KR102014399B1 - 멀티캐비티 공명을 이용한 구조 색 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명을 통해서 각도 의존성이 낮고, 고효율, 고순도 및 고투과율을 나타내는 구조색 필터를 제공할 수 있고, 상기 본 발명의 구조색 필터는 반도체층에 두께에 따라 RGB를 조절할 수 있다.

Description

멀티캐비티 공명을 이용한 구조 색 필터{THE STRUCTURAL COLOR FILTER USING MULTICAVITY RESONANCES}

본 발명은 컬러필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 멀티캐비티 공명을 이용하여 입사 각도에 대한 의존성이 낮으며 고순도 및 고투과 특성을 동시에 나타내는 구조색 필터에 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 은(Ag)이나 금(Au)의 나노구조를 주로 활용하였다. Ag 및 Au는 다른 금속과 비교하여 가시광 영역 스펙트럼에서 낮은 광학 흡수 손실을 가지기 때문이다.

그러나 Ag나 Au는 현재의 CMOS 제조방법에 적용될 수 없을 뿐만 아니라 비싸다는 문제점이 있다. 또한, Ag나 Au를 사용하는 구조색 필터는 낮은 성능 효율, 시간에 따른 현저한 색 퇴화를 나타내는 문제점이 있다. 골드 물질은 468 nm에서 Au 물질의 대간 전이(interband transition)를 발생시키고, Ag 물질은 산화 또는 황화가 되기 때문이다. 또한, 색 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 제안되었다. 그러나, 다수의 복잡한 리소그래피(lithographic) 공정이 필요하였고, 손실있는 재료(lossy materials)에 광학적 간섭 효과를 이용하는 것은 효율을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 효율성 및 색순도는 트레이드 오프(trade off) 관계로써, 고효율이면서 동시에 고순도인 구조 색 필터를 얻는 것은 어렵기 때문에, 이러한 문제점을 개선하기위한 방법이 필요한 실정이다.

본 발명의 일 목적은 각도 의존성이 낮으면서도 고효율, 고순도 및 고투과성을 갖는 구조색 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 구조색 필터는 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함한다.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층들은 은(Ag)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서 상기 금속층의 두께는 10 nm 내지 50 nm일 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 반사방지층 및 제2 반사방지층은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 반사방지층 및 제2 반사방지층의 두께는 상기 제1 및 제2 반도체층 각 두께의 40 % 내지 60 %일 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층된 것일 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께를 조절함으로써, RGB를 구현할 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 95 nm 내지 115 nm 일 때 적색을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 60 nm 내지 80 nm 일 때 녹색을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 30 nm 내지 50 nm 일 때 청색을 나타낼 수 있다.

본 발명을 통해서, 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함하고, 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함하므로써, 입사각 각도 의존성이 낮아진 구조색 필터를 제공할 수 있고, 상기 본 발명의 구조색 필터는 고효율, 고순도, 고투과율을 나타내며 상기 반도체층의 두께를 조절하여 RGB를 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 구조색 필터는 복잡한 제조 공정이 필요없으므로, 다양한 분야에서 쉽게 응용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면들이다.
도 3 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터를 분석한 결과를 나타낸 도면들이다.

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 실시예들을 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.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 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, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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.

이하 본 발명의 실시예들에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 기판(200), 제1 금속층(310), 제2 금속층(320), 제3 금속층(330), 제1 반도체층(410), 제2 반도체층(420), 제1 반사방지층(antireflection, AR)(510) 및 제2 반사방지층(520)을 포함할 수 있다.

구조색 필터(100)는 기판(200) 상에 제2 반사방지층(510), 제1 금속층(310), 제1 반도체층(410), 제2 금속층(320), 제2 반도체층(420), 제3 금속층(330) 및 제1 반사방지층(520)이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 다르게 말해서 구조색 필터(100)는 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330), 제1 금속층(310)과 제2 금속층(320) 사이에 배치된 제1 반도체층(410) 및 제2 금속층(320)과 제3 금속층(330) 사이에 배치된 제2 반도체층(420)을 포함할 수 있고, 제1 금속층(310) 상부에 배치된 제1 반사방지층(520) 및 제3 금속층(330) 하부에 배치된 제2 반사방지층(510)을 더 포함할 수 있다.

상기 기판(200)의 물질 및 구조는 금속층(310, 320, 330)들과 반도체층(410, 420)들을 안정적으로 지지할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 기판(150)으로는 유리 기판, 절연성 고분자 기판 또는 반도체 기판 등이 사용될 수 있으며, 플렉서블 기판일 수 있다.

이때, 가시광 영역에서 무시할 수 있는 광 흡수율로 높은 굴절율을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체 재료인 ZnS가 광학 매질로서 반도체층에 포함될 수 있고, 가시광 파장 범위에서 가장 높은 반사율과 가장 낮은 광 흡수율을 나타내는 Ag가 금속층에 포함되어 금속성 거울로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 구조색 필터는 반도체층 및 금속층이 교대로 반복되어 적층된 여러개의 박막층으로 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330)은 높은 반사율 및 낮은 광흡수 특성을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어 은(Ag), 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있고, Ag로만 이루어진 얇은 필름 형태의 Ag층 일 수 있다. 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들은 높은 굴절율을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 ZnS로만 이루어진 얇은 필름 형태의 ZnS층 일 수 있다.

본 발명의 구조색 필터는 예를 들어 Ag층 및 ZnS층이 교대로 반복되어 적층된 구조를 포함할 수 있고, Ag층 및 ZnS층이 상하대칭으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 일례로 Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조일 수 있고, ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층으로 적층된 구조일 수 있으며, Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조일 수 있다.

한편, 도 1에 나타낸 상기 구조색 필터 내부 2 개의 ZnS 층에서, 가시 파장의 거의 동일한 위치에 여러 개의 페브리-페로(Fabry-Perot) 공명을 생성하면, 가시광의 특정 부분을 색 생성을 위해 선택적으로 고효율로 투과할 수 있으며, 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들 두께에 따라 이를 조절 할 수 있다.

일 실시예에서 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330)의 두께는 10 nm 내지 50 nm 일 수 있다.

제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있고, 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)의 두께는 각각 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들의 각 두께의 40 % 내지 60 %일 수 있다. 예를 들어 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들의 50 % 정도의 두께를 갖는 ZnS로 이루어진 필름 형태일 수 있다.

제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 제1 및 제3 금속층(310, 320, 330)과 공기 또는 유리 등 간의 계면에서 반사를 완화시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)에 의해 본 발명의 구조색 필터(100)는 투과율이 향상될 수 있다.

제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330), 제1 및 제2 반도체층(410, 420) 및 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)들은 전자빔 증발(E-beam evaporation) 증착기를 이용하여 기판 상에 증착시켜 형성할 수 있다.

일 실시예에서 본 발명의 구조색 컬러필터는 제2 반사방지층-제1 금속층-제1 반도체층-제2 금속층-제2 반도체층-제3 금속층-제1 반사방지층으로 구성될 수 있고, 다르게 말하면 하부 반사방지층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-상부 반사방지층으로 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면이다. 구체적으로 도 2는 유리기판(3 × 3 cm²) 상에 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따라 특정한 RGB 색상으로 제조된 구조색 필터를 통해 배경이 생생하게 투과되어 보이는 것을 광학 이미지로 나타낸 것이다. 상기 일 실시예에 따른 구조색 필터는 고유한 RGB 색상을 가질 수 있으며, 상기 구조색 필터를 통해 배경을 명확하게 볼 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 이러한 특성을 갖는 본 발명의 구조색 필터를 제조하기 위해서는 복잡한 리소그래피 공정이 필요없기 때문에 보다 넓은 크기의 다양한 디스플레이 장치에도 쉽게 적용할 수 있으며, 플렉서블한 기판에도 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께를 조절함으로써, 도 2에 나타낸 것과 같이 RGB를 구현할 수 있다.

일 예로 상기 제1 및 제2 제1 및 제2 반도체층의 두께가 각각 독립적으로 95 nm 내지 115 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 20 nm 내지 40 nm 일 때 적색을 나타낼 수 있다.

다른 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 독립적으로 60 nm 내지 80 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 25 nm 내지 45 nm 일 때 녹색을 나타낼 수 있다.

또 다른 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 독립적으로 30 nm 내지 50 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 20 nm 내지 40 nm 일 때 청색을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층될 수 있다.

도 3 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 특성을 분석한 결과를 나타낸 도면들로, 일 예로 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함하고, 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함하는 구조색 컬러필터를 사용하여 비교 평가한 결과를 나타내었다.

구체적으로 도 3은 본 발명의 구조색 필터에 대해 수직 입사된 입사광에 대한, 투과 시뮬레이션 분광 곡선(a) 및 실제 측정된 분광 곡선(b)를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 각각의 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층의 두께가 104 nm 및 32 nm(적색), 70 nm 및 34 nm(녹색), 그리고 40 nm 및 28 nm(청색)인 구조로부터 각각 적색, 녹색 및 청색(RGB) 색상을 생성할 수 있으며, 이때 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510) 상기 제1 및 제2 반도체층의 절반 정도의 두께(예를 들어 각각 52 nm, 35 nm 및 20 nm)일 수 있다. 도 3의 (a)는 수직 입사 투과 시뮬레이션 분광 곡선이며, 실제 측정된 분광 곡선을 나타낸 도 3의 (b)와 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 도 3의 (a) 및 (b)는 모두 투과 분광 곡선에서 이중 피크를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

구체적으로 도 4는 도 3의 나타낸 분광 곡선들로부터 계산된 색좌표의 CIE 1931 색공간 색도 다이아그램(chromaticity diagram)를 나타낸 것으로, 색순도를 확인할 수 있다. 도 4를 참조하면, 도 3에 나타낸 시뮬레이션 결과(profiles)(검은 원형) 및 실제 측정 결과(검은 사각형)들로부터 계산된 색 좌표 (x, y)를 색공간(color space)에 비교하여 나타낸 것이다. 각각 RGB 색에 대해 실제 측정된 색공간의 색좌표는 적색(0.641, 0.324), 녹색(0.355, 0.527) 및 청색(0.156, 0.136)으로 나타났고, 시뮬레이션의 색공간은 적색(0.667, 0.316), 녹색(0.353, 0.520) 및 청색(0.155, 0.412)이었다. 도 4를 보면 본 발명의 구조색 필터가 나타내는 색 영역의 범위가 넓으므로, 본 발명의 구조색 필터를 이용하면 광범위한 색상을 나타낼 수 있는 컬러필터를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 상당히 높은 기울기(즉, 높은 Q- 인자)를 가진 경우 뿐만 아니라, 높은 색순도를 달성하는데 필수적인 오프 공명 파장 성분을 크게 억제한 경우에도 60 % 이상의 투과율을 나타낼 수 있다는 것 또한 확인할 수 있다. 색순도는 공명을 청색( 또는 적색)의 짧은( 또는 긴) 파장으로 이동시키거나(shifting) 제1 내지 제3 금속층의 두께를 증가시킴으로써 더욱 향상시킬 수 있다.

구체적으로 도 5는 구조색 필터의 일 실시예를 비교하여 나타낸 것이다. 도 5에 점선은 Ag층-ZnS층-Ag층으로 구성된 구조색 필터의 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 실선은 ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 구성된 구조색 필터의 투과 분광 곡선을 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 구성된 구조색 필터를 나타낸 실선은 공명의 선명도(sharpness of the resonance) 및 색순도에 영향을 주지 않으면서 현저하게 향상된 휘도(luminance)를 나타내는 것을 알 수 있다. 이때 실선은 도 3의 (a)와 동일한 곡선이다. ZnS 또는 Ag는 각각 구조색 필터에서 적색, 녹색 및 청색(RGB)을 생성하는데 사용될 수 있고, 반사방지층은 ZnS을 포함할 수 있고, 구조색 필터를 구성하는 ZnS층 두께의 절반 두께일 수 있다. 예를 들어 ZnS층 및 Ag층의 두께가 각각 104 nm 및 32 nm, 70 nm 및 34 nm 또는 40 nm 및 28 nm라면, 반사방지층은 상기 ZnS층의 절반 두께인 52 nm, 35 nm 또는 20 nm일 수 있다.

투과 분광 곡선(투과 스펙트럼)은 분광계(V-770 UV-Visible-Near Infrared Spectrophotometer, JASCO)로 측정하였다. 수직 입사각, 각도 분해 투과 분광 곡선 및 전기장의 강도등을 평가하기 위해 전송 매트릭스 방법(transfer matrix method)을 기반으로 광학 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 분광 엘립소미터(spectroscopic ellipsometer) (Elli-SE, Ellipso Technology Co.)로 Ag층 및 ZnS층의 굴절률을 측정하였고 광학 시뮬레이션에 사용하였다.

청색에 대한 시뮬레이션 투과 분광 곡선은 430 nm에서 효율이 63.49 % 인 단 하나의 공명 피크만을 나타내는 반면, 실제로 측정된 투과 분광 곡선은 395 nm 및 474 nm에서 효율이 52.14 % 및 34.51 %인 두 개의 피크를 나타냈고 비교적 넓은 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 차이는 엘립소미터에 의해 모델링되고 시뮬레이션에 사용된 ZnS의 흡수 계수가, 실제 컬러 필터 제조 시의 ZnS의 흡수 계수보다 다소 높을 수 있기 때문에 발생하는 것으로 시뮬레이션 결과로부터 390 nm에서 억제된 공명을 산출할 수 있다. 시뮬레이션 분광 곡선과 비교하여 실제 측정된 분광 곡선에서 낮은 투과 효율을 갖는 넓은 공명 현상(broad resonance behavior)은 제조된 컬러필터에서 Ag 두께가 더 얇아진 것으로 볼 수 있다. 이로인해 감소된 반사 효과 및 그에 따른 약한 간섭 효과가 나타날 수 있다. 반면 시뮬레이션에서 녹색의 공명은 508 nm 및 574 nm에서 70.85 % 및 55.37 %의 효율성을 나타내고, 적색의 경우는 652 nm 및 737 nm에서 71.93 % 및 50.29 %의 효율성을 나타내는데, 실제 측정된 결과에서도 녹색은 517 nm 및 582 nm에서 65.05 % 및 49.85 %의 효율을 나타내고 적색은 655 nm 및 741 nm에서 67.42 % 및 48.48 %의 효율을 나타내므로 거의 일치하는 것으로 볼 수 있다.

본 발명의 구조색 필터의 블로킹 능력(Blocking capabilities)은 컬러필터를 통과할 때, 광 에너지의 감쇠 정도인 광학 밀도(optical density, OD)를 통해서 나타낼 수 있고, 이를 계산하기 위해서 하기의 계산식(1)이 이용된다. 이 때 T는 투과율을 나타낸다.

(1)

계산식을 통해 계산된 OD 값이 낮으면 광에너지의 감쇠 정도가 낮은 것을 의미하므로, 투과가 잘되는 것을 나타낸다.

구체적으로 도 6은 본 발명의 투과 시뮬레이션 분광 곡선 및 측정된 투과 분광 곡선으로부터 얻어진, 본 발명의 구조색 필터가 가진 RGB 색상의 OD 값을 나타낸 것으로, 낮은 OD 값을 나타낼수록 높은 투과율을 가지는 것을 의미하고 높은 OD 값을 나타낼수록 낮은 투과율을 가지는 것을 의미한다. 도 6을 참조하면, 공명 파장(resonant wavelengths)에서는 낮은 OD 값을 나타내지만, RGB 색상에 대해 오프 공명 파장에서는 높은 OD 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명의 구조색 필터가 투과율이 높다는 것을 나타낸다. 본 발명의 구조색 필터의 성능을, 다층 박막 구조의 광학적 간섭 효과에 의존하는, 상업적으로 이용 가능한 이색성(dichroic) 컬러필터의 성능과 비교한 결과, 이색성 컬러필터가 본 발명의 구조색 필터보다 높은 투과율을 나타낼 수 있다. 이것은 이색성 컬러필터의 경우, 광흡수 특성을 갖는 금속층이 컬러필터에 영향을 주지 않기 때문이다. 그러나 이색성 컬러필터는 입사각에 매우 민감하고, 본 발명의 구조색 필터는 광각 성능(wide-angle performance)을 나타내므로 본 발명의 구조색 필터가 더 유용하게 사용될 수 있다.

도 7은 반사방지층의 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션의 투과 분광 곡선을 나타낸 것으로, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 녹색에서의 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 도 7을 참조하면, 아래에서부터 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타내며, 검은색 선의 경우 상부 및 하부 모두 반사방지층이 없으므로(예를 들어, Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층), 공명에서도 약 40 % 미만의 가장 낮은 투과 효율을 나타낸다. 그리고 빨간색 선과 파란색 선의 경우는 Ag와 공기 또는 유리 등의 계면(interface)에서 강한 반사가 발생할 수 있어 투과율이 낮게 나타날 수 있다. 반면 대칭적인 반사방지층을 갖는 경우(예를 들어, ZnS을 포함하는 반사방지층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS을 포함하는 반사방지층)를 나타내는 녹색 선의 경우에는 급격한 경사를 유지하면서 높은 투과율을 나타내고, 고효율 및 고순도의 색을 나타낸다. 반사방지층을 대칭적으로 배치함으로써 Ag와 공기 또는 유리 사이의 상부 및 하부 계면에서 반사가 현저하게 완화되어 투과율이 향상되기 때문이다.

구체적으로 도 8은 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 녹색을 나타내는 구조 색 필터(510 nm)의 계산된 2D 등고선 플롯(2D contour plot)을 나타낸 것이다. 510 nm에서 ZnS의 굴절률이 약 2.37임을 고려할 때, 최적화된 두께는 약 35 nm 였다. 반사방지층의 두께는 2.5보다 큰 굴절률을 갖는 재료를 사용함으로써 감소될 수 있긴 하지만, 그러한 고굴절률을 나타내는 무손실(lossless) 재료는 찾기 어려우며, ZnS와 이산화티탄(TiO₂)이 사용될 수 있다. 반사방지층의 효과는 기판에서 입사 매체까지의 전체 구조의 표면 어드미턴스(surface admittance) 변화를 나타내는 광학 어드미턴스 다이어그램(optical admittance diagram)을 사용하여 나타내었다.

광학 어드미턴스(optical admittance)(Y)는 임피던스의 역수이며, 가시적인 주파수 범위에서 미세한 자기 효과는 광학 어드미턴스가 유전율의 제곱근(즉, 굴절율)과 동일하도록 영향을 줄 수 있다. 임피던스는 아래의 계산식(2)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이때 μ는 투과율, ε는 유전율을 나타낸다.

(2)

본 발명의 구조색 필터의 광학 특성은 복합적인 평면에서 어드미턴스 궤적(admittance locus)으로써 시각적으로 나타낼 수 있다. 무손실 유전체층 및 완벽한 전기 전도체의 광학 어드미턴스는 단순하게 원형 궤적을 나타내지만, 금속 및 반도체의 어드미턴스 궤적은 광흡수로 인해 나선형으로 나타난다. 상기 구조색 필터의 광학 어드미턴스는 기판의 한 지점에서 시작하고, 박막 두께 및 광학 특성 모두 어드미턴스 궤적을 변화시킬 수 있다. 다층 구조의 끝점(ending point)과 공기의 어드미턴스(1, 0) 사이의 불일치를 통해서 전체 구조에서 얼마나 큰 반사가 일어나는지를 알 수 있다. 이를 통해서 끝점과 공기의 어드미턴스 간의 차이를 최소화함으로써 반사가 완화됨을 확인 할 수 있다.

반사율은 하기의 계산식(3)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이때 Y_i 및 Y_t는 입사 매체 및 종단점에서의 어드미턴스이다.

(3)

구체적으로 도 9는 510 nm(녹색)에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 도 9의 9-1은 반사방지층이 없는 경우, 도 9의 9-2는 반사방지층이 있는 경우를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 반사방지층이 없는 경우(9-1)에는 광학 어드미턴스의 빨간점으로 표시되는 끝점(4.65, -1.03)이 공기의 어드미턴스(1, 0)와 차이가 크게 나타나므로 43.57 %의 큰 반사율을 나타내고, 대조적으로 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우(9-2)에는 빨간점으로 표시된 끝점(1.08, -0.21)이 공기의 어드미턴스(1, 0)와 큰 차이가 없어, 반사율이 1.12 % 정도로 작게 나타났다.

구체적으로 도 10의 (a)는 청색에서 본 발명의 반사방지층 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션의 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 이때 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타낸다. 도 10의 (b)는 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 425 nm에서 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 청색을 나타내는 구조색 필터의 계산된 2D 등고선 플롯을 나타낸 것이다. 도 10의 (c) 및 (d)는 구체적으로 425 nm에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 (c)는 반사방지층이 없는 경우로 49.27 %의 높은 반사율이 확인되었고, (d)는 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우로 1.62 %의 낮은 반사율이 확인되었다.

구체적으로 도 11의 (a)는 적색에서 본 발명의 반사방지층 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 이때 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타낸다. 도 11의 (b)는 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 650 nm에서 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 적색을 나타내는 구조색 필터의 계산된 2D 등고선 플롯을 나타낸 것이다. 도 11의 (c) 및 (d)는 구체적으로 425 nm에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 (c)는 반사방지층이 없는 경우로 56.52 %의 높은 반사율이 확인되었고, (d)는 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우로 4.39 %의 낮은 반사율이 확인되었다.

제1 내지 제3 금속층과 제1 및 제2 반도체층, 그리고 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510) 두께 변화에 의한 영향을 평가예를 통해 확인하였다.

구체적으로 도 12는 수직 입사에서 청색에 대한, 제1 내지 제3 금속층의 두께(예를 들어 28 nm의 Ag층)는 고정하고 제1 및 제2 반도체층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), 제1 및 제2 반도체층의 두께(예를 들어 40 nm의 ZnS층)는 고정하고, 제1 내지 제3 금속층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)을 나타낸 것이며, 도 12의 (c)는 도 12의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산 된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1 및 제2 반도체층(ZnS층)의 두께가 감소함에 따라, 공명은 짧은 파장 영역으로 이동하는 것을 확인하였고, 이를 통해서 제1 및 제2 반도체층, 즉 ZnS층의 두께가 감소할수록 500 nm 이상의 파장은 투과되는 대신에 반사될 수 있다는 것을 알 수 있다. 보다 더 짧은 파장에서 ZnS층의 광흡수(optical absorption)로 인해 투과 효율은 감소하지만 색의 순도는 더 향상될 수 있다. 금속성 거울, 즉 제1 내지 제3 금속층(예를 들어 Ag층)의 두께가 증가할수록 스펙트럼은 날카로운 형태로 나타나는데, 금속층들의 두께가 증가하여 표면에서 반사가 증가되었기 때문이다. 또한 다이아그램 상에 나타낸 각 경우의 색 좌표를 표시하고 있는 도 12의 (c)를 통해서, 단파장 영역(shorter wavelength regime)으로의 공명 이동(resonance shift)과 금속층들의 두께 증가가 모두 색순도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 35 nm 두께의 Ag층 (이 때, ZnS층의 두께는 40 nm) 및 28 nm 두께의 ZnS층 (이 때, Ag층의 두께는 28 nm) 각각의 색 공간을 계산한 결과, 각각 (0.150, 0.063) 및 (0.160, 0.063)으로 나타났고, 두 경우 모두, 액정 표시 장치의 파란색에 대한 표준 색 공간인 (0.150, 0.060)과 상당히 유사한 것을 확인할 수 있다.

구체적으로 도 13은 수직 입사에서 녹색에 대한, 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층들의 두께에 따른 분석 결과를 나타낸 것으로, Ag층의 두께(예를 들어 34 nm)는 고정하고 ZnS층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), ZnS층의 두께(예를 들어 70 nm)는 고정하고, Ag층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)을 나타낸 것이며, 도 13의 (c)는 도 13의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, Ag층의 두께가 증가함에 따라 공명 효과(resonance effects)가 강하게 나타나는 것을 알 수 있다. 42 nm 두께의 Ag층(이 때, ZnS층의 두께는 70 nm)의 색 공간을 계산한 결과, (0.325, 0.606)으로 나타났고, 두 경우 모두, 액정 표시 장치의 녹색에 대한 표준 색 공간인 (0.300, 0.600)과 상당히 유사하므로 색순도가 우수하다고 볼 수 있다. 그러나, ZnS층의 두께를 변경함으로써 공명 변화가 발생할 수 있고, 이로 인해 표준 녹색 색상과 차이가 증가할 수 있다. 이러한 내용을 확인하기 위해서 도 13의 (c)를 참고하면, 70 nm 보다 감소된 두께의 예로 64 nm 두께의 ZnS층(이 때, Ag층의 두께는 34 nm)의 색좌표(검정색 삼각형)를 계산한 결과, 청색 영역으로 조금 이동된 (0.258, 0.429)로 나타났고, 70 nm 보다 증가된 두께의 예로 76 nm 두께의 ZnS층(이 때, Ag층의 두께는 34 nm)의 색좌표(검은 별표)를 계산한 결과, 노란색 영역으로 조금 이동된 (0.426, 0.533)으로 나타났다. 본 발명의 구조색 필터에서 상기 ZnS층의 두께를 감소시키거나 증가시킴으로써, 상대적으로 더 짧은 파장 성분 또는 더 긴 파장 성분이 스펙트럼 특성에 포함될 수 있기 때문에 위와 같은 차이가 발생할 수 있다.

구체적으로 도 14는 수직 입사에서 적색에 대한, 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층들의 두께에 따른 분석 결과를 나타낸 것으로, Ag층의 두께(예를 들어 32 nm)는 고정하고 ZnS층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), ZnS층의 두께(예를 들어 104 nm)는 고정하고, Ag층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)를 나타낸 것이며, 도 14의 (c)는 도 14의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 14를 참조하면, 적색에 대한 투과 분광 곡선의 경우 짧은 파장 범위에서 2 차 공명 피크가 나타났다. 도 14의 (a)를 보면, ZnS층의 두께를 증가시킴에 따라 2 차 공명도 증가하는 것으로 보이며, 도 14의 (c)에 나타난 것과 같이 색순도도 저하될 수 있다. 116 nm 두께의 ZnS층(이 때 Ag층의 두께는 32 nm)을 이용한 구조의 색 좌표(검은색 별)는 (0.443, 0.181)이며 마젠타 색(magenta color)을 나타낸다. 도 14의 (b)에 나타난 투과 분광 곡선을 보면, Ag층의 두께를 증가시킴에 따라 2차 공명이 감소되고, 그래프가 보다 더 날카로운 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있고, 도 14의 (c)를 함께 보면, 이 경우에는 색순도도 저하되지 않은 것을 알 수 있다. 색 공간을 계산해 본 결과로는 38 nm 두께의 Ag층(이 때 ZnS층의 두께는 104 nm)의 경우 (0.689, 0.297)로 나타났고, 액정 표시 장치의 적색에 대한 표준 색 공간은 (0.640, 0.330)으로 유사한 것을 확인할 수 있다.

구체적으로 도 15의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 전기장 세기 분포를 나타낸 것이고, 도 15의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 두번째 및 세번째 중간 ZnS층(2^nd ZnS 및 3^rd ZnS)에서 약간 동일하지 않은 파장에서 전기장이 집중되는 2 개의 영역이 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 컬러 필터 구조의 구성이 완벽하게 대칭이 아니므로, 미세하게 이동된 파장에서 공명이 나타나기 때문에 발생하는 것이다. ZnS층에 강한 광학 장(optical field)은 가시 영역에서의 공명과 관련이 있으며, 따라서 색 생성을 위한 높은 투과율과 관련이 있다. 도 15의 (d)를 보면, 파장의 함수로써 두 번째(실선) 및 세 번째(점선) 중간 ZnS층에서 2π로 나누어 계산된 순 위상 변화를 나타내며, 주 공명 모드 및 2 차 공명 모드의 위치를 나타낸다. 비교해 본 결과 두 ZnS층에서 유사한 위상 변화를 나타내는 것을 알 수 있다. 도 15의 (a)에 나타낸 것과 같이 청색의 주 공명 파장은 두 번째 중간 ZnS층에서 374 nm 및 461 nm, 세 번째 중간 ZnS층에서 410 nm로 나타나며, 이들 모두는 중간 ZnS층에서 전기장이 강하게 증가되는 위치와 잘 일치한다. 이러한 공명은 또한 도 3의 (a)에 나타난 투과 분광 곡선과 일치한다. 녹색의 경우 위상 변화 계산으로부터 얻어진 공명은 두 번째 중간 ZnS층의 508 nm 및 590 nm에서 발생하는 것으로 나타났고, 세 번째 중간 ZnS층의 514 nm 및 582 nm에서 발생하는 것으로 나타났는데, 이는 도 3의 (a)에 나타난 투과 분광 곡선과 일치한다. 마찬가지로 적색의 경우에도 두 번째 중간 ZnS층의 652 nm 및 746 nm에서 발생하는 것으로 나타났고, 세 번째 중간 ZnS층의 659 nm 및 737 nm에서 발생하는 것으로 나타났다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조 색 필터는 단순히 증착 공정만을 통해서 제조될 수 있기 때문에 플렉서블한 기판 상에서도 쉽게 제조할 수 있다. 본 발명의 RGB 컬러 필터를 플라스틱 기판(예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)) 상에서 제조하여 밴딩 변형에 따른 광학 성능을 확인하였다.

구체적으로 도 16의 (a) 및 (b)는 곡률 반경의 함수로써, RGB 컬러에 대한 공진 파장의 투과율 및 위치를 측정하여 나타낸 것이며, 최대 10 mm 까지의 곡률 반경에 대해 투과율 및 공명 모두 큰 변화가 없었고, 곡률반경이 5 mm인 경우에는 공명 위치는 유지하면서 투과율의 최대 값이 약 1 % 내지 5 % 정도 감소하였다. 다른 곡률 반경에서 측정된 투과 분광 곡선은 도 16의 (d)에 나타내었는데(이때 실선은 곡률 반경이 80 nm, 큰 점선은 40 nm, 그리고 작은 점선은 5 nm), 큰 변화가 없음을 확인했다. 그리고 도 16의 (c)는 다중 밴딩 평가 결과를 나타낸 것으로, 녹색 필터의 최대 투과율이 3000 회 밴딩 평가에서도 변하지 않음을 확인 할 수 있다.

도 17을 보면, 상기 구조색 필터를 구부린 경우에도 청색, 녹색 및 적색을 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있고, 각각의 색을 나타내는 필터들 모두 배경이 명확하게 투과되어 보이는 것을 알 수 있다.

도 16 및 17에 나타낸 본 발명의 구조색 필터가 갖는 특성은 잠재적으로 플렉서블 광전자 장치, 전자종이 디스플레이 및 웨어러블 전자 장치와 같은 다양한 실제 응용이 가능하다는 것을 의미한다.

상대적으로 굴절률이 높은 물질을 사용하면 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 경사 입사각으로 빛이 구조물에 입사 시, 구조로의 굴절을 감소시킬 수 있다. 측정된 ZnS의 굴절율은 600 nm에서 약 2.4로 각도 의존 특성을 감소시키기에 충분히 높은 값으로 볼 수 있다.

구체적으로 도 18의 (a) 내지 (c)는 시뮬레이션 각도-분해 투과 분광 곡선을 나타내고 있으며, 공명은 p 편광 광 조사(p-polarized light illumination)에서 70 ° 이상의 입사각에서도 변하지 않으며, 날카로운 공명 형태를 유지할 수 있다. 도 18의 (d) 내지 (f)는 실제 측정된 각도-분해 투과 특성을 나타낸 것으로 시뮬레이션 결과와 실제 측정값이 잘 일치하는 것으로 볼 수 있다. 상부 및 하부 반사방지층들은 위상보상층으로 기능 할 수 있기 때문에 모두 각도 보상 성질(angle-insensitive property)에 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.

구체적으로 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 구조 차이에 따른 비교예를 나타낸 도면이다. 먼저 도 18의 (a)는, 금속층이 Ag층이고, 반도체층이 ZnS층인 경우, Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조색 필터의 반사방지층(이 경우 ZnS) 도입 여부에 따른 투과율 변화를 비교한 것으로, 반사방지층이 없는 경우 어두운 초록색으로 나타내었고, 반사방지층이 상하부 모두에 있는 경우를 밝은 형광 초록색으로 나타내었다. 비교 결과, Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조의 경우에도 반사방지층을 상하부 모두에 도입하면, 투과율이 증가하는 것을 확인 할 수 있으나, 투과 분광 곡선의 폭이 증가함으로 색순도가 저하될 수 있다. 도 19의 (b)는 Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층의 투과 분광 곡선을 나타낸 것으로 투과 분광 곡선의 폭을 넓힐 수 있으나, 투과율이 낮아지며, (c)에서처럼 Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층 상부 또는 하부 한 쪽에 반사방지층을 적층시킴으로써 투과율 상승이 가능하다. 또한 상하부 모두에 반사방치층을 도입할 경우 투과율을 매우 증가시킬 수 있으며 Ag층-ZnS층-Ag층의 경우와는 달리 추가적인 선폭 변화가 없어 색순도의 감소를 억제할 수 있다.

컬러필터의 성능 측면에서 투과 분광 곡선의 폭이 좁을수록 색순도 측면에서는 높은 색순도를 나타낼 수 있기는 하나, 밝기를 증가시키기 위해서는 백라이트의 밝기를 매우 증가시켜야 하는 어려움이 발생할 수 있다. 이러한 측면에서, 고순도 파장 범위 내에서 가능한 많은 빛을 내보낼 수 있어야 우수한 컬러필터로 사용할 수 있다. 그러므로, 고색순도 구현이 가능한 범위의 폭과 가파른 기울기를 가진 분광곡선이 높은 투과율을 가질수록 효과적이기 때문에, 상기 본 발명의 일 실시예로서 ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 적층된 구조색 필터를 포함하는 구조색 필터의 경우, 가장 좋은 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 구조색 필터는 안료 착색을 기반으로 색을 생성하는 것이 아니라, 빛과 구조의 상호작용을 이용하여 가시 광선 영역에서 고효율로 색을 생성할 수 있다. 그러므로 화학공정 및 오래 지속되는 조명 등에서도 더 오래 유지될 수 있고, 색 생성 효율이 높으며, 높은 안정성, 쉬운 확장성, 높은 해상도, 비광퇴색(nonphotobleaching), 재생산을 위한 충실도(fidelity) 및 얇은 크기(slim dimension)를 나타낼 수 있으며, 평면 박막 구조(planar thin-film structures), 나노 구조에서 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonances in nanocavities), 서브 파장 도파관 나노 구조에서 가이드-모드 공명(guided-mode resonances in subwavelength waveguide nanostructures) 및 광자 결정(photonic crystals)에서 광학 간섭 효과를 활용할 수 있다.

본 발명을 통해서 유전체 매체(dielectric media)와 광학적으로 얇은 금속 박막의 교차층(alternating layers)으로 구성된 구조색 필터의 다중 공명을 이용하여, 광각 투과 구조색 필터를 제공할 수 있다. 본 발명의 구조색 필터는 대칭적인 구조(in a symmetric configuration)를 포함함으로써 최적화된 반사방지층의 광학 반사방지 코팅(Optimized antireflection coatings) 효과를 나타낼 수 있고 색순도를 크게 저하시키기 않으면서 동시에 크게 향상된 투과율을 나타낼 수 있다. 특히, 가시 광선 범위에서 높은 굴절률을 갖는 물질이 상기 반사방지층에 존재하면 각도에 의존하는 특성(angle dependent property)이 현저하게 감소되어 70 ° 이상의 넓은 수용 각(wide acceptance angles) 범위를 가질 수 있다. 이를 통해 높은 굴절률을 갖는 캐비티(cavity) 매질이 구조 내부로의 굴절각을 작게 한다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 구조색 필터는 간단하게 박막 증착 방법을 통해서 제조될 수 있므로 대규모 생산이 가능하고, 다양한 응용 분야 적용할 수 있다. 더욱이 값 비싸고 복잡한 리소그래피 방법을 사용하지 않고 단순 증착 공적만으로 구조색 필터를 제조할 수 있기 때문에 유연한 플랫폼과 쉽게 도입해볼 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 플라스틱 기판 상에 제조하여 밴딩(bending) 변형 효과를 확인해 본 결과, 광학 특성은 5 mm 밴딩 반경 조건(5 mm bending radius condition) 및 3000 회 이상의 밴딩 평가 이후에도 거의 변하지 않았으므로 보다 더 다양한 연구 분야로의 가능성을 확장할 수 있다. 따라서 발명의 구조색 필터는 디스플레이(displays), 위조 방지 태그(anticounterfeiting tags), 광 변조기(light modulators), 착색 된 태양 전지(colored solar cells) 및 화학 센서(chemical sensors) 등과 같은 다양한 연구 분야에서 사용될 수 있다.

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.

Claims (12)

1. 청색 또는 적색 파장의 광을 필터링하는 구조색 필터에 있어서,
   서로 이격되고 순차적으로 배치되고, 서로 동일한 두께를 갖는 제1 내지 제3 금속층;
   상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층;
   상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층;
   상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층; 및
   상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 반사방지층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
   상기 제1 내지 제3 금속층 각각은 가시광을 투과할 수 있는 20 내지 40nm의 두께를 가지며,
   상기 제1 반도체층의 두께는 상기 제2 반도체층의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는,
   구조색 필터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 금속층들은 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   구조색 필터.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 반사방지층은 서로 동일한 두께를 갖고,
   상기 제1 및 제2 반사방지층의 두께는 상기 제1 및 제2 반도체층 각 두께의 40 % 내지 60 %인 것을 특징으로 하는,
   구조색 필터.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층된 것을 특징으로 하는,
   구조색 필터.
   
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 95 nm 내지 115 nm이고,
    적색광을 방출하는 것을 특징으로 하는,
    구조색 필터.
    
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 30 nm 내지 50 nm이고,
    청색광을 방출하는 것을 특징으로 하는,
    구조색 필터.
    

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