KR102303796B1 - 다중 공진 모드를 갖는 플라즈모닉 각감응 분광 필터 - Google Patents

다중 공진 모드를 갖는 플라즈모닉 각감응 분광 필터 Download PDF

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Abstract

본 개시에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터는, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)을 갖는 제1 유전체 층, 상기 제1 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층, 및 상기 제1 유전체 층 상에 위치하며 상기 제1 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제1 상부 금속 구조 층을 포함한다. 상기 플라즈모닉 각감응 분광 필터는, 상기 제1 상부 금속 구조 층에 의해 다중 공진 모드를 발현하고, 상기 제1 상부 금속 구조 층과 제1 하부 금속 구조 층에 의해 상기 다중 공진 모드에 추가되어 추가 공진 모드가 발현할 수 있다.

Description

다중 공진 모드를 갖는 플라즈모닉 각감응 분광 필터{PLASMONIC ANGLE-SENSITIVE SPECTRAL FILTER WITH MULTIPLE RESONANCES}
본 개시는 다중 공진 모드를 갖는 플라즈모닉 각감응 분광 필터에 관한 것이다.
다중 분광 영상은 인간의 제한적인 시각 인지 능력을 넘어, 증강된 시각 정보를 제공할 수 있는 차세대 다기능 센싱 기술이다. 도 11에 다중 분광 영상을 활용한 다양한 분야의 이미지를 나타냈다.
최근, 모바일 플랫폼이 대중화됨에 따라 상기 플랫폼에 집적하기 위해 다중 분광 영상 센서의 소형화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 기존의 기술만으로는 소형화에 한계가 있으며 따라서 차세대 센서 기술 개발이 필수적이다.
다중 분광 영상을 위해서는 파장별 이미지를 획득할 수 있게 하는 튜너블(tunable) 필터가 필요하다. 기존 기술들(필터 휠, AOTF, LCTF 등)은 정밀한 단일 피크를 구현할 수는 있지만, 고성능 피크를 구현하기 위해 필요한 광부품의 개수 및 부피 등의 증가로 인해 소형화에 한계점을 갖는다.
본 발명의 일측면에 따르면, 나노 스케일의 초박막 구조만으로 광대역에 걸친 조율 가능한(tunable) 다중 공진 모드의 분광 스캐닝을 구현할 수 있는 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터는, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)을 갖는 제1 유전체 층, 상기 제1 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층, 및 상기 제1 유전체 층 상에 위치하며 상기 제1 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제1 상부 금속 구조 층을 포함한다. 상기 플라즈모닉 각감응 분광 필터는, 상기 제1 상부 금속 구조 층에 의해 다중 공진 모드를 발현하고, 상기 제1 상부 금속 구조 층과 제1 하부 금속 구조 층에 의해 상기 다중 공진 모드에 추가되어 추가 공진 모드가 발현할 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은 상기 유전체 기판 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀 각각은 원형의 횡단면을 가질 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 원형의 나노 디스크로 이루어질 수 있다.
상기 제1 상부 금속 구조 층은 서로 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀 각각의 깊이는 상기 제1 하부 금속 구조 층의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에서 상기 유전체 기판 상에 위치할 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에 각각 형성되고, 상기 복수의 제1 하부 금속 구조 층은 서로 독립적인 층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터는, 상기 제1 하부 금속 구조 층 및 제1 상부 금속 구조 층을 덮도록 상기 제1 유전체 층 상에 위치하고, 복수의 나노 홀을 갖는 제2 유전체 층, 상기 제2 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제2 하부 금속 구조 층, 및 상기 제2 유전체 층 상에 위치하며 상기 제2 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제2 상부 금속 구조 층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 유전체 층은 상기 제1 유전체 층의 나노 홀을 메우고 상기 제1 하부 금속 구조 층 상에 형성될 수 있다.
상기 제1 유전체 층의 나노 홀과 상기 제2 유전체 층의 나노 홀은 평면상에서 볼 때 서로 중첩되게 배치될 수 있다.
상기 유전체 기판의 주면에 수직하게 측정된 두께는 1 내지 3㎛의 범위에 속하도록 형성될 수 있다.
상기 유전체 기판과 상기 제1 상부 금속 구조 층 사이에서의 수직 거리로 측정되는 상기 제1 유전체층의 높이는 260 내지 300nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예의 플라즈모닉 각감응 분광 필터에 의하면, 나노 스케일의 초박막 구조만으로 광대역에 걸친 조율 가능한 다중 공진 파장을 구현할 수 있기 때문에 센서의 초소형화에 매유 유리하고, 다중 피크를 이용한 분광 정보 복원이 가능하다.
또한, 이상적으로 무한대의 필터 세트를 구현할 수 있으며, 광센서의 공간을 분할하여 사용할 필요가 없다.
또한 이차원적인 구조 주기(나노 홀 어레이, 나노 디스크 어레이 등)를 상정함으로서, 일차원적인 구조에 비해, 빛의 편광 성분에 따른 투과 특성 오차를 배제할 수 있다. 즉, 추가적인 편광판(Polarizer)이 불필요하기 때문에 소형화에 이점을 가진다.
뿐만 아니라, 본 발명은 기존의 상용화된 광센서의 작동 범위인 400 ~ 1100nm 대역을 모두 포함하기 때문에 추가적인 필터, 예를 들어, 근적외선 차단 필터 등이 필요 없으며, 이에 따른 소형화의 이점을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 공진 모드를 갖는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 단위 구조를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 단면도이다.
도 4는 회절 차수(grating orders)와 유전 상수(dielectric constant)에 따른 공진 파장의 변동을 설명하기 위한 것으로, (a)는 도 1에 도시한 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 일부 단면도이고, (b)는 회절 차수와 유전 상수에 따른 공진 파장을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4에 나타낸 회절 차수 및 유전 상수에 의한 다중 공진 모드 발현과 서로 다른 두 나노 구조(상층부 나노 홀 구조 및 하층부 나노 디스크 구조)의 결합에 따른 추가 공진 모드가 발생하는 것을 파장과 투과도 관계의 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 도 5에 나타낸 서로 다른 두 나노 구조의 결합에 따른 추가 공진 모드가 발생하는 조건을 확인하기 위한 FDTD (Finite-Difference Time-Domain) 계산 및 수치해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 패브리 패롯(Fabry-Perot) 에탈론(Etalon) 필터를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터에서 기능하는 패브리 패롯(Fabry-Perot) 에탈론 효과를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터에서 유전체 기판의 두께 변화에 따른 패브리-패롯 효과를 나타낸 그래프이다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 측단면도와 파장에 따른 투과율 그래프이고, (b)는 (a)에 도시한 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 입사각 변화에 따른 공진 모드 분할 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 다중 분광 영상을 활용한 다양한 분야의 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 공진 모드를 갖는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 단위 구조를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(100)는 유전체 기판(110)과, 이 유전체 기판(110) 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)(121)을 갖는 제1 유전체 층(120)을 포함할 수 있다. 제1 유전체 층(120)의 복수의 나노 홀(121) 내에는 제1 하부 금속 구조 층(132)이 위치하고, 제1 유전체 층(120) 상에는 제1 상부 금속 구조 층(134)이 위치할 수 있다. 따라서 제1 하부 금속 구조 층(132)과 제1 상부 금속 구조 층(134)은 서로 다른 층을 이루며 나노 홀(121)의 깊이 방향으로 서로 이격되어 형성될 수 있다.
제1 유전체 층(120)에 하방으로 미리 설정된 깊이만큼 홈을 형성하여 복수의 나노 홀(121)이 제공될 수 있다. 일례로 나노 홀(121)의 깊이가 제1 유전체 층(120)의 두께만큼 형성되면 나노 홀(121)은 제1 유전체 층(120)을 관통하게 되고, 이렇게 형성된 제1 유전체 층(120)이 유전체 기판(110) 상에 결합됨으로써 나노 홀(121)은 하방이 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 이 때 유전체 기판(110)과 제1 유전체 층(120)은 서로 동일한 물질로 이루어지거나 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
복수의 나노 홀(121)은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성될 수 있으며, 유전체 기판(110) 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬될 수 있다. 즉, 복수의 나노 홀(121)은 유전체 기판(110)의 평면상에서 보았을 때 서로 수직한 방향을 따라서 서로 인접하며 배치될 수 있다. 나노 홀(121) 각각은 일례로 원형의 횡단면을 가질 수 있다. 이러한 나노 홀(121)은 제1 유전체 층(120)의 두께방향으로 원형의 횡단면을 갖는 홈이 연장되면서 원통의 구조를 형성할 수 있다.
원형의 횡단면을 갖는 나노 홀(121) 내에 형성되는 제1 하부 금속 구조 층(132)은 원형의 나노 디스크로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 하부 금속 구조 층(132)은 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121) 내부 바닥에 위치할 수 있으며, 일례로 나노 홀(121)이 관통 구멍이면 제1 하부 금속 구조 층(132)은 나노 홀(121) 내에서 유전체 기판(110) 상에 위치할 수 있다.
또한 복수의 나노 홀(121) 각각의 깊이는 제1 하부 금속 구조 층(132)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다. 즉, 제1 하부 금속 구조 층(132)은 나노 홀(121)의 깊이보다 얇은 두께로 이루어지며, 나노 홀(121)의 바닥에 인접하여 위치할 수 있다. 제1 하부 금속 구조 층(132)은 복수의 나노 홀(121)마다 각각 위치하여 복수 개가 형성될 수 있다. 복수의 나노 홀(121)이 서로 이격되어 배열되므로 복수의 제1 하부 금속 구조 층(132)은 서로 독립적인 층으로 형성될 수 있다.
제1 유전체 층(120) 상에 위치하는 제1 상부 금속 구조 층(134)은 서로 연결되어 일체로 형성될 수 있다. 제1 상부 금속 구조 층(134)은 평면상에서 볼 때 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121)에 대응하는 부분에 대응 개구(134a)가 형성될 수 있다. 제1 상부 금속 구조 층(134)의 대응 개구(134a)는 일례로 원형의 횡단면을 갖도록 형성될 수 있으며, 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121)의 평면적과 동일한 평면적을 가질 수 있다.
제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 하부 금속 구조 층(132)과 동일한 두께로 이루어질 수 있다. 따라서 제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 유전체 층(120)의 두께보다 더 얇게 형성될 수 있다. 또한 제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 하부 금속 구조 층(132)과 동일한 금속 물질로 이루어질 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터에 의하면, 유전체 기판/금속 나노 홀/유전체 층에 의한 중합체 패턴/금속 나노 디스크로 구성되는 나노 복합 구조체로 이루어져 400 내지 1100 나노미터(nm) 파장 영역에서 2개 이상의 공진모드를 가질 수 있다. 또한 입사각의 변화에 따라 투과 파장이 분할되는 특징을 가지는, 두께 수 마이크로 미터(㎛) 수준의 초박형 복합 구조체를 형성할 수 있다.
상기에서는 유전체 기판(110) 상에 단일층의 제1 유전체 층(120) 및 제1 금속 구조 층(130)이 형성된 나노 복합 구조를 설명하였으나, 본 발명은 동일한 종류 또는 서로 다른 종류의 유전체와 금속의 증착을 반복하여 형성되는 두 개 이상 복층의 유전체 층 및 금속 구조 층의 나노 복합 구조 모두를 포함한다. 또한 본 발명은 유전체 층의 나노 홀 및 금속 구조 층의 패턴은 다양한 크기 및 모양, 주기적/비주기적 패턴, 다양한 분산배치 형태(일례로, 사각격자, 육각격자 등)를 모두 포함한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(200)는 유전체 기판(210) 상에 나노 홀이 패터닝된 유전체 층과 금속 구조 층을 반복하여 형성되는 두 개 이상의 복수 층의 유전체 층과 금속 구조 층의 나노 복합 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 유전체 층(220) 상에 제1 금속 구조 층(230)이 형성되고, 그 위에 다시 제2 유전체 층(240), 제2 금속 구조 층(250)이 차례로 형성되며 최상단에 제2 금속 구조 층(250)을 덮으며 제3 유전체 층(260)이 형성될 수 있다. 이 때 제1 내지 제3 유전체 층(220, 240, 260)은 서로 종류를 달리하는 유전체 물질로 이루어지거나 모두 동일한 종류의 유전체 물질로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 유전체 층(220, 240) 각각은 복수의 나노 홀(221, 241)이 패터닝 되며, 이러한 나노 홀(221, 241) 내에는 제1 금속 구조 층(230) 및 제2 금속 구조 층(250)이 부분적으로 증착되어 위치할 수 있다. 즉, 제1 금속 구조 층(230)은 제1 유전체 층(220)의 나노 홀(221) 내부 바닥에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층(232) 및 제1 유전체 층(220) 상에 위치하는 제1 상부 금속 구조 층(234)을 포함할 수 있다. 또한 제2 금속 구조 층(250)은 제2 유전체 층(240)의 나노 홀(241) 내부 바닥에 위치하는 제2 하부 금속 구조 층(252) 및 제2 유전체 층(240) 상에 위치하는 제2 상부 금속 구조 층(254)을 포함할 수 있다. 따라서 각 유전체 층(220, 240)을 기준으로 상층부 금속 패턴인 상부 금속 구조 층(234, 254)과 하층부 금속 패턴인 하부 금속 구조 층(232, 252)이 상보적 배치로 결합하여 형성될 수 있다.
이 때 제2 유전체 층(240)은 제1 유전체 층(220)의 나노 홀(221)을 메우고 제1 금속 구조 층(230) 상에 형성될 수 있고, 제3 유전체 층(260)은 제2 유전체 층(240)의 나노 홀(241)을 메우고 제2 금속 구조 층(250) 상에 형성될 수 있다. 그리고 제1 유전체 층(220)의 나노 홀(221)과 제2 유전체 층(240)의 나노 홀(241)은 평면상에서 볼 때 서로 중첩되게 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(200)의 나노 복합 구조를 구성하는 금속 구조 층(230, 250)은 이를 통해 자유 전자의 여기 (excitation), 전파 (propagation), 진동 (oscillation) 그리고 공진 (resonance)이 이루어질 수 있으며, 일례로 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 통상의 금속 물질을 적용할 수 있다. 그리고 이러한 금속 구조 층(230, 250)을 둘러싸도록 고체/액체/기체상의 유전체 층이 위치할 수 있다. 이러한 고체/액체/기체상의 유전체는 일반적으로 반도체 공정에서 사용하고 있는 고체 기판들(유리, 실리콘 질화막 등)뿐만 아니라, 중합체(자외선 경화성 고분자 화합물 등)로 이루어진 유전체, 그리고 전술한 금속을 포함하는 고체 구조물을 둘러싸는 액체/기체상 유전체(진공, 물, 에탄올 등)를 포함한다. 또한 유전체 기판(210)의 재료로는 유리, 실리콘, 인듐 주석 산화물(ITO), 실리콘 질화막 등 일반적으로 반도체 공정에서 사용하고 있는 고체 기판 재료들을 포함할 수 있다
도 4는 회절 차수(grating orders)와 유전 상수(dielectric constant)에 따른 공진 파장의 변동을 설명하기 위한 것으로, (a)는 도 1에 도시한 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 일부 단면도이고, (b)는 회절 차수와 유전 상수에 따른 공진 파장을 나타낸 그래프이다.
하기 수학식 1은 회절 차수(grating orders)와 유전 상수(dielectric constant)에 따른 공진 파장(λmax)의 관계식을 나타낸 것이다(H. F. Ghaemi et al., Phys. Rev. B (1998) 참조).
[수학식 1]
Figure 112020032225572-pat00001
여기서, λmax는 플라즈모닉 공진의 중심 파장(center wavelength of plasmonic resonance),εd는 유전체의 유전 상수이고, εm는 금속의 유전 상수이며, (i,j)는 회절 차수의 쌍이다. a는 패턴의 주기(period of pattern)이다. 예시적으로, 공기의 유전 상수(εd1)는 1이고, 은(silver) 박막의 유전 상수(εm)는 700nm 두께일 때 -23.7+0.534i이며, 유리(glass)의 유전 상수(εd2)는 1.4일 수 있다.
상기 수학식 1의 결과인 λmax는 공진 모드의 위치를 의미한다. 이를 기반으로 하여, 도 4의 (b)에 피크 위치를 대략적으로 개시한 것이다. 도 4의 (b) 그래프 상에서 각각의 공진 모드의 위치를 결정하는 방법은 다음과 같다. 굵은 선으로 표시된 700nm 부근에 위치한 모드를 임의로 설정하고, 수학식 1에 근거하여 (i, j)에 따른 비례식으로 계산하여 표시하였으며, 기준이 되는 상기 700nm 부근 모드는 가장 일반적인 유전체인 공기(εd =1)를 가정하였을 때, 계산된 값에 기반한 것이다.
도 4를 참조하여 본 발명의 특징 중 하나인 다중 공진 모드를 발생시키는 원리는 다음과 같다.
금속 나노 패턴은 일반적으로 입사되는 빛에 대해 공진 모드를 가지고 있는데, 나노 패턴이 일정한 간격의 배열로 이루어져 있다면 회절 차수(grating order)를 가지게 되고 이에 따라 광대역에서 다양한 공진 모드가 발생한다. 이 때, 상기 금속 나노 패턴을 둘러싸는 서로 다른 유전 상수(dielectric constant)를 가지는 유전체의 종류가 둘 이상이 되면, 상기 공진 모드의 개수는 서로 다른 유전 상수의 수만큼 더 늘어나게 된다.
따라서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 분광 필터의 나노 복합 구조에서 유전체 기판, 유전체 층, 금속 구조 층의 형상, 종류, 크기 및 두께를 다양하게 변형함으로써 이들 요소에 의해 결정되는 다양한 공진 모드의 개수 및 파장을 포함하도록 설계될 수 있다.
도 5는 도 4에 나타낸 회절 차수 및 유전 상수에 의한 다중 공진 모드 발현과 서로 다른 두 나노 구조(상층부 나노 홀 구조 및 하층부 나노 디스크 구조)의 결합에 따른 추가 공진 모드가 발생하는 것을 파장과 투과도 관계의 그래프로 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 유전체 층의 나노 홀 주변에서 서로 다른 유전 상수를 가지는 유전체와 회절 차수(grating order)에 의한 다중 공진이 발생될 수 있음을 확인할 수 있다(그래프의 ①부분 참조). 또한 금속 구조 층의 나노 디스크(하부 금속 구조 층)가 나노 홀 주변에 인접함에 따라 발생하는 추가 공진도 함께 존재하는 것을 확인할 수 있다(그래프의 ②부분 참조). 또한, 상보적 배치로 결합되는 서로 다른 두 개의 나노 구조 간의 간섭 현상으로 인해 추가적인 공진 모드가 발생할 수 있다.
도 6은 도 5에 나타낸 서로 다른 두 나노 구조의 결합에 따른 추가 공진 모드가 발생하는 조건을 확인하기 위한 FDTD (Finite-Difference Time-Domain) 계산 및 수치해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6에서는 나노디스크(ND), 나노홀(NH), 나노디스크 및 나노홀의 상보 결합 구조(NH+ND) 각각에 대해, 제1 유전체층 높이(H)에 따른 투과 스펙트럼 변화를 나타내었으며, 제1 유전체층의 높이(H)에 따라 추가 공진 파장의 발생 여부 및 및 공진 파장의 위치가 달라질 수 있음을 알 수 있다. 여기서 제1 유전체층의 높이(H)는 유전체 기판과 제1 상부 금속 구조 층 사이에서 측정되는 수직 거리일 수 있다(도 6의 (c) 참조).
나노디스크(ND)와 나노홀(NH)의 경우에는 제1 유전체층 높이(H)가 달라지더라도 추가 공진 파장이 발생하지 않는 것은 물론, 투과스펙트럼 자체의 변화가 미미하다(도 6의 (a) 및 (b)참조). 반면에, 나노디스크와 나노홀의 상보결합 구조(NH+ND)는 제1 유전체층 높이(H)가 260 내지 300nm 범위일 때와 340 내지 380nm 범위일 때, 추가적인 공진 파장이 발생하는 것을 알 수 있다 (도 6의 (c) 참조).
한편, 제1 유전체층의 높이가 340 내지 380 nm 범위일 때 발생하는 추가 공진 파장의 길이는 950nm 이상이기 때문에, 본 발명의 주요 응용 분야인 이미지센서의 일반적인 감광 범위 (400 내지 900nm)를 고려할 때 적합하지 않다. 따라서, 추가 공진 파장을 유도하기 위한 최적의 제1 유전체층의 높이(H)는 260 내지 300nm의 범위에 속하는 값일 수 있다. 즉, 제1 유전체층의 높이(H)가 260nm 미만이면 추가적인 공진 파장이 발생하지 않는 문제가 있고, 300nm 초과이면 추가 공진 파장의 길이가 950nm 이상이 되어 이미지센서의 일반적인 감광 범위(400 내지 900nm)를 고려할 때 적합하지 않은 문제가 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터는 도 5의 결과 및 도 6의 계산 과정에 의해, 다른 유사한 구조와 달리 근적외선(NIR) 영역에서 추가적인 공진모드를 가지도록 미세하고 정밀하게 설계될 수 있다.
도 7은 패브리 패롯(Fabry-Perot) 에탈론(Etalon) 필터를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터에서 기능하는 패브리 패롯(Fabry-Perot) 에탈론 효과를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 7에 나타낸 패브리 패롯(Fabry-Perot) 에탈론 필터(30)는 반사율이 큰 2 장의 거울(32, 36)을 일정 거리에서 마주보게 하고 그 사이에 공동(cavity, 34)을 형성한 구조로 이루어질 수 있다. 공동(34) 안에서 발생한 광파와 반사된 광파가 상보적 간섭 및 상쇄적 간섭을 일으키며, 이중에 특정 파장의 광파만 남고 나머지는 모두 상쇄되어, 특정 파장의 광파 만이 선별적으로 통과하여 출력으로 나타날 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(100)의 최하부에 위치하는 유전체 기판(110)을 얇은 박막으로 유지할 때 패브리-패롯 현상을 유도할 수 있으며, 이로써 공진 모드의 개수를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터에서 유전체 기판의 두께 변화에 따른 패브리-패롯 효과를 나타낸 그래프이다. 여기서 유전체 기판의 두께는 유전체 기판의 주면(main surface)에 수직한 방향으로 측정되는 두께일 수 있다.
도 9의 (a)는 나노 패턴(나노 홀이나 나노 디스크)이 없이 금속 박막, 유전체층, 유전체 기판으로 이루어진 에탈론 구조에 대해 유전체 기판의 두께(L) 변화에 따른 투과 스펙트럼 변화를 나타낸 그래프이다. 유전체 기판의 두께(L)가 두꺼워짐에 따라 패브리-패롯 간섭 공진 모드 개수가 증가함을 알 수 있다.
도 9의 (b)는 (a)에서 개시한 구조와, 본 발명의 실시예 구조, 이상 두 가지 구조에 대해 유전체 기판의 두께(L) 증가에 따른 공진 모드 개수 변화를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 실시예 구조 역시 유전체 기판의 두께(L)가 증가함에 따라 공진 모드의 개수가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상기 결과에 따르면, 무한히 두꺼운 기판에 대해 무한히 많은 공진모드가 존재하나, 기판 재질에서의 광흡수(absorption)로 인해 모드의 세기가 매우 약해지며, 모드와 모드 사이 간격이 매우 좁아짐에 따라 공진모드 또는 피크(peak)로서의 의미가 퇴색될 수 있다.
도 9의 (c)는 유전체 기판의 기울임 각도(θ; 입사각, incident angle)와 유전체 기판의 두께(L) 변화에 따른 광 편차(d)의 변화를 나타낸 그래프이다. 이를 참조하면, 입사각에 따른 공진모드 조율을 위해 기판을
Figure 112020032225572-pat00002
만큼 기울이게 되면, 빛의 굴절(deflection) 현상에 의해 원래 진행하던 방향으로부터 d 만큼 편차(deviation; d)를 가지고 기판을 벗어나게 된다. 최대 기울임 각도(
Figure 112020032225572-pat00003
)를 35°라고 가정할 때, 기판의 두께가 3㎛ 이상이 되면 광 편차(d)가 1㎛ 이상 발생한다. 일반적인 이미지 센서의 픽셀 크기가 1㎛ 임을 감안할 때, 픽셀 크기보다 큰 광 편차가 발생하면 이미지 시프트(shift)가 발생하므로 적절하지 않다.
한편, 매우 얇은 기판 두께에 대해서는, 두께에 반비례하여 증가하는 잔류 응력(residual stress)으로 인한 기계적 안정성 저하 및 공정 과정(일례로, 식각 과정)에서의 균일성 (uniformity) 오차 증가 등의 문제로, 일반적으로 1㎛ 이하로 제작하기에는 어려움이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 유전체 기판의 두께를 1㎛ 내지 3㎛ 범위 내에 속하도록 설정할 수 있다. 유전체 기판의 두께가 3㎛ 초과일 때에는 광 편차가 일반적인 이미지 센서의 픽셀 크기보다 크게 되어 이미지 시프트가 발생하는 문제가 있고, 1㎛ 미만일 때에는 기계적 안정성 저하 및 제작 공정 과정에서의 균일성 오차 증가 등의 문제가 있다.
즉, 유전체 기판의 두께를 매우 얇게 설계함으로서 패브리-패롯 효과를 유도함과 동시에 초박막 분광 필터로서의 응용가능성을 높일 수 있다. 또한, 유전체 기판의 두께가 매우 얇아짐에 따라, 입사광이 특정 각도를 가지며 입사될 때 발생하는 광경로 편차 (deviation by deflection)가 본 실시예에서는 거의 발생하지 않는 효과가 있다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 공진 모드를 가지는 다중 나노 구조층 기반 플라즈모닉 각감응 분광 필터를 도시한 측단면도와 파장에 따른 투과율 그래프이고, (b)는 (a)에 도시한 플라즈모닉 각감응 분광 필터의 입사각 변화에 따른 공진 모드 분할 특성을 나타낸 그래프이다.
본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(100)를 기울인 상태(수직 방향에 대하여 Δθ만큼 회전된 상태)로 상면에 빛을 조사하면 나노 복합 구조체에 입사되는 빛의 입사각이 수직을 벗어나게 된다. 이 때, 금속 표면, 즉 제1 상부 금속 구조 층(134) 표면을 따라 입사평면과 평행하게 전파되는 표면 플라즈몬 공명 (Surface Plasmon Resonance; SPR) 또는 표면 플라즈몬 전파 (Surface Plasmon Propagation; SPP)는, 예각 (acute angle)으로 전파되는 성분과 둔각(obtuse angle)으로 전파되는 성분으로 나뉘어지게 된다. 이 때문에 수직 입사일 때(θ=0°) 발현되는 다중 공진 모드들은 기울인 상태(수직 방향에 대하여 Δθ만큼 회전된 상태)에서 각각 두 개의 공진 모드로 분할되며, 결과적으로 투과 대역이 나누어져 훨씬 다양한 투과 대역을 가질 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(100)에서와 같이 나노 홀 및 나노 디스크로 이루어진 나노 복합 구조에 대해 빛의 입사각도를 변화시켰을 때, 기존의 공진 파장이 광대역에 걸쳐 분리 및 이동하며 발생하는 다중 공진 모드가 존재함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터(100)는 입사각의 변화에 따른 공진 모드 분할 특성을 활용함으로써 획득되는 분광 정보를 더 증가시킬 수 있으며, 입사각의 연속적 변화에 의해 광대역 분광 스캐닝이 가능한 분광 필터로 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈모닉 각감응 분광 필터는 다중 투과 대역 및 상기 투과 대역의 능동적 조율 가능성에 의한 광대역 분광 스캐닝을 특징으로 하기 때문에, 분광 스캐닝을 필요로 하는 분광기(spectrometer) 또는 분광 카메라 (spectral camera)에 핵심부품으로서 사용될 수 있다. 또한 본 실시예의 분광 필터는 파장 이하 크기의 초박막 구조층으로 구성되기 때문에 초소형 광학 시스템을 필요로 하는 분야에 배타적으로 적용/응용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (14)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)을 갖는 제1 유전체 층;
    상기 제1 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층; 및
    상기 제1 유전체 층 상에 위치하며 상기 제1 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제1 상부 금속 구조 층
    을 포함하고,
    상기 유전체 기판의 주면에 수직하게 측정된 두께는 1 내지 3㎛의 범위에 속하도록 형성되며,
    상기 제1 상부 금속 구조 층에 의해 다중 공진 모드를 발현하고, 상기 제1 상부 금속 구조 층과 제1 하부 금속 구조 층에 의해 상기 다중 공진 모드에 추가되어 추가 공진 모드가 발현할 수 있는 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성된, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은 상기 유전체 기판 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬된, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀 각각은 원형의 횡단면을 갖는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 원형의 나노 디스크로 이루어지는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 상부 금속 구조 층은 서로 연결되어 일체로 형성된, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀 각각의 깊이는 상기 제1 하부 금속 구조 층의 두께보다 더 크게 형성된, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에서 상기 유전체 기판 상에 위치하는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에 각각 형성되고, 상기 복수의 제1 하부 금속 구조 층은 서로 독립적인 층으로 형성된, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층 및 제1 상부 금속 구조 층을 덮도록 상기 제1 유전체 층 상에 위치하고, 복수의 나노 홀을 갖는 제2 유전체 층;
    상기 제2 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제2 하부 금속 구조 층; 및
    상기 제2 유전체 층 상에 위치하며 상기 제2 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제2 상부 금속 구조 층
    을 포함하는 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 유전체 층은 상기 제1 유전체 층의 나노 홀을 메우고 상기 제1 하부 금속 구조 층 상에 형성되는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 유전체 층의 나노 홀과 상기 제2 유전체 층의 나노 홀은 평면상에서 볼 때 서로 중첩되게 배치되는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 기판과 상기 제1 상부 금속 구조 층 사이에서의 수직 거리로 측정되는 상기 제1 유전체층의 높이는 260 내지 300nm의 범위에 속하도록 형성되는, 플라즈모닉 각감응 분광 필터.
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