KR102251512B1 - 광변조 소자 - Google Patents

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Abstract

기판, 상기 기판 상에 배치되는 상부 투명 전극, 상기 기판과 상기 상부 투명 전극 사이에 챔버를 제공하는 격벽, 상기 챔버 내에 제공되되 상기 기판 상에 배치되는 광변조부, 및 상기 챔버를 채우고, 이온 상태의 제 1 금속을 포함하는 전해질을 포함하는 광변조 소자를 제공하되, 상기 광변조부는 상기 기판 상의 반사층, 및 상기 반사층 상의 하부 투명 전극을 포함할 수 있다.

Description

광변조 소자{OPTICAL MODULATOR}
본 발명은 광변조 소자에 관한 것으로, 상세하게는 광 위상변조 소자에 관한 것이다.
최근, 보다 자연스런 입체 영상을 표시하기 위해 홀로그래픽 3차원 영상 표시장치(Holographic 3D image display)가 연구되고 있다. 광은 세기 정보와 위상 정보를 가지는 파동으로 생각할 수 있으며, 홀로그래피 기술은 광의 위상과 광의 세기 제어를 통해 영상을 표시한다. 따라서, 홀로그래픽 3차원 영상 표시장치는 광의 진폭(세기) 또는 위상을 제어할 수 있는 소자가 필요하다.
홀로그래피 영상을 구현하는 공간 광변조기(Space Light Modulator; SLM)는 입사광의 진폭(amplitude)을 변조하는 방식과 위상(phase)를 변조하는 방식이 연구되고 있다. 진폭변조 방식은 광 투과도나 광 반사도를 전기적으로 제어하는 방식이며, 위상변조 방식은 투과 또는 반사되는 광의 위상을 제어하는 방식이다.
현재, 위상 변조 방식의 공간 광변조기는 액정(Liquid Crystal)이 주로 이용되고 있다. 홀로그래피 영상 소자의 가장 중요한 성능인 영상의 시야각은 공간 광변조기의 픽셀 피치가 작을수록 우수해지며, 미세 픽셀 피치를 가지는 소자에 대한 요구가 증가하고 있다. 하지만, 액정을 이용한 광 변조기의 경우 픽셀 피치가 작아질 경우 인가 전기장의 퍼짐 현상 때문에 픽셀 간섭을 피하기 어려워 미세 피치 소자의 적용에 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 반사율을 갖는 광변조 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 큰 위상차를 만들 수 있는 광변조 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 미세 픽셀로 제작할 수 있는 광변조 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 상부 투명 전극, 상기 기판과 상기 상부 투명 전극 사이에 챔버를 제공하는 격벽, 상기 챔버 내에 제공되되 상기 기판 상에 배치되는 광변조부, 및 상기 챔버를 채우고, 이온 상태의 제 1 금속을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 광변조부는 상기 기판 상의 반사층, 및 상기 반사층 상의 하부 투명 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부 투명 전극에 음의 전위가 인가될 때, 상기 하부 투명 전극 표면에 금속층이 전착될 수 있다. 상기 금속층은 상기 제1 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반사층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부 투명 전극은 10나노미터 내지 300나노미터의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 투명전극의 일면 상에 배치되고, 상기 전해질과 접하는 이온저장층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온저장층은 타이타늄 산화물(TiO2), 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Sb-doped SnO2), 세륨 산화물-타이타늄 산화물(CeO2-TiO2) 또는 세륨 산화물-실리콘 산화물(CeO2-SiO2)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판과 상기 광변조부 사이에 배치되는 제1 절연층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버 내에 제공되고, 상기 광변조부의 측면 및 상면의 일부를 덮는 제 2 절연층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판과 상기 광변조부들 사이에 배치되는 구동부를 더 포함할 수 있다. 상기 구동부는 박막 트렌지스터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광변조 소자는 가역적인 전기 증착을 이용하여 광이 반사되는 층을 변경할 수 있다. 따라서, 반사되는 광에 경로차가 발생될 수 있으며, 본 발명에 따른 광변조 소자에서 변조되는 반사광은 큰 위상차를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 광변조 소자는 위상의 변화에 관계없이 높은 반사율을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 광변조 소자의 광변조부들은 각각 개별적으로 구동되며, 상호 간섭되지 않을 수 있다. 따라서, 광변조부들 간의 피치를 줄일 수 있으며, 본 발명에 따른 광변조 소자는 미세 픽셀을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자의 구동을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자의 변형예들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 및 도 6b는 실험예 1의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 실험예 1의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제 2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들 참조하여 본 발명의 개념에 따른 광변조 소자를 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1을 참조하여, 하부 기판(112)이 제공될 수 있다. 하부 기판(112)은 유리 기판 또는 실리콘 기판을 포함할 수 있다.
제 1 절연막(122)이 하부 기판(112) 상에 배치될 수 있다. 제 1 절연막(122)은 후술되는 하부 투명 전극(134) 및 반사층(132)으로부터 하부 기판(112)을 절연시키기 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 절연막(122)은 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 제 1 절연막(122)은 필요에 따라 생략될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(112)이 절연성 물질을 포함하는 경우, 제 1 절연막(122)은 제공되지 않을 수 있다.
상부 투명 전극(160)이 제 1 절연막(122) 상에 배치될 수 있다. 상부 투명 전극(160)은 가시광의 영역에서 투명할 수 있다. 상부 투명 전극(160)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를 포함할 수 있다.
상부 기판(114)이 상부 투명 전극(160) 상에 배치될 수 있다. 상부 기판(114)은 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 상부 기판(114)은 유리 기판을 포함할 수 있다.
격벽(140)이 제 1 절연막(122)과 상부 투명 전극(160) 사이에 배치될 수 있다. 격벽(140)은 제 1 절연막(122)과 상부 투명 전극(160) 사이에 챔버(150)를 제공할 수 있다. 상세하게는, 격벽(140)은 제 1 절연막(122)과 상부 투명 전극(160)을 이격시키며, 제 1 절연막(122)과 상부 투명 전극(160) 사이를 밀폐할 수 있다.
챔버(150)는 그의 내부에 전해질이 채워질 수 있다. 전해질은 지지 전해질(supporting electrolyte) 및 제 1 금속을 포함할 수 있다. 지지 전해질은 리튬(Li) 기반의 전해질 또는 극성 용매 기반의 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 극성 용매는 물, 프로필렌카보네이트 (Propylene carbonate) 또는 다이메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 포함할 수 있다. 지지 전해질은 리튬(Li) 이온, 구리(Cu) 이온 또는 브롬(Br) 이온을 포함할 수 있다. 제 1 금속은 은(Ag), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 금속은 이온의 형태로 용매에 포함될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 전해질은 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 첨가제는 전해질의 점도를 조정하기 위하여 제공될 수 있다 예를 들어, 첨가제는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alchol, PVA) 또는 폴리 에틸렌 옥사이드(poly(ethylene oxide), PEO)를 포함할 수 있다.
챔버(150) 내에 광변조부(130)가 배치될 수 있다. 광변조부(130)는 제 1 절연막(122)의 상면 상에 배치될 수 있다. 광변조부(130)는 상부 기판(114) 및 상부 투명 전극(160)을 통해서 입사되는 광을 변조 및 반사시킬 수 있다. 이에 대해서는, 뒤에서 도 3A 및 도 3B를 참조하여 자세히 설명한다. 광변조부(130)는 반사층(132) 및 하부 투명 전극(134)을 포함할 수 있다.
제 1 절연막(122) 상에 반사층(132)이 배치될 수 있다. 반사층(132)은 반사율이 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사층(132)은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 반사층(132)은 거울 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 반사층(132)은 상부 기판(114) 및 상부 투명 전극(160)을 통해서 입사되는 광을 반사시킬 수 있다.
반사층(132) 상에 하부 투명 전극(134)이 배치될 수 있다. 하부 투명 전극(134)은 10나노미터 내지 300나노미터의 두께를 가질 수 있다. 하부 투명 전극(134)은 가시광의 영역에서 투명할 수 있다. 하부 투명 전극(134)은 ITO 또는 FTO를 포함할 수 있다.
제 1 절연막(122) 상에 제 2 절연막(124)이 배치될 수 있다. 상세하게는, 제 2 절연막(124)은 광변조부(130)의 측면 및 상면의 일부를 덮을 수 있다. 즉, 제 2 절연막(124)은 하부 투명 전극(134)의 상면의 일부를 노출시킬 수 있다. 제 2 절연막(124)에 의해 후술되는 광변조 소자의 동작 과정에서 하부 투명 전극(134) 상에 금속층(136, 도3a 참조)이 전착되는 영역이 정의될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 2 절연막(124)은 필요에 따라 제공되지 않을 수도 있다.
다른 실시예들에 따르면, 광변조 소자는 이온 저장층(ion storage layer, 170)을 더 포함할 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이온 저장층(170)은 상부 투명 전극(160)의 하면 상에 배치될 수 있다. 즉, 이온 저장층(170)은 챔버(150) 내의 전해질과 접할 수 있다. 이온 저장층(170)은 가시광의 영역에서 투명할 수 있다. 더하여, 산화된 상태 또는 환원된 상태의 이온 저장층(170) 또한 가시광의 영역에서 투명할 수 있다. 예를 들어, 이온 저장층(170)은 타이타늄 산화물(TiO2), 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Sb-doped SnO2), 세륨 산화물-타이타늄 산화물(CeO2-TiO2) 또는 세륨 산화물-실리콘 산화물(CeO2-SiO2)을 포함할 수 있다. 이온 저장층(170)은 광변조 소자의 구동에서 쌍안정성(bi-stability)을 향상시키기 위하여 제공될 수 있다. 이에 대해서는, 뒤에서 광변조 소자의 구동과 함께 자세히 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자의 구동을 상세히 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자의 구동을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a를 참조하여, 하부 투명 전극(134) 및 상부 투명 전극(160) 사이에 전원(V1)이 공급될 수 있다. 예를 들어, 하부 투명 전극(134)은 음극(cathode)일 수 있다. 상부 투명 전극(160)은 양극(anode)일 수 있다. 즉, 하부 투명 전극(134)은 상부 투명 전극(160)보다 낮은 전위를 가질 수 있다. 음극(cathode)인 하부 투명 전극(134)은 전해질에 전자를 제공할 수 있다. 전해질 내의 제 1 금속의 이온은 하부 투명 전극(134)으로부터 전자를 받아, 하부 투명 전극(134) 상에 전착(전기 증착, electro deposition)될 수 있다. 하부 투명 전극(134) 상에 전착된 제 1 금속은 금속층(136)을 형성할 수 있다. 금속층(136)은 상부 기판(114) 및 상부 투명 전극(160)을 통해 입사된 광(L)을 반사시킬 수 있다. 즉, 광변조 소자는 금속층(136)에서 광(L)을 반사시키는 제 1 모드로 구동될 수 있다.
도 3b를 참조하여, 하부 투명 전극(134) 및 상부 투명 전극(160)에 상기와 반대의 전원(V2)이 공급될 수 있다. 예를 들어, 하부 투명 전극(134)은 양극(anode)일 수 있다. 상부 투명 전극(160)은 음극(cathode)일 수 있다. 즉, 하부 투명 전극(134)은 상부 투명 전극(160)보다 높은 전위를 가질 수 있다. 양극인 하부 투명 전극(134)은 금속층(136)으로부터 전자를 제공받을 수 있다. 금속층(136)은 하부 투명 전극(134)에 전자를 제공하고 제 1 금속 이온으로 이온화 될 수 있다. 제 1 금속 이온은 전해질로 용해될 수 있다. 이를 통해, 하부 투명 전극(134) 상의 금속층(136)이 제거될 수 있다. 이 때, 광변조 소자는 반사층(132)에서 광(L)을 반사시키는 제 2 모드로 구동될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 다시 참조하면, 광변조 소자에 의해 반사되는 광(L)은 제 1 모드와 제 2 모드에서 다른 경로를 따를 수 있다. 상세하게는, 제 1 모드에서 광(L)은 금속층(136)의 상면에서 반사될 수 있다. 제 2 모드에서 광(L)은 반사층(132)의 상면에서 반사될 수 있다. 금속층(136)의 상면은 반사층(132)의 상면보다 하부 투명 전극(134)의 두께(h1) 및 금속층(136)의 두께(h2)의 합만큼 높을 수 있다. 따라서, 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)은 하부 투명 전극(134)의 두께(h1) 및 금속층(136)의 두께(h2)와 관계하여 아래와 같은 경로차를 가질 수 있다.
Δx=2·(h1·n1+h2·n2)
여기서, Δx는 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)의 경로차, h1은 투명 전극(134)의 두께, n1은 투명 전극(134)의 굴절률, h2는 금속층(136)의 두께, n2는 금속층(136)의 굴절률를 의미한다.
제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)은 경로차를 가질 수 있으며, 동일 지점에서 다른 위상을 가질 수 있다. 즉, 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)은 위상차를 가질 수 있다. 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)의 위상차는 다음의 식에 의해 계산될 수 있다.
ΔΦ=2π·Δx/λ
여기서, ΔΦ는 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)의 위상차, Δx는 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)의 경로차, λ는 광(L)의 파장을 의미한다.
제 1 모드에서 반사되는 광들(L)의 경로는 하부 투명 전극(134)의 두께(h1) 및 금속층(136)의 두께(h2)에 따라 바뀔 수 있다. 즉, 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들(L)의 위상차는 하부 투명 전극(134)의 두께(h1) 및 증착되는 금속층(136)의 두께(h2)를 통해 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 광변조 소자는 전기 증착을 이용하여 광(L)이 반사되는 층을 변경할 수 있다. 따라서, 반사되는 광(L)에 경로차가 발생될 수 있으며, 본 발명에 따른 광변조 소자에서 변조되는 반사광은 큰 위상차를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이온 저장층(170)을 포함하는 광변조 소자는 쌍안정성(bi-stability)이 향상될 수 있다.
상세하게는, 제 1 모드에서 전해질 내의 제 1 금속이 전착되는 반응은 환원 반응일 수 있다. 하부 투명 전극(134) 상에서 제 1 금속이 환원되는 동안, 상부 투명 전극(160) 상에서 짝이온이 형성될 수 있다.
광변조 소자가 이온 저장층(170)을 포함하는 경우, 하부 투명 전극(134) 및 상부 투명 전극(160)에서 각각 산화 반응 및 환원 반응이 일어날 수 있다. 이때, 상부 투명 전극(160) 상에서 짝이온(예를 들어, 구리 이온(Cu2+))이 형성되는 것이 아니라, 음극인 상부 투명 전극(160) 상의 이온 저장층(170)이 산화될 수 있다. 즉, 상부 투명 전극(160) 상에 고정된 이온 저장층(170)이 산화됨으로써 전해질 내의 전하 균형이 안정될 수 있다. 이를 통해, 광변조 소자의 쌍안정성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 따른 광변조 소자는 위상의 변화에 관계없이 높은 반사율을 가질 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자의 변형예들을 설명하기 위한 단면도들이다. 설명의 편의를 위해, 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자는 복수의 광변조부들(130a, 130b)을 포함할 수 있다. 상세하게는, 광변조부 들(130a, 130b)은 챔버(150) 내에 제공되는 제 1 광변조부(130a) 및 제 2 광변조부(130b)를 포함할 수 있다. 제 1 광변조부(130a) 및 제 2 광변조부(130b)는 제 1 절연막(122)의 상면 상에 배치되되, 서로 이격될 수 있다. 제 1 광변조부(130a) 및 제 2 광변조부(130b)는 각각 광변조 소자의 화소들(pixels)일 수 있다. 도시된 광변조 소자는 두 개의 광변조부들을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것을 아니다. 본 발명의 실시예들에 따른 광변조 소자는 챔버 내에 배치되는 두 개 이상의 광변조부들을 포함할 수 있다.
제 1 광변조부(130a)는 제 1 반사층(132a) 및 제 1 하부 투명 전극(134a)을 포함할 수 있다. 제 1 반사층(132a)은 제 1 절연막(122) 상에 배치되고, 제 1 하부 투명 전극(134a)은 제 1 반사층(132a) 상에 배치될 수 있다. 제 1 하부 투명 전극(134a)은 제 1 반사층(132a)과 함께 거울 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 반사층(132a)은 상부 기판(114) 및 상부 투명 전극(160)을 통해서 입사되는 광을 반사시킬 수 있다.
제 2 광변조부(130b)는 제 2 반사층(132b) 및 제 2 하부 투명 전극(134b)을 포함할 수 있다, 제 2 반사층(132b)은 제 1 절연막(122) 상에 배치되고, 제 2 하부 투명 전극(134b)은 제 2 반사층(132b) 상에 배치될 수 있다. 제 2 하부 투명 전극(134b)은 제 2 반사층(132b)과 함께 거울 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 반사층(132b)은 상부 기판(114) 및 상부 투명 전극(160)을 통해서 입사되는 광을 반사시킬 수 있다.
상부 투명 전극(160)은 제 1 하부 투명 전극(134a) 및 제 2 하부 투명 전극(134b)의 공통 전극일 수 있다. 예를 들어, 상부 투명 전극(160)에 기준 전압이 인가될 수 있다. 제 1 하부 투명 전극(134a)에 제 1 광변조부(130a) 의 구동을 위한 전압이 인가되고, 제 2 하부 투명 전극(134b)에 제 2 광변조부(130b)의 구동을 위한 전압이 인가될 수 있다. 즉, 광변조부들은 능동 구동방식(active matrix)에 의해 개별적으로 구동될 수 있다. 제 1 광변조부(130a) 및 제 2 광변조부(130b)은 서로 개별적으로 구동되며, 상호 간섭 요소(예를 들어, 전기장과 같은)가 없을 수 있다. 따라서, 제 1 광변조부(130a) 및 제 2 광변조부(130b) 간의 피치를 줄일 수 있으며, 본 발명에 따른 광변조 소자는 미세 픽셀을 가질 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 광변조 소자는 이온 저장층(170)을 더 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이온 저장층(170)은 상부 투명 전극(160)의 하면 상에 배치될 수 있다. 이온 저장층(170)은 광변조 소자의 구동에서 쌍안정성(bistability)을 향상시키기 위하여 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 참조하여, 본 발명에 따른 광변조 소자의 광특성을 상세히 설명한다.
광변조 소자의 형성
[실험예 1]
본 발명의 실시예에 따라 하나의 광변조부(130)를 갖는 광변조 소자를 제조하였다. 반사층(132)은 알루미늄(Al)을 이용하여 100nm의 두께로 형성하였으며, 하부 투명 전극(134)은 ITO를 이용하여 80nm의 두께로 형성하였다. 전해질은 은(Ag) 이온을 포함하는 DMSO 전해질을 사용하였다.
[실험예 2]
실험예 1과 동일한 구성의 광변조 소자를 형성하였다. 다만, 하부 투명 전극(134)은 ITO를 이용하여 60nm의 두께로 형성하였다.
광변조 특성 분석
실험예들에 따른 광변조 소자를 제조한 후, 제 1 모드와 제 2 모드에서 반사되는 광들의 위상차를 시뮬레이션 측정하였다. 또한, 제 1 모드 및 제 2 모드에서 광변조 소자의 반사율을 시뮬레이션 측정하였다. 본 시뮬레이션 실험은 제 1 모드에서 전착되는 금속층(136)의 두께는 30nm가 되도록 전압을 인가하는 것으로 설정되었다.
도 6a 및 도 6b는 실험예 1의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다. 도 7a 및 도 7b는 실험예 1의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프들이다. 도 6a 및 도 7a는 입사광의 파장에 따른 반사광의 위상 변화를 나타내는 그래프들이고, 도 6b 및 도 7b는 입사광의 파장에 따른 반사율을 나타내는 그래프들이다.
도 6a를 참조하여, 실험예 1은 제 2 모드(Ag stripped)에서 60% 이상의 반사율을 보여주며, 제 1 모드(Ag deposited)에서도 일부 구간을 제외하고는 80% 이상의 반사율을 보여주었다. 상기 반사율이 0이 되는 영역은 플라즈마 공명(plasma resonance)에 의한 것이며, 하부 투명 전극의 두께를 조정하여 그 파장의 구간을 바꿀 수 있다. 즉, 사용하고자 하는 파장 대역에 따라, 하부 투명 전극의 두께를 조절하여, 높은 반사율을 얻을 수 있다. 6b를 참조하여, 실험예 1은 제 1 모드(plasma resonance)와 제 2 모드(Ag stripped)에서 반사되는 광들의 위상차가 500 nm 내지 700 nm의 파장 대역에서 120° 이상인 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명에 따른 광변조 소자는 반사되는 광을 큰 위상차를 갖도록 변조하는 것을 확인할 수 있다.
도 7a를 참조하여, 실험예 2는 제 2 모드(Ag stripped)에서 60% 이상의 반사율을 보여주며, 제 1 모드(Ag deposited)에서도 일부 구간을 제외하고는 80% 이상의 반사율을 보여주었다. 실험예 1과 비교하여, 하부 투명 전극의 두께에 따라 반사율이 0이 되는 구역이 변경된 것을 확인할 수 있다. 도 7b를 참조하여, 실험예 2는 제 1 모드(Ag deposited)와 제 2 모드(Ag stripped)에서 반사되는 광들의 위상차가 430 nm 내지 700 nm의 파장 대역에서 90° 이상인 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명에 따른 광변조 소자는 반사되는 광이 큰 위상차를 갖도록 변조하는 것을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
112: 하부 기판 114: 상부 기판
122: 제 1 전연막 124: 제 2 절연막
130: 광변조부 132: 반사층
134: 하부 투명 전극 136: 금속층
140: 격벽 150: 챔버
160: 상부 투명 전극 170: 이온 저장층

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 상부 투명 전극;
    상기 기판과 상기 상부 투명 전극 사이에 챔버를 제공하는 격벽;
    상기 챔버 내에 제공되되, 상기 기판의 일면 상에 배치되는 광변조부; 및
    상기 챔버를 채우고, 이온 상태의 제 1 금속을 포함하는 전해질을 포함하고,
    상기 광변조부는:
    상기 기판의 상기 일면 상의 반사층; 및
    상기 반사층 상에 배치되고, 상기 전해질과 접하는 하부 투명 전극을 포함하고,
    상기 광변조부는 상기 상부 투명 전극을 통해서 입사되는 광을 변조 및 반사시키는 광변조 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극에 음의 전위가 인가될 때, 상기 전해질을 향하는 상기 하부 투명 전극 표면에 금속층이 전착되되,
    상기 금속층은 상기 제1 금속을 포함하는 광변조 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 은(Ag), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 포함하는 광변조 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반사층은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 포함하는 광변조 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극은 10나노미터 내지 300나노미터의 두께를 갖는 광변조 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 투명 전극의 일면 상에 배치되고,
    상기 전해질과 접하는 이온저장층을 더 포함하는 광변조 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 이온저장층은 타이타늄 산화물(TiO2), 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Sb-doped SnO2), 세륨 산화물-타이타늄 산화물(CeO2-TiO2) 또는 세륨 산화물-실리콘 산화물(CeO2-SiO2)을 포함하는 광변조 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 광변조부 사이에 배치되는 제1 절연층을 더 포함하는 광변조 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광변조부는 상기 챔버 내에 복수 개로 제공되는 광변조 소자.
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