KR101965218B1 - 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

Si 기판; 상기 Si 기판 상에 나노디스크의 설정된 주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열된 나노디스크 패턴; 을 포함하며, 상기 나노디스크는 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어지며, 상기 Si 기판에서 상기 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께로 형성된 Al 다공형 미러층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터가 제공된다.

Description

실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 및 그 제조방법{Subtractive Color Filter Based on a Silicon-Aluminum Metasurface and manufacturing method thereof}
본 발명은 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 및 그 제조방법에 관한 기술이다.
나노 구조 기반의 컬러 필터는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서, 고해상도 컬러 프린트, 3D 및 멀티 컬러의 홀로그램 디스플레이 및 광전 변환 소자 등과 같은 다양한 응용분야에서 기존의 염료 기반의 착색제에 대한 실용적인 대안으로 크게 주목받고 있다.
메타물질은 광범위한 의미로, 기존에 존재하는 물질들을 이용하여 적절한 기하학적인 구조를 설계함으로써, 자연 상에 존재하지 않은 인위적인 물성을 지니도록 설계 및 제작된 물질을 일컫는다.
이러한 인공의 물질을 설계 및 제작하는 데 있어서 상대적으로 훨씬 큰 파장인 마이크로파 대역에서 구조물을 설계하는 일이 비교적 간단하여, 종래의 메타물질에 대한 연구는 마이크로파 대역에서 시작되었다.
최근에는 보다 정밀한 수준의 나노 공정 기술들이 확립되어 마이크로파 및 음파 대비 훨씬 짧은 파장인 광파장 대역에 대한 메타물질 설계가 진행되어 왔다.
광파장 대역에 대한 물질의 물성은 매질의 유전율(permittivity)과 투자율 (permeability)에 의해 결정되므로, 임의의 유전율과 투자율을 가지는 물질을 설계하는 연구가 메타물질 분야에서 많이 이루어졌다.
최근에는 복잡한 3차원 메타물질 공정의 어려움과 실용성 등을 고려하여 2차원 박막 위에 물리적인 원리를 통해 설계된 단위 구조들을 배열하여 만들어지는 메타표면(metasurface) 구조들에 대한 연구가 이루어지고 있다.
저비용, 기존 CMOS 공정과의 호환성, 가시광 대역에서의 낮은 손실 등의 특징으로 인해 실리콘(Si)은 나노 구조 기반의 컬러 필터 제조를 위한 최적의 후보로 간주된다. 수직 Si 나노와이어의 유도 모드와 입사광의 파장 선택 결합은 특정 컬러를 제공하므로, Si 기판 상에 형성된 Si 나노 와이어는 멀티 컬러 구현에 적합하다는 연구가 보고되고 있다.
높은 굴절률을 갖는 유전체 물질로 만들어진 유전체 메타표면은 가시광 대역에서 금속에 의한 손실이 큰 플라즈모닉 공진 구조에 비해 명확한 이점을 제공한다. 반도체 산업에서 가장 보편적인 재료로 사용되는 n = ~4.0의 높은 굴절률을 갖는 Si은 탁월한 메타표면 플랫폼으로 간주된다. 최근에, Si 을 기반으로 다른 광학/전자 소자에 쉽게 집적될 수 있는 여러 가지 나노 구조 기반의 컬러 필터가 보고되었다. Si 메타표면의 활용은 매우 높은 종횡비를 갖는 종래의 Si 나노와이어 구조와 비교하여 우수한 안정성 및 소형화의 이점을 가질 것으로 예상된다.
그러나 기존의 Si 기반 메타표면은 상대적으로 낮은 반사율과 함께 일부 손실로 인해 스펙트럼이 넓어져 부정적인 영향을 미치게 된다. 결과적으로 색순도 및 밝기가 저하되며, 누화(crosstalk) 현상 등이 발생할 수 있다.
또한, Si 나노와이어의 경우 높이 및 직경은 각각 수 마이크로미터, 수십 나노미터의 크기로 설계되어, 매우 큰 종횡비를 나타낸다. 따라서, Si 나노와이어 기반의 소자는 구조적으로 불안하며, 주변의 나노 와이어에 의해 성능이 저감될 수 있는 단점이 있다. 또한, 반사스펙트럼은 공진 파장에서 단일 비-제로 공명 딥(non-zero resonance dip) 또는 다중 공진 딥 (multiple resonant dips) 등을 유도하는 경향이 있어, 색순도가 크게 나빠질 수 있다.
본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1510725호에 소개된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1510725호(비등방성 패턴을 포함하는 능동형 표면 플라즈모닉 컬러 필터, 및 능동형 표면 플라즈모닉 컬러필터를 포함하는 디스플레이 소자)
본 발명의 목적은 향상된 색순도를 가지며, 반사효율을 높일 수 있는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, Si 기판; 상기 Si 기판 상에 나노디스크의 설정된 주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열된 나노디스크 패턴; 을 포함하며, 상기 나노디스크는 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어지며, 상기 Si 기판에서 상기 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께로 형성된 Al 다공형 미러층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, Si 웨이퍼 상에 미리 설정된 주기 간격에 맞추어 배열되는 나노디스크 패턴이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 레지스트를 패터닝하는 레지스트 패턴 형성 단계; 상기 패터닝된 레지스트 패턴을 마스킹으로 활용하여 상기 Si 웨이퍼 상에 전자빔 증발기에 의한 제1 Al 증착 공정으로 제1 Al 층을 형성하는 단계; 상기 레지스트 패턴을 제거하여 상기 Si 웨이퍼 상에 제1 Al 나노디스크 패턴을 형성시키는 단계; 상기 제1 Al 나노디스크 패턴을 마스크로 활용하여 플라즈마 에칭기에 의한 에칭 공정에 의하여 상기 SI 웨이퍼 상부를 에칭하여 SI 기판 및 설정된 제2 높이의 Si 나노디스크 패턴을 형성시키는 단계; 및 상기 제1 Al 나노디스크 패턴의 상부 및 상기 제1 Al 나노디스크 패턴을 제외한 상기 Si 기판의 나머지 상부 영역에 상기 전자빔 증발기에 의한 제2 Al 증착 공정을 수행하여 Al 나노디스크 미러층 및 Al 다공형 미러층을 형성시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 향상된 색순도를 제공할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 하이브리드 나노디스크의 직경을 조절함으로써 가시광 대역 전체에 걸쳐 특정 색상에 해당하는 공진 딥의 파장을 제어할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 CMY의 삼원색 외에도 다양한 나노디스크 직경 및 주기를 갖는 필터 성분의 배열로 구성된 생생한 풀-컬러 팔레트가 구현될 수 있으며, 색순도, 밝기, 시각적 대비 및 색 영역 측면에서 높은 성능을 제공할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 고해상도 및 우수한 색 충실도를 가능하게 하는 효과를 가진다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 종래의 컬러필터에 비하여 반사율을 높일 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 조합은 감소된 스펙트럼 대역폭을 바탕으로 Si 나노디스크에서의 자기 쌍극자 모드의 감금을 현저하게 촉진하고, 이탈-공명(off-resonance)에서 반사 효율을 높이는 효과를 가진다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 완화된 각도 내성과 편광 독립성의 효과를 가진다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 Si 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서 입사 편광에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사 색상을 현미경 이미지로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 형태인 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼의 특성을 Si 나노디스크 메타표면 구조 및 Si 기판과 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크형 구조의 비교를 위한 필드 프로파일을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 Al 나노디스크의 높이에 따른 반사스펙트럼의 등고선 도를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 각 컬러 패턴의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 23은 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조와의 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 26은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 주기 간격에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 27은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크 간의 간격이 100nm 일 때, 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 28은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 입사 편광에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 29는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 30은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 155nm으로 형성된 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 31은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 마젠타 필터에 대한 공진시 정규화된 전기장 및 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 33은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 정규화된 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 34는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법을 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.
이하 본 발명의 구현에 따른 실리콘-알루미늄 메타표면 기반 감산 컬러 필터에 대하여 상세하게 설명한다.
견고성 구현에 있어서, 낮은 종횡비(aspect ratio)가 특징인 Si 나노디스크(nanodisk) 격자인 초박형의 컬러 필터는 길게 늘어진 나노와이어 배열보다 우세한 것으로 분석된다.
또한, 고유 특성을 갖는 종래 물질과는 대조적으로, 유전체 메타표면으로 기능 하는 Si 나노디스크 어레이는 음의 굴절률 및 광학 클러킹(optical cloaking)과 같은 맞춤식 광학 특성을 제공하도록 유연하게 설계될 수 있는 것으로 분석되었다.
이러한 유전체 메타표면은 금속-유전체 플라즈모닉 나노 구조와는 달리 전도 손실에 거의 노출되지 않는다.
Si 나노디스크 구성요소 각각은 Mie 산란에 의해 유도되는 전기 쌍극자(electrical dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 현상에 의해 동작하며, 이는 나노디스크 직경을 조정함으로써 효과적으로 조정될 수 있다.
Si 메타표면을 이용한 광대역 반사 방지 코팅이 태양전지의 빛을 포획하기 위해 제안되었고, 입사광이 Si 기판에 공진형으로 흘러서 반사가 충분히 방지될 수 있다.
높은 색순도를 고려할 때, 반사형 감산 컬러 필터(reflective subtractive color filter)는 높은 이탈-공명(off-resonance) 반사 효율과 함께 좁고, 제로에 가까운 공진 딥(near-zero resonant dip)을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 Si 기판 상에 형성된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 이용하여 향상된 색순도 및 견고성을 갖는 고효율의 시안색, 마젠타색 및 노란색(cyan, magenta, and yellow: 이라 본 발명의 명세서에서는 CMY로 정의된다.)의 3색 감산 컬러 필터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메타표면을 구성하는 각 하이브리드 나노디스크 구성요소는 Mie 산란에 의해 유도되는 자기 쌍극자(magnetic dipole) 기반 공진 모드를 지원하는 중심 역할을 하게 된다. 여기된 자기 쌍극자 (magnetic dipole) 모드는 Si 나노디스크에 의해 효율적으로 제한되고, 상단의 Si 나노디스크 상단에 형성된 Al 나노디스크에 의해 촉진된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 향상된 색순도를 갖는 3색 컬러 필터를 이용하여 높은 이탈-공명 반사 효율 및 적절한 대역폭을 제공하는 제로에 가까운 공진 반사 딥(near-zero reflection dip)을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 공진 딥의 경우, 위치는 특히 나노디스크 직경을 조정하여 가시광 대역 전체에 걸쳐 조정이 가능하며, 근본적인 메커니즘은 Si-Al 하이브리드 나노디스크 구성요소와 관련되는 전기장 및 자기장 프로파일을 검사하여 입증될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예인 Si 나노디스크 상부에 Al 나노디스크가 형성된 Si-Al 하이브리드형 나노디스크를 포함하는 사각형 격자의 나노디스크 메타표면을 이용하여, Si 기판 상에 형성된 감산 3색 CMY 컬러 필터를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 Si 기판(10) 위에 형성된 나노디스크가 제1주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열되는 나노디스크 패턴을 포함하며, 상기 나노디스크는 제2 높이(H2)로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이(H1)로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터(1)는 Si 기판(10) 위에 형성된 제1 직경(d1)의 제1 나노디스크가 제1주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(110), 제2 직경(d2)의 제2 나노디스크가 제2주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(120), 제3 직경(d3)의 제3 나노디스크가 제3주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(130)을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 나노디스크는 상기 Si 기판(10)의 상부에 제2 높이(H2)로 형성되는 Si 나노디스크층(12, 22, 32)과 상기 Si 나노디스크층(12, 22, 32) 상부에 제1 높이(H1)로 형성되는 Al 나노디스크층(11, 21, 31)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 직경(d1), 제2 직경(d2) 및 제3 직경(d3)은 각각 다른 색상의 반사 공명 딥을 생성하기 위하여 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시 형태의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 직경(d2)은 상기 제1 직경(d1)보다 작으며, 상기 제3 직경(d3)은 상기 제2 직경(d2)보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H2) 및 상기 Al 나노디스크층의 제1 높이(H1)는 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H2)는 상기 Al 나노디스크층의 제1 높이(H1 )보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터(1)의 주기간격(P)은 x 및 y 방향을 따라 동일하게 형성된다.
도 1을 참조하면, 상기 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터(1)는 시안색의 반사광을 표현하는 제1 나노디스크 패턴(110), 마젠타색의 반사광을 표현하는 제2 나노디스크 패턴(120) 및 노란색의 반사광을 표현하는 제3 나노디스크 패턴(130)이 나란하게 배열된 것을 특징으로 한다.
수직 입사광(100)의 편광은 x 방향에 대한 전기장(E)의 각도 φ로 표시된다. Si-Al 하이브리드 나노디스크로 구성된 메타표면은 강한 파장 선택 공진의 결과인 반사 공진 딥(reflection dip)을 나타낸다.
본 발명의 제1 실시 형태에서의 반사 공진 딥은 나노디스크 직경을 적절하게 조정하여 3 개의 대표적인 감산 CMY 색상을 생성할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따라 제조된 CMY 컬러 필터의 경우, P = 240(±5%)nm이고, Al 및 Si 나노디스크의 높이는 각각 H1 = 50(±5%)nm 및 H2 = 180(±5%)nm로 형성된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 각 제원은 ±5%의 제조상의 오차를 가진다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 제조방법은 Al 나노디스크 패턴이 Si 나노디스크에 대한 하드 에칭 마스크로 사용되어 마지막 단계에서 제거할 필요가 없기 때문에, 더 적은 수의 제조 공정에 의하여 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 여기서 d1=140(±5%)nm, d2=115(±5%)nm 및 d3= 92(±5%)nm의 직경에 해당하는 제1 내지 제3 나노디스크들로 형성된 제1 나노디스크 패턴(110) 내지 제3 나노디스크 패턴(130)의 세 가지 유형이 좌에서 우로 제시된다.
도 2의 SEM 이미지에서 Inset은 필터로 생성된 30㎛ x 30㎛의 크기를 갖는 개별 광학 현미경 이미지를 나타낸다.
도 2를 참조하면, d3 = 92nm의 제3 나노디스크가 240nm 주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(110)에서는 노란색(yellow)의 반사 출력광(53)이 나타난다.
또한, d2 = 115(±5%)nm의 제2 나노디스크가 240nm 주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(120)에서는 마젠타색(magenta)의 반사 출력광(52)이 나타난다.
d1= 140(±5%)nm의 제1 나노디스크가 240nm 주기간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(110)에서는 시안색(cyan)의 반사 출력광(51)이 나타난다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 계산된 결과와 측정된 결과 사이의 높은 상관 관계가 얻어졌다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태 중 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터는 제로에 가까운 반사 공진 딥을 나타내는 것으로 분석되며, 입사광을 이탈-공명(off-resonance) 영역에 효율적으로 반사하여 색순도 향상에 바람직하게 기여하는 것으로 분석된다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터는 광학적으로 두꺼운 Si 기판(10)을 포함하기 때문에 어떠한 투과도 허용하지 않으며, 거의 완벽한 흡수체로 작용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 Si 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 4는 각 나노디스크의 주기간격을 100nm로 고정한 상태에서 높이 H2 = 180(±5%)nm로 형성된 Si 나노디스크층, Si 나노디스크층 상부에 높이 H1 = 50(±5%)nm로 형성된 Al 나노디스크층으로 이루어진 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 구조에서 나노디스크 전체를 Si 나노디스크로 형성한 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 4 및 5를 참조하면, 두 실시 예에서는 모두 흰색 점선으로 표시된 반사 공진 딥의 위치가 직경이 d= 70nm에서 170nm로 증가함에 따라 선형적으로 장파장 대역으로 이동하는 것으로 나타난다.
도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조와 도 5의 Si 나노디스크 메타표면의 구조를 비교하면, 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서의 반사스펙트럼은 도 5의 Si 나노디스크 메타 표면의 구조에 비하여, 이탈-공명(off-resonance)에서의 넓은 반사 공진 딥의 주파수 이동범위를 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조는 도 5의 Si 나노디스크 메타표면의 구조에 비하여 높은 반사와 함께 좁고, 제로에 가까운 반사 공진 딥(near-zero reflection dip)을 가지는 것으로 분석된다.
따라서 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조는 나노디스크의 직경에 의해 스펙트럼 조율은 풀 컬러 생성으로 변환 될 수 있는 효과를 가진다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 100nm의 일정한 갭에 대해 공진 파장과 나노디스크 직경 사이에 선형 관계가 확인될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 주기 간격은 240nm로 고정된 상태에서 직경이 78nm에서 162nm까지 변화될 때 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 필터의 계산된 반사스펙트럼(좌) 및 실제 측정된 반사스펙트럼(우)을 나타낸다.
도 6에서 빨간색 점선은 반사 공진 딥의 위치를 추적하여 표시한 것이다.
도 6을 참조하면, 주기 간격이 240nm로 고정된 상태에서 직경이 d= 78에서 162nm까지 변화될 때, 빨간색 점선으로 그려진 반사 공진 딥은 λ = 453nm에서 648nm로 이동하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경을 조정하여 가시 광 대역에서 공진 파장을 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, CIE(standard International Commission on Illumination) 1931 색도 다이어그램의 색 좌표 그래프와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 나노디스크 직경의 조정을 통해 생생한 전체 색상의 팔레트가 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경은 120nm로 고정된 상태에서 주기간격이 240nm ~ 300nm 범위로 변화에 대한 반사스펙트럼이며, 빨간색 점선은 반사 점의 위치를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 빨간색 점선으로 표시된 반사 공진 딥은 주기 간격의 증가와 함께 약간 장파장 대역으로 이동한 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 도 7에서 나노디스크 직경이 조정되는 경우와는 달리, 색이 주기 간격에 대해 거의 안정적인 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서 입사 편광에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, φ= 0˚, 45˚ 및 90˚의 서로 다른 편광 방향에 대해 반사스펙트럼은 각각 λ= 490nm, 546nm 및 600nm에 위치하는 반사 공진 딥과 함께 등가의 반사스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 11에서 마젠타색 필터의 입사각에 따른 등고선도에서 공진 딥은 흰 점선으로 표시된다.
마젠타색 필터와 연관된 스펙트럼의 등고선도는 도 11에 도시된 바와 같이 입사각에 따라 표시된다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 26°까지의 서로 다른 입사각 범위에 대해, 흰색 점선으로 표시된 것과 같이 공진 위치가 거의 변하지 않으며, 제로에 가까운 반사를 유도하는 것으로 분석된다.
또한, 도 11로부터 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 26°까지의 입사각 범위에 대해 편광 비의존성 및 안정된 광학 성능을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 제1 실시 형태에서 나노디스크 직경과 주기 간격의 특성을 이용하여 다양한 풀 컬러 팔레트(full-color palette)를 구현할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사 색상을 현미경 이미지로 도시한 것이다..
도 12를 참조하면, 각 필터는 30㎛ x 30㎛의 크기를 갖는다.
최상위 Al 나노디스크를 제거한 후에 찍은 반사스펙트럼의 컬러 이미지를 대비하면, Si-Al 하이브리드 나노디스크를 기반으로 한 컬러 팔레트에서 색순도 및 밝기, 시각적 대비 및 색영역 등의 향상된 성능이 확인된다.
노란색에서부터 녹색에 이르는 연속색은 일정한 주기 간격에서 나노디스크 직경을 d= 70nm에서 170nm로 증가시킴으로써 생성될 수 있다.
Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 직경이 고정된 경우, 결과적인 색상이 주기 간격의 변동에 심하게 영향을 받지 않는다는 것으로 분석된다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 형태인 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
Si-Al 하이브리드 나노디스크에 속한 최상위 Al 나노디스크층에 대해 생성된 색의 의존성을 조사하기 위해, 도 14에 도시된 바와 같이, 반사스펙트럼은 P= 240nm의 일정한 주기 간격 동안 직경에 대해 분석되었다.
도 13, 14를 참조하면, Al 나노디스크층이 존재하는 경우, 스펙트럼 모양이 뚜렷하게 날카롭게 되고, 이탈-공명 반사가 20%에서 40%로 거의 2배 증가한 것으로 나타난다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 최상위 Al 나노디스크층에 의해 색순도와 밝기가 향상될 수 있음이 입증될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, Si 기판 상에 형성된 Si 나노디스크의 어레이에 대해, 이탈-공명 반사는 Si의 상대적으로 낮은 반사율에 의해 결정될 수 있다.
50nm 두께의 금속 Al 필름이 Si의 2배 이상의 반사율을 보이는 것을 고려하면, Si-Al 하이브리드 나노디스크를 기반으로 하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에 있어서, 이탈-공명 반사의 약 2배 증가는 Al 나노디스크층의 존재로 인해 실질적으로 향상된 반사율 때문인 것으로 분석된다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는, Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경이 d= 78(±5%) nm에서 162nm까지 변화할 때, 반사 공진 딥은 넓은 스펙트럼 범위인 λ= 453(±5%) nm에서 648(±5%)nm까지 쉽게 조정되어 넓은 색 내구성을 갖는 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
다음은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 파장 선택성 반사 공진 딥을 위한 메커니즘이 설명된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 높은 굴절률의 나노스캐터(nanoscatterer) 역할을 하는 대역에서 자기 쌍극자(magnetic dipole)와 전기 쌍극자(electrical dipole) 공진을 모두 여기시킬 수 있다.
자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진은 Si 나노디스크층 내부에서 발생하고 Si 나노디스크층 직경 근방의 파장에서 발생하는 전기 변위 전류 루프(electric displacement current loop)와 관련이 있다. 유전체 메타표면의 전자기 특성은 공진 파장이 주로 나노디스크 직경에 의존한다는 점에 반영하여 Si 나노디스크층과 같은 산란 성분의 구조적 매개 변수에 의해 결정된다.
Si 기판 상의 Si 나노디스크 기반의 유전체 메타표면과 함께, 나노디스크 공진기에 저장된 빛을 높은 굴절률의 기판에 결합하는 것이 바람직하며, 이는 반사도가 크게 감소한 결과이다.
자기 쌍극자(magnetic dipole)와 전기 쌍극자(electrical dipole) 공진 모드에 대한 스펙트럼 대역은 결국 하나의 광대역을 형성하기 위해 병합된다.
도 15는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼의 특성을 Si 나노디스크 메타표면 구조 및 Si 기판과 비교한 그래프이다.
도 15는 Si-Al 하이브리드 나노디스크 및 기본 Si 기판과 d=100nm의 Si-나노디스크 직경을 가진 구조들을 비교한 결과이다. 동일한 직경을 가진 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면이 결합된 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터의 경우, Si 나노디스크 메타표면의 경우와 유사한 공명 파장에서 반사가 약해지며, 지원된 공진이 두 경우에 대해 기본적으로 동일함을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크형 구조의 비교를 위한 필드 프로파일을 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 공진에서 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에 대한 D-필드 세기 프로파일 (|D|2) 및 대응 벡터 플롯, H- 필드 세기 프로파일 (|H|2) 정렬을 Si-나노디스크형 구조의 경우와 비교한 것이다.
도 16을 참조하면, 원형 D 필드 루프 세트가 생성되며, 두 경우 모두 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드의 아래에 놓이게 된다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Si 나노디스크 구조의 경우와 비교하기 위하여, x축 (φ= 0°)을 따라 정렬된 입사 E-전계를 사용하여 전기 플럭스 변위 D-전계 필드(electric flux displacement D-field) 및 자계 H-필드(magnetic H-field)의 세기 프로파일을 모니터링한 것이다.
도 16을 참조하면, 두 가지 경우에 대해 유사한 필드 프로파일이 나타났으며, Si 나노디스크 구조의 상단의 Al 나노디스크가 Si 나노디스크 기반 유전체 메타표면에 의해 지지되는 원래의 공진모드에 거의 영향을 미치지 않는다고 분석된다.
도 16을 참조하면, 관측을 통해, D-전계 세기 프로파일(|D|2) 및 해당 벡터 플롯이 H-자계 세기 프로파일(|H|2)로부터 암시된 면외(out-of-plane) 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진을 나타내는 원형 루프를 형성하는 것으로 분석된다.
전기 쌍극자(electrical dipole) 공진은 단독 Si 나노디스크와 달리 고굴절률 Si 기판의 경우에는 보이지 않으며, 이는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 작동이 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진에 의해 주로 지배되는 것으로 분석된다.
Si 나노디스크 구조 형태의 경우, 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드는 약하게 갇히게 되어, 고굴절률 Si 기판과 비교적 큰 겹침을 나타낸다. 따라서, 도 15에서 나타난 된 바와 같이 넓은 스펙트럼 대역이 얻어질 수 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 관련된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면에 대해, 맨 위의 Al 나노디스크는 Si 나노디스크 내의 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드의 감금을 강화시키는 역할을 하며, 여기된 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드는 기판으로부터 상방으로 떨어지게 한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 모드 감금이 강할수록 스펙트럼 대역폭이 좁아지게 되며, 맨 위의 Al 나노디스크를 포함함으로써, 원하는 대로 매우 좁은 반사 밴드를 제공할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 Al 나노디스크의 높이에 따른 반사스펙트럼의 등고선 도를 도시한 것이다.
도 17에서 Al 나노디스크의 높이 H1 = 10nm 내지 100nm의 범위이다.
도 17은 Al 나노디스크층의 높이(H1)가 반사스펙트럼에 미치는 영향을 나타내며, 청색으로 표시된 공명에서의 반사 공진 딥은 10nm에서 100nm까지 변화하는 높이 H1에 관계없이 안정하게 유지된다.
플라즈몬 메타 표면의 경우와는 달리, 금속 격자의 두께에 대한 높은 민감성을 지니고 있다.
높이 변화에 독립적인 공진은 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 활용한 필터의 작동에서, Si 나노디스크에 의해 수용되는 Mie 산란에 유도된 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진으로 인한 것으로 분석된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 향상된 색순도 및 견고성을 가능하게 하는 매우 효율적인 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터가 제공된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터는 Si 기판 상에 형성된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 포함한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 제로에 가까운 딥(near-zero dip)의 원인이 되는 강하게 억제된 반사는 주로 하이브리드 나노디스크 성분에 의해 지지되는 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진에 기인한 것으로 분석된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 제조방법은 다음과 같다.
ZEP520A 포지티브 전자빔 레지스트를 사용하여 전자빔 리소그래피(EBL) 시스템(RAITH 150)을 사용하여 홀의 정사각형 격자가 초기에 단일 결정 Si 웨이퍼 상에 레지스트가 패터닝 된다.
상기 레지스트 패턴닝 단계에서는 Si 웨이퍼 상에 미리 설정된 주기 간격에 맞추어 배열되는 나노디스크 패턴이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 레지스트를 패터닝하여 레지스트 패턴이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 감산 컬러 필터는 30㎛ × 30㎛의 면적으로 패터닝되어 제조된다.
다음은 60nm 두께의 Al층이 전자빔 증발기(Temescal BJD-2000 E-beam Evaporator system)에 의한 증착 공정으로 증착된다.
ZEP 제거제(ZDMAC)를 이용한 리프트 오프 공정을 수행하여 원형의 Al 나노디스크 패턴을 형성시킨다.
다음은 상기 Al 나노디스크 패턴을 마스크로 활용하여 Si 웨이퍼를 플라즈마 에칭기(Oxford의 ICP-RIE Plamalab100)에서 CHF3 및 SF6 가스의 혼합물을 사용하여 건식 에칭하는 공정에 의하여 설정된 높이의 Si 나노디스크 패턴을 형성시킨다.
바람직한 실시 예에서는 상기 에칭 공정에서 상기 Al층이 5 ~10nm 만큼 침식되므로 에칭 공정을 통하여 상기 Al 나노디스크 패턴의 높이를 50(±5%)nm로 형성시키고, 상기 Si 나노디스크 패턴의 높이를 180(±5%)nm로 형성시킨다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는, 최상부에 형성된 Al 나노디스크로 인해 색순도는 높은 이탈-공명 반사와 함께 공진 파장에서 제로에 가까운 공진 딥의 결과로 크게 향상될 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 특정 색상에 해당하는 공진 딥에 대해 하이브리드 나노디스크 직경을 조정함으로써 가시 대역 전체에 걸쳐 조정될 수 있다.
또한, 본 발명의 본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터 외에도 다양한 나노디스크 직경 및 주기를 갖는 필터 성분의 배열로 구성된 생생한 풀-컬러 팔레트가 구현될 수 있으며, 색순도, 밝기, 시각적 대비 및 색 영역 측면에서 높은 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 다른 고 굴절률 유전체 재료를 기반으로 하여 쉽게 만들어질 수 있어서, 고해상도 컬러 인쇄 및 홀로그램 디스플레이에 적용될 수 있다.
도 18은 본 발명의 또 다른 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 도 18의 제2 실시 형태는 도 1의 제1 실시 형태에서 Si 기판 상부에 다공형 미러(215)를 더 포함한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)는 Si 기판(20) 위에 형성된 제1 직경을 가진 나노디스크가 제1주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열되는 나노디스크 패턴 및 상기 Si 기판(20)에서 상기 나노디스크가 형성된 부분을 제외된 나머지 부분에 제3 두께(H3)로 형성된 Al 다공형 미러층을 포함하되, 상기 나노디스크는 상기 Si 기판(20)의 상부에 제2 높이(H2)로 형성되는 Si 나노디스크층(212)과 상기 Si 나노디스크층 상부에 제1 높이(H1)로 형성되는 Al 나노디스크층으로 형성된 Al 나노디스크 미러층(211) 으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 도 18을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)의 일 실시 예는, Si 기판(20) 위에 원통형으로 형성된 제1직경(d1)의 제1 나노디스크들이 제1주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(210), 원통형으로 형성된 제2직경(d2)의 제2 나노디스크들이 제2 주기간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(220), 원통형으로 형성된 제3직경(d3)의 제3 나노디스크들이 제3주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(230, 231) 및 상기 Si 기판(20)에서 제1 나노디스크, 제2 나노디스크 및 제3 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께(H3)로 형성된 Al 다공형 미러층(215)을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 나노디스크는 상기 Si 기판(20)의 상부에 제2 높이(H2)로 형성되는 Si 나노디스크층(212)과 상기 Si 나노디스크층 상부에 제1 높이(H1)로 형성되는 Al 나노디스크층(211)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)의 일 실시 예는, 상기 제1 나노디스크 패턴(210)과 제2 나노디스크 패턴(220)은 대각선방향으로 마주보도록 점대칭으로 배치되며, 동일한 2개의 상기 제3 나노디스크 패턴이 또 다른 대각선 방향으로 마주보도록 점대칭으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2형태의 일 실시 예에서는, 상기 제1 직경(d1), 제2 직경(d2) 및 제3직경(d3)은 각각 다른 색상의 반사 공진 딥을 생성하기 위하여 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2형태의 일 실시 예에서는, 상기 제2 직경(d2)은 상기 제1 직경(d1)보다 작으며, 상기 제3직경(d3)은 상기 제2직경(d2)보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H2) 및 상기 Al 나노디스크 미러층의 제1높이(H1 )는 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H2)는 상기 Al 나노디스크 미러층의 제1높이(H1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타 표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)에서, 주기간격(P)은 x 및 y 방향을 따라 동일하게 형성된다.
도 18을 참조하면, 각각의 필터 패턴은 상부에 Al 나노디스크 미러층(211) 및 하부에 Al 다공형 미러층(215)과 통합된 결정질-Si(crystalline-silicon) 나노디스크를 포함하는 메타표면을 기반으로 하며, 이는 Si 기판(20) 상에 형성된다.
도 18에서 수직 입사광에 대해, 편광은 x- 방향에 대해 전기장의 각도 φ에 의해 표시된다. 충돌하는 빛은 Si 메타표면과 관련하여 나노디스크에 공진적으로 결합하여, 반사스펙트럼에서 강한 파장-선택적 억제를 제공한다. 이러한 반사 공진 딥은 나노디스크 직경의 제어를 통해 가시광 대역 전체를 스캔할 수 있으므로 생생한 컬러 출력을 제공할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따라 제조된 고반사형 3색 CMY 컬러 필터(2)의 경우, P = 240nm이고, Al 나노디스크 미러층 및 Si 나노디스크층의 높이는 각각 H1 = 60(±5%)nm, H2 = 180(±5%)nm 및 Al 다공형 미러층의 제3 두께(H3)는 10(±5%)nm로 형성되며, 각 직경 d1=140(±5%)nm, d2=115(±5%)nm 및 d3 = 90(±5%)nm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 19는 본 발명의 제2실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 각 컬러 패턴의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 19를 참조하면, 제1 내지 제3 나노디스크들로 형성된 제1 나노디스크 패턴(210), 제2 나노디스크 패턴(220) 및 제3 나노디스크 패턴(230)의 세 가지 유형이 좌에서 우로 제시된다.
도 19는 P = 240nm의 주기 동안 각 나노디스크가 직경= 140nm, 115nm 및 90nm의 크기로 제조된 CMY 컬러 필터의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
30㎛ × 30㎛ 크기의 시안색, 마젠타색 및 노란색의 생성된 색에 관한 현미경 이미지가 도 19의 일측에 삽입되어 향상된 명암 및 밝기를 제공한다.
도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 20의 반사스펙트럼은 분광 반사계(Elli-Rsc, Ellipso Technology)를 사용하여 수직 입사 하에서 검사되고, 도 20에 도시된 바와 같이 시뮬레이션 결과와 비교되었다. 전계 전자기파(Full-field electromagnetic wave) 시뮬레이션은 FDTD (Finite Difference Time Domain) 방법을 기반으로 하는 도구(FDTD Solutions, Lumerical, Canada)를 사용하여 수행되었다.
Al 및 Si 재료의 분산 특성은 시뮬레이션 도구에 의해 제공되는 다중 계수 모드로부터 얻어졌다.
각 시험에서 광원은 평면파가 광원 역할을 하였다.
도 20을 참조하면, 효율 및 공진 딥의 위치의 관점에서 측정된 반사스펙트럼과 계산된 반사스펙트럼과의 사이에서 적절한 상관관계가 얻어졌다. 각각 노란색(yellow), 마젠타색(magenta) 및 시안색(cyan)의 원하는 감산 컬러에 해당하는 489nm, 552nm 및 609nm의 공진 파장에서 반사의 급격한 억제를 나타내기 위해 스펙트럼을 모니터링 하였다.
~55nm의 상대적으로 좁은 반치전폭(full-width-at-half maximum) 대역폭과 함께 70%를 초과하는 높은 이탈-공명 반사가 달성되었는데, 이것은 Si 나노 구조에 의존하는 이전의 방법과 비교할 때 주목할 만한 효과를 가지는 것이다.
높은 이탈-공명 반사 및 좁은 대역폭은 실현된 CMY 컬러의 명암 및 밝기를 향상시키는데 도움이 된다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 나노디스크의 직경을 조절하여 공진 파장을 조절함으로써, 감산 컬러의 넓은 팔레트를 만들 수 있다.
도 22는 P= 240nm의 고정 주기 간격을 가지며, 나노디스크의 직경을 90nm으로부터 160nm까지 크기의 나노디스크의 직경을 갖는 일련의 장치에 대한 반사스펙트럼의 응답을 도시한 것이다.
도 22는 점선으로 표시된 바와 같이, 공진 딥이 점선적으로 λ = 489nm에서 660nm로 적색 이동하는 것이 관찰되는 반사스펙트럼을 도시한다.
도 23은 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 23을 참조하면, CIE 1931색도 다이어그램의 관련 색 좌표는 나노디스크의 직경이 증가함에 따라 검은 화살표를 따라 전개되는 것으로 관찰된다.
도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조와의 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우에는 이탈-공명 반사가 70%까지 상승하여 종래에 미러가 없는 경우와 비교하여 50% 증가한 것과 같으며 이는 주로 Al 나노디스크 미러-다공형 미러의 기여로 인한 상승된 반사율에 의한 것으로 분석된다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 나노 구조의 금속 거울이 있는 경우에는, 종래에 미러가 없는 경우와 비해 스펙트럼 대역폭이 실질적으로 감소되어 색순도가 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 나노 구조의 금속 거울이 있는 경우에는 나노디스크의 직경이 90nm에서 160nm까지 증가할 때 λ= 489nm에서 660nm까지의 스펙트럼 대역에서 공진 딥이 스캐닝 되며, 미러층이 없는 경우에는 λ= 489nm에서 594nm 까지만 설정된다.
따라서 색순도와 색 영역의 향상은 도 25에 도시된 현미경 이미지로부터 넓은 색 영역뿐만 아니라 생생한 컬러를 생성 할 수 있음이 입증될 수 있다.
도 26은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 주기 간격에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 26은 고정된 직경 115nm의 나노디스크 어레이에 대해 주기 간격(P)이 200nm에서 400 nm까지 변할 때 참조하면, 공진 파장의 변화 상태를 나타낸다
도 26을 참조하면, 주기 간격이 200nm에서 400nm까지 변할 때 장파장 대역으로 약간 이동을 하였고, 이것은 인접한 나노디스크 사이의 근접장 커플링(near-field coupling)에 기인한 것으로 분석된다.
공진 파장의 이동은 주기 간격과 함께 감소하며, 공진에 인접한 나노디스크 사이의 근접장 커플링(near-field coupling)의 영향이 점진적으로 증가함에 따라 점차적으로 약해진다는 것을 의미한다.
도 27은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크 간의 간격이 100nm 일 때, 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 27은 각 나노디스크 간의 간격이 100nm이고, 나노디스크의 직경이 75nm에서 150nm로 변화할 때의 반사스펙트럼을 보여준다.
도 27을 참조하면, 공진 파장과, 공진 파장을 제어하기 위해 적용될 수 있는, 나노디스크의 직경 사이에는 선형 관계의 특징을 가지는 것을 알 수 있다.
도 28은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 입사 편광에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 29는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 28을 참조하면, φ = 0°, 45° 및 90°를 포함하는 서로 다른 편광에 대한 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼은 본 발명의 제2 실시 형태의 CMY 필터에 대해 거의 불변한 것으로 분석되며, 반사 공명 딥은 λ= 609nm, 552nm 및 489nm에서 각각 유지되는 것으로 분석된다.
도 29를 참조하면, 마젠타색 필터의 경우도 입사각이 25°까지 안정적으로 유지되는 것으로 나타난다.
도 28 및 29를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조는 편광 독립성뿐만 아니라 완화된 각도 허용 오차를 가능하게 할 수 있다.
컬러 디스플레이, 이미징 및 컬러 프린팅의 적용에 부응하기 위한 컬러 필터는 입사광의 편광 및 각도에 관계없이 안정적으로 유지되는 컬러를 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조는 컬러 디스플레이, 이미징, 그리고 컬러 인쇄의 응용분야에 적합하게 이용될 수 있다.
도 30은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 155nm으로 형성된 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 30을 참조하면, 나노디스크의 직경 115nm으로 형성된 마젠타색 필터에 시뮬레이션 된 반사스펙트럼은 λ= 552nm에서 제로에 가까운 반사를 나타내는 공진 딥을 가진다.
도 31은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 마젠타 필터에 대한 공진시 정규화된 전기장 및 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 31을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 공진 파장의 전기장 및 자기장 프로파일을 분석하여 파장-선택적 반사 공진 딥(wavelength-selective reflection dip)의 기본 메커니즘이 설명될 수 있다
Si 나노디스크의 배열을 포함하는 메타표면의 경우, 각 나노디스크는 공진기의 역할을 수행하여 가시 스펙트럼 대역에서 자기 쌍극자 및 전기 쌍극자 공진 모드의 여기가 수행된다.
강한 자기 쌍극자 공진은 Si 나노디스크 내부의 변위 전류 루프에 의해 표시되며, 이는 Si 나노디스크의 경계 부근에 있는 역평행 전기장 극성(antiparallel E-field polarization)에 해당한다.
Si 나노디스크의 유효 파장에 따라 유도됨을 고려하면, 자기 쌍극자 공진은 나노디스크의 직경의 조정을 통해 효율적으로 조정될 수 있는 것으로 분석된다. Si 나노디스크 어레이를 동일한 재질의 고굴절률 기판에 장착함으로써 나노디스크 공진기에 한정된 모드가 고주파 기판에 우선적으로 공진 결합하여, 크게 억제된 반사를 가져올 수 있다.
도 30에 도시된 바와 같이 직경 115nm의 나노디스크에 의한 마젠타색 필터에 대해, 시뮬레이션 된 반사스펙트럼은 λ= 552nm에서 제로에 가까운 반사를 나타내는 공진 딥을 가진다.
도 31을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에 대한 반사 공진 딥을 분석하기 위하여 전기장 및 자기장 프로파일이 x-z 평면에 도시된다.
흑색 화살표로 표시된 강화된 원형 전자장 궤도가 Si 나노디스크 내에서 전개되어 변위 전류 루프가 형성되는 반면, 강화된 H-장은 평면외 방향으로 동시에 생성된다. 명백하게 자기 쌍극자 공진의 존재가 여기된 것을 알 수 있다. 필드 프로파일(field profile)을 면밀히 조사함으로써, 반사 공진 딥이 Si 나노디스크에 의해 지지되는 자기 쌍극자 공진에 의해 명백하게 지배된다고 결론 지을 수 있다.
도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 금속성 나노디스크 미러와 다공형 미러의 역할을 분석하기 위한 것이다.
도 32를 참조하면, Al 나노디스크 미러층(211) 및 Al 다공성 미러층(215)이 없는 경우(ⓐ No Al mirrors), Al 나노디스크 미러층(211)은 있으나, Al 다공형 미러층(215)이 없는 경우(ⓑ Al DM)), Al 다공형 미러층(215)은 있으나, Al 나노디스크 미러층(211)이 없는 경우(ⓒ Al HM) Al 나노디스크 미러층(211) 및 Al 다공성 미러층(215)이 모두 있는 경우(ⓓ Both Al DM and HM)의 조합의 경우를 포함하는 4가지 상이한 구조가 반사 응답의 관점에서 비교 분석된다.
ⓐ의 경우, 도 25에 나타난 바와 같이, 반사스펙트럼은 낮은 이탈-공명 효율(off-resonance efficiency)을 갖는 넓은 대역을 특징으로 하여 순도가 낮은 희미한 색을 나타낸다. 낮은 이탈-공명 반사는 전술한 바와 같이 Si의 낮은 반사율로 귀착될 수 있다. DM 또는 HM 중 하나만 장착된 ⓑ, ⓒ의 경우에는 약 2배의 효율 향상이 실현 될 수 있지만 이탈-공명 효율은 40 %까지 증가하는 것으로 분석된다.
이는 광학적으로 두꺼운 금속성 기판에 의존하는 경우보다 훨씬 낮다.
DM-HM 쌍이 결합하는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조의 경우(ⓓ), 색순도에 반비례하는 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth)이 현저히 감소되는 반면에, 이탈-공명 반사가 실질적으로 향상된다.
도 33은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 정규화된 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 33을 참조하면, 각 조합에 대한 대역폭의 변화를 알 수 있다.
자기 쌍극자 공진 모드의 존재는 Si 나노디스크와 관련하여 구체적으로 입증된다.
Al 나노디스크 미러가 없는 경우에 공진 모드는 나노원기둥에 의해 약하게 제한되는 것으로 밝혀졌고, 관련된 장(field)은 Si 의 고굴절률 기판으로 상당히 퍼져 나갔다.
나노 미러가 없는 구조와는 달리, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조(Both Al DM and HM)는 나노디스크 내에서 상당히 강화된 모드 감금과 관련하여 눈에 띄는 필드 향상을 가져오고, 이는 고품질 요소로 해석된다.
도 34는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법을 도시한 것이다.
도 34를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법은 먼저, Si 웨이퍼(60) 상에 설정된 나노디스크들의 주기 간격 및 설정된 직경에 맞추어 상기 나노디스크 패턴이 형성되는 나머지 부분에 레지스트(61)를 패터닝하는 레지스트 패턴 형성 단계(310)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝 단계(310)에서는 ZEP520A의 포지티브 전자빔 레지스트로 만들어진 다공성 필름은 전자빔 리소그래피(EBL) 시스템 (RAITH 150)을 사용하여 단일 결정 Si 웨이퍼(60) 상에 패터닝된다.
레지스트 패터닝 단계(310) 이후에는 상기 패터닝된 레지스트(61)를 마스킹으로 활용하여 Si 웨이퍼(60) 상에 제1 Al층(71)을 형성하는 제1 Al층 증착 단계(320)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다공형 Al 증착단계(320)에서는 55(±5%)nm 두께의 Al 막을 전자빔 증발기 (Temescal BJD-2000 전자빔 증발 시스템)의 Al 증착 공정에 의해 증착시키는 과정이 수행된다.
제1 Al층 증착 단계(320) 이후에는 상기 마스킹으로 활용된 레지스트(61)를 제거하여 제1 Al 나노디스크 패턴을 형성시키는 제1 Al 나노디스크 패턴 형성 단계(330)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 Al 디스크 패턴 형성 단계(330)에서는, 레지스트(61)가 ZEP 제거기(ZDMAC)에 의해 리프트-오프 공정을 통해 제거시키는 과정이 수행된다.
제1 Al 디스크 패턴 형성 단계(330)에서 상기 레지스트(61)가 완전히 제거되면, 정사각형 격자 형태의 제1 Al 나노디스크 패턴(71)이 Si 웨이퍼(60) 상에 형성된다.
제1 Al 디스크 패턴(71) 형성 단계(330) 이후에는 상기 제1 Al 디스크 패턴(71)을 하드 마스크로 이용하여 상기 Si 웨이퍼(60) 상부를 식각하여 Si 나노디스크 패턴(95) 및 Si 기판(90)을 형성시키는 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)에서는 제1 Al 디스크 패턴을 하드 마스크로 이용하여, Si 웨이퍼(60)를 CHF3 및 SF6 가스의 혼합물을 사용하는 플라스마 에칭 장치(Oxford의 ICP-RIE Plamalab100)에서 건식 에칭하여, 180(±5%)nm의 높이를 갖는 Si 나노디스크 패턴(95) 및 Si 기판(90)이 제조된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)에서 Si 웨이퍼에 대한 플라즈마 에칭 과정에서, 제1 Al 디스크 패턴(71)도 5nm만큼 침식되어 55(±5%)nm 두께의 제1 Al 디스크 패턴(71)은 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340) 후에는 50(±5%)nm 두께로 제1 Al 디스크 패턴(72)이 형성된다.
Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340) 이후에는 상기 제1 Al 디스크 패턴(72)의 상부 및 상기 제1 Al 디스크 패턴(72)을 제외한 Si 기판(90)의 나머지 상부 영역에 전자빔 증발기에 의한 Al 증착 공정으로 제2 Al층 증착 단계를 수행하여 Al 나노디스크 미러층(91) 및 Al 다공형 미러층(92)을 형성시키는 미러층 형성 단계(350)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 미러층 형성 단계(350)에서 10(±5%)nm 두께의 Al층을 전자빔 증발기로 증착시키는 과정이 수행된다.
이에 따라 결과적으로 60(±5%)nm의 Al 나노디스크층(91) 및 10(±5%)nm 두께의 Al 다공형 미러층(92)이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 증착 공정 동안 0.001 Pa의 낮은 진공도에서 Al 원기둥의 긴 평균 자유 경로(long mean-free-path)를 보장함으로써 방향성 박막 증착이 촉진되어 Si 나노디스크의 측벽이 Al 증착에 거의 노출되지 않도록 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 30(±5%)㎛ x 30(±5%)㎛ 크기의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터가 제조된다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 Al 디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 한 쌍의 금속 나노 구조와 결합된 단일 결정 Si 나노디스크 기반 유전체 메타표면을 이용하여 향상된 색순도를 허용하는 특징을 가진다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는, 효율적인 자기 쌍극자 공진이 나노디스크 요소에 의해 개별적으로 지지되는 특징을 가지며, 반사스펙트럼에서 명백한 공진 딥을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 간산 컬러 필터에서 반사 공진 딥은 나노디스크의 직경을 조절하여 전체 가시광 대역에 걸쳐 효과적으로 제어될 수 있다.
또한, 나노 구조의 Al 디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 조합은 감소된 스펙트럼 대역폭을 바탕으로 Si 나노디스크에서의 자기 쌍극자 모드의 감금을 현저하게 촉진하고, 이탈-공명에서 반사 효율을 높이는 이중 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터에서 각각 다른 나노디스크 직경을 가진 필터들은 최대 70%의 이탈-공명 반사, ~55nm의 스펙트럼 대역폭 및 높은 순도 및 확장된 영역을 허용하는 밝은 컬러의 넓은 팔레트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 완화된 각도 내성과 편광 독립성의 특징을 가진다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 고해상도 및 우수한 색 충실도를 가능하게 하는 효과를 가지며, 초소형 디스플레이/이미징 장치의 개발을 위해 적용될 수 있다.
1: Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터
2: Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터
10, 20: Si 기판
50: 입사광
51, 61: 시안색 반사광
52, 62: 마젠타색 반사광
53, 63: 노란색 반사광
110, 210: 제1 나노디스크 패턴
120, 220: 제2 나노디스크 패턴
130, 230, 231: 제3 나노디스크 패턴
11, 21, 31, 211: 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층
12, 22, 32, 212: 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층
215: Al 다공형 미러층

Claims (7)

  1. 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에 있어서,
    상기 감산 컬러 필터는,
    Si 기판;
    상기 Si 기판 상에 나노디스크의 설정된 주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열된 나노디스크 패턴; 을 포함하되,
    상기 나노디스크는 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어지고,
    상기 Si 기판에서 상기 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께로 형성된 Al 다공형 미러층을 더 포함한 것을 특징으로 하며,
    상기 나노디스크 패턴은
    원통형으로 형성된 제1 직경의 제1 나노디스크들이 제1주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴;
    원통형으로 형성된 제2 직경의 제2 나노디스크들이 제2주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴; 및
    원통형으로 형성된 제3 직경의 제3 나노디스크들이 제3주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴; 을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1 높이는 60(±5%)nm, 상기 제2 높이는 180(±5%)nm이며, 상기 제3 두께는 10(±5%)nm인 것을 특징으로 하며,
    상기 제1직경은 140(±5%)nm, 상기 제2직경은 115(±5%)nm 및 상기 제3 직경은 90(±5%)nm인 것을 특징으로 하되,
    상기 감산 컬러 필터에 수직으로 백색 입사광이 입사될 경우, 상기 설정된 주기 간격은 고정된 상태에서 상기 나노디스크의 직경을 90(±5%)nm에서 160nm까지 변화할 때, 반사 공진 딥은 λ= 489(±5%)nm에서 660(±5%)nm까지 변화되는 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1주기 간격, 제2주기 간격 및 제3주기 간격은 240(±5%)nm 인 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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