KR102187847B1 - 이방성 방출을 위한 플라즈모닉 안테나 어레이를 갖는 고체 상태 조명 디바이스 - Google Patents
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Abstract
안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(106)를 포함하는 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이(114) - 플라즈모닉 안테나 어레이는, 개별 안테나 요소들 내의 국부화된 표면 플라즈몬 공진들의 회절 커플링에서 발생하는, 제1 파장에서의 표면 격자 공진들을 지원하도록 구성됨 -; 및 제1 파장에서 광자들을 방출하도록 구성되는 광자 방출기(152) - 광자 방출기는, 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광자 방출기 및 상기 플라즈모닉 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템에 의해 방출되도록, 플라즈모닉 안테나 어레이의 가까운 근방에 배열됨 - 를 포함하고, 플라즈모닉 안테나 어레이는, 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포를 가지도록, 면외 비대칭인 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되는, 조명 디바이스(100, 150, 200, 300)가 제공된다.
Description
본 발명은 조명 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개선된 발광 속성들을 가지는 조명 디바이스에 관한 것이다.
조명 응용들에서의 이용을 위한 발광 다이오드(LED: light emitting diode)들을 위해, 백열 조명(incandescent lighting)에 의해 생성된 것에 대략적으로 비교할만한 색 온도를 갖는 백색광을 본질적으로 제공하는 것은 바람직하다.
LED들로부터의 백색광은 450 nm 부근의 파장을 갖는 청색광을 방출하는 pn-다이오드를 이용하여 통상적으로 제공되고, 청색광의 부분은 다이오드의 최상부 또는 근처에 배열된 하나 이상의 파장 변환 물질(wavelength converting material)을 이용하여 더 긴 파장들로 변환된다. 변환된 빛을 흡수되지 않은 청색광과 결합하는 것에 의해, 백색광으로 인지되는 합리적으로 광대역인 스펙트럼을 가지는 빛이 얻어질 수 있다.
현재, 대부분의 상업상의 응용들에서, 파장 변환 물질은 LED 바로 위에 도포된다(applied). 추가로, 각도에 따른 색의 편차를 작게 하기 위하여 파장 변환 물질은 산란성(scattering)이어야만 한다. 이것은 청색광이 또한 다이오드로 다시 산란될 것을 의미하며, 이는 LED에서 흡수 손실들을 야기한다. 추가로, 통상적으로 인광체(phosphor)인, 파장 변환 물질의 활성(active) 구성요소는 등방성 방출기(isotropic emitter)이며, 이는 동일 양의 파장 변환 빛이 모든 방향들로 방출되는 것을 의미한다. 빛의 일부만이 발광 디바이스의 출력 표면을 통해 벗어나므로, 이는 추가 손실들을 야기한다.
손실들을 감소시키는 문제는 예를 들어 다이오드에 의해 후방산란되고(backscattered) 흡수되는 청색광의 양을 감소시키기 위하여 덜 산란성인 인광체를 이용하는 것에 의해 해결되었다. 그러나, 인광체로부터 등방성 방출은 남아있다.
발광 디바이스를 떠나는 빛의 양은 또한 방출 방향이 수정될 수 있는 포토닉 밴드 갭 물질(photonic band gap material)을 도입하는 것에 의해 증가될 수 있다. 그러나, 방출 방향을 컨트롤할 수 있기 위해, 포토닉 밴드 갭 물질은 높은 굴절률 대비를 갖는 물질들로부터 만들어질 필요가 있고, 높은 형상비(aspect ratio)의 홀들 또는 기둥(pillar)들이 패터닝되고 형성되어야 하고, 크기 컨트롤이 매우 엄격하며, 물질은 발광성이어야 하는데, 이는 산란 손실들을 초래할 것이다. 추가로, 포토닉 밴드 갭 물질은 오직 물질의 표면에 수직인 평면, 즉, 홀들 또는 기둥들에 평행한 방향에서만 실제로 효과적이다.
따라서, 발광 디바이스의 방출 효율을 증가시키기 위해 제안된 접근들은 극복하기 어려운 내재하는 결점들로부터 어려움을 겪는다.
위에서 언급된 발광 디바이스의 원하는 속성들, 및 위에서 언급된 것과 그 외의 종래기술의 결점들을 고려하여, 개선된 발광 디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 조명 디바이스로서:
안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소를 포함하는 주기적(periodic) 플라즈모닉 안테나 어레이(plasmonic antenna array) - 플라즈모닉 안테나 어레이는, 개별 안테나 요소들 내의 국부화된 표면 플라즈몬 공진들(localized surface plasmon resonances)의 회절 커플링(diffractive coupling)에서 발생하는, 제1 파장에서의 표면 격자 공진들을 지원하도록 구성됨 -, 및
제1 파장에서 광자들을 방출하도록 구성되는 광자 방출기 - 광자 방출기는, 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광자 방출기 및 상기 플라즈모닉 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템(coupled system)에 의해 방출되도록, 플라즈모닉 안테나 어레이의 가까운 근방에 배열됨 -
를 포함하고,
플라즈모닉 안테나 어레이는, 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포(anisotropic angle distribution)를 가지도록, 면외 비대칭(out-of plane asymmetric)인 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되는 조명 디바이스가 제공된다.
플라즈모닉 필드는 일반적으로 금속 구조물들인 작은 전도성 구조물들의 빛과의 상호작용을 지칭하고, 그에 의해 금속 구조물들의 크기는 빛의 파장과 비슷하다. 금속 내의 전도 전자들은 외부 전기장에 반응하고, 전자 구름은 구동 광진동수(driving optical frequency)에서 진동하여 더욱 양으로 대전된 영역을 뒤에 남기면, 그것은 전자들을 뒤로 당긴다. 금속 구조물들의 작은 크기로 인하여, 공진들은 가시광의 진동수까지 도달할 수 있다. 결과적으로, 금속 구조물은 그것들에 입사한 임의의 빛 또는 금속 입자들의 가까운 근방에 발생된 빛과의 강한 상호작용을 허용하는 큰 산란 단면을 가질 수 있다.
규칙적인 어레이들이 하이브리드 결합된 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 및 포토닉 모드들에서 기인하는 방출의 방향성의 강한 향상을 보이는 것이 발견되었다.
광학 안테나들의 정돈된 어레이들(ordered arrays)은 집단 공진(collective resonance)들을 지원한다. 방사의 파장이 어레이의 주기성과 유사한 경우, 회절된 차수는 어레이의 평면에서 방사할 수 있다. 이러한 방식으로, 개별 입자들에 의해 유지되는 국부화된 표면 플라즈몬 폴라리톤들(surface plasmon polaritons)은 회절을 통해 결합할 수 있고, 이는 표면 격자 공진들(SLRs: surface lattice resonances)로 알려진 집단적이고 격자-유도된 하이브리드 포토닉-플라즈모닉(photonic-plasmonic) 공진들을 유도한다. 이러한 비국부화된(delocalized) 모드들은 여러 단위 셀들 상으로 확장하고, 고체-상태 조명에서 요구되는 것처럼, 큰 용적들에 걸쳐 분포된 방출기들로부터의 방출의 집단적 향상을 얻는 것을 가능하게 만든다.
여기서, 집단적 나노-안테나들처럼 행동하는 나노입자들의 주기적 어레이들이 이용된다. 그러한 어레이들은 집단 플라즈모닉 공진들을 유지한다. 한편으로는, 금속의 나노입자들은 파장 변환 물질 내에서의 인광체들의 공진 여기를 허용하는 큰 산란 단면을 가지며, 이는 빛의 변환을 향상시킨다. 다른 한편으로는, 집단 플라즈모닉 공진은 방출의 각도의 패턴을 형상화(shaping)하여 대부분의 빛을 정의된 방향의 매우 좁은 각도의 범위로 비밍하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 방향성의 향상은 파장 변환 매질의 여기의 증가된 효율, 및 어레이에서의 확장된 플라즈모닉-포토닉(plasmonic-photonic) 모드들에 대한 인광체들의 방출의 아웃-커플링(out-coupling) 효율 및 자유공간 방사에 대한 후속 아웃-커플링의 향상의 조합으로 설명된다.
플라즈모닉 안테나 어레이의 기능의 더욱 상세한 설명은 WO2012/098487에서 찾을 수 있다.
본 발명은, 면외 비대칭인 공진 모드들을 지원하도록 플라즈모닉 안테나 어레이를 구성하는 것 및 안테나 어레이의 가까운 근방에 광자 방출기를 배열하는 것에 의해, 이방성 광 분포가 달성될 수 있다는 인식에 기초를 둔다. 본 문맥에서, 면외 비대칭은, 공진 모드들의 전자기장은 그들이 안테나 어레이의 평면에 관한 반대 방향들로부터 여기되는 경우 상이하다는 것을 의미하며, 이는 결국 안테나 어레이로부터 방출된 빛의 비대칭의 각도 분포를 야기한다. 그것에 의해, 광자 방출기를 향하는 방향에서와 비교하여, 안테나 어레이로부터 방출된 빛의 더 많은 부분이 광자 방출기로부터 멀어지는 방향에서 방출되어, 발생된 광자들의 더 많은 부분이 조명 디바이스를 벗어나게 할 수 있도록 방출 이방성이 구성될 수 있다. 따라서, 재흡수는 감소되고, 광자 방출기에 의해 생성되는 빛의 더 많은 부분이 조명 디바이스로부터 방출되므로, 더 높은 효율이 달성된다. 추가로, 이방성 각도 분포는 또한 빛의 대부분이 안테나 어레이의 평면에 관한 상대적으로 좁은 각도 범위에서 방출되도록, 안테나 어레이에 의해 방출된 빛의 방향성을 컨트롤하는 것을 가능하게 만든다. 이는 방출된 빛을 미리 결정된 바람직한 방향들로 지향(direct)시키는 것이 바람직한 응용들에서 특히 유리할 수 있다. 따라서, 플라즈모닉 안테나 어레이들은 조명 디바이스들에서 통합되어 효율적이고 컴팩트한 2차 시준 광학계의 역할을 할 수 있다. 그러므로, 플라즈모닉 안테나 어레이들은 시준 광학계를 대체하는 데에 유용할 수 있다.
방출된 빛의 방향성을 증가시키기 위한 플라즈모닉 안테나 어레이들은 또한, 예를 들어 층 두께 및 크기의 신중한 조정을 요구하는 포토닉 결정들의 관점에서 이점들을 제공한다.
본 발명의 특정한 이점은, 하이브리드 결합된 LSPR 및 플라즈모닉 안테나 어레이의 포토닉 모드들의 공간적인 확장이 광자 방출기와 중첩하도록 광자 방출기를 배열하는 것에 의해, 방출된 광자의 방향이 위에서 논의한 것과 동일한 방식으로 플라즈모닉 안테나 어레이에 의해 컨트롤되도록, 방출된 광자와 플라즈모닉 안테나 어레이 사이의 커플링(coupling)이 일어난다는 것이다.
따라서, 광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이 사이에서 커플링이 일어나도록 배열된 광자 방출기에 대하여, 방출된 광자는 광자 방출기 및 플라즈몬 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템으로부터 방출된 것으로 보여질 수 있다. 일반적으로, 여기 상태(excited state)에서의 광자 방출기는 광자를 직접적으로 방출하거나, 또는 광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이의 모드들 사이에서 커플링이 일어나는 경우에는 결합된 방출을 통해 방출할 수 있다.
광자 방출기들의 앙상블(ensemble)이 이용되고 개별 광자 방출기들이 상이한 방출 파장들을 가지는 응용들에서, 플라즈모닉 안테나 어레이는 특정한 파장의 방향성이 향상되도록 구성될 수 있고, 그것에 의해 조명 디바이스로부터 방출된 결과적인 스펙트럼을, 적어도 안테나 어레이에 의해 결정되는 특정한 방출 각도 범위에 대해 컨트롤하는 것을 또한 가능하게 한다.
광자 방출기는, 에너지의 추가를 통하여 여기 상태로 에너지가 상승될 수 있으며 광자의 방출을 통하여 더 낮은 에너지의 상태로의 안정(relaxation)이 발생하는 임의의 원자, 분자, 입자 또는 구조로서 이해되어야만 한다.
일반적으로, 어레이 상에 축적된 광자 방출기로부터 측정된 포토루미네선스 강도를 어레이의 부재시의 동일한 광자 방출기의 포토루미네선스에 의해 정규화된 것으로서 정의되는 포토루미네선스 향상(PLE: photoluminescence enhancement)은 광자 방출기의 여기 및 방출 진동수들에서 일어나는 현상의 원인이 된다. 한편으로는, 그것은 광자 방출기가 위치되는 위치 및 여기 파장에서의 국부 필드에 의존한다. 다른 한편으로는, 방출은 (ⅰ) 방출기가 방출의 파장에서의 방출 방사를 감쇄시킬 수 있는 광학 상태들의 국부 밀도 및 (ⅱ) 특정한 입체각에서의 자유 공간 방사에 대한 이 방출의 아웃-커플링의 조합된 효과로 인하여 수정된다.
추가로, 인광체 방출기에 대하여, 방출기의 방출 진동수에서의 공진들로 인한 방향성 향상과 더불어, 플라즈모닉은 또한 펌핑 진동수(pumping frequency)에서의 공진 여기로 인한 방출기의 향상된 여기 효율/흡수 단면을 제공한다.
추가로, 안테나 어레이는 긴 범위 대칭(long range symmetry)을 보이는 안테나 요소들의 규칙적인 격자로서 형성된다. 그러나, 여전히 이방성 광 분포의 원하는 효과를 달성하면서도, 안테나 어레이의 어느 정도의 비대칭은 허용될 수 있다.
안테나 어레이의 공진 진동수 및 대역폭은, 안테나 요소들의 분포, 즉, 격자, 안테나 요소들의 기하구조, 안테나 요소들을 형성하는 물질에 의해, 그리고 안테나 어레이 근방의 층들의 물질들 및 구성에 의해 지배된다. 그것에 의해, 원하는 공진 진동수 및 대역폭은 전술한 매개변수들을 조정하여 달성될 수 있다. 좁은 진동수 대역은 본 맥락에서 몇 나노미터의 파장 범위에 대응하는 공진 진동수들로 이해될 수 있다. 그러나, 더 넓은 공진들(30 nm FWHM 까지)은 연색성(color rendering)의 관점에서 LED 응용들에서 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광자 방출기는, 방출된 광자들의 다수가 상기 광자 방출기 및 상기 플라즈모닉 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템에 의해 방출되도록, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 거리를 두고 배열된다. 방출된 광자와 플라즈모닉 안테나 어레이의 하이브리드 모드들 사이에 커플링이 일어나는 경우, 광자의 에너지는 어레이로 옮겨지고 결과적인 방출의 방향은 어레이의 속성들에 의해 지배된다. 공진 모드로의 방출된 빛의 높은 커플링 효율은 바람직하다. 특히, 방출기와 플라즈모닉 하이브리드 모드들 사이의 커플링 효율을 최대화하는 것이 바람직하다. 광자 방출기들을 플라즈모닉 안테나 어레이에 충분히 가깝게 선택적으로 위치시키는 것에 의해, 강한 방출기-안테나 커플링의 체제로 진입하는 것 없이, 커플링 효율이 증가될 수 있다.
높은 커플링 효율을 달성하기 위해, 광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이의 하나 이상의 안테나 구성요소 사이의 거리는 바람직하게는 5 마이크로미터 미만이고, 더욱 바람직하게는 2 마이크로미터 미만이다. 광자 방출기와 안테나 어레이 사이의 적절한 거리는 또한 굴절률에 대해 보정된 유효 파장(effective wavelength)들에 관련하여 정의될 수 있다. 그러면, 거리는 10 유효 파장까지일 수 있고, 다른 실시예에서는 6 유효 파장까지일 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 거리는 퀀칭(quenching)을 피하기 위해 유리하게도 10 나노미터보다 더 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광자 방출기는 유리하게도 외부 에너지 소스에 의해 여기되는 포인트 방출기일 수 있고, 포인트 방출기는 희토류 이온(rare earth ion), 염료 분자(dye molecule) 및 양자점(quantum dot)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 것일 수 있다. 원칙적으로, 여기가 광자의 방출을 야기할 수 있는 임의의 포인트 방출기가 본 맥락에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 에너지 소스는 유리하게도 전자 방출기, x선 방출기 또는 감마선 방출기를 포함할 수 있다. 원칙적으로, 충분히 높은 에너지를 가지는 전자, x선 또는 감마 방사, 열, 전자-정공 쌍들의 주입 등과 같은 임의의 외부 에너지 소스가 포인트 방출기를 여기하도록 이용될 수 있다. 전자들은 예를 들어 음극선관(CRT: cathode ray tube)에 의해 방출될 수 있고, x선 및 감마선은 예를 들어 진공관에 의해, 예컨대 X선은 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography)에 의해, 및 감마선은 양전자 방출 단층 촬영(PET: Positron Emission Tomography)에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광자 방출기는 유리하게도 발광 다이오드(LED: light emitting diode) 또는 고체 상태 레이저일 수 있다. 예를 들어 바 레이저(bar laser)가 광자 방출기로 이용되는 경우, 방출된 광자의 방향은 레이저 바의 원하는 도파(waveguide) 모드로 방출되도록 컨트롤될 수 있고, 따라서 레이저 임계값은 감소된다. LED를 위해, 방출된 광자는 반도체의 탈출 원추(escape cone) 내에 있으며, 그것에 의해 디바이스의 광 추출 효율이 향상되고 밝기 증가를 허용한다. 여기서 이점은, 더 적은 빛이 LED로 다시 반사되고, 이것은 감소된 손실들을 야기한다는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 안테나 어레이는, 안테나 어레이 평면에 수직인 제1 방향에서 방출된 빛의 제1 부분이 안테나 어레이 평면에 수직인 제2 방향에서 방출된 빛의 제2 부분보다 더 크도록, 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포를 가지도록 구성될 수 있고, 제2 방향은 제1 방향의 반대이다. 면외 비대칭의 구성을 선택하는 것에 의해, 발생된 광자들의 더 많은 부분이 반대 방향으로 방출된 빛과 비교하여 디바이스 밖으로의 방향에서 방출되도록, 또는 그 반대로 되도록, 발광 디바이스로부터의 빛의 결과적인 방출을 컨트롤하는 것이 가능하다. 평면에 수직인 제1 방향에서 방출된 빛은 평면에 수직인 법선 주변을 중심으로 하는 각도 범위에서 방출된 빛으로 해석되어야만 한다.
추가로, 본 발명의 일 실시예에서, 플라즈모닉 안테나 어레이는, 안테나 어레이 평면에 관한 제1 방향에서의 제1 각도 분포가 안테나 어레이 평면에 관한 제2 방향에서의 제2 각도 분포와 상이하도록, 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포를 가지도록 구성될 수 있고, 제2 방향은 제1 방향의 반대이다. 그것에 의해, 예를 들어 특정한 빔(beam) 형상 또는 패턴을 원하는 경우, 광 분포는 컨트롤될 수 있다. 이방성 각도 분포는 유리하게도 광자들의 양에 관한 각도 분포에서의 전술한 차이와 조합될 수 있고, 그에 의해 방출된 광자들의 대부분은 방출된 빛이 안테나 어레이의 구성에 의존하는 빔 형상을 갖게 되는 바람직한 방향으로 방출된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 요소들은 제1 굴절률을 갖는 제1 층 상에 배열될 수 있고, 안테나 요소들은 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층에 더 내장될(embedded) 수 있다. 전술한 면외 비대칭 공진 모드들을 달성하는 하나의 방법은 비대칭의 유전 속성들을 갖는 환경에서 안테나 요소들을 배열하는 것이다. 물질의 진동수 의존적 유전 상수는 물질의 굴절률에 관련되므로, 조명 응용들에서의 이용에 적합한 상이한 굴절률들을 갖는 물질들은, 유전 상수의 차이를 통하여 안테나 어레이에 의해 비대칭 전자기 환경이 경험되도록 선택될 수 있다. 추가로, 입자 어레이들에서의 방사적 커플링(radiative coupling)은 어레이의 평면에서 전파하는 회절 차수들 및 포토닉 구조에 의해 지원되는 유도된 모드들(guided modes)에 의해 향상될 수 있다. 후자는 유도층(guiding layer)의 근방에서의 안테나 요소들의 LSPR들과, 얇은 유전체 층들에서 유도된 모드들의 혼성으로 구성된다. 이러한 하이브리드 모드들은 도파 구조를 요구하는데, 즉, 유도층의 굴절률은 둘러싸는 물질보다 더 높아야만 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 안테나 요소들은 제1 층 상에 배열되고 제2 층에 내장되고 제2 층에 의해 덮일(covered) 수 있고, 제3 층은 제2 층 상에 배열될 수 있고, 제3 층은 제2 층의 굴절률과 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
비대칭 유전체 환경은 다수의 상이한 방식으로 달성될 수 있고, 원하는 비대칭을 달성하기 위해 상이한 유전 속성들을 갖는 물질들의 층들의 대안적인 배열들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상이한 물질들의 적층들이 이용될 수 있다. 원칙적으로, 안테나 요소들에 관한 상이한 층들의 경계의 정확한 위치는 중요하지 않은데, 왜냐하면 공진 모드들은 그들의 모드 프로파일에 관한 유전 속성들의 평균을 경험할 것이기 때문이다.
모드 프로파일은 전기장의 공간적 분포에 관한 것이다. 상호성(reciprocity)에 의해, 파장 변환 층 내의 특정한 파장 변환 분자로부터의 어떤 방향의 방출의 강도는, 언급된 방향으로부터 어레이에 입사하는 평면 파로 인한 그 방출기의 장소에서의 국부-장 강도(local-field intensity)와 동일하다. 이는 수치적 3차원 FDTD(finite-difference in time-domain) 시뮬레이션들에 의해 보여졌다. 특히, 이 공진의 전기장 향상은 폴리머(polymer) 층에 걸쳐 확장되는 것으로 관찰되었고, 이는 어레이의 평면에 수직인 방향에서 빛-물질 상호작용의 향상을 야기한다. 추가로, 특정한 기하구조들에서, 파장 변환 층에서의 전기장 향상은 구조물이 반대의 면으로부터보다 기판 면으로부터 조명되는 경우 더 클 수 있다. 국부-장 강도 향상의 이방성 행동은 순방향 대 역방향 방출(forward to backward emission) 비대칭을 일으킬 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 파장 변환 물질은 전술한 제3 층 내에 포함될 수 있다. 그것에 의해, 파장 변환 물질은 안테나 요소들을 둘러싸지 않는다. 추가로, 제2 층은 각각의 안테나 요소들 위로 적어도 10 nm 까지 확장할 수 있고, 그에 의해 파장 변환 물질은 안테나 요소들과 전혀 접촉하지 않는다. 파장 변환 물질이 안테나 요소들의 공진 모드들을 방해할 수 있으므로, 이는 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 안테나 요소 각각은 유리하게도 비대칭의 형상을 가질 수 있다. 요구되는 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 달성하는 대안적인 방식은 안테나 요소들을 비대칭으로 만드는 것이다. 그것에 의해, 각각의 안테나 요소들을 위한 결과적인 공진 모드들은 비대칭이 되고, 이는 결국 비대칭의 광 방출 속성들을 야기한다. 안테나 요소의 비대칭 형상은 안테나 요소의 세로 축에 평행한 평면에서의 요소의 단면, 즉 "스탠딩(standing)" 안테나 요소의 수직인 평면에서 단면의 비대칭을 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수의 안테나 요소 각각은 유리하게도 피라미드, 절단(truncated) 피라미드, 원추 또는 절단 원추의 형상을 가질 수 있다. 안테나 요소의 테이퍼링(tapering)은 방출의 이방성을 위해 중요하다. 특히, 이방성은 안테나 요소들에서 전기적 및 자기적 공진들의 동시적 여기에 기초한다. 아래에서 더 설명할 것이지만, 파괴된(broken) 대칭에 의해 향상되는 것은 주로 자기적 및 자전적(magneto-electric) {크로스-커플링된(cross-coupled)} 응답이다. 자기적 응답은 입사한 빛의 자기장에 대한 안테나 요소의 응답인 반면에 자전은 입사한 자기장에 의한 전기장의 여기 및 그 반대를 지칭한다.
단일 자기 쌍극자에 커플링된 단일 전기 쌍극자가 쌍극자들의 상대적 위상에 의존하여 순방향/역방향 산란 비율을 조정할 수 있다는 것은 전기 역학으로부터 알려져 있다. 일반적으로, 대부분의 물질들은 광학 진동수들에서 자기 응답(magnetic response)을 가지지 않고, 따라서 빛에 대해서는 효과가 좀처럼 찾아지지 않는다. 그러나, 금속성 나노구조물들은 그것의 전기적 여기에 필적할만한 강도의 자기적 여기들을 유지하도록 설계될 수 있다. 추가로, 이러한 두 가지 상이한 여기들은 크로스-커플링될 수 있고, 이는 자전적 응답을 야기한다.
안테나 요소들의 테이퍼링의 증가는 (테이퍼링이 최하부에서의 직경 대 최상부에서의 직경의 비율을 지칭하는 경우) 자기적 및 자전적 응답 모두 증가시킨다. 따라서, 테이퍼링의 증가에 의해, 두 개의 응답이 증가되고, 증가된 이방성을 보여주는 안테나 어레이가 설계될 수 있다. 이러한 구조물들로부터의 방출의 이방성은 그들이 유사한 진폭들의 전기적 및 자기적 여기들을 갖는 것에 의존한다는 점에도 주목해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 절단 피라미드 형상의 안테나 요소는 100 내지 300 nm 범위의 하단면 길이 및 30 내지 150 nm 범위의 상단면 길이를 가질 수 있고, 절단 원추 형상의 안테나 요소는 100 내지 300 nm 범위의 하단 직경 및 30 내지 100 nm 범위의 상단 직경을 가질 수 있다.
추가로, 안테나 요소들은 유리하게도 50 내지 400 nm 범위, 바람직하게는 100 내지 200 nm 범위의 높이를 가질 수 있다. 일반적으로, 전술한 크기 범위들을 참조하여, 더 작은 안테나 요소들에 기초한 어레이들은, 가시 스펙트럼의 적색단 쪽으로 더 가서 공진하는 더 큰 안테나 요소들에 비교하여, 가시 스펙트럼의 청색단 쪽으로 더 가서 공진한다.
안테나 요소의 전체 크기는 국부화된 플라즈몬 공진에서 중요하다. 최하부 및 최상부는 국부화된 모드들을 지원하고, 상단 및 하단의 크기에서의 차이는 안테나의 조합된 국부 공진을 확장시킨다.
절단 안테나 요소의 상단 및 하단을 위해 상이한 공진들이 있고, 상단 및 하단 공진들은 서로 커플링될 수 있다. 그러면, 안테나 요소의 높이는 위상 지연을 도입할 것이고 공진들의 커플링을 지배할 것이고, 그것에 의해 부분적으로는 전기적 및 자기적 공진들에 기인하는 위상차(retardation)에 부분적으로 기인하여 이방성을 결정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 요소들은 유리하게도 금속을 포함할 수 있고, 특히 안테나 요소들은 유리하게도 Ag, Al, Ga 또는 Au를 포함할 수 있다. 안테나 요소들을 형성하는 물질은 가시광에 대응하는 진동수들에서의 국부화된 플라즈몬들을 바람직하게 지원해야만 한다. 일반적으로, Au는 스펙트럼의 적색 내지 근적외선 부분에 더 적절하고, Ag는 스펙트럼의 녹색 내지 적색 부분에 더 적절하고, Al은 스펙트럼의 가시 영역을 넘어 자외선으로 확장하는 플라즈몬 공진들을 허용한다.
유전체 물질로 만들어진 안테나 요소들을 이용하는 것 또한 가능하다. 그러나, 유전체 안테나 요소들을 포함하는 그러한 안테나 어레이는 금속성 안테나 요소들을 포함하는 안테나 어레이와 비교하여 더 좁은 대역폭을 갖는 공진들을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 조명 디바이스는 조명 디바이스의 제1 부분 내의 제1 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이 및 조명 디바이스의 제2 부분 내의 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이를 유리하게도 포함할 수 있고, 제1 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 제1 파장 범위에서 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되고, 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성된다. 빛이 넓은 파장 범위에서 이방성으로 방출될 수 있는 조명 디바이스를 제공하기 위하여, 상이한 파장 범위들에서의 방출을 위해 조정된 둘 이상의 별개의 플라즈모닉 안테나를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 그러한 조명은 하나의 안테나 어레이가 예를 들어 가시 스펙트럼과 같은 넓은 파장 범위에서 빛을 제공하도록 이용되는 경우에 비교하여 더 효율적으로 만들어질 수 있다.
둘 이상의 플라즈모닉 안테나 어레이는 방출 파장에 영향을 주는 전술한 하나 이상의 매개변수에서 다를 수 있고, 그러한 매개변수들은 안테나 요소의 물질, 기하구조 및 형상, 어레이의 격자 기하구조, 유전체 환경 등을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 조명 디바이스는 비중첩(non-overlapping)이고 동일한 평면에 배열되는 제1 및 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이를 유리하게도 포함할 수 있다. 동일한 안테나 어레이 평면에서 중첩하는 금속성 안테나 요소들을 포함하는 두 개의 상이한 안테나 어레이는 방출 이방성의 효율이 감소되도록 서로 방해할 수 있고, 따라서 그러한 두 개의 어레이는 조명 디바이스에서 상이한 영역 부분들을 덮는 동일한 평면에서 서로 인접하도록 배열하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 금속성 안테나 요소들을 포함하는 제1 안테나 어레이는 제2 안테나 어레이와 유리하게 중첩할 수 있고, 여기에서 안테나 요소들은 유전체 물질을 포함한다. 유전체 어레이로부터의 좁은 대역 공진은, 중첩하지 않고 그것에 의해 금속성 안테나 어레이의 플라즈모닉 공진들을 방해하지 않도록 조절될 수 있다. 대신에, 유전체 어레이는 금속성 어레이의 펌프 향상을 위해 유리하게 이용될 수 있다. 방출 프로세스는 방출 진동수 및 여기 진동수라는 두 개의 상이한 진동수를 포함한다. 따라서, 전체 방출 향상은 그에 따라 방출 향상 및 여기 향상 또는 펌프 향상의 두 개의 기여(contribution)로 분해될 수 있다. 방출하는 파장 변환 층의 흡수 및 그 결과의 방출은 파장 변환 분자들이 위치한 공간의 영역들에서 펌핑 진동수에서의 전체 전기 근거리장 강도(near-field intensity)의 향상에 의해 증가될 수 있다. 금속성 나노입자들은 그것의 전도성으로 인하여 내재하는 손실들을 제공하기 때문에, 금속에서 흡수되는 전력을 최소화하면서 파장 변환 층에서의 광학적 흡수를 최대화하는 것이 요구된다. 펌핑 진동수에서 어떠한 기생 흡수도 나타내지 않는 유전체가 선택될 수 있기 때문에, 이러한 쟁점은 유전체 물질로 만들어진 나노입자들을 이용하여 완전히 극복될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이들은 상이한 평면들에 유리하게 배열될 수 있다. 상이하게 구성된 안테나 어레이들을 상이한 평면들에 배열하는 것에 의해, 즉, 어레이들의 적층을 제공하는 것에 의해, 특정한 디바이스로부터 더 넓은 파장 범위의 이방성 방출이 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 첨부된 청구항들 및 다음의 설명을 연구하는 경우 분명해질 것이다. 숙련된 자는 본 발명의 상이한 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다음에 설명된 것들 외에 실시예들을 만들어내도록 조합될 수 있다고 인식한다.
본 발명의 이러한 및 다른 태양들은 이제 본 발명의 실시예들을 보여주는 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스의 요소를 개략적으로 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스의 요소를 개략적으로 도시한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조명 디바이스를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 이제 본 발명의 대표적인 실시예들을 보여주는 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 더욱 충분히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고 본원에 제시된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되고; 오히려, 이러한 실시예들은 철저함과 완성도를 위해 제공되고, 본 발명의 범위를 숙련된 기술자에게 충분히 전달한다. 전체에 걸쳐서, 유사한 참조번호들은 유사한 요소들을 지칭한다.
도 1a는 도 1c에 의해 도시된 것처럼 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(106)를 포함하는 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이(114)의 가까운 근방에 배열된 복수의 광자 방출기(152)를 포함하는 조명 디바이스(150)의 개략적 도시이다. 안테나 어레이(114)는 여기서 광자 방출기(102)를 포함하는 것으로 도시된 기판(108) 상에 배열된다.
광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이의 하나 이상의 안테나 요소 사이의 거리는 바람직하게는 5 마이크로미터 미만이고, 다른 실시예에서는 10 유효 파장 미만이며, 또 다른 실시예에서는 6 유효 파장 미만이다. 추가로, 또는 대안으로, 유리하게도 거리는 퀀칭을 피하기 위해 10 나노미터보다 더 클 수 있다. 일반적으로, 광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이 사이의 거리는 알려진 제조 방법들을 이용하여 매우 잘 컨트롤될 수 있다. 광자 방출기와 안테나 어레이의 안테나 요소(들) 사이의 거리는 임의의 방향으로부터, 예를 들어, 안테나 요소(들)의 최상부, 측부 또는 최하부에 대해 측정될 수 있다.
여기에서, 광자 방출기(102)는 외부 에너지 소스에 의해 여기되는 것이 가능한 포인트 방출기로 보여진다. 포인트 방출기는 예를 들어 희토류 이온, 염료 분자 또는 양자점일 수 있다. 포인트 방출기를 여기시키기 위한 외부 에너지 소스는 예를 들어 전자 방출기, x선 방출기 또는 감마선 방출기일 수 있고, 또는 포인트 방출기는 전자-정공 쌍들의 주입을 통해 여기될 수 있다.
원칙적으로, 충분히 높은 에너지를 가지는 전자, x선 또는 감마 방사, 열, 전자-정공 쌍들의 주입 등과 같은 임의의 외부 에너지 소스가 포인트 방출기를 여기시키도록 이용될 수 있다. 전자들은, 예를 들어 음극선관(CRT: cathode ray tube)에 의해 방출될 수 있고, x선 및 감마선은 예를 들어 진공관에 의해, 예컨대 X선은 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography)에 의해, 및 감마선은 양전자 방출 단층 촬영(PET: Positron Emission Tomography)에 의해 제공될 수 있다.
그러나, 광자 방출기는 마찬가지로 동등하게 LED 또는 고체 상태 레이저와 같은 활성 구성요소일 수 있는데, 여기에서는 구성요소로부터 광자 방출을 달성하기 위해 전기 에너지가 외부 에너지 소스로부터 제공된다.
도 1b는 제1 파장의 빛을 방출하도록 구성된 광원(102)의 형태의 외부 에너지 소스, 및 광원으로부터 빛을 수취하고 제1 파장으로부터 제2 파장으로 빛을 변환하도록 광원에 인접하여 배열된, 파장 변환 층(104)을 포함하는 조명 디바이스(100)의 개략적인 도시이다. 파장 변환 층(104)은 제1 파장을 갖는 빛을 제2 파장을 갖는 빛으로 변환하기 위한 분자들 및 입자들의 형태로서 파장 변환 매질을 포함한다. 여기서, 파장 변환 매질 내의 분자들 및 입자들은 이 경우에서 광원(102)으로부터의 광에 의해 여기된 광자 방출기들에 대응한다. 광자 방출기와 플라즈모닉 안테나 어레이 사이의 거리는 예를 들어 파장 변환 층(104)의 두께를 컨트롤하는 것에 의해 또는 층 내에서의 광자 방출기의 분포를 컨트롤하는 것에 의해 컨트롤될 수 있다. 추가로, 파장 변환 층(104)은 또한 조명 디바이스(100)로부터 빛을 방출하는 방출 층으로서 지칭될 수 있다. 해당 분야의 숙련된 자에게 알려진 상이한 유형들의 파장 변환 물질들이 이용될 수 있다. 파장 변환 물질들은 또한 형광성(fluorescent)의 물질들, 인광체들 또는 염료들로 지칭될 수 있다. 또한, 이 응용에서 양자점들 또는 희토류 이온들을 파장 변환 광자 방출기로 이용하는 것이 가능하다. 여기서, 광원(102)은 반도체 기판(108) 내에 형성된 반도체 발광 다이오드에서와 같이, 빛이 방출되는 영역으로 도시된다. 그러나, 외부 에너지 소스(102)는 파장 변환 물질 및 조명 디바이스의 나머지 부분으로부터 거리를 두고 별개로 배열된 발광 다이오드 또는 레이저와 같은 개별 구성요소와 매우 동등할 수 있다. 조명 디바이스(100)는 도 1b에 의해 도시된 것처럼 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(106)를 포함하는 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이(114)를 더 포함한다. 안테나 어레이는 여기서 광자 방출기 및 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템에 의해 광자들이 방출될 수 있도록 광자 방출기들에 결합되도록, 기판(108) 상에 및 파장 변환 층(104) 내에 배열된다. 따라서, 안테나 어레이는 개별 안테나 요소들 내의 국부화된 표면 플라즈몬 공진들의 회절 커플링에서 발생하는, 광자 방출기에 의해 방출되는 광자들의 파장에서의 표면 격자 공진들을 지원하도록 구성된다. 도 1a 내지 1c에서, 안테나 요소들(106)은 정사각형 단면을 갖는 것으로 도시되지만, 안테나 요소들은 다각형 또는 원형 단면을 매우 동등하게 가질 수 있다. 추가로, 플라즈모닉 안테나 어레이는, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 광 분포(110)에 의해 도시된 것처럼 이방성 각도 분포를 갖도록, 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성된다. 플라즈모닉 안테나 어레이(114)로부터의 이방성 각도 분포는, 안테나 어레이(114)에 의해 방출되는 빛이 기판을 향해 방출되는 것보다 조명 디바이스의 방출 표면(112)을 향해 더 많이 방출되는 효과를 갖는다. 플라즈모닉 안테나 어레이는 또한 반대의 효과, 즉, 안테나 어레이에 의해 방출되는 빛이 발광 표면을 향해 방출되는 것에 비교하여 기판을 향해 더 많이 방출되는 효과를 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 예를 들어 투명(transparent) 기판을 이용하는 경우 유용할 수 있다. 또한, 발광 표면(112)으로부터 방출된 빛의 각도 분포는 빛이 미리 결정된 각도 범위 내에서 방출되도록 각도(116)에 의해 도시된 바와 같이 컨트롤될 수 있다.
면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들은, 플라즈모닉 안테나 어레이가 배열되는 층의 굴절률을 기판(108)의 굴절률과 상이하도록 선택하는 것에 의해 도 1a 내지 1c에서 도시된 것처럼 달성될 수 있다.
면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들은 또한 절단 원추의 안테나 요소(202)가 보여지는 도 2a 및 2b의 조명 디바이스(200)에서 도시된 것처럼 비대칭 안테나 요소들을 이용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 임의의 다각형 밑면을 가지는 원추, 피라미드, 또는 절단 피라미드 같은 다른 비대칭 형상들이 또한 가능하다.
도 3은 안테나 요소들(106)이 기판(108) 상에 배열되고 중간 층(302)에 내장되며, 그 중간 층의 최상부에 파장 변환 층(104)이 배열된 조명 디바이스(300)를 도시한다. 여기서, 중간 층(302)의 굴절률은 파장 변환 층(104)의 굴절률과 상이하고, 그에 의해 안테나 요소들(106)에 의해 보여지는 비대칭 유전체 환경을 통해 면외 비대칭이 달성된다.
도 4a는 130 nm의 하단(402) 직경, 60 nm의 상단(404) 직경 및 130 nm의 높이(406)를 갖는 알루미늄 나노입자 형태의 안테나 요소를 도시한다. 도 4b, 4c 및 4d는 어떻게 안테나 요소(400)의 하단(402) 및 상단(404)이 상이한 파장들을 위한 상이한 국부화된 공진 모드들을 지원하는지의 수치적 시뮬레이션들을 더 보여준다. 특히, 안테나 요소(400)의 더 작은 상단(404)의 공진 모드들은 파장 스펙트럼의 청색단 쪽으로 더 가고, 안테나 요소(400)의 더 큰 하단(402)의 공진 모드들은 적색단 쪽으로 더 가는 것을 볼 수 있다. 추가로, 안테나 요소의 높이는 상단과 하단 공진 모드들 사이의 커플링을 결정하는 데에 중요하다.
도 5a는 안테나 요소들이 140 nm의 하단 직경, 80 nm의 상단 직경 및 150 nm의 높이를 갖는 절단 원추의 형태로서 제공되는 안테나 어레이를 포함하는 조명 디바이스(500)를 개략적으로 도시한다. 안테나 요소들(506)은 400 nm의 피치를 갖는 정사각형 어레이로 배열된다. 추가로, 안테나 요소들(506)은 1.44의 굴절률을 갖는 SiO2 층 상에 배열되고, 그것들은 적색 염료를 포함하고 1.58의 굴절률을 갖는 파장 변환 층(504)에 내장된다. 파장 변환 층(504)은 1의 굴절률을 갖는 공기에 접촉한 다른 면 상에 있다. 도 5a에서, 광원은 보이지 않는다.
도 5a에서 도시된 조명 디바이스(500)에 대하여, 도 5b는 442 nm의 파장을 갖는 빛이 예를 들어 청색 LED일 수 있는 광원에 의해 제공되는 경우, 650 nm의 파장을 갖는 빛의 방출을 보이는 결과적인 극좌표이다. 도 5b에서, 0°및 180°는 디바이스의 발광 표면(112)에 수직인 방향들에 대응하고, 0°는 파장 변환 층(504)으로부터 SiO2 층(502)을 향하는 방향이고, 180°는 발광 표면(112)에 수직인 주위 공기를 향하는 방향이다. 보여진 것처럼, 방출은 조명 디바이스의 표면에 수직인 반대 방향들에서 방출되는 빛의 양에 관해서도, 그리고 각각의 방향들에서의 빔의 형상에 관해서도 이방성이다. 도시된 각도 분포는 광원의 위치에 실질적으로 독립적임에 더 주목해야 하고, 이는 원칙적으로 광원이 도 5a에 보여지는 구조의 어느 면 상에서도 놓여질 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 투명 기판들을 이용하는 것에 의해, 이는 조명 디바이스의 구성에서 증가된 유동성(flexibility)을 제공한다.
도 6은 상이한 플라즈모닉 안테나 어레이들(602, 604)이 조명 디바이스(600)의 상이한 영역 부분들 상에 배열되는 조명 디바이스(600)의 예를 도시한다. 그것에 의해, 각각의 플라즈모닉 안테나 어레이는 가시 스펙트럼의 부분집합일 수 있는 미리 결정된 파장 범위 내에서 빛을 방출하도록 조정될 수 있고, 따라서 조명 디바이스로부터 전체 방출은 안테나 어레이들의 구성에 의해 결정되는 각도 분포를 갖는 백색광의 균일한(homogeneous) 방출로서 제공되게 된다. 쉽게 인지되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 임의의 수의 상이하게 구성된 안테나 어레이들은 원하는 방출 속성들을 달성하도록 조합될 수 있다.
본 발명이 그것의 구체적인 대표하는 실시예들을 참조하여 설명되었다 하더라도, 많은 상이한 변화들, 수정들 및 유사한 것들은 해당 분야의 숙련된 기술자들에게 분명해질 것이다. 예를 들어, 플라즈모닉 안테나 어레이는 방출된 빛의 상이한 비대칭 각도 분포들을 달성하기 위한 많은 상이한 방식들로 구성될 수 있다. 추가로, 조명 디바이스는 또한 상이한 파장들 또는 상이한 파장 범위 내에서 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 특히, 조명 디바이스가 주로 가시광의 방출을 참조하여 설명되었다 하더라도, 본 발명의 다양한 실시예들은 자외선 또는 적외선 스펙트럼에서 빛을 방출하는 것이 바람직할 수 있는 응용들에 동등하게 적용 가능하다. 또한, 시스템의 부분들이 다양한 방식들로 생략, 교환 또는 배열될 수 있으면서도, 조명 디바이스가 여전히 본 발명의 기능을 수행할 수 있음에 유의해야 한다.
추가로, 본 명세서의 실시예들의 변형들은 도면들, 명세서, 및 첨부된 청구항들의 연구로부터, 주장되는 발명의 실시에서 숙련된 자에 의해 이해되고 유효화될 수 있다. 청구항들에서, 단어 "포함하는(comprising)"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사 "하나(a)" 또는 "하나(an)"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 방법들이 상호 다른 종속항들에 기재되었다는 단순한 사실은 이러한 수단들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
Claims (15)
- 조명 디바이스(illumination device)(100, 150, 200, 300)로서,
안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(106)를 포함하는 주기적(periodic) 플라즈모닉 안테나 어레이(plasmonic antenna array)(114) - 상기 플라즈모닉 안테나 어레이는, 상기 개별 안테나 요소들 내의 국부화된 표면 플라즈몬 공진들(localized surface plasmon resonances)의 회절 커플링(diffractive coupling)에서 발생하는, 제1 파장에서의 표면 격자 공진들을 지원하도록 구성됨 -, 및
상기 제1 파장에서 광자들을 방출하도록 구성되는 광자 방출기(152) - 상기 광자 방출기는, 상기 방출된 광자들의 적어도 일부가 상기 광자 방출기 및 상기 플라즈모닉 안테나 어레이를 포함하는 결합된 시스템(coupled system)에 의해 방출되도록, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이의 가까운 근방에 배열됨 -
를 포함하고,
상기 플라즈모닉 안테나 어레이는, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 상기 안테나 어레이 평면에 관한 이방성 각도 분포(anisotropic angle distribution)를 가지도록, 면외 비대칭(out-of plane asymmetric)인 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되는, 조명 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 광자 방출기는 상기 방출된 광자들의 다수가 상기 광자 방출기 및 상기 플라즈모닉 안테나 어레이를 포함하는 상기 결합된 시스템에 의해 방출되도록, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 거리를 두고 배열된, 조명 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광자 방출기는 외부 에너지 소스(102)에 의해 여기되는(excited) 것이 가능한 포인트 방출기이고, 상기 포인트 방출기는 희토류 이온들(rare earth ions), 염료 분자들(dye molecules), 양자점들(quantum dots) 및 금속 클러스터들(metal clusters)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 조명 디바이스.
- 제3항에 있어서, 광자 방출기, 전자 방출기, x선 방출기 또는 감마선 방출기, 또는 전자-정공 쌍 형태의 외부 에너지 소스를 더 포함하는, 조명 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 광자 방출기는 발광 다이오드 또는 고체 상태 레이저인, 조명 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이는, 상기 안테나 어레이 평면에 수직인 제1 방향에서 방출된 빛의 제1 부분이 상기 안테나 어레이 평면에 수직인 제2 방향에서 방출된 빛의 제2 부분보다 더 크도록, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포를 가지도록 구성되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향의 반대인, 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이는, 상기 안테나 어레이 평면에 관한 제1 방향에서의 제1 각도 분포가 상기 안테나 어레이 평면에 관한 제2 방향에서의 제2 각도 분포와 상이하도록, 상기 플라즈모닉 안테나 어레이로부터 방출된 빛이 이방성 각도 분포를 가지도록 구성되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향의 반대인, 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 요소들(114)은 제1 굴절률을 갖는 제1 층(108) 상에 배열되고, 상기 안테나 요소들은 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층(104)에 내장되는(embedded), 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 요소들(106)은 제1 층(108) 상에 배열되고 제2 층(302)에 내장되고 제2 층(302)에 의해 덮이고(covered), 제3 층(104)은 상기 제2 층(302) 상에 배열되고, 상기 제3 층은 상기 제2 층의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는, 조명 디바이스(300).
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 요소 각각은 비대칭의 형상을 갖는, 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 요소 각각은 피라미드, 절단(truncated) 피라미드, 원추 또는 절단 원추의 형상을 갖는, 조명 디바이스.
- 제11항에 있어서, 절단 피라미드 형상의 안테나 요소는 100 내지 300 nm 범위의 하단면 길이 및 30 내지 150 nm 범위의 상단면 길이를 가지고, 절단 원추 형상의 안테나 요소는 100 내지 300 nm 범위의 하단 직경 및 30 내지 100 nm 범위의 상단 직경, 및 50 내지 400 nm 범위 또는 100 내지 200 nm 범위의 높이를 가지는, 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 요소들은 Ag, Al, Ga 및 Au를 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는, 조명 디바이스.
- 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조명 디바이스의 제1 부분 내의 제1 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이(602) 및 상기 조명 디바이스의 제2 부분 내의 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이(604)를 포함하고,
상기 제1 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 제1 파장 범위에서 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되고, 상기 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 상기 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 면외 비대칭 플라즈몬 공진 모드들을 포함하도록 구성되는, 조명 디바이스(600). - 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 비중첩(non-overlapping)이고 동일한 평면에 배열되거나, 상기 제1 및 제2 주기적 플라즈모닉 안테나 어레이는 상이한 평면들에 배열되는, 조명 디바이스(600).
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