KR101891913B1 - 투과형 구조색 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

투과형 구조색 필터가 개시된다. 투과형 구조색 필터는 투명 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 투과형 구조색 필터는 입사광의 입사각도에 영향을 받지 않고 색을 생성할 수 있다.

Description

투과형 구조색 필터 및 이의 제조방법{TRANSMISSIVE STRUCTURAL COLOR FILTER AND METHOD OF MANUFACTURING THE TRANSMISSIVE STRUCTURAL COLOR FILTER}
본 발명은 입사각의 각도 의존성을 낮출 수 있는 투과형 구조색 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
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.
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.
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.
본 발명의 일 목적은 초박막 반도체 격자들을 포함하여 입사광의 입사각도도 변화하더라도 일정한 색을 생성할 수 있는 투과형 구조색 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 투과형 구조색 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 투과형 구조색 필터는 투명 기판 상에 배치된 금속층; 및 상기 금속층 상에서 제1 방향으로 길게 연장되고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되도록 배치되고, 가시광의 파장보다 작은 서로 동일한 두께를 갖는 반도체 격자들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기판은 투명 글라스 또는 투명 고분자 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성되고, 1nm 이상 40nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 격자들은 5nm 이상 60nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
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. 다른 실시예로, 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.
일 실시예에 있어서, 상기 투과형 구조색 필터는 상기 금속층과 상기 반도체 격자들 사이에 배치된 투명한 광학 스페이서층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광학 스페이서층은 10nm 이상 40nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투과형 구조색 필터는 상기 반도체 격자들을 피복하도록 상기 금속층 상부에 배치된 투명한 고분자 보호막을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 고분자 보호막은 10nm 이상 200nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투과형 구조색 필터는 상기 반도체 격자들 상부에 배치되어 입사광을 TE(transverse electric) 편광시키는 편광기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투과형 구조색 필터는 상기 반도체 격자들 상부면을 코팅하는 금속코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 투과형 구조색 필터의 제조방법은 투명 기판 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상부에 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 파장보다 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.
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; 및 반응성 이온 에칭을 통해 상기 선형 홈들의 바닥면을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 투과형 구조색 필터의 제조방법은 상기 금속층을 형성한 후 그리고 상기 레지스트 박막을 형성하기 전에 상기 금속층 상에 투명 유전체로 이루어지는 광학 스페이서층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 레지스트 박막은 상기 광학 스페이서층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 투과형 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. 그리고 상기 반도체 격자들의 두께가 동일하므로, 서로 다른 색상을 생성하기 위한 반도체 격자들을 단일 패터닝 공정을 통해 형성할 수 있고, 그 결과 필터의 제조 비용, 시간 등을 현저하게 감소시킬 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 투과형 구조색 필터는 입상광의 입사각도에 민감하지 않으므로, 플렉시블 소자 등에 유효하게 적용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 구조색 필터를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 블루 필터, 그린 필터 및 레드 필터의 평면 이미지들이다.
도 3은 도 2에 도시된 필터들에 대해 수직 입사된 TE 편광 입사광에 대한 구조색들의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(a) 및 측정된 투과 스펙트럼(b)을 나타낸다.
도 4는 TE 편광 조사 조건 하에서 도 2에 도시된 각각의 블루, 그린 및 레드 필터들의 공명 파장(B: 450nm, G: 520nm, R: 630nm) 및 비공명 파장(B: 800nm, G: 800nm, R: 800nm)에서의 전기장 세기의 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 블루, 그린 및 레드 필터들의 곡률반경에 따른 최대 투과율(peak transmission) 및 공명 파장을 측정한 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시된 블루, 그린 및 레드 필터들의 TE 편광 입사각도에 따른 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(a, b, c) 및 측정된 투과 스펙트럼(d, e, f)을 나타내는 도면들이다.
도 7은 유효 매질 이론(effective medium theory)에 의해 계산된 블루, 그린 및 레드 색들에 대한 공명 파장에서의 입사광의 입사각도에 따른 위상 변이를 나타내는 그래프이다.
도 8은 TE 편광이 수직하게 입사된 조건에서 반도체 격자들을 피복하는 고분자 보호막의 유무 및 두께에 따른 녹색 필터 투과율의 시뮬레이션 결과(a) 및 측정 결과(b)를 나타내는 그래프들이다.
도 9는 블루, 그린 및 레드 필터들에서 SiO2 광학 스페이서층의 유무에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
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.
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.
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.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 구조색 필터를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투과형 구조색 필터(100)는 기판(110), 금속층(120) 및 반도체 격자들(130)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 투과형 구조색 필터(100)는 상기 금속층(120)과 상기 반도체 격자들(130) 사이에 위치하는 광학 스페이서층(140)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 투명한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(110)은 글라스 또는 고분자 재질로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 투과형 구조색 필터(100)가 플렉시블 소자(flexible device)에 적용되는 경우, 상기 기판(110)은 PET 등과 같은 투명한 고분자 재질로 형성될 수 있다.
상기 금속층(120)은 기판(110) 상에 배치될 수 있고, 상기 반도체 격자들(130)과 함께 광학 공명을 발생시킬 수 있다. 상기 금속층(120)은 광학 특성이 우수한 은(Ag), 알루미늄(Al) 등으로 형성될 수 있다. 입사광의 투과율을 향상시키기 위해, 상기 금속층(120)은 약 1nm 이상 40nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
상기 금속층(120)은 상기 기판(110) 상에 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 금속층(120)은 전자빔 증착 방법을 통해 상기 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 한편, 상기 금속층(120)의 균일도를 향상하기 위해, 상기 기판(110) 상에 제1 금속의 씨드층을 형성한 후 상기 씨드층 위에 상기 금속층(120)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속층(120)이 은(Ag)으로 형성된 경우, 상기 기판(110) 상에 전자빔 증착 방법을 통해 약 1nm 두께의 구리(Cu) 씨드층을 형성한 후 상기 씨드층 위에 전자빔 증착 방법을 통해 은(Ag) 금속층(120)을 형성할 수 있다.
상기 반도체 격자들(130)은 상기 금속층(120) 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(130)은 상기 제1 방향(Y)에 수직한 단면이 직사각형 형상을 갖고, 상기 제1 방향(Y)으로 길게 연장된 구조를 가질 수 있다.
상기 반도체 격자들(130)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(130) 및 상기 반도체 격자들(130) 사이에 형성된 공공들(cavities)은 광학적으로 상기 반도체 격자들(130)과 평행하게 진동하는 TE(Transverse Electric) 편광에 대해 하기 수식 1에 따라 결정되는 유효굴절률(nTE)을 가진 단일 광학 매질층으로 간주될 수 있다.
[수식 1]
Figure 112017006122137-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 격자들(130)의 주기(P)에 대한 반도체 격자들 폭(W)의 비(W/P)를 나타낸다.
상기 수식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 반도체 격자들(130)의 듀티 사이클이 증가할수록 상기 광학 매질층에서 상기 반도체 격자들(130)이 차지하는 비율이 증가하므로, 상기 광학 매질층의 TE 편광에 대한 유효 굴절률(nTE)이 증가하고, 그 결과 유효 매질 이론(Effective medium theory)에 따라 공명 파장이 증가한다.
상기 반도체 격자들(130)이 가시광 영역의 광을 흡수할 수 있는 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성되고 가시광 파장보다 현저하게 작은 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.
일 실시예로, 상기 반도체 격자들(130)은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 반도체 격자들(130)을 형성하는 반도체 물질의 밴드갭이 지나치게 작은 경우, 상기 반도체 격자들(130)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 공명이 발생하지 않는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
일 실시예로, 상기 반도체 격자들(130)은 약 5nm 이상 60nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 반도체 격자들(130)의 두께가 5nm 미만인 경우에는 상기 광학 매질층의 유효 굴절률이 너무 작아서 가시광 영역의 입사광에 대해 어떠한 공명(resonance)도 발생하지 않는 문제점이 발생될 수 있고, 상기 반도체 격자들(130)의 두께가 60nm를 초과하는 경우에는 상기 반도체 격자들(130) 내부를 전파하는 동안 야기되는 위상 변이가 너무 커서 입사광의 입사각도에 따라 공명 파장이 크게 변화하는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 상기 반도체 격자들(130)의 듀티 사이클에 따라 상기 광학 매질층의 유효 굴절률이 증가하고, 그 결과 공명 파장이 증가하므로, 상기 반도체 격자들(130)의 듀티 사이클을 조절함으로써 다양한 색을 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들(130)은 상기 금속층(120) 상부면의 서로 다른 영역들에 배치되고, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 제1 반도체 격자들(130a), 제2 반도체 격자들(130b) 및 제3 반도체 격자들(130c)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 반도체 격자들(130a)은 상기 금속층(120) 상부면 중 제1 영역(A1)에 배치될 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(130b)은 상기 금속층(120) 상부면 중 상기 제1 영역(A1)과 다른 제2 영역(A2)에 배치될 수 있으며, 상기 제3 반도체 격자들(130c)은 상기 금속층(120) 상부면 중 상기 제1 및 제2 영역(A1, A2)과 다른 제3 영역(A3)에 배치될 수 있다.
상기 제1 반도체 격자들(130a) 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(130a) 사이에는 상기 제1 반도체 격자들(130a)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제1 간격에 해당하는 폭을 갖는 제1 공공들(cavity)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반도체 격자들(130b) 각각은 상기 제1 반도체 격자들(130a)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(130b) 사이에는 상기 제2 반도체 격자들(130b)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제2 간격에 해당하는 폭을 갖는 제2 공공들(cavity)이 형성될 수 있다. 상기 제2 반도체 격자들(130b)은 상기 제1 반도체 격자들(130a)과 동일한 두께(T)를 가지나, 상기 제1 반도체 격자들(130a)과 폭 또는 주기를 달리 하여 상기 제1 반도체 격자들(130a)과 다른 듀티 사이클을 가질 수 있다.
상기 제3 반도체 격자들(130c)은 상기 제1 반도체 격자들(130a)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(130c) 사이에는 상기 제3 반도체 격자들(130c)과 평행하게 형성되고 이들과 동일한 두께를 가지며 상기 제3 간격에 해당하는 폭을 갖는 제3 공공들(cavity)이 형성될 수 있다. 상기 제3 반도체 격자들(130c)은 상기 제1 반도체 격자들(130a)과 동일한 두께(T)를 가지나, 상기 제1 및 제2 반도체 격자들(130a, 130b)와 폭 또는 주기를 달리 하여 이들과 다른 듀티 사이클을 가질 수 있다.
이하 설명의 편의를 위해, 상기 제1 반도체 격자들(130a)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제1 주기(P1)’및 ‘제1 듀티 사이클(W1/P1)’이라 하고, 상기 제2 반도체 격자들(130b)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제2 주기(P2)’및 ‘제2 듀티 사이클(W2/P2)’이라 하며, 상기 제3 반도체 격자들(130c)에 대한 주기 및 듀티 사이클을 ‘제3 주기(P3)’및 ‘제3 듀티 사이클(W3/P3)’이라 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 반도체 격자들(130a)이 배치된 상기 제1 영역(A1)에서는 제1 중심 파장을 갖는 제1 파장 범위의 색깔을 생성할 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(130b)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(130c)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(130a)의 제1 듀티 사이클(W1/P1)은 상기 제2 및 제3 반도체 격자들(130b, 130c)의 제2 및 제3 듀티 사이클들(W2/P2, W3/P3)보다 작고, 상기 제2 반도체 격자들(130b)의 제2 듀티 사이클(W2/P2)은 상기 제3 반도체 격자들(130c)의 제3 듀티 사이클(W1/P1)보다 작을 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 반도체 격자들(130a0)의 폭(W1)은 상기 제2 및 제3 반도체 격자들(130b, 130c)의 폭들(W2, W3)보다 작을 수 있고, 상기 제2 반도체 격자들(130b)의 폭(W2)은 상기 제3 반도체 격자들(130c)의 폭(W3)보다 작을 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 내지 제3 영역들(A1, A2, A3)에서는 청색(Blue), 녹색(Green) 및 적색(Red) 색깔들이 각각 생성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제2 반도체 격자들(130a, 130b, 130c)이 모두 비정질 실리콘으로 형성된 경우, 상기 제1 듀티 사이클은 약 0.12 내지 0.20의 값을 가질 수 있고, 상기 제2 듀티 사이클은 약 0.35 내지 0.43의 값을 가질 수 있으며, 상기 제3 듀티 사이클은 약 0.79 내지 0.87의 값을 가질 수 있다.
상기 광학 스페이서층(140)은 상기 금속층(120)과 상기 반도체 격자들(130) 사이에 배치되고, 상기 금속층(120) 상부면 전체를 피복하도록 형성될 수 있다. 상기 광학 스페이서층(140)은 투명 유전체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 스페이서층(140)은 SiO2로 형성될 수 있다. 상기 금속층(120)과 상기 반도체 격자들(130) 사이에 상기 광학 스페이서층(140)이 배치되는 경우, 광들의 위상 미스매치가 보상되어 상기 금속층(120)에서의 오믹 손실이 완화됨으로써 광 사이의 상호작용이 향상되어 광 투과율이 향상될 수 있다. 또한 O2 반응성 이온 에칭 과정 중 야기될 수 있는 금속층(120)의 산화를 억제하는 역할을 할 수 있다. 일 실시예로, 상기 광학 스페이서층(140)은 약 10nm 이상 40nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 광학 스페이서층(140)의 두께가 10nm 미만인 경우에는 아래의 얇은 금속층을 O2 반응성 이온 에칭으로부터 효율적으로 보호할 수 없어서 금속층이 산화되는 문제점이 발생할 수 있고, 40nm를 초과하는 경우에는 아래 금속층에서의 반사가 너무 약해짐과 동시에 광학 스페이서층에서의 공진 또한 고려가 되어야 하므로 색을 구현하는 데 필요한 전체적인 공진의 효과가 약해져서 색순도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 광학 스페이서층(140)은 기상증착의 방법으로 상기 금속층(120) 상부에 형성될 수 있고, 상기 반도체 격자들(130)은 나노임프린팅 리소그라피 공정을 통해 상기 광학 스페이서층(140) 상부에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 격자들(130)이 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들(130a, 130b, 130c)을 포함하는 경우, 상기 제1 내지 제3 반도체 격자들(130a, 130b, 130c)은 서로 동일한 두께를 가지므로, 한 번의 패터닝 공정을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반도체 격자들(130)을 형성하기 위하여, 먼저, PMMA 등과 같은 고분자 물질을 스핀캐스팅하여 상기 광학 스페이서층(140) 상에 레지스트 박막을 형성한 후 이를 패터닝하여 상기 반도체 격자들(130)에 대응하고 상기 광학 스페이서층(140)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.
이어서, 상부에 상기 레지스트 패턴이 형성된 상기 광학 스페이서층(140) 상에 a-Si 등과 같은 반도체 물질을 증착한 후 상기 레지스트 패턴을 제거함으로써 상기 광학 스페이서층(140) 상에 상기 반도체 격자들(130)을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 상기 반도체 격자들(130) 상부에 배치되어 입사광을 TE 편광시키는 편광기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 격자들(130) 상부에 상기 편광기를 배치시키는 경우, TE 편광된 광만이 상기 반도체 격자들(130) 및 이들 사이에 형성된 공공들에 의해 정의되는 광학 매질층에 입사되므로, 전기장이 상기 반도체 격자들(130)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.
또 다른 한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 상기 반도체 격자들(130)을 피복하도록 상기 금속층(120) 또는 상기 광학 스페이서층(140) 상에 형성된 고분자 보호막(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 격자들(130)이 산화되는 경우, 상기 광학 매질층의 유효 굴절률이 변경되어 공명 파장이 변경될 수 있으므로, 상기 고분자 보호막은 상기 반도체 격자들(130)이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 상기 고분자 보호막의 두께를 최적하는 하는 경우, 임피던스 매칭으로 인하여 보다 많은 양의 입사광이 공진파장에서 보강간섭을 가질 수 있기 때문에 색 순도를 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 보호막은 투명 고분자 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 보호막은 PMMA로 형성될 수 있다. 그리고 상기 고분자 보호막의 두께에 따른 구조색 필터(100)의 색순도 및 결과색을 고려하여 약 300nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 고분자 보호막은 약 10nm 이상 200nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 300nm 이상 두께의 고분자 보호막을 사용할 경우 고분자 보호막에 의해 생성되는 추가적인 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진현상의 영향이 매우 커져서 기존의 단일 공진이 복수의 공진으로 변화될 수 있다.
또 다른 한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 상기 반도체 격자들(130)의 상부면을 피복하는 금속코팅층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 격자들(130)의 상부면에 얇은 금속코팅층을 형성하는 경우, 공명 파장은 변화하지 않으나 공명 폭을 감소시켜, 생성되는 색의 순도를 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 금속코팅층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 투과형 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. 그리고 상기 반도체 격자들의 두께가 동일하므로, 서로 다른 색상을 생성하기 위한 반도체 격자들을 단일 패터닝 공정을 통해 형성할 수 있고, 그 결과 필터의 제조 비용, 시간 등을 현저하게 감소시킬 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 투과형 구조색 필터는 입상광의 입사각도에 민감하지 않으므로, 플렉시블 소자 등에 유효하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 블루 필터, 그린 필터 및 레드 필터의 평면 이미지들이다. 도 2의 좌측 삽도에 도시된 바와 같이, 상기 블루, 그린 및 레드 필터들은 PET 기판 상에 20nm 두께의 Ag층, 25nm 두께의 SiO2층 및 10nm 두께의 a-Si 격자들의 적층 구조를 갖고, 이들 필터들에 있어서, 상기 a-Si 격자들은 모두 180nm의 주기를 갖도록 형성되었다. 그리고 상기 블루 필터의 a-Si 격자들은 30nm의 폭을 갖도록 형성되었고, 상기 그린 필터의 a-Si 격자들은 70nm의 폭을 갖도록 형성되었으며, 상기 레드 필터의 a-Si 격자들은 150nm의 폭을 갖도록 형성되었다.
도 2를 참조하면, 상기 블루, 그린 및 레드 필터들은 수직으로 입사된 TE 편광 입사광에 대해 대면적에 걸쳐 우수한 순도 및 높은 휘도를 가진 투과형 블루, 그린 및 레드 색들을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 반도체 격자의 폭(W)을 증가함에 따라 상기 수식 1에 따라 광학 매질층의 유효 굴절률이 증가되고 이에 따라 공명 파장이 증가되는 것으로서, 상기 반도체 격자의 폭(W), 즉, 상기 반도체 격자의 듀티 사이클을 변경함으로써 유효하게 블루, 그린 및 레드 색을 생성할 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 필터들에 대해 수직 입사된 TE 편광 입사광에 대한 구조색들의 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(a) 및 측정된 투과 스펙트럼(b)을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 측정된 투과 스펙트럼은 시뮬레이션 결과와 잘 부합함을 확인할 수 있다. 다만, 시뮬레이션된 스펙트럼에서는 적색, 녹색 및 청색 생성을 위해 투과 공명들이 640nm, 560nm 및 475nm 파장들에서 각각 발생하는 것으로 나타났음에 반해, 측정된 스펙트럼에서는 적색, 녹색 및 청색 생성을 위해 투과 공명들이 630nm, 520nm 및 450nm 파장들에서 각각 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 공명 파장에서의 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이는 주로 a-Si 격자들의 산화에 의해 굴절률이 감소되었기 때문인 것으로 판단되고, 그 외 소자 제조 동안 야기되는 각층의 두께, 격자들의 폭, 표면 거칠기 등의 차이가 영향을 미친 것으로 판단된다.
도 4는 TE 편광 조사 조건 하에서 도 2에 도시된 각각의 블루, 그린 및 레드 필터들의 공명 파장(B: 450nm, G: 520nm, R: 630nm) 및 비공명 파장(B: 800nm, G: 800nm, R: 800nm)에서의 전기장 세기의 분포를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 전기장은 광 투과를 야기하는 공명 파장에서는 반도체 격자들 내부로 강하게 집중되는 반면, 비공명 파장에서는 입사 매질 방향으로 반사됨을 확인할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 블루, 그린 및 레드 필터들의 곡률반경에 따른 최대 투과율(peak transmission) 및 공명 파장을 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 블루, 그린 및 레드 필터들 각각에 대해 굽히는 정도를 달리하는 방법으로 이들의 곡률 반경을 변화시키더라도 광의 투과율 및 공명 파장은 거의 변화하지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 투과형 구조색 필터들은 플렉시블 소자 등에 적용되더라도 유효하게 그 기능을 발휘할 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 블루, 그린 및 레드 필터들의 TE 편광 입사각도에 따른 시뮬레이션된 투과 스펙트럼(a, b, c) 및 측정된 투과 스펙트럼(d, e, f)을 나타내는 도면들이다.
도 6을 참조하면, 각각의 구조색 필터들에 대한 시뮬레이션된 결과와 측정된 결과는 잘 부합하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 각각의 구조색 필터들은 60°까지의 넓은 입사각 영역에서 공명 파장이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 7은 유효 매질 이론(effective medium theory)에 의해 계산된 블루, 그린 및 레드 색들에 대한 공명 파장에서의 입사광의 입사각도에 따른 위상 변이를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 블루, 녹색 및 레드 색들에 대한 공명 파장에서, 입사광의 입사각도가 변화하더라도 전체 위상 변화는 거의 제로로 일정한 것을 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 변이와 함께 모두 상쇄되기 때문이다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 구조색 필터는 입사광의 입사각도가 변화하더라도 생성되는 색상이 거의 변화하지 않을 것임을 알 수 있다.
도 8은 TE 편광이 수직하게 입사된 조건에서 반도체 격자들을 피복하는 고분자 보호막의 유무 및 두께에 따른 녹색 필터 투과율의 시뮬레이션 결과(a) 및 측정 결과(b)를 나타내는 그래프들이다. 도 8의 그래프는 PMMA 보호막이 없는 그린 필터(검정색 곡선), 상기 PMMA 보호막의 두께가 180nm(빨강색 곡선), 370nm(파란색 곡선) 및 780nm(어두운 노란색 곡선)인 그린 필터들에 대한 결과들이다.
도 8을 참조하면, 시뮬레이션된 결과와 측정된 결과는 잘 부합하는 것으로 나타났다. 그리고 PMMA 보호막이 없는 필터에 비해 PMMA 보호막이 형성된 필터에서 공명이 좁아지는 것으로 나타났는데, 이로부터 고분자 보호막을 형성하는 경우, 색 순도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이는 임피던스 매칭으로 인하여 보다 많은 양의 입사광이 공진파장에서 보강간섭을 가질 수 있기 때문이다.
한편, 780nm 두께의 PMMA 보호막을 구비하는 필터의 경우, 단일 공명이 PMMA 보호막 내에서 3가지 서로 다른 공명 모드(465nm, 565nm 및 715nm에서의 공명)로 분리됨을 확인할 수 있다. 465nm 파장에서의 공명은 전기장이 박막 a-Si 격자 내부에 집중되어 나타나는 파브리 페로 공명(Fabry-Perot Resonance)을 나타내고, 715nm 파장의 공명은 전기장이 PMMA 보호막 내에 강하게 구속되어 나타나는 공명이며, 565nm 파장에서의 공명은 a-Si 격자 내부의 전기장과 PMMA 보호막 내부의 전기장이 결합된 하이브리드 공명인 것으로 판단된다. 이와 같이 3가지 서로 다른 공명이 존재하는 경우, 색 순도가 감소되는 문제점이 발생한다.
그리고 370nm 두께의 PMMA 보호막을 구비하는 필터의 경우, 약 540nm 공명 파장에서 최대 투과율을 나타낸 후 파장이 증가함에 따라 투과율이 감소하나, 약 650nm 파장 이상에서는 파장이 증가함에 따라 다시 투과율이 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 투과율 특성을 보이는 경우, 색 순도가 저하될 수 있다.
따라서, 상기 4가지 그린 필터 중 PMMA 보호막의 두께가 180nm인 필터에서 가장 우수한 색순도를 갖는 그린색을 생성할 수 있다.
이상의 사항을 종합하면, 상기 고분자 보호막은 약 300nm 이하, 보다 바람직하게는 200nm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 9는 블루, 그린 및 레드 필터들에서 SiO2 광학 스페이서층의 유무에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, SiO2 광학 스페이스층이 없는 필터들에 비해 SiO2 광학 스페이서층을 구비하는 필터들의 투과율이 약 5% 향상되는 것으로 나타났다. 이는 SiO2 스페이서층에의해 광들의 위상 미스매치가 보상되어 금속층에서의 오믹 손실이 완화됨으로써 광 사이의 상호작용이 향상되고 광 투과율이 향상될 수 있기 때문이다.
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.
100: 투과형 구조색 필터 110: 기판
120: 금속층 130: 반도체 격자들

Claims (17)

  1. 투명 기판 상에 배치되고, 하나의 연속된 평면을 형성하는 상부면을 구비하는 금속층; 및
    상기 금속층의 상부면 상에서 제1 방향으로 길게 연장되고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되도록 배치되고, 가시광의 파장보다 작은 서로 동일한 두께를 갖는 반도체 격자들을 포함하고,
    상기 금속층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성되며,
    상기 반도체 격자들은 비정질 실리콘으로 형성되고, 5nm 이상 60nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명 글라스 또는 투명 고분자 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 1nm 이상 40nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘은 적색 또는 근적외선 광의 에너지에 대응하는 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    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 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  7. 제6항에 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, 투과형 구조색 필터.
  8. 제6항에 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, 투과형 구조색 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속층과 상기 반도체 격자들 사이에 배치된 투명한 광학 스페이서층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광학 스페이서층은 10nm 이상 40nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 격자들을 피복하도록 상기 금속층 상부에 배치된 투명한 고분자 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 보호막은 10nm 이상 200nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 격자들 상부에 배치되어 입사광을 TE(transverse electric) 편광시키는 편광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 격자들 상부면을 코팅하는 금속코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터.
  15. 투명 기판 상에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층 상부에 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 파장보다 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 포함하고,
    상기 기판은 투명 글라스 기판 또는 투명 고분자 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터의 제조방법.
  16. 제15항에 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, 투과형 구조색 필터의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 금속층을 형성한 후 그리고 상기 레지스트 박막을 형성하기 전에 상기 금속층 상에 투명 유전체로 이루어지는 광학 스페이서층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 레지스트 박막은 상기 광학 스페이서층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 투과형 구조색 필터의 제조방법.
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