KR101891912B1 - Structural color filter and method of maunfacturing the structural color filter - Google Patents

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Abstract

구조색 필터가 개시된다. 구조색 필터는 기판 상에 배치된 금속층 및 금속층 상에서 제1 방향으로 길게 연장되고 제2 방향으로 서로 이격되게 배치되며 가시광의 파장보다 작은 두께를 갖는 반도체 격자들을 구비한다. 이러한 구조색 필터는 입사광의 입사각도에 영향을 받지 않고 색을 생성할 수 있다. A structure color filter is disclosed. The structured color filter has semiconductor gratings that are elongated in the first direction and spaced apart from each other in the first direction on the metal layer and the metal layer disposed on the substrate, and have a thickness smaller than the wavelength of the visible light. Such a structure color filter can generate color without being influenced by the incident angle of incident light.

Description

구조색 필터 및 이의 제조방법{STRUCTURAL COLOR FILTER AND METHOD OF MAUNFACTURING THE STRUCTURAL COLOR FILTER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a structural color filter and a method of manufacturing the same,

본 발명은 입사각의 각도 의존성을 낮출 수 있는 구조색 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a structural color filter capable of lowering the angle dependence of an incident angle and a manufacturing method thereof.

컬러 필터는 액정표시 기술, 광학 측정 시스템, 발광 다이오드, CMOS 이미지 센서 등과 같은 다양한 영역에 사용되고 있다. 그러나 종래 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터가 주로 사용되었는데, 염료나 안료는 연속적인 자외선 조사, 고온, 습기에 대해 민감하기 때문에, 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터는 성능이 빠르게 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 종래 컬러 필터에서 화소 크기를 줄이기 위해서는 복잡하고 고도로 정확한 얼라인먼트 공정이 필수적으로 요구되는 문제점이 있었다. Color filters are used in various fields such as liquid crystal display technology, optical measurement systems, light emitting diodes, CMOS image sensors and the like. However, color filters based on organic dyes and chemical pigments have been mainly used. Since dyes and pigments are sensitive to continuous ultraviolet radiation, high temperature and humidity, organic dyes and chemical pigments (pigments) ) Has a problem that the performance of the color filter is deteriorated rapidly. In addition, in order to reduce the pixel size in such a conventional color filter, a complex and highly accurate alignment process is necessarily required.

종래 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 구조색 필터(structural color filter)가 최근에 많은 관심을 받고 있다. 이러한 구조색 필터는 높은 효율, 높은 해상도, 작은 화소 크기, 장기 안정성 및 비광퇴색(nonphotobleaching)을 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이러한 구조색 컬러 필터에서는, 현재까지 일반적으로 포톤 공명 모드나 플라즈몬 공명 모드 중 하나를 촉발시키기 위해 가시광 파장 이하의 폭을 갖는 실버(Ag)나 골드(Au)의 나노구조를 주로 활용하였다. 실버 및 골드는 다른 금속과 비교하여 가시광 영역 스펙트럼에서 낮은 광학 흡수 손실을 가지기 때문이다. 그러나 실버나 골드는 현재의 CMOS 제조방법에 적용될 수 없을 뿐만 아니라 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 실버나 골드를 사용하는 구조색 필터는 낮은 성능 효율, 시간에 따른 현저한 색 퇴화를 나타내는 문제점이 있다. 골드 물질은 468nm에서 골드 물질의 대간 전이(interband transition)를 발생시키고, 실버 물질은 산화 또는 황화가 되기 때문이다. In order to solve the above-mentioned problems of color filters based on conventional organic dyes and chemical pigments, a structural color filter has received a lot of attention in recent years. Such structured color filters have the potential to achieve high efficiency, high resolution, small pixel size, long term stability and nonphotobleaching. In order to trigger either the photon resonance mode or the plasmon resonance mode, the structure color filter mainly utilizes the nanostructure of silver (Ag) or gold (Au) having a width smaller than the wavelength of visible light. Silver and gold have lower optical absorption losses in the visible light spectrum compared to other metals. However, silver or gold is not only applicable to current CMOS manufacturing methods but also has a problem in that it is expensive. In addition, a structural color filter using silver or gold has a problem in that it exhibits low performance efficiency and significant color degradation over time. The gold material causes an interband transition of the gold material at 468 nm, and the silver material is oxidized or sulfided.

이러한 실버나 골드 물질의 대체 물질로서, 풍부하고, 싸고, 산업 제조 공정에 적용될 수 있으며, 우수한 광학 특성을 가진 알루미늄이 관심을 받고 있고, 현재까지 다양한 알루미늄 기반 구조색 필터가 보고되었다. 하지만, 최근 이러한 구조색 필터에서도 몇가지 해결되어야 하는 문제점이 존재하는데, 색깔 생성에 있어서 광의 입사 각도에 비민감한 성능 특성을 구현하는 것 역시 해결되어야 하는 과제 중 하나이다. 이러한 각도 비민감 성능 특성을 달성하기 위하여, 다양한 구조색 필터들이 제안되었음에도 불구하고, 이들 대부분은 색 조정을 위해 유전체 또는 반도체층의 두께를 조절하는 다층 박막 구조를 활용하였고, 그 결과 화소 유닛에서 각각의 컬러를 패터닝할 때 3가지 독립된 리소그라피 공정이 요구되는 문제점이 있었다.Aluminum, which is rich, inexpensive, applicable to industrial manufacturing processes, and has excellent optical properties, is attracting attention as a substitute for such silver or gold materials, and various aluminum-based structural color filters have been reported to date. Recently, however, there are some problems to be solved in such a structure color filter. Implementation of performance characteristics that are not sensitive to the incident angle of light in color generation is also one of the problems to be solved. In order to achieve such angular non-sensitive performance characteristics, although various structure color filters have been proposed, most of them utilize a multilayer thin film structure for adjusting the thickness of a dielectric or semiconductor layer for color adjustment, There is a problem in that three independent lithography processes are required when patterning the color of the substrate.

본 발명의 일 목적은 초박막 반도체 격자들을 포함하여 입사광의 입사각도도 변화하더라도 일정한 색을 생성할 수 있는 구조색 필터를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a structural color filter including ultra-thin semiconductor lattices, which can generate a constant color even when the incident angle of incident light changes.

본 발명의 다른 목적은 상기 구조색 필터의 제조방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing the above structured color filter.

본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터는 기판 상에 배치된 금속층; 및 상기 금속층 상에서 제1 방향으로 길게 연장되고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되게 배치되고, 상기 가시광의 파장보다 작고 서로 동일한 두께를 갖는 반도체 격자들을 포함한다. A structure color filter according to an embodiment of the present invention includes: a metal layer disposed on a substrate; And semiconductor grids which are arranged on the metal layer in a second direction that is elongated in the first direction and intersect with the first direction and are spaced apart from each other and which are smaller than the wavelength of the visible light and have the same thickness.

일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들은 20nm 이상 60nm 이하의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the semiconductor lattices may have a thickness of 20 nm or more and 60 nm or less.

일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. In one embodiment, the semiconductor lattices may be formed of a semiconductor material having a bandgap corresponding to the energy of red or near-infrared light.

일 실시예에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 형성될 수 있고, 상기 반도체 격자들은 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. In one embodiment, the metal layer may be formed of aluminum (Al) or silver (Ag), and the semiconductor lattices may be formed of amorphous silicon.

일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들은 상기 금속층의 서로 다른 제1 내지 제3 영역에 각각 배치된 제1 내지 제3 반도체 격자들을 포함할 수 있고, 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들은 서로 다른 제1 내지 제3 듀티 사이클을 각각 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제1 간격만큼 이격되게 배치되고, 상기 제2 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제2 간격만큼 이격되게 배치되며, 상기 제3 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제3 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다. 그리고 상기 제1 반도체 격자들 각각은 제1 폭을 갖고, 상기 제2 반도체 격자들 각각은 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가지며, 상기 제3 반도체 격자들 각각은 상기 제1 및 제2 폭과 다른 제3 폭을 가질 수 있다. In one embodiment, the semiconductor lattices may include first to third semiconductor lattices disposed in different first to third regions of the metal layer, respectively, and the first to third semiconductor lattices may be different from each other 1 to a third duty cycle, respectively. In one embodiment, the first semiconductor gratings are spaced apart from each other by a first distance in the second direction, the second semiconductor gratings are spaced apart from each other by a second distance in the second direction, The semiconductor gratings may be spaced apart from each other by a third spacing in the second direction. And each of the first semiconductor gratings has a first width, each of the second semiconductor gratings has a second width different from the first width, each of the third semiconductor gratings has a first width and a second width, And a third width different from the first width.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들에 의해 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta), 시안(Cyan) 색들이 각각 생성되는 경우, 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들은 비정질 실리콘으로 형성되고, 상기 제1 듀티 사이클은 0.20 내지 0.25의 값을 갖고, 상기 제2 듀티 사이클은 0.40 내지 0.45의 값을 가지며, 상기 제3 듀티 사이클은 0.57 내지 0.62의 값을 가질 수 있다. In one embodiment, when yellow, magenta, and cyan colors are generated by the first to third semiconductor gratings, the first to third semiconductor gratings may be formed of amorphous silicon The first duty cycle has a value of 0.20 to 0.25, the second duty cycle has a value of 0.40 to 0.45, and the third duty cycle has a value of 0.57 to 0.62.

일 실시예에 있어서, 상기 구조색 필터는 상기 반도체 격자들 상부에 배치되어 입사광을 TE(transverse electric) 편광광시키는 편광기를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the structure color filter may further include a polarizer arranged on the semiconductor gratings to polarize incident light into TE (transverse electric) polarized light.

일 실시예에 있어서, 상기 구조색 필터는 상기 반도체 격자들 상부면을 코팅하는 금속코팅층을 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the structural color filter may further comprise a metal coating layer coating the top surface of the semiconductor lattices.

본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터의 제조방법은 기판 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 레지스트 박막을 형성하는 단계; 나노임프린팅 방법을 통해 상기 레지스트 박막을 패터닝하여, 상기 금속층을 노출시키고 서로 이격된 선형 개구들을 구비하는 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상부에 상기 레지스트 패턴이 형성된 상기 금속층 상에 반도체 물질을 가시광의 파장보자 작은 두께로 증착하는 단계; 및 상기 레지스트 패턴을 제거하여 상기 선형 개구들에 대응하는 반도체 격자들을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 선형 개구들은 상기 금속층의 제1 영역 상에 위치하고 제1 폭을 갖는 복수의 제1 선형 개구들, 상기 제1 영역과 다른 상기 금속층의 제2 영역 상에 위치하고 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 복수의 제2 선형 개구들 및 상기 제1 및 제2 영역과 다른 상기 금속층의 제3 영역 상에 위치하고 상기 제1 및 제2 폭과 다른 제3 폭을 갖는 복수의 제3 선형 개구들을 포함할 수 있다. A method of fabricating a structural color filter according to an embodiment of the present invention includes: forming a metal layer on a substrate; Forming a resist thin film on the metal layer; Patterning the resist thin film through a nanoimprinting method to expose the metal layer and form a resist pattern having linear openings spaced apart from each other; Depositing a semiconductor material on the metal layer having the resist pattern formed thereon to a thickness smaller than the wavelength of visible light; And removing the resist pattern to form semiconductor lattices corresponding to the linear openings, wherein the linear openings are located on a first area of the metal layer and have a plurality of 1 linear openings, a plurality of second linear openings located on a second region of the metal layer other than the first region and having a second width different from the first width, and a plurality of second linear openings, And a plurality of third linear openings located on a third region of the first region and having a third width different from the first and second widths.

일 실시예에 있어서, 상기 레지스트 박막을 패터닝하는 단계는, 상기 레지스트 박막에 상기 선형 개구들에 대응하는 선형 돌기들이 형성된 몰드를 압착하여 상기 레지스트 박막에 선형 홈들을 형성하는 단계; 경사 도포(angled deposition)의 방법으로 상기 선형 홈들의 측벽에 금속 보호막을 선택적으로 형성하는 단계; 반응성 이온 에칭을 통해 상기 선형 홈들의 바닥면을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, the patterning of the resist thin film may include: forming a linear groove in the resist thin film by pressing a mold having the linear protrusions corresponding to the linear openings in the resist thin film; Selectively forming a metal protective film on sidewalls of the linear grooves by a method of angled deposition; And etching the bottom surface of the linear grooves through reactive ion etching.

본 발명의 구조색 필터에 따르면, 금속층 및 이의 상부에 배치되어 가시광을 흡수할 수 있는 초박막 반도체 격자들을 포함하므로, 입사광의 입사각도가 변화하더라도 색상이 거의 변화하지 않는 색상을 생성할 수 있다. According to the structure color filter of the present invention, since the metal layer and the ultra-thin semiconductor lattices disposed on the metal layer and capable of absorbing the visible light are included, it is possible to produce a color in which the color hardly changes even when the incident angle of incident light changes.

그리고 상기 반도체 격자들의 두께가 동일하므로, 서로 다른 색상을 생성하기 위한 반도체 격자들을 단일 패터닝 공정을 통해 형성할 수 있으므로, 필터의 제조 비용, 시간 등을 현저하게 감소시킬 수 있다.Since the thicknesses of the semiconductor lattices are the same, semiconductor lattices for generating different colors can be formed through a single patterning process, so that the manufacturing cost, time, etc. of the filter can be remarkably reduced.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터의 평면 이미지들이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터에 대해 수직 입사된 TE 편광 입사광에 대한 구조색들의 반사 시뮬레이션 분광 곡선들 및 측정 분광 곡선들을 각각 나타내고, 도 3c는 도 3a 및 도 3b의 분광 곡선들로부터 계산된 색좌표의 CIE 1931 색공간 색도도이다.
도 4는 도 2에 도시된 구조색 필터들의 TE 편광 입사각도에 따른 시뮬레이션된 반사 스펙트럼(a, b, c) 및 측정된 반사 스펙트럼(d, e, f)을 나타내는 도면들이다.
도 5는 0°, 25°, 50° 및 70° 입사각도의 입사광에 대해 도 2에 도시된 구조색 필터들에 의해 생성된 색상을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 유효 매질 이론(effective medium theory)에 의해 계산된 옐로우, 마젠타 및 시안 색들에 대한 공명에서의 입사광의 입사각도에 따른 위상 변이를 나타내는 그래프이다.
도 7은 TE 편광 조사 조건 하에서 각각의 CMY 컬러 필터들의 공명 파장(Y: 470nm, M: 550nm, C: 600nm) 및 비공명 파장(Y: 600nm, M: 700nm, C: 750nm)에서의 전기장 세기의 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 고정된 폭 (50 nm) 및 두께 (35 nm)를 갖는 반도체 격자들의 주기에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다.
도 9는 고정된 주기(220nm) 및 폭(50nm)을 갖는 반도체 격자들의 두께에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다.
도 10은 고정된 주기(400nm) 및 두께(35nm)를 갖는 반도체 격자들의 폭에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다.
도 11은 Ag층 및 이의 상부에 배치된 a-Si 격자들을 포함하는 구조(Ag/a-Si)의 필터에 대해 계산된 반사 스펙트럼(a) 및 상기 a-Si 격자들 상부면을 코팅하는 Ag 코팅층을 더 포함하는 구조(Ag/a-Si/Ag)의 필터에 대해 계산된 반사 스펙트럼(b)을 나타내는 그래프들이다.1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view for explaining a structural color filter according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a plan view of yellow filters, magenta filters and cyan filters manufactured according to the present invention.
3A and 3B show reflection simulation spectral curves and measured spectral curves of structured colors for vertically incident TE polarized incident light on the yellow filter, the magenta filter and the cyan filter shown in FIG. 2, respectively, and FIG. And CIE 1931 color space chromaticity diagrams of the color coordinates calculated from the spectral curves of FIG. 3B.
Fig. 4 is a diagram showing the simulated reflection spectra (a, b, c) and the measured reflection spectra (d, e, f) according to the TE polarized incident angles of the structural color filters shown in Fig.
5 is a diagram showing the hues produced by the structural color filters shown in Fig. 2 for incident light of 0 °, 25 °, 50 ° and 70 ° incident angles.
6A to 6C are graphs showing phase shifts according to incidence angles of incident light in resonance for yellow, magenta, and cyan colors calculated by effective medium theory.
7 is a graph showing the relationship between the electric field intensity at the resonance wavelengths (Y: 470 nm, M: 550 nm, C: 600 nm) and the resonance wavelengths (Y: 600 nm, M: 700 nm, C: 750 nm) Fig.
Figure 8 is a simulated 2-D reflectance spectrum along the period of the semiconductor lattices with a fixed width (50 nm) and a thickness (35 nm).
Figure 9 is a simulated 2-D reflectance spectrum according to the thickness of semiconductor lattices having a fixed period (220 nm) and a width (50 nm).
10 is a simulated 2-D reflectance spectrum with widths of semiconductor lattices having a fixed period (400 nm) and a thickness (35 nm).
Figure 11 shows the calculated reflection spectrum (a) for a filter of a structure (Ag / a-Si) comprising an Ag layer and a-Si gratings disposed thereon and an Ag (B) calculated for a filter of a structure (Ag / a-Si / Ag) further comprising a coating layer.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

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, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, , Steps, operations, elements, or combinations thereof, as a matter of principle, without departing from the spirit and scope of the invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다. 1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view for explaining a structural color filter according to an embodiment of the present invention.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 금속층(110) 및 반도체 격자들(120)을 포함할 수 있다. 1A and 1B, a structure color filter 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a metal layer 110 and semiconductor gratings 120. FIG.

상기 금속층(110)은 기판(10) 상에 배치될 수 있고, 입사광을 반사하기 위해 광학 특성이 우수한 알루미늄(Al), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속층(110)은 알루미늄층을 포함할 수 있고, 상기 알루미늄층은 상기 반도체 격자들(120)보다 상대적으로 두꺼울 수 있다. The metal layer 110 may be disposed on the substrate 10 and may be formed of aluminum (Al), silver (Ag), or the like having excellent optical characteristics to reflect incident light. For example, the metal layer 110 may include an aluminum layer, and the aluminum layer may be relatively thicker than the semiconductor lattices 120.

상기 금속층(110)은 상기 기판(10) 상에 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속층(110)은 전자빔 증착 방법을 통해 상기 기판(10) 상에 형성될 수 있다. The metal layer 110 may be formed on the substrate 10 by various methods. For example, the metal layer 110 may be formed on the substrate 10 through an electron beam deposition method.

상기 반도체 격자들(120)은 상기 금속층(110) 상부에 위치하고, 제1 방향(Y)으로 길게 연장되며 상기 제1 방향(Y)에 수직한 제2 방향(X)으로 주기적으로 이격되게 배치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 반도체 격자들(120)은 상기 제1 방향(Y)에 수직한 단면이 직사각형 형상을 갖고, 상기 제1 방향(Y)으로 길게 연장된 구조를 가질 수 있다. The semiconductor gratings 120 are disposed on the metal layer 110 and extend in a first direction Y and are periodically spaced apart in a second direction X perpendicular to the first direction Y . In one embodiment, the semiconductor gratings 120 have a rectangular cross section perpendicular to the first direction Y and may have a structure elongated in the first direction Y. [

상기 반도체 격자들(120)은 가시광 영역의 광을 흡수할 수 있는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있고, 모두 가시광의 파장보다 현저하게 작은 동일한 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 격자들(120) 및 상기 반도체 격자들(120) 사이에 형성된 공공들(cavities)은 광학적으로 상기 반도체 격자들(120)과 평행하게 진동하는 TE(Transverse Electric) 편광에 대해 하기 수식 1에 따라 결정되는 유효굴절률(nTE)을 가진 단일 광학 매질층으로 간주될 수 있다. The semiconductor gratings 120 may be formed of a semiconductor material having a bandgap capable of absorbing light in a visible light region, and may have the same thickness, which is significantly smaller than the wavelength of visible light. In this case, the cavities formed between the semiconductor gratings 120 and the semiconductor gratings 120 are optically aligned with respect to TE (Transverse Electric) polarized light that oscillates in parallel with the semiconductor gratings 120 Can be regarded as a single optical medium layer having an effective refractive index (n TE ) determined according to Equation (1).

[수식 1][Equation 1]

Figure 112017006096654-pat00001
Figure 112017006096654-pat00001

상기 수식 1에서, f, P, ε1 및 ε2는 반도체 격자들의 듀티 사이클, 주기, 반도체 물질의 유전율 및 공기의 유전율을 각각 나타낸다. 이때, 반도체 격자들의 듀티 사이클이라 함은 반도체 격자들의 주기(P)에 대한 반도체 격자들 폭(W)의 비(W/P)를 나타낸다. In Equation 1, f, P, epsilon 1 and epsilon 2 represent the duty cycle, period, permittivity of semiconductor material and dielectric constant of air, respectively, of the semiconductor lattices. Here, the duty cycle of the semiconductor lattices refers to the ratio (W / P) of the semiconductor lattice width (W) to the period (P) of the semiconductor lattices.

상기 수식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 반도체 격자들의 듀티 사이클이 증가할수록 상기 반도체 격자들(120)이 차지하는 비율이 증가하므로, 상기 반도체 격자들(120) 및 이들 사이에 형성되는 공공들에 의해 정의되는 상기 광학 매질층의 TE 편광에 대한 유효 굴절률(nTE)이 증가하고, 그 결과 유효 매질 이론(Effective medium theory)에 따라 공명 파장이 증가한다. As can be seen from Equation (1), as the duty cycle of the semiconductor lattices increases, the ratio of the semiconductor lattices 120 increases, so that the semiconductor lattices 120 are defined by the semiconductor lattices 120 and the voids formed therebetween. The effective refractive index (n TE ) of the optical medium layer with respect to the TE polarized light increases, and as a result, the resonance wavelength increases according to the effective medium theory.

상기 반도체 격자들(120)이 가시광 영역의 광을 흡수할 수 있는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성되고 가시광 파장보다 현저하게 작을 두께를 갖는 경우, 반도체/금속 계면에서의 반사에 의한 광의 위상 변이와 공기/반도체 계면에서의 반사에 의한 광의 위상 변이, 그리고 상기 반도체 격자 내부를 전파하는 동안 발생되는 광의 위상 변이의 총합이 미미하므로, 입사광의 입사각도에 민감하지 않은 공명 파장 특성을 보여주는 강한 광학 공명이 발생될 수 있다. When the semiconductor lattices 120 are formed of a semiconductor material having a bandgap capable of absorbing light in the visible light region and have a thickness significantly smaller than the visible light wavelength, the phase shift of light due to reflection at the semiconductor / The phase shift of the light due to the reflection at the air / semiconductor interface and the phase shift of the light generated during propagation inside the semiconductor lattice are insignificant. Therefore, a strong optical resonance exhibiting resonance wavelength characteristics insensitive to the incident angle of incident light Lt; / RTI >

일 실시예로, 상기 반도체 격자들(120)은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 반도체 격자들(120)을 형성하는 반도체 물질의 밴드갭이 지나치게 작은 경우, 상기 반도체 격자들(120)은 가시광 전체에 대해 큰 흡수 계수를 가져서 낮은 색순도를 야기하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 반도체 물질의 밴드갭이 지나치게 큰 경우, 가시광 영역의 광을 거의 흡수하지 못하여 상기 광학 공명을 형성하지 못하는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. In one embodiment, the semiconductor gratings 120 may have a bandgap corresponding to the energy of the red or near-infrared light. If the band gap of the semiconductor material forming the semiconductor lattices 120 is excessively small, the semiconductor lattices 120 may have a large absorption coefficient with respect to the entire visible light, resulting in a problem of low color purity. If the bandgap of the material is excessively large, the optical resonance can not be formed due to insufficient absorption of light in the visible light region.

일 실시예로, 상기 반도체 격자들(120)은 약 20nm 초과 60nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 반도체 격자들(120)의 두께가 20nm 이하인 경우에는 반도체 격자들과 이에 대응하는 공공들에 의해 정의되는 상기 광학 매질층의 유효 굴절률이 너무 작아서 가시광 영역의 입사광에 대해 어떠한 공명(resonance)도 일어나지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 상기 반도체 격자들(120)의 두께가 60nm를 초과하는 경우에는 상기 반도체 격자들(120) 내부를 전파하는 동안 야기되는 위상 변이가 너무 커서 입사광의 입사각도에 따라 공명 파장이 크게 변화하는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. In one embodiment, the semiconductor gratings 120 may have a thickness of greater than about 20 nm and less than or equal to 60 nm. When the thickness of the semiconductor lattices 120 is 20 nm or less, the effective refractive index of the optical medium layer defined by the semiconductor lattices and the corresponding vacancies is too small, so that any resonance occurs with respect to the incident light in the visible light region And when the thickness of the semiconductor lattices 120 exceeds 60 nm, the phase shift caused during propagation inside the semiconductor lattices 120 is too large, so that resonance is caused according to the incident angle of the incident light. There is a problem that the wavelength changes greatly.

앞에서 설명한 바와 같이, 상기 반도체 격자들(120)의 듀티 사이클에 따라 상기 반도체 격자들 및 이들 사이에 형성된 공공들에 의해 정의되는 광학 매질층의 유효 굴절률이 증가하여 공명 파장이 증가하므로, 상기 반도체 격자들(120)의 듀티 사이클을 조절함으로써 다양한 색을 생성할 수 있다. As described above, since the effective refractive index of the optical medium layer defined by the semiconductor lattices and the vacancies formed therebetween is increased according to the duty cycle of the semiconductor lattices 120 to increase the resonance wavelength, Various colors can be generated by adjusting the duty cycle of the light emitting diodes 120.

일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들(120)은 상기 금속층(110) 상부면의 서로 다른 영역들에 배치되고, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 제1 반도체 격자들(120a), 제2 반도체 격자들(120b) 및 제3 반도체 격자들(120c)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 반도체 격자들(120a)은 상기 금속층(110) 상부면 중 제1 영역(A1)에 배치될 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(120b)은 상기 금속층(110) 상부면 중 상기 제1 영역(A1)과 다른 제2 영역(A2)에 배치될 수 있으며, 상기 제3 반도체 격자들(120c)은 상기 금속층(110) 상부면 중 상기 제1 및 제2 영역(A1, A2)과 다른 제3 영역(A3)에 배치될 수 있다. In one embodiment, the semiconductor gratings 120 are disposed in different regions of the upper surface of the metal layer 110 and include first semiconductor gratings 120a having different duty cycles, A first semiconductor lattice 120b and a third semiconductor lattice 120c. For example, the first semiconductor gratings 120a may be disposed in a first region A1 of the upper surface of the metal layer 110, and the second semiconductor gratings 120b may be disposed on the upper portion of the metal layer 110 And the third semiconductor lattices 120c may be disposed on the upper surface of the metal layer 110 in the first and second regions A1 , A2, and a third region A3 different from the first region A3.

상기 제1 반도체 격자들(120a, 120b) 각각은 기 설정된 두께(T) 및 제1 폭(W1)을 갖고 상기 제1 방향(Y)으로 길게 연장된 구조를 가질 수 있으며, 이들은 상기 제2 방향(X)으로 서로 제1 간격만큼 이격되도록 주기적으로 배치될 수 있다. 그 결과, 인접한 제1 반도체 격자들(120a) 사이에는 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제1 간격에 해당하는 폭을 갖는 제1 공공들(cavity)이 형성될 수 있다. Each of the first semiconductor gratings 120a and 120b may have a predetermined thickness T and a first width W1 and may have a structure elongated in the first direction Y, (X) by a first distance from each other. As a result, the first semiconductor gratings 120a are formed between the adjacent first semiconductor gratings 120a, and the first semiconductor gratings 120a are formed in parallel with the first semiconductor gratings 120a, May be formed.

상기 제2 반도체 격자들(120b) 각각은 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 동일하게 상기 제1 방향(Y)으로 길게 연장되고, 이들은 상기 제2 방향(X)으로 서로 제2 간격만큼 이격되게 주기적으로 배치될 수 있다. 그 결과, 인접한 제2 반도체 격자들(120b) 사이에는 상기 제2 반도체 격자들(120b)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제2 간격에 해당하는 폭을 갖는 제2 공공들(cavity)이 형성될 수 있다. 상기 제2 반도체 격자들(120b)은 상기 제1 반도체 격자 패턴들(120a)과 동일한 두께(T)를 가지나, 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 폭 또는 주기를 달리 하여 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 다른 듀티 사이클을 가질 수 있다. Each of the second semiconductor gratings 120b extends in the first direction Y in the same manner as the first semiconductor gratings 120a and is spaced apart from each other in the second direction X by a second distance As shown in FIG. As a result, between the adjacent second semiconductor gratings 120b, second cavities 120b are formed in parallel with the second semiconductor gratings 120b and have the same thickness and the second cavities 120b having a width corresponding to the second gap, May be formed. The second semiconductor gratings 120b may have the same thickness T as the first semiconductor grating patterns 120a but may have a width or period different from the first semiconductor gratings 120a, Lt; RTI ID = 0.0 > 120a. ≪ / RTI >

상기 제3 반도체 격자들(120c)은 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 동일하게 상기 제1 방향(Y)으로 길게 연장되고, 이들은 상기 제2 방향(X)으로 서로 제3 간격만큼 이격되게 주기적으로 배치될 수 있다. 그 결과, 인접한 제3 반도체 격자들(120c) 사이에는 상기 제3 반도체 격자들(120c)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제3 간격에 해당하는 폭을 갖는 제3 공공들(cavity)이 형성될 수 있다. 상기 제3 반도체 격자들(120c)은 상기 제1 반도체 격자들(120a)과 동일한 두께(T)를 가지나, 상기 제1 및 제2 반도체 격자들(120a, 120b)와 폭 또는 주기를 달리 하여 이들과 다른 듀티 사이클을 가질 수 있다. The third semiconductor gratings 120c are elongated in the first direction Y in the same manner as the first semiconductor gratings 120a and are spaced apart from each other by the third spacing in the second direction X Can be periodically arranged. As a result, between the adjacent third semiconductor gratings 120c, the third semiconductor gratings 120c are formed in parallel with the third semiconductor gratings 120c, May be formed. The third semiconductor gratings 120c may have the same thickness T as the first semiconductor gratings 120a but may have a width or period different from the first and second semiconductor gratings 120a and 120b. Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

이하 설명의 편의를 위해, 상기 제1 반도체 격자들(120a)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제1 주기(P1)’및 ‘제1 듀티 사이클’이라 하고, 상기 제2 반도체 격자들(120a)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제2 주기(P2)’및 ‘제2 듀티 사이클’이라 하며, 상기 제3 반도체 격자들(120c)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제3 주기(P3)’및 ‘제3 듀티 사이클’이라 한다. The period and the duty cycle of the first semiconductor lattices 120a are referred to as a first period P1 and the first duty cycle, (P3) 'and the duty cycle of the third semiconductor gratings 120c are referred to as a' second period (P2) 'and a' second duty cycle ', respectively, Third duty cycle ".

일 실시예에 있어서, 상기 제1 반도체 격자들(120a)이 배치된 상기 제1 영역(A1)에서는 제1 중심 파장을 갖는 제1 파장 범위의 색깔을 생성할 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(120b)이 배치된 상기 제2 영역(A2)에서는 상기 제1 중심 파장보다 큰 제2 중심 파장을 갖는 제2 파장 범위의 색깔을 생성할 수 있으며, 상기 제3 반도체 격자들(120c)이 배치된 상기 제3 영역(A3)에서는 상기 제1 및 제2 중심 파장보다 큰 제3 중심 파장을 갖는 제3 파장 범위의 색깔을 생성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 반도체 격자들(120a)의 제1 듀티 사이클은 상기 제2 및 제3 반도체 격자들(120b, 120c)의 제2 및 제3 듀티 사이클들보다 작고, 상기 제2 반도체 격자들(120b)의 제2 듀티 사이클은 상기 제3 반도체 격자들(120c)의 제3 듀티 사이클보다 작을 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 반도체 격자들(120a0)의 폭(W1)은 상기 제2 및 제3 반도체 격자들(120b, 120c)의 폭들(W2, W3)보다 작을 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(120b)의 폭은 상기 제3 반도체 격자들(120c)의 폭(W3)보다 작을 수 있다. In one embodiment, the first region A1 in which the first semiconductor gratings 120a are disposed may produce a color in a first wavelength range having a first central wavelength, The third semiconductor lattice 120c may generate a color in a second wavelength range having a second central wavelength greater than the first central wavelength in the second region A2 in which the first semiconductor lattice 120b is disposed, The color of the third wavelength range having the third center wavelength larger than the first and second center wavelengths can be generated in the third region A3. In this case, the first duty cycle of the first semiconductor gratings 120a is smaller than the second and third duty cycles of the second and third semiconductor gratings 120b and 120c, The second duty cycle of the third semiconductor gratings 120b may be less than the third duty cycle of the third semiconductor gratings 120c. The width W1 of the first semiconductor gratings 120a0 may be smaller than the widths W2 and W3 of the second and third semiconductor gratings 120b and 120c, The width of the second semiconductor lattice 120b may be smaller than the width W3 of the third semiconductor lattices 120c.

예를 들면, 상기 제1 내지 제3 영역들(A1, A2, A3)에서는 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta), 시안(Cyan) 색깔들이 각각 생성될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 듀티 사이클은 약 0.20 내지 0.25의 값을 가질 수 있고, 상기 제2 듀티 사이클은 약 0.40 내지 0.45의 값을 가질 수 있으며, 상기 제3 듀티 사이클은 약 0.57 내지 0.62의 값을 가질 수 있다. For example, yellow, magenta, and cyan colors may be generated in the first to third regions A1, A2, and A3, respectively. In this case, the first duty cycle May have a value of about 0.20 to 0.25, the second duty cycle may have a value of about 0.40 to 0.45, and the third duty cycle may have a value of about 0.57 to 0.62.

상기 반도체 격자들(120)은 나노임프린팅 리소그라피 공정을 통해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 격자들(120)이 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들(120a, 120b, 120c)을 포함하는 경우, 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들(120a, 120b, 120c)은 서로 동일한 두께를 가지므로, 한 번의 패터닝 공정을 통해 형성될 수 있다. The semiconductor gratings 120 may be formed through a nanoimprinting lithography process. In this case, when the semiconductor lattices 120 include the first to third semiconductor lattices 120a, 120b, and 120c, the first to third semiconductor lattices 120a, 120b, It can be formed through one patterning process since it has the same thickness.

일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들(120)을 형성하기 위하여, 먼저, PMMA 등과 같은 고분자 물질을 스핀캐스팅하여 상기 금속층(110) 상에 레지스트 박막을 형성한 후 이를 패터닝하여 상기 반도체 격자들(120)에 대응하고 상기 금속층(110)을 노출시키는 선형 홈들을 구비하는 레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 레지스트 박막에 상기 선형 홈들에 대응하는 선형 돌기들이 형성된 SiO2 몰드를 압착하여 상기 레지스트 박막에 선형 홈들을 형성하고, 경사 도포(angled deposition)의 방법으로 상기 선형 홈들의 측벽에만 크롬 보호막을 선택적으로 형성한 후 O2 반응성 이온 에칭을 통해 상기 선형 홈들의 바닥면을 에칭하여 상기 레지스트 패턴을 형성할 수 있다. In one embodiment, to form the semiconductor gratings 120, first a polymer material such as PMMA is spin cast to form a resist thin film on the metal layer 110 and then patterned to form the semiconductor grids 120 120, and linear grooves that expose the metal layer 110 may be formed. For example, an SiO2 mold having linear protrusions corresponding to the linear grooves is formed on the resist thin film to form linear grooves in the resist thin film, and by using angled deposition, And the bottom surface of the linear grooves is etched through O 2 reactive ion etching to form the resist pattern.

이어서, 상부에 상기 레지스트 패턴이 형성된 상기 금속층(110) 상에 a-Si 등과 같은 반도체 물질을 증착한 후 상기 레지스트 패턴을 제거함으로써 상기 금속층(110) 상에 상기 반도체 격자들(120)을 형성할 수 있다. Subsequently, a semiconductor material such as a-Si is deposited on the metal layer 110 on which the resist pattern is formed, and then the resist pattern is removed to form the semiconductor lattices 120 on the metal layer 110 .

한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 상기 반도체 격자들(120) 상부에 배치되어 입사광을 TE 편광시키는 편광기(미도시)를 더 포함할 수 있다. The structure color filter 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may further include a polarizer (not shown) arranged on the semiconductor gratings 120 to TE-polarize the incident light.

상기 반도체 격자들(120) 상부에 상기 편광기를 배치시키는 경우, TE 편광된 광만이 상기 반도체 격자들(120) 및 이들 사이에 형성된 공공들에 의해 정의되는 광학 매질층에 입사되므로, 전기장이 상기 반도체 격자들(120)에 수직한 방향으로 진동하는 TM(transverse magnetic) 편광에 의해 야기되는 플라즈모닉 공명을 원천적으로 차단할 수 있고, 그 결과 입사광의 입사각도에 따른 공명 파장의 변이를 더욱 감소시킬 수 있다. When the polarizer is disposed on the semiconductor gratings 120, only the TE polarized light is incident on the optical medium layer defined by the semiconductor gratings 120 and the pores formed therebetween. Therefore, Plasmonic resonance caused by transverse magnetic (TM) polarized light oscillating in a direction perpendicular to the gratings 120 can be originally blocked, and as a result, the variation of the resonance wavelength according to the incident angle of the incident light can be further reduced .

또다른 한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 상기 반도체 격자들(120)의 상부면을 피복하는 금속코팅층(미도시)을 더 포함할 수 있다. On the other hand, the structural color filter 100 according to the embodiment of the present invention may further include a metal coating layer (not shown) covering the upper surface of the semiconductor gratings 120.

상기 반도체 격자들(120)의 상부면에 광을 반사할 수 있는 금속코팅층을 형성하는 경우, 공명 파장은 변화하지 않으나 공명 폭을 감소시켜, 생성되는 색의 순도를 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 금속코팅층은 은 또는 알루미늄으로 형성될 수 있다.When a metal coating layer capable of reflecting light is formed on the upper surface of the semiconductor lattices 120, the resonance wavelength does not change, but the resonance width is reduced and the purity of the generated color can be improved. In one embodiment, the metal coating layer may be formed of silver or aluminum.

본 발명의 구조색 필터에 따르면, 금속층 및 이의 상부에 배치되어 가시광을 흡수할 수 있는 초박막 반도체 격자들을 포함하므로, 입사광의 입사각도가 변화하더라도 색상이 거의 변화하지 않는 색상을 생성할 수 있다. According to the structure color filter of the present invention, since the metal layer and the ultra-thin semiconductor lattices disposed on the metal layer and capable of absorbing the visible light are included, it is possible to produce a color in which the color hardly changes even when the incident angle of incident light changes.

그리고 상기 반도체 격자들의 두께가 동일하므로, 서로 다른 색상을 생성하기 위한 반도체 격자들을 단일 패터닝 공정을 통해 형성할 수 있으므로, 필터의 제조 비용, 시간 등을 현저하게 감소시킬 수 있다. Since the thicknesses of the semiconductor lattices are the same, semiconductor lattices for generating different colors can be formed through a single patterning process, so that the manufacturing cost, time, etc. of the filter can be remarkably reduced.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터의 평면 이미지들이다. 도 2의 좌측 삽도에 도시된 바와 같이, 상기 옐로우 필터는 Al층 상에 50nm의 폭을 갖는 a-Si 격자들을 220nm의 주기로 형성하여 제조되었고, 상기 마젠타 필터는 Al층 상에 120nm의 폭을 갖는 a-Si 격자들을 280nm의 주기로 형성하여 제조되었으며, 상기 시안 필터는 Al층 상에 250nm의 폭을 갖는 a-Si 격자들을 420nm의 주기로 형성하여 제조되었다. Fig. 2 is a plan view of yellow filters, magenta filters and cyan filters manufactured according to the present invention. 2, the yellow filter was fabricated by forming a-Si lattices having a width of 50 nm on the Al layer at a period of 220 nm, and the magenta filter had a width of 120 nm on the Al layer a-Si lattices in a period of 280 nm, and the cyan filter was fabricated by forming an a-Si lattice having a width of 250 nm on the Al layer at a period of 420 nm.

도 2를 참조하면, 우측 삽도에 도시된 바와 같이, 상기 예로우 필터, 상기 마젠타 필터 및 상기 시안 필터는 수직으로 입사된 TE 편광 입사광에 대해 대면적(1cm)에 걸쳐 우수한 순도 및 높은 휘도를 가진 반사형 옐로우, 마젠타 및 시안 색들을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, as shown in the right side view, the example filter, the magenta filter, and the cyan filter have excellent purity and high luminance over a large area (1 cm) with respect to vertically incident TE polarized incident light Reflection type yellow, magenta and cyan colors can be generated.

도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터에 대해 수직 입사된 TE 편광 입사광에 대한 구조색들의 반사 시뮬레이션 분광 곡선들 및 측정 분광 곡선들을 각각 나타내고, 도 3c는 도 3a 및 도 3b의 분광 곡선들로부터 계산된 색좌표의 CIE 1931 색공간 색도도이다.3A and 3B show reflection simulation spectral curves and measured spectral curves of structured colors for vertically incident TE polarized incident light on the yellow filter, the magenta filter and the cyan filter shown in FIG. 2, respectively, and FIG. And CIE 1931 color space chromaticity diagrams of the color coordinates calculated from the spectral curves of FIG. 3B.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 옐로우 필터, 상기 마젠타 필터 및 상기 시안 필터에 대해, 옐로우, 마젠타 및 시안 색들에 대한 공명 파장이 시뮬레이션 결과에서는 595nm, 550nm 및 470nm인 것으로 나타났고, 측정 결과에서는 610nm, 520nm 및 445nm인 것으로 나타났다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과 사이에서 공명 파장의 미세한 차이 존재하였으나, 양측 결과는 잘 부합하는 것으로 나타났다. 상기 판단되고, 상기 시뮬레이션 결과와 측정 결과 사이의 불합치는 시뮬레이션과 비교하여 측정 결과에서는 소자 제조시 발생하는 a-Si 격자의 폭, 두께 등의 편차로 인한 굴절률에서의 변화로부터 기인된 것으로 판단된다.3A and 3B, for the yellow filter, the magenta filter, and the cyan filter, the resonance wavelengths for yellow, magenta, and cyan colors are 595 nm, 550 nm, and 470 nm in the simulation results, 610 nm, 520 nm and 445 nm. There were slight differences in the resonance wavelength between the simulation results and the measurement results, but both results were in good agreement. It is judged that the inconsistency between the simulation result and the measurement result is caused by the change in the refractive index due to the deviation of the width and the thickness of the a-Si lattice generated in manufacturing the device as compared with the simulation.

도 3c를 참조하면, 시뮬레이션 결과로부터 계산된 색좌표(사각형) 및측정 결과로부터 계산된 색좌표(원형)는 도 2에 도시된 각 필터들의 구조색과 잘 부합함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3C, it can be seen that the color coordinates (squares) calculated from the simulation results and the color coordinates (circles) calculated from the measurement results are in good agreement with the structural colors of the respective filters shown in FIG.

도 4는 도 2에 도시된 구조색 필터들의 TE 편광 입사각도에 따른 시뮬레이션된 반사 스펙트럼(a, b, c) 및 측정된 반사 스펙트럼(d, e, f)을 나타내는 도면들이고, 도 5는 0°, 25°, 50° 및 70° 입사각도의 입사광에 대해 도 2에 도시된 구조색 필터들에 의해 생성된 색상을 나타내는 도면이다. 4 is a diagram showing simulated reflection spectra (a, b, c) and measured reflection spectra (d, e, f) according to TE polarization incidence angles of the structure color filters shown in FIG. 2, 2 shows the hues produced by the structured color filters shown in Fig. 2 for incident light of [theta], 25 [deg.], 50 [deg.] And 70 [deg.] Incident angle.

도 4를 참조하면, 각각의 구조색 필터들에 대한 시뮬레이션된 결과와 측정된 결과는 잘 부합하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 각각의 구조색 필터들은 70°까지의 넓은 입사각 영역에서 공명 파장이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the simulated results for the respective structure color filters are in good agreement with the measured results. Also, it can be confirmed that the resonance wavelength of each structure color filter is kept constant in a wide incident angle range up to 70 °.

그리고 도 5를 참조하면, 입사광의 입사각도가 변화하더라도 상기 구조색 필터들에 의해 생성되는 색상은 거의 변화하지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the color generated by the structured color filters hardly changes even when the incident angle of the incident light changes.

도 6a 내지 도 6c는 유효 매질 이론(effective medium theory)에 의해 계산된 옐로우, 마젠타 및 시안 색들에 대한 공명에서의 입사광의 입사각도에 따른 위상 변이를 나타내는 그래프이다. 6A to 6C are graphs showing phase shifts according to incidence angles of incident light in resonance for yellow, magenta, and cyan colors calculated by effective medium theory.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 옐로우, 마젠타 및 시안 색들에 대한 공명에서 입사광의 입사각도가 변화하더라도 전체 위상 변화는 거의 제로로 일정함을 확인할 수 있다. 이는 반도체 격자들의 두께가 입사광의 파장보다 현저하게 작으므로 이들의 내부를 전파하는 동안 발생되는 위상 변이가 작을 뿐만 아니라 이러한 반도체 격자들 내부를 전파하는 동안의 위상 변이가 공기/반도체 계면에서의 반사에서 발생되는 위상 변이 및 반도체/금속 계면에서의 반사에서 발생되는 위상 변이에 의해 모두 상쇄되기 때문이다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 구조색 필터는 입사광의 입사각도가 변화하더라도 생성되는 색상이 거의 변화하지 않을 것임을 알 수 있다. Referring to FIGS. 6A to 6C, it can be seen that, even when the incident angle of incident light changes in the resonance with respect to yellow, magenta, and cyan, the overall phase change is almost zero. This is because not only the thickness of the semiconductor lattice is significantly smaller than the wavelength of the incident light so that the phase shift generated during propagation inside these semiconductor lattices is small and the phase shift during the propagation inside these semiconductor lattices is lower And is canceled by the phase shifts generated and the phase shifts occurring in the reflection at the semiconductor / metal interface. From these results, it can be seen that the color produced by the structure color filter according to the present invention hardly changes even when the incident angle of incident light changes.

도 7은 TE 편광 조사 조건 하에서 각각의 CMY 컬러 필터들의 공명 파장(Y: 470nm, M: 550nm, C: 600nm) 및 비공명 파장(Y: 600nm, M: 700nm, C: 750nm)에서의 전기장 세기의 분포를 나타내는 도면이다. 7 is a graph showing the relationship between the electric field intensity at the resonance wavelengths (Y: 470 nm, M: 550 nm, C: 600 nm) and the resonance wavelengths (Y: 600 nm, M: 700 nm, C: 750 nm) Fig.

도 7을 참조하면, 다중 반사에 의한 상쇄 간섭이 일어나는 공명 파장에서 입사광은 반도체 격자들 내부에 강하게 구속됨을 확인할 수 있는데, 이 경우, 반도체 격자들에 의해 강한 광 흡수 및 낮은 광 반사가 발생한다. 다만, 입사광의 전기장은 격자들 내부에 잘 구속됨에도 불구하고, a-Si 물질은 짧은 파장에서 더 큰 광학 흡수 상수를 가지므로, 470nm에서 나타나는 노란색(즉, 전파 강도를 보여주는 컬러맵에서 노란색)에 대한 전기장 세기는 마젠타 및 시안(즉, 어두운 붉은 색)에 대한 전기장 세기보다 훨씬 낮은 것으로 나타났다. Referring to FIG. 7, it is confirmed that the incident light is strongly confined within the semiconductor lattices at the resonance wavelength at which the destructive interference due to multiple reflection occurs. In this case, strong light absorption and low light reflection occur by the semiconductor lattices. However, although the electric field of incident light is well constrained within the gratings, the a-Si material has a larger optical absorption constant at shorter wavelengths, so the yellow at 470 nm (ie, the color map showing the intensity of the light) The electric field strength for the magenta and cyan (i.e., dark red) was much lower than the electric field strength.

이와 달리, 비공명 파장에서는 입사광 금속층의 표면으로부터 강하게 반사되는 것으로 나타났고, 이는 입사 광선과 반도체 격자들 사이의 상호작용이 약하기 때문이다. On the other hand, at non-resonant wavelengths it appears to be strongly reflected from the surface of the incident light metal layer, because the interaction between the incident light and the semiconductor lattices is weak.

도 8은 고정된 폭 및 두께를 갖는 반도체 격자들의 주기에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다. Figure 8 is a simulated 2-D reflectance spectrum along the period of semiconductor lattices with a fixed width and thickness.

도 8을 참조하면, 반도체 격자들의 주기가 변화하더라도 공명 파장은 거의 변화하지 않음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 이전에 보고된 플라즈몬 공명 또는 포톤 공명에 기초한 구조색 필터와 명백하게 다른 것으로서, 본 발명의 구조색 필터에서는 입사광의 입사각도에 대해 민감한 플라즈몬 공명이나 포톤 공명이 거의 발생하지 않음을 나타내는 것으로서, 본 발명에 따른 구조색 필터는 입사광의 입사각도에 민감하지 않음을 확인시켜 준다. 다만, 반도체 격자들의 주기가 증가할수록 공명이 샤프해짐을 확인할 수 있는데, 이는 반도체 격자들의 주기가 작은 경우, 인접한 반도체 격자들 내부의 전기장이 쉽게 중첩하기 때문인 것으로 판단된다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the resonance wavelength hardly changes even when the period of the semiconductor lattice changes. These results are clearly different from the structure color filters based on the plasmon resonance or photon resonance reported previously. In the structure color filter of the present invention, the plasmon resonance or photon resonance, which is sensitive to the incident angle of the incident light, The structure color filter according to the present invention confirms that it is not sensitive to the incident angle of incident light. However, as the period of the semiconductor lattice increases, the resonance becomes sharp. This is because the electric field inside the adjacent semiconductor lattice is easily overlapped when the period of the semiconductor lattice is small.

도 9는 고정된 주기(220nm) 및 폭(50nm)을 갖는 반도체 격자들의 두께에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다.Figure 9 is a simulated 2-D reflectance spectrum according to the thickness of semiconductor lattices having a fixed period (220 nm) and a width (50 nm).

도 9를 참조하면, 반도체 격자의 두께가 증가함에 따라 공명 파장이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 반도체 격자의 두께가 증가함에 따라 광학 매질의 유효 굴절률이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 반도체 격자들의 두께가 20nm 미만인 경우에는 가시광 영역에서 어떤 공명도 일어나지 않는 것으로 나타났는데, 이는 반도체 격자들의 두께가 20nm 미만인 경에 유효 굴절률이 너무 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 반도체 격자들의 두께는 20nm 이상인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the resonance wavelength increases as the thickness of the semiconductor lattice increases. This is because the effective refractive index of the optical medium increases as the thickness of the semiconductor lattice increases. On the other hand, when the thickness of the semiconductor lattice is less than 20 nm, no resonance occurs in the visible light region. This is because the effective refractive index becomes too low when the thickness of the semiconductor lattice is less than 20 nm. Therefore, the thickness of the semiconductor lattice is preferably 20 nm or more.

도 10은 고정된 주기(400nm) 및 두께(35nm)를 갖는 반도체 격자들의 폭에 따른 시뮬레이션 2-D 반사 스펙트럼이다.10 is a simulated 2-D reflectance spectrum with widths of semiconductor lattices having a fixed period (400 nm) and a thickness (35 nm).

도 10을 참조하면, 반도체 격자들의 폭이 증가함에 따라 공명 파장이 증가하는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 10, the resonance wavelength increases as the width of the semiconductor lattice increases.

도 11은 Ag층 및 이의 상부에 배치된 a-Si 격자들을 포함하는 구조(Ag/a-Si)의 필터에 대해 계산된 반사 스펙트럼(a) 및 상기 a-Si 격자들 상부면을 코팅하는 Ag 코팅층을 더 포함하는 구조(Ag/a-Si/Ag)의 필터에 대해 계산된 반사 스펙트럼(b)을 나타내는 그래프들이다. Figure 11 shows the calculated reflection spectrum (a) for a filter of a structure (Ag / a-Si) comprising an Ag layer and a-Si gratings disposed thereon and an Ag (B) calculated for a filter of a structure (Ag / a-Si / Ag) further comprising a coating layer.

도 11을 참조하면, 반도체 격자들 상부면에 광을 반사할 수 있는 금속 코팅층을 형성하는 경우, 공명 파장은 거의 변화하지 않으나, 공명 폭은 더 좁아지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 11, when a metal coating layer capable of reflecting light is formed on the upper surface of the semiconductor lattices, the resonance wavelength is hardly changed, but the resonance width is narrower.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

100: 구조색 필터 110: 금속층
120: 반도체 격자들100: Structure color filter 110: Metal layer
120: semiconductor gratings

Claims (12)

기판 상에 배치된 금속층; 및
상기 금속층 상에서 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되도록 배치되고, 가시광의 파장보다 작은 서로 동일한 두께를 갖는 반도체 격자들을 포함하고,
상기 금속층과 상기 반도체 격자들의 계면들과 상기 반도체 격자들 사이의 영역에 형성되는 상기 금속층과 공기의 계면은 동일 평면 상에 위치하고,
상기 반도체 격자들은 상기 금속층의 서로 다른 제1 내지 제3 영역에 각각 배치된 제1 내지 제3 반도체 격자들을 포함하고,
상기 제1 내지 제3 반도체 격자들은 서로 다른 제1 내지 제3 듀티 사이클을 각각 가지고,
상기 제1 내지 제3 반도체 격자들은 비정질 실리콘으로 형성되고,
상기 제1 듀티 사이클은 0.20 내지 0.25의 값을 갖고, 상기 제2 듀티 사이클은 0.40 내지 0.45의 값을 가지며, 상기 제3 듀티 사이클은 0.57 내지 0.62의 값을 가지며,
상기 제1 내지 제3 반도체 격자들에 의해 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta), 시안(Cyan) 색들이 각각 생성되는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.A metal layer disposed on the substrate; And
And semiconductor grids arranged to be spaced apart from each other in a second direction intersecting with the first direction and extending in a first direction on the metal layer and having mutually the same thickness smaller than the wavelength of visible light,
Wherein an interface between the metal layer and the air formed in the interface between the metal layer and the semiconductor lattice and between the semiconductor lattice is located on the same plane,
The semiconductor lattices include first to third semiconductor gratings disposed in different first to third regions of the metal layer, respectively,
The first to third semiconductor lattices have different first to third duty cycles, respectively,
The first to third semiconductor lattices are formed of amorphous silicon,
Wherein the first duty cycle has a value between 0.20 and 0.25, the second duty cycle has a value between 0.40 and 0.45, the third duty cycle has a value between 0.57 and 0.62,
Wherein yellow, magenta, and cyan colors are generated by the first to third semiconductor gratings, respectively. 제1항에 있어서,
상기 반도체 격자들은 20nm 이상 60nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor lattice has a thickness of 20 nm or more and 60 nm or less. 제1항에 있어서,
상기 반도체 격자들은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성된 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor lattice is formed of a semiconductor material having a bandgap corresponding to energy of red or near infrared light. 제3항에 있어서,
상기 금속층은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 형성되고,
상기 반도체 격자들은 비정질 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method of claim 3,
The metal layer is formed of aluminum (Al) or silver (Ag)
Wherein the semiconductor lattices are formed of amorphous silicon. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제1 간격만큼 이격되게 배치되고, 상기 제2 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제2 간격만큼 이격되게 배치되며, 상기 제3 반도체 격자들은 상기 제2 방향으로 서로 제3 간격만큼 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method according to claim 1,
Wherein the first semiconductor gratings are spaced apart from each other by a first spacing in the second direction and the second semiconductor gratings are spaced apart from each other by a second spacing in the second direction, And are spaced apart from each other by a third interval in two directions. 제1항에 있어서,
상기 제1 반도체 격자들 각각은 제1 폭을 갖고, 상기 제2 반도체 격자들 각각은 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가지며, 상기 제3 반도체 격자들 각각은 상기 제1 및 제2 폭과 다른 제3 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.
The method according to claim 1,
Each of the first semiconductor lattices having a first width and each of the second semiconductor lattices having a second width different from the first width, each of the third semiconductor lattices having a first width and a second width, And a different third width.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 반도체 격자들 상부에 배치되어 입사광을 TE(transverse electric) 편광시키는 편광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method according to claim 1,
And a polarizer arranged on the semiconductor gratings for polarizing the incident light to TE (transverse electric). 제1항에 있어서,
상기 반도체 격자들 상부면을 코팅하는 금속코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터.The method according to claim 1,
And a metal coating layer coating the upper surface of the semiconductor gratings. 기판 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 레지스트 박막을 형성하는 단계;
나노임프린팅 방법을 통해 상기 레지스트 박막을 패터닝하여, 상기 금속층을 노출시키고 서로 이격된 선형 개구들을 구비하는 레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상부에 상기 레지스트 패턴이 형성된 상기 금속층 상에 반도체 물질을 가시광의 파장보자 작은 두께로 증착하는 단계; 및
상기 레지스트 패턴을 제거하여 상기 선형 개구들에 대응하는 반도체 격자들을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 선형 개구들은 상기 금속층의 제1 영역 상에 위치하고 제1 폭을 갖는 복수의 제1 선형 개구들, 상기 제1 영역과 다른 상기 금속층의 제2 영역 상에 위치하고 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 복수의 제2 선형 개구들 및 상기 제1 및 제2 영역과 다른 상기 금속층의 제3 영역 상에 위치하고 상기 제1 및 제2 폭과 다른 제3 폭을 갖는 복수의 제3 선형 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터의 제조방법.Forming a metal layer on the substrate;
Forming a resist thin film on the metal layer;
Patterning the resist thin film through a nanoimprinting method to expose the metal layer and form a resist pattern having linear openings spaced apart from each other;
Depositing a semiconductor material on the metal layer having the resist pattern formed thereon to a thickness smaller than the wavelength of visible light; And
Removing the resist pattern to form semiconductor lattices corresponding to the linear openings,
Wherein the linear openings are located on a first region of the metal layer and have a plurality of first linear openings having a first width, the first linear openings being located on a second region of the metal layer different from the first region, And a plurality of third linear openings located on a third region of the metal layer other than the first and second regions and having a third width different from the first and second widths Wherein the color filter comprises a plurality of color filters. 제11항에 있어서,
상기 레지스트 박막을 패터닝하는 단계는,
상기 레지스트 박막에 상기 선형 개구들에 대응하는 선형 돌기들이 형성된 몰드를 압착하여 상기 레지스트 박막에 선형 홈들을 형성하는 단계;
경사 도포(angled deposition)의 방법으로 상기 선형 홈들의 측벽에 금속 보호막을 선택적으로 형성하는 단계;
반응성 이온 에칭을 통해 상기 선형 홈들의 바닥면을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조색 필터의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of patterning the resist thin film comprises:
Compressing a mold having linear protrusions corresponding to the linear openings in the resist thin film to form linear grooves in the resist thin film;
Selectively forming a metal protective film on sidewalls of the linear grooves by a method of angled deposition;
And etching the bottom surface of the linear grooves through reactive ion etching.
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