CIE 1931색도 다이어그램에 따른 색도 좌표를 플로팅하여 해당 컬러 응답을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 투과 딥의 위치에서 전기장 및 자기장의 강도 플롯을 도시한 것이다.
도 8(a)는 λ = 559nm의 딥의 위치에서 자기장 강도의 z 성분의 2D 컬러 맵을 도시한 것이다.
도 8(b)는 λ = 465nm에서 전기장 강도의 z 성분의 2D 컬러 맵을 도시한 것이다.
도 8(a)를 참조하면, λ = 559nm에 위치한 전송 딥에서, 넓은 플라즈몬 밴드갭을 초래하여 실질적 억제 전송을 고려할 수 있는, SP(surface plasmon) 모드들의 영향으로 자기장은 금속-유전체의 상부 경계면에 국한되어 형성된다.
유사한 장 분포들이 무시해도 될 정도의 넓은 딥(dip)에서 관찰되었다.
도 8(b)를 참조하면, λ= 465nm의 딥(dip)에서 전기장 분포는 알루미늄 나노선 상부의 유전체 오버레이에서 주로 국한되어 형성된다.
도 8을 참조하면, 기판을 향하는 알루미늄 나노선 내부 측으로는 전기장 및 자기장이 거의 침입하지 않는 것으로 나타났으며, 이로 인하여 전송에서 상대적으로 좁은 딥을 일으키게 된다.
실제로 유전체 오버레이에 둘러싸인 장은, 유전체 평면 도파에 의해 지원되는 도파 모드의 여기를 암시하면서, x-방향을 따르는 standing wave를 나타내는 것으로 판단된다.
도파 모드에 의해 생성된 공진에 의해, 입사광은 전송 딥이 제기되도록 입사 매체를 향해서 반사된다.
도 9는 투과되는 광의 표면 플라즈몬 모드 및 도파모드를 포함하는 전송스펙트럼을 도시한 것이다.
도 9(a)는 입사 TE에 대하여 슬릿의 영역으로 정규화하여 산출된 전송 스펙트럼의 맵을 도시한 것이다.
도 9(b)는 입사 TM에 대하여 슬릿의 영역으로 정규화하여 산출된 전송 스펙트럼의 맵을 도시한 것이다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이, TM 경우에 대한 시뮬레이션 전송 딥들의 위치는 P가 300에서 480nm로 증가됨에 따라 노란색 점선을 따라 λ= 426에서 708nm까지 점진적으로 이동하였다. 그러므로 SP공명은 스펙트럼 전송을 선택적으로 억제할 수 있다.
TM 경우에 대한 금속-유전체 인터페이스에서 여기된 SP에 대한 투과도 피크(λsp)의 분석적 분산 관계는 다음 식 2로 주어진다:
Figure 112015127809894-pat00002
여기서 εd 및 εmt(λ) 은 유전체 및 금속층들의 유전체 상수들이고, m은 공진의 차수를 의미하는 정수이다.
투과도 피크(투과도 피크 파장) (λsp)는 투과광의 중심 피크 파장, 즉 표면 플라즈몬 공명 파장을 의미할 수 있다.
따라서 금속 및 유전 물질의 유전상수가 결정되고 그에 따라 나노선의 주기 간격(P)을 조정하면, 투과 대역이 설계될 수 있다.
또한, 도 9(b)를 참조하면, TE에 대한 시뮬레이션 스펙트럼에서 딥들의 위치는, P를 300에서 480nm로 증가시킴에 따라 λ=384에서 553nm로 점진적으로 증가하였고, 공기-SiO2-Al 구성의 금속-클래드 평면 도파와 관련하여 분산 커브를 나타내며, 노란 점선에 의해 정확하게 예측될 수 있다.
TE 편광에 대한 선택적 저전송은 GMR(guided-mode resonance 도파모드 공명)의 존재에 의한 것임을 알 수 있다.
도파 모드에 의하여 지원되는 TE 도파 모드에 대한 분산 관계는 다음 식 3으로 주어진다.
Figure 112015127809894-pat00003
여기서 εair는 공기의 유전체 상수이고, ko = 2π /λo, λo는 자유-공간 파장, β 는 유도 모드에 대한 전파 상수, l은 그의 차수를 의미하는 정수이다.
GMR은 β가 격자 벡터 G (= 2 π /P)와 동일할 것을 요구하며 위상 매칭 조건이 만족될 때 계속해서 일어날 것으로 기대된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, TM 및 TE 편광들 양자에 대한 80% 이상의 투과 효율로 매우 효율적인 편광 제어 동적 컬러 필터링을 수행할 수 있는 유전체층이 결합된 1차원의 알루미늄 나노선 어레이 기반의 편광 제어 동적 컬러 필터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각각 TM 및 TE 입사 하에, 금속-유전체 인터페이스에서 SPR 및 금속-공기-유전체 도파에서 GMR로부터 유래하는, 2개의 편광들 하에 특별한 도파에서 전송의 선택적 억압에 기초한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 전송 모드에서 전송되는 컬러들을 선택적으로 제어하기 위하여 제조 및 설계 단계에서 결정되는 나노선 어레이의 주기 간격 조정에 의한 제어 특징 및 공정 후 컬러 조정을 가능하게 하는, 입사광의 편광 제어 특성을 가진다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 동일 파장에서 TM 및 TE 공진이 일어나도록 제안된 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터로 디자인될 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 초소형 컬러 디스플레이 및 이미지 기기들을 구현하는데 응용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 입사 편광에 따라 사용자 정의 색상의 연속성을 제공하는, 유전체층이 결합된 알루미늄 나노선 어레이를 구현하는 매우 효율적인 동적 감산 컬러 필터들을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동적 컬러 필터링은 금속-클래드 유전체 도파(waveguide)를 위한 금속-유전체 인터페이스 및 도파-모드에서 플라즈몬 공진을 통해 전송 스펙트럼에 선택적인 억압에 의존하여 실현되었으며, 각각 TM 및 TE 편광에 대한 그들의 특정 파장들에서 발생한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시안(cyan), 마젠타(magenta), 노랑을 포함하는 컬러의 넓은 팔레트는, 입사 편광 및 나노선의 주기 간격을 조정함으로써, 80% 이상의 높은 투과율을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 경제적인 제조비용, 높은 내구성, 제안된 기기들에 대해 적용된 알루미늄의 대량 생산 덕분에, 그들은 컬러 디스플레이, 홀로그래픽 이미지, 정보 인코딩 및 위조방지에 다양하게 적용될 수 있다.
종래의 구조적 컬러 필터들은 대부분 입사되는 백색광에 대한 주어진 기하학에 대해서 하나의 고정된 컬러를 생성하도록 개발되었으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 넓은 스펙트럼 범위에 대하여 편광에 의해 색상 조정을 가능하게 할 수 있어서, 초고속 디스플레이, 멀티-스펙트럼 이미징, 동적 홀로그램 이미징, 정보 인코딩 및 입체 컬러 인쇄와 같은, 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있다.
1: 나노선 어레이 기반의 편광 제어 컬러 필터
11: 나노선 어레이
12: 슬릿
21: 글래스 기판
31: 유전체 오버레이
101: 입사광
121, 131: 출력광

Claims (9)

  1. X-Z 평면으로 형성된 장방형 형상의 글래스 기판;
    상기 글래스 기판 상부에 X축을 가로지르는 직사각형 형상의 홈으로 형성된 슬릿들이 상기 X축을 따라 일정한 주기 간격으로 평행하게 배열된 1차원 나노선 어레이; 및
    상기 슬릿 들을 포함한 1차원 나노선 어레이를 덮도록 형성되는 유전체 오버레이; 를 포함하며,
    상기 나노선 어레이는 알루미늄 재질의 나노선 어레이가 110 ~ 130 nm 두께로 형성되며, 상기 유전체 오버레이는 실리카(SiO2)가 150 ~ 250nm로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 글래스 기판의 하부에서 입사되는 입사광의 편광 각도 Φ와 상기 주기 간격에 의해 상기 유전체 오버레이의 상부로 출력되는 출력광의 색상을 제어하며, 상기 주기 간격에 대한 1차원 나노선 구조체의 폭의 비(duty ratio)는 0.5인 것을 특징으로 하되,
    상기 입사광의 편광 각도 Φ는 상기 슬릿의 배열방향인 상기 X축 방향과 상기 입사광의 진행방향과의 각인 것을 특징으로 하며, 편광 전송 스펙트럼은 다음 수식에 의한 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
    Figure 112017036857012-pat00013

    여기서 T0 및 T90는 Φ= 0° 및 90°의 직교 경우들의 전송스펙트럼이며, TФ 는 편광 전송스펙트럼을 의미하는 것임
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주기 간격이 300nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광 각도 Φ가 0°에서 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 노란색에서 파란색을 향하여 변화되는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주기 간격이 380nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광각도Φ가 0°에서 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 마젠타(magenta) 컬러에서 그린 컬러를 향하여 변화되는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주기 간격이 460nm인 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터는 상기 편광각도 Φ가 0°에서 90°까지 변화될 때, 상기 출력광의 색상이 갈색 레드 컬러에서 시안 컬러를 향하여 변화되는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 상기 주기 간격이 300에서 460nm로 변화될 때, TM 편광의 중심 파장은 450에서 650 nm으로 이동하는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터의 상기 주기 간격이 320에서 460nm로 변화될 때, TE편광의 중심 파장은 420에서 538nm으로 이동하는 것을 특징으로 하는 나노선 어레이 기반 편광 제어 동적 컬러 필터
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