KR102452388B1 - 고분해능을 가지는 패브리-페로 필터 - Google Patents

고분해능을 가지는 패브리-페로 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진층 및 공진층의 상부 및 하부에 위치하는 반사체를 포함하는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터에 관한 것이다. 구체적으로 상기 반사체를 서로 다른 굴절률의 박막을 교대하며 공진층과 나란하게 적층한 브래그 반사경 구조로 제작함에 따라 높은 분해능과 매우 좁은 반치전폭(FWHM)을 가지는 고성능 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 구현할 수 있다.

Description

고분해능을 가지는 패브리-페로 필터{HIGH RESOLUTION FABRY-PEROT FILTER}
본 발명은 광학 필터에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다층 박막 구조를 기반으로 고(高)분해능을 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터 기술에 관한 것이다.
광학 필터란 특정한 파장의 빛만 통과시키도록 설계된 장치 또는 재료를 말한다. 구체적으로 특정한 파장의 빛만 통과(Transmit)시키기 위해 그 외 다른 파장의 빛은 반사(Reflect), 흡수(Absorption) 또는 간섭(Interference)을 일으키는 것을 기본 원리로 한다.
구현 방식에 따른 구분으로 얇은 격자에 빛이 입사할 때, 반사 및 회절을 하게 되는데, 회절 각도가 파장에 따라 다르게 되는 원리를 이용하는 투과형 회절격자, 서로 다른 굴절률의 투명한 다중 박막 층으로 구성된 반사형 회절격자, 가시광선 영역의 복사선을 선택하는 흡수형 광학 필터, 파장이 다른 광파들이 결합하는 길이의 변화를 이용하는 도파로형 방향성 결합기 및 본 발명과 같이 두 반사 거울의 공진현상을 이용하여 원하는 파장만을 선택하는 공진기형(또는 간섭계형) 필터가 있다.
본 발명의 기본 구조인 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 일반적인 구조를 설명하면 다음과 같다. 서로 마주 보는 두 개의 반사경 사이에 공진(Cavity) 구조가 형성되며, 반사경 중 하나는 반사율이 100%이며 나머지 하나는 약간의 투과를 허용하여 공진을 이루는 파가 외부로 나갈 수 있게 한 구조를 가진다. 구체적으로 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 상부를 통과하여 입사된 빛과 필터 하부 반사체에 의해 반사된 빛은 보강/상쇄 간섭이 발생하며, 이중 보강 간섭이 발생한 파장 대역의 빛은 투과하고, 그 외의 파장 대역은 소멸하는 구조를 가진다. 또한, 발생한 간섭 현상으로 인해 일정 간격의 파장에서 공명이 일어나며 최대치의 투과율이 주기적으로 나타나는 모습을 보인다.
이러한 광학 필터는 광학 현미경, 광학식 가스 센서 등 광학 시스템의 기본 구성으로 노이즈를 제거하여 검측 대상의 정확한 측정이 가능하게 하므로 현미경, 센서 등 광학 시스템의 성능에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 고(高)분해능을 가지는 광학식 필터를 개발하는 것이 광학 시스템 산업에 특히 요구된다.
같은 맥락에서 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터 또한 분해능을 높이기 위한 시도가 계속되어왔다. 구체적으로 가장 기본적인 구조가 되는 단층 반사체 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터는 단층 반사체를 구성하는 물질의 종류에 따라 반사체의 반사도가 정해지는 한계가 있으며 결과, 필터 반사체의 반사도와 비례하는 관계를 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 분해능 또한 단층 반사체 고유의 반사도에 의해 결정되는 한계를 필연적으로 가지게 된다. 이러한 점에서 패브리-페로(Fabry-Perot) 기반의 필터는 고분해능을 가지기 위해서 단층 반사체를 대체할 수 있는 구조 및 물질에 관한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0341853호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 반사체를 구성하는 구조 및 물질을 개선하여 높은 분해능을 가지는 필터를 개발하고자 함이다. 구체적으로 반사체의 구조를 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector)으로 변경하고 동시에 분산 브래그 반사경의 각 박막을 구성하는 물질 간의 굴절률 차이를 크게 하여 고분해능을 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제공하고자 함이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터는 기판; 상기 기판상에 위치하는 하부 브래그 반사경; 상기 하부 브래그 반사경 상에 위치하는 공진층; 및 상기 공진층 상에 위치하는 상부 브래그 반사경을 포함하고, 상기 하부 브래그 반사경 및 상기 상부 브래그 반사경은 서로 다른 굴절률을 가지는 박막이 교대하며 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 브래그 반사경은
Figure 112021036356741-pat00001
의 굴절률을 가지는 제1박막 및
Figure 112021036356741-pat00002
의 굴절률을 가지는 제2박막이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00003
과 굴절률
Figure 112021036356741-pat00004
는
Figure 112021036356741-pat00005
인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1박막의 물질은 α-Si(Amorphous silicon)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2박막의 물질은 SiO2(Silicon Dioxide) 또는 질화 규소(Silicon nitride)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1박막의 두께
Figure 112021036356741-pat00006
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식1의 관계를 가지며, 상기 제2박막의 두께(
Figure 112021036356741-pat00007
)는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식2의 관계를 가지는 것을 특징으로 한다.
[식1]
Figure 112021036356741-pat00008
상기 식1에서
Figure 112021036356741-pat00009
은 제1박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
[식2]
Figure 112021036356741-pat00010
상기 식2에서
Figure 112021036356741-pat00011
는 제2박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
또한, 상기 상부 브래그 반사경은
Figure 112021036356741-pat00012
의 굴절률을 가지는 제3박막 및
Figure 112021036356741-pat00013
의 굴절률을 가지는 제4박막이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00014
과 굴절률
Figure 112021036356741-pat00015
는
Figure 112021036356741-pat00016
인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3박막의 물질은 α-Si(Amorphous silicon)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4박막의 물질은 SiO2(Silicon Dioxide) 또는 질화 규소(Silicon nitride)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3박막의 두께
Figure 112021036356741-pat00017
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식3의 관계를 가지며, 상기 제4박막의 두께(
Figure 112021036356741-pat00018
)는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식4의 관계를 가지는 것을 특징으로 한다.
[식3]
Figure 112021036356741-pat00019
상기 식3에서
Figure 112021036356741-pat00020
은 제3박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
[식4]
Figure 112021036356741-pat00021
상기 식4에서
Figure 112021036356741-pat00022
는 제4박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 단층 반사체 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터와 달리 서로 다른 굴절률을 가지는 박막이 교대하여 적층된 브래드 반사경 구조를 사용함으로써 검측 대상에 따라 적층 수, 증착 두께를 설정할 수 있다. 이를 통해 브래그 반사경의 반사도를 높이고 결과 고분해능을 가지며 매우 좁은 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)의 광을 선택적으로 투과할 수 있는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제작할 수 있다.
또한, 브래그 반사경의 박막 간의 굴절률 차이가 커지도록 각 박막을 구성하는 물질을 선택함에 따라 브래그 반사경의 반사도를 높이고 결과 고분해능을 가지며 매우 좋은 반치전폭(FWHM)의 광을 선택적으로 투과할 수 있는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제작할 수 있다.
또한, 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 공진층의 두께를 조절하여 자외선, 가시광선, 적외선까지 넓은 파장 범위에 걸쳐 수 nm의 반치전폭(FWHM)을 가지는 파장을 선택적으로 투과할 수 있는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제작할 수 있다.
또한, 광학 필터는 일반적으로 고가의 사파이어 기판 위에 금속 반사체가 사용되나 본 발명에서는 상대적으로 저렴한 α-Si/SiO2 다층 박막 구조를 기반으로 하여 경제적인 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 제작할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 단면도이다.
도2는 브래그 반사경을 구성하는 박막의 교대 적층 주기에 따른 패브리-페로 필터의 단면을 나타낸 도면이다.
도3는 본 발명의 반사체를 구성하는 브래그 반사경의 박막 적층 수에 따른 반사도를 확인한 그래프이다.
도4은 브래그 반사경 구조의 반사체 및 공진층으로 구성된 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 투과도를 확인한 그래프이다.
도5은 브래그 반사경을 구성하는 박막의 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인한 그래프이다.
도6(a)는 12.398pm~333.28μm의 파장 범위에 걸쳐 약 3.41~3.43의 굴절률을 나타내는 Si의 측정 데이터이다.
도6(b)는 4.26μm에서 3.4285의 굴절률을 보이는 Si을 확인한 측정 데이터이다.
도7(a)는 2μm~35μm의 파장 범위에 걸쳐 α-Si의 굴절률을 측정한 데이터이다.
도7(b)는 4.26μm에서 3.84의 굴절률을 보이는 α-Si을 확인한 측정 데이터이다.
도8은 Si(silicon) 기반의 4층 브래그 반사경과 α-Si(Amorphous silicon) 기반의 4층 브래그 반사경의 반사도 확인 그래프이다.
도9는 Si(silicon) 기반의 4층 브래그 반사경과 α-Si(Amorphous silicon) 기반의 4층 브래그 반사경의 반사도 및 두께를 확인한 실험 데이터이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 설명한다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터는 기판(10), 상기 기판상에 위치하는 하부 브래그 반사경(20) 상기 하부 브래그 반사경(20) 상에 위치하는 공진층(30) 및 상기 공진층(30) 상에 위치하는 상부 브래그 반사경(40)을 포함할 수 있다.
본 발명의 기판(10)은 공진층(30) 및 상부/하부 브래그 반사경(20,40)을 포함하는 필터가 증착되는 토대 역할을 한다. 기판(10)은 상기 하부 브래그 반사경(20)의 하부에 위치하며 구체적으로 공진층(30)을 중심 기준으로 할 때 하부 브래그 반사경(20)의 바깥쪽에 위치한다. 다만 이에 제한되는 것이 아님을 명시한다. 예를 들어 상기 기판(10)의 경우 사용 태양에 따라 형성되지 않을 수도 있다.
기판(10)을 구성하는 물질은 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 물질과 같거나 다를 수 있다. 구체적으로 기판(10)을 구성하는 물질은 기판(10)상에 맞닿아 형성된 제2박막(220)과 다른 물질로 구성되나 제1박막(210)을 구성하는 물질과는 같거나 다른 물질로 구성될 수 있다.
다음으로 본 발명의 상기 하부 브래그 반사경(20)은 상기 기판(10)상에 위치하며 반사도를 높여서 본 발명인 필터의 분해능을 개선하는 역할을 한다. 하부 브래그 반사경(20)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1박막(210)과 제2박막(220)이 교대하며 적층된 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로 기판(10)상에 기판과 다른 굴절률을 가지는 제2박막(220)이 위치하고 그 위에 제2박막(220)과 굴절률이 다른 제1박막(210)이 위치하며 이러한 제1박막(210)과 제2박막(220)이 교대하여 적층된 구조가 반복되어 형성된다. 다만 이에 제한되는 것은 아님을 명시하며 제1박막(210)이 상기 기판(10)과 물질 및 굴절률을 달리하여 기판(10)상에 형성되는 것을 포함할 수 있다. 이때 반복 주기가 증가할수록 필터의 반사도가 높아지는 장점을 가지나 반면에 투과도를 감소시키는 단점이 있으므로 목적하는 필터의 성능에 따라 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.
다음으로 본 발명의 상기 공진층(30)은 상기 하부 브래그 반사경(20) 상에 위치하며 구체적으로 상기 하부 브래그 반사경(20) 및 상기 상부 브래그 반사경(40) 사이에 형성된다. 공진층(30)을 구성하는 물질은 공진층(30)과 인접한 상기 제1박막(210) 및 제3박막(410)과 다른 굴절률을 가지는 물질로 구성되며 구체적으로 공진층(30)을 구성하는 물질은 SiO2(silicon dioxide)인 것을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
상기 공진층(30)은 여러 파장이 필터에 입사되면 공진층(30)에서 다중간섭현상을 발생시켜 특정한 파장만 투과시키고 다른 파장들은 반사함으로써 원하는 파장만을 선별하는 역할을 한다. 이를 위해 공진층(30)의 두께(L)는 필터의 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식5의 관계에 따라 정해질 수 있다. 따라서 검측 목적에 따라 파장을 선택적으로 투과시키기 위해 공진층(30)의 두께를 조절하는 것을 특징으로 한다.
[식5]
Figure 112021036356741-pat00023
상기 식5에서, f은 간섭 차수이며 nc는 공진층의 굴절률이며 θ는 입사각이다.
다음으로 본 발명의 상부 브래그 반사경(40)은 상기 공진층(30)상에 위치한다.
상부 브래그 반사경(40)은 반사도를 높여서 본 발명인 필터의 분해능을 개선하는 역할을 한다. 상부 브래그 반사경(40)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제3박막(410)과 제4박막(420)이 교대하며 적층된 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 공진층(30)상에 기판과 다른 굴절률을 가지는 제3박막(410)이 위치하고 그 위에 제3박막(410)과 굴절률이 다른 제4박막(420)이 위치하며 이러한 제3박막(410)과 제4박막(420)이 교대하여 적층된 구조가 반복되어 형성된다. 다만 이에 제한되는 것은 아님을 명시하며 제4박막(420)이 상기 공진층(30)과 물질 및 굴절률을 달리하여 공진층(30)상에 형성되는 것을 포함할 수 있다. 이때 반복 주기가 증가할수록 필터의 반사도가 높아지는 장점을 가지나 반면에 투과도를 감소시키는 단점이 있으므로 목적하는 필터의 성능에 따라 조절되는 것을 특징으로 한다.
이하 상기 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)을 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 하부 브래그 반사경(20)을 설명하면 하부 브래그 반사경(20)은
Figure 112021036356741-pat00024
의 굴절률을 가지는 제1박막(210) 및
Figure 112021036356741-pat00025
의 굴절률을 가지는 제2박막(220)이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00026
과 굴절률
Figure 112021036356741-pat00027
는
Figure 112021036356741-pat00028
의 관계를 가지도록 형성될 수 있다.
여기에서 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00029
은 1이상의 값이다. 또한, 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 큰 박막의 굴절률을 지칭하기 위한 것이며 상기 제1박막을 구성하는 물질에 따라 바뀌는 값이다.
여기에서 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00030
는 1 이상의 값이다. 또한, 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 작은 박막의 굴절률을 지칭하기 위한 것이며 상기 제2박막을 구성하는 물질에 따라 바뀌는 값이다. 이때 상기
Figure 112021036356741-pat00031
과
Figure 112021036356741-pat00032
는 정의에 따라
Figure 112021036356741-pat00033
의 관계를 가진다.
여기에서 상기 제1박막(210)은 상기 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 큰 박막을 지칭한다. 제1박막을 구성하는 물질은 하기 실험예에서 구체적으로 설명할 내용과 같이 굴절률, 투과도(transmittance) 및 경제성 등을 고려하여 선택하며 금속, 유전체 또는 고분자 물질이 선택될 수 있다. 구체적으로 Si(silicon), poly-Si(Poly Silicon), α-Si(Amorphous silicon), Ge(Germanium)등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 제1박막(210)은 증착법(Chemical Vapor Deposition), 증발법(Evaporative deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법에 따라 제작될 수 있다.
또한, 상기 제1박막(210)의 두께
Figure 112021036356741-pat00034
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식1의 관계에 따라 정해지는 것을 포함한다.
[식1]
Figure 112021036356741-pat00035
상기 식1에서
Figure 112021036356741-pat00036
은 제1박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
구체적으로 상기 제1박막(210)에 입사하는 검측 대상이 되는 파장(λ)이 보강간섭을 일으킬 수 있게 형성되는 것을 포함한다. 상기 하부 브래그 반사경(20)의 각 박막에서 반사된 검측 대상이 되는 파장(λ)은 진행 경로 및 반사 위치에 따라 서로 간에 위상차가 생기며 이때 위상차가 하기 식6의 관계를 만족할 때 보강간섭이 생긴다.
[식6]
Δδ=kⅹ2π
상기 식6에서, Δδ는 위상차이며 k는 정수이다.
구체적으로 상기 식6에 따라 상기 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 제1박막(210)의 두께를 검측 대상이 되는 파장(λ)/4로 설정하면 박막을 진행하는 파장은 하나의 박막을 진행하는 동안 π/2의 위상차가 발생하고, 고굴절률에서 저굴절률로 진행할 때 2π의 위상차가 발생하므로 결과적으로 하부 브래그 반사경(20)의 각 박막(210,220)에서 반사된 파장 간에는 2π의 배수만큼 위상차가 발생하여 보강간섭이 일어난다. 따라서 상기 제1박막(210)의 두께
Figure 112021036356741-pat00037
가 상기 식1의 관계를 만족하는 경우 기존 단층막 반사체를 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터와 비교하여 강한 반사도를 가지는 필터를 구성할 수 있게 된다.
상기 하부 브래그 반사경(20)에서 제2박막(220)은 상기 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 작은 박막을 지칭한다. 제2박막을 구성하는 물질은 굴절률, 투과도(transmittance) 및 경제성 등을 고려하여 선택하며 금속, 유전체 또는 고분자 물질이 선택될 수 있다. 구체적으로 SiO2(Silicon Dioxide) 또는 질화 규소(Silicon nitride)의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 제2박막(210)은 증착법(Chemical Vapor Deposition), 증발법(Evaporative deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법에 따라 제작될 수 있다.
또한, 상기 제2박막(220)의 두께
Figure 112021036356741-pat00038
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식2의 관계에 따라 정해진다.
[식2]
Figure 112021036356741-pat00039
상기 식2에서
Figure 112021036356741-pat00040
는 제2박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
구체적으로 상기 제2박막(220)에 입사하는 검측 대상이 되는 파장(λ)이 보강간섭을 일으킬 수 있게 형성될 수 있다. 상기 하부 브래그 반사경(20)의 각 박막에서 반사된 검측 대상이 되는 파장(λ)은 진행 경로 및 반사 위치에 따라 서로 간에 위상차가 생기며 이때 위상차가 하기 식6의 관계를 만족할 때 보강간섭이 생긴다.
[식6]
Δδ=kⅹ2π
상기 식6에서, Δδ는 위상차이며 k는 정수이다.
구체적으로 상기 식6에 따라 상기 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 제2박막(220)의 두께를 검측 대상이 되는 파장(λ)/4로 설정하면 박막을 진행하는 파장은 하나의 박막을 진행하는 동안 π/2의 위상차가 발생하고, 고굴절률에서 저굴절률로 진행할 때 2π의 위상차가 발생하므로 결과적으로 하부 브래그 반사경(20)의 각 박막(210,220)에서 반사된 파장 간에는 2π의 배수만큼 위상차가 발생하여 보강간섭이 일어난다. 따라서 상기 제2박막(220)의 두께
Figure 112021036356741-pat00041
가 상기 식2의 관계를 만족하는 경우 기존 단층막 반사체를 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터와 비교하여 강한 반사도를 가지는 필터를 구성할 수 있게 된다.
다음으로 상부 브래그 반사경(40)을 설명하면 상부 브래그 반사경(40)은
Figure 112021036356741-pat00042
의 굴절률을 가지는 제3박막(410) 및
Figure 112021036356741-pat00043
의 굴절률을 가지는 제4박막(420)이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00044
과 굴절률
Figure 112021036356741-pat00045
는
Figure 112021036356741-pat00046
의 관계를 가지도록 형성될 수 있다.
여기에서 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00047
은 1 이상의 값이다. 또한, 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 큰 박막의 굴절률을 지칭하기 위한 것이며 상기 제3박막을 구성하는 물질에 따라 바뀌는 값이다.
여기에서 상기 굴절률
Figure 112021036356741-pat00048
는 1 이상의 값이다. 또한, 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 작은 박막의 굴절률을 지칭하기 위한 것이며 상기 제4박막을 구성하는 물질에 따라 바뀌는 값이다. 이때 상기
Figure 112021036356741-pat00049
과
Figure 112021036356741-pat00050
는 정의에 따라
Figure 112021036356741-pat00051
의 관계를 가진다.
여기에서 상기 제3박막(410)은 상기 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 큰 박막을 지칭한다. 제3박막을 구성하는 물질은 하기 실험예에서 구체적으로 설명할 내용과 같이 굴절률, 투과도(transmittance) 및 경제성 등을 고려하여 선택하며 금속, 유전체 또는 고분자 물질이 선택될 수 있다. 구체적으로 Si(silicon), poly-Si(Poly Silicon), α-Si(Amorphous silicon), Ge(Germanium)등의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 제3박막(210)은 증착법(Chemical Vapor Deposition), 증발법(Evaporative deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법에 따라 제작될 수 있다.
또한, 상기 제3박막(410)의 두께
Figure 112021036356741-pat00052
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식3의 관계에 따라 정해진다.
[식3]
Figure 112021036356741-pat00053
상기 식3에서
Figure 112021036356741-pat00054
은 제3박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
구체적으로 상기 제3박막(410)에 입사하는 검측 대상이 되는 파장(λ)이 보강간섭을 일으킬 수 있게 형성될 수 있다. 상기 상부 브래그 반사경(40)의 각 박막에서 반사된 검측 대상이 되는 파장(λ)은 진행 경로 및 반사 위치에 따라 서로 간에 위상차가 생기며 이때 위상차가 하기 식6의 관계를 만족할 때 보강간섭이 생긴다.
[식6]
Δδ=kⅹ2π
상기 식6에서, Δδ는 위상차이며 k는 정수이다.
구체적으로 상기 식6에 따라 상기 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 제3박막(410)의 두께를 검측 대상이 되는 파장(λ)/4로 설정하면 박막을 진행하는 파장은 하나의 박막을 진행하는 동안 π/2의 위상차가 발생하고, 고굴절률에서 저굴절률로 진행할 때 2π의 위상차가 발생하므로 결과적으로 상부 브래그 반사경(40)의 각 박막(410,420)에서 반사된 파장 간에는 2π의 배수만큼 위상차가 발생하여 보강간섭이 일어난다. 따라서 상기 제3박막(210)의 두께
Figure 112021036356741-pat00055
가 상기 식3의 관계를 만족하는 경우 기존 단층막 반사체를 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터와 비교하여 강한 반사도를 가지는 필터를 구성할 수 있게 된다.
상기 상부 브래그 반사경(40)에서 제4박막(420)은 상기 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 교대로 적층된 박막 중에서 상대적으로 굴절률이 작은 박막을 지칭한다. 제4박막을 구성하는 물질은 굴절률, 투과도(transmittance) 및 경제성 등을 고려하여 선택하며 금속, 유전체 또는 고분자 물질이 선택될 수 있다. 구체적으로 SiO2(Silicon Dioxide) 또는 질화 규소(Silicon nitride)의 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 제4박막(420)은 증착법(Chemical Vapor Deposition), 증발법(Evaporative deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법에 따라 제작될 수 있다.
다음으로 상기 제4박막(420)의 두께
Figure 112021036356741-pat00056
는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식4의 관계에 따라 정해진다.
[식4]
Figure 112021036356741-pat00057
상기 식4에서
Figure 112021036356741-pat00058
는 제4박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
구체적으로 상기 제4박막(420)에 입사하는 검측 대상이 되는 파장(λ)이 보강간섭을 일으킬 수 있게 형성될 수 있다. 상기 상부 브래그 반사경(40)의 각 박막에서 반사된 검측 대상이 되는 파장(λ)은 진행 경로 및 반사 위치에 따라 서로 간에 위상차가 생기며 이때 위상차가 하기 식6의 관계를 만족할 때 보강간섭이 생긴다.
[식6]
Δδ=kⅹ2π
상기 식6에서, Δδ는 위상차이며 k는 정수이다.
구체적으로 상기 식6에 따라 상기 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 제4박막(420)의 두께를 검측 대상이 되는 파장(λ)/4로 설정하면 박막을 진행하는 파장은 하나의 박막을 진행하는 동안 π/2의 위상차가 발생하고, 고굴절률에서 저굴절률로 진행할 때 2π의 위상차가 발생하므로 결과적으로 상부 브래그 반사경(40)의 각 박막(410,420)에서 반사된 파장 간에는 2π의 배수만큼 위상차가 발생하여 보강간섭이 일어난다. 따라서 상기 제4박막(420)의 두께
Figure 112021036356741-pat00059
가 상기 식4의 관계를 만족하는 경우 기존 단층막 반사체를 가지는 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터와 비교하여 강한 반사도를 가지는 필터를 구성할 수 있게 된다.
이하 상기 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)을 각 구성하는 서로 다른 굴절률을 가지는 박막이 교대하며 적층된 구조에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 하부 브래그 반사경(20)은 제1박막(210) 및 제2박막(220)이 교대하여 적층된 구조가 1회 이상 반복되는 것을 포함할 수 있다.
도2는 브래그 반사경(20,40)을 구성하는 제1박막(210) 및 제2박막(220)의 교대 적층 주기에 따른 패브리-페로 필터의 단면을 나타낸 도면이다.
도2를 참조하면, 상기 하부 브래그 반사경(20)을 구성하는 제1박막(210)과 제2박막(220)이 교대하여 적층된 구조를 1단위(주기)로 하여 1주기에서 5주기까지 적층된 모습을 나타내고 있다. 이때 도2는 상기 공진층(30)을 중심으로 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)이 같은 주기로 대칭을 이루어 구성된 형태를 제시하나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)에 제1박막(210)과 제2박막(220)에 교대 적층된 주기가 다른 경우를 포함할 수 있으며 검측 대상이 되는 파장(λ)과 목적하는 분해능에 따라 변경할 수 있다. 또한, 경우에 따라 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40) 중에서 어느 한쪽의 반사경이 없거나 상기 기판(10)이 반사체 역할을 대신하는 경우를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 제1박막(210) 및 제2박막(220)이 교대하며 적층된 구조가 반복되는 횟수는 반사도(Reflectance), 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum), 투과도(Transmittance) 및 투과-광량(Intensity) 등을 고려하여 정해진다. 반복되는 횟수가 증가할수록 상기 하부 브래그 반사경(20)의 반사도는 높아지고 반치전폭(FWHM)은 좁아지므로 본 발명인 필터의 분해능이 높아지는 장점을 가지나 반면 반복되는 횟수가 증가할수록 검측 대상이 되는 파장(λ)이 필터를 투과하는 빈도와 세기가 줄어드는 단점이 있다. 예를 들어 도3 및 도4을 참고하면 상기 제1박막(210)의 물질을 α-si(Amorphous silicon)으로 하고, 상기 제2박막(220)의 물질은 SiO2(Silicon Dioxide)로 하여 실험했을 때 제1박막(210) 및 제2박막(220)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 반사도가 증가함을 확인할 수 있었으며 특히 6층 이상의 박막이 적층된 경우 반사율이 100%에 근접함을 확인할 수 있었다. 또한 반치전폭(FWHM)은 상기 제1박막(210) 및 제2박막(220)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 좁아짐을 확인할 수 있었으며 10층의 박막이 적층된 조건에서 25nm의 반치전폭을 보였다. 또한, 도5을 참고하면 투과-광량(Intensity)의 경우 상기 제1박막(210) 및 제2박막(220)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 지속해서 감소하는 양상을 보였으며, 특히 4~6층의 박막이 적층된 구간에서 투과-광량의 가장 큰 감소를 보였다.
다음으로 상부 브래그 반사경(40)은 제3박막(410) 및 제4박막(420)이 교대하여 적층된 구조가 1회 이상 반복되는 것을 포함할 수 있다.
도2는 브래그 반사경(20,40)을 구성하는 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 교대 적층 주기에 따른 패브리-페로 필터의 단면을 나타낸 도면이다.
도2를 참조하면, 상기 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 교대 적층을 1주기로 하여 적층된 모습을 확인할 수 있다. 도2는 상기 공진층(30)을 중심으로 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)이 같은 주기로 대칭을 이루어 구성된 형태를 제시하나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40)에 제3박막(410)과 제4박막(420)에 교대 적층된 주기가 다른 경우를 포함할 수 있으며 검측 대상이 되는 파장(λ)과 목적하는 분해능에 따라 변경할 수 있다. 또한, 경우에 따라 하부 브래그 반사경(20)과 상부 브래그 반사경(40) 중에서 어느 한쪽의 반사경이 없거나 상기 기판(10)이 반사체 역할을 대신하는 경우를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 제3박막(410) 및 제4박막(420)이 교대하며 적층된 구조가 반복되는 횟수는 반사도(Reflectance), 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum), 투과도(Transmittance) 및 투과-광량(Intensity) 등을 고려하여 정해진다. 반복되는 횟수가 증가할수록 상기 상부 브래그 반사경(40)의 반사도는 높아지고 반치전폭(FWHM)은 좁아지므로 본 발명인 필터의 분해능이 높아지는 장점을 가지나 반면 반복되는 횟수가 증가할수록 검측 대상이 되는 파장(λ)이 필터를 투과하는 빈도와 세기가 줄어드는 단점이 있다. 예를 들어 도3 및 도4을 참고하면 상기 제3박막(410)의 물질을 α-si(Amorphous silicon)으로 하고, 상기 제4박막(420)의 물질은 SiO2(Silicon Dioxide)로 하여 실험했을 때 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 반사도가 증가함을 확인할 수 있었으며 특히 6층 이상의 박막이 적층된 경우 반사율이 100%에 근접함을 확인할 수 있었다. 또한 반치전폭(FWHM)은 상기 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 좁아짐을 확인할 수 있었으며 10층의 박막이 적층된 조건에서 25nm의 반치전폭을 보였다. 또한, 도5을 참고하면 투과-광량(Intensity)의 경우 상기 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 교대 적층 구조가 반복됨에 따라 지속해서 감소하는 양상을 보였으며, 특히 4~6층의 박막이 적층된 구간에서 투과-광량의 가장 큰 감소를 보였다.
이하 본 발명인 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터의 실시예 및 성능 확인을 위한 실험예를 기재한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
실험예1
브래그 반사경의 적층 수에 따른 반사도 확인 실험
도3은 상기 브래그 반사경(20,40)을 구성하는 박막(210,220,410,420)의 교대 적층 수에 따른 반사도를 확인한 그래프이다.
상기 제1박막(210) 및 제3박막(410)은 구성 물질로 α-Si(Amorphous silicon)을 사용하고 상기 제2박막(220) 및 제4박막(420)은 SiO2(Silicon Dioxide)를 사용하여 다층 박막 구조의 브래그 반사경을 제작하고, 4.26μm 파장대에서 적층 수에 따른 반사도(Reflectance)를 측정하였다. 적층 수는 2~10층에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다.
도3을 참조하면, 적층 수가 증가함에 따라 반사도가 증가하여 높은 반사율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 박막이 6층 이상의 다층 구조가 되면 반사율이 100%에 근접하며, 3μm~6μm 대역의 밴드 패스 필터로서 동작하는 모습을 확인할 수 있었다.
실험예2
브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터의 투과도 확인 실험
도4는 상기 브래그 반사경(20,40) 및 상기 공진층(30)으로 구성된 패브리-페로 필터의 투과도를 확인한 그래프이다.
제1박막(210) 및 제3박막(410)을 구성하는 물질은 α-Si(Amorphous silicon)을 사용하고 제2박막(220) 및 제4박막(420)을 구성하는 물질은 SiO2(Silicon Dioxide)를 사용하여 다층 박막 구조의 브래그 반사경(20,40)을 제작하고 공진층(30)을 추가하여 패브리-페로 필터를 제작하였으며 4.26μm 파장대에서 적층 수에 따른 투과도(Transmittance)를 측정하였다. 적층 수는 2~10층에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다.
도4을 참조하면, 검측 대상 파장(λ)인 4.26μm에서 중심 파장을 가지는 것을 볼 수 있으며, 브래그 반사경 반사체(20,40)를 구성하는 박막(210,220,410,420)의 적층 수가 늘어날수록 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)이 작아짐을 확인하였다. 가장 작은 반치전폭을 가지는 조건은 10층이었으며, 25nm의 반치전폭을 보였다. 이는 시뮬레이션을 진행한 조건 중 10층에서 가장 선택성이 높은 광 필터링이 가능함을 나타냈다.
실험예3
브래그 반사경을 구성하는 박막의 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계 확인 실험
도5은 브래그 반사경(20,40)을 구성하는 박막(210,220,410,420)의 적층 수에 따른 투과된 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인한 그래프이다.
투과 광량과 반치전폭의 상관관계를 확인하기 위해 상용화 광원의 정보를 바탕으로 설계한 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 이용하였으며 4.3μm에서 최대 피크를 가지는 광원을 필터로 수직 입사시키는 방식으로 수행하였다.
도5를 참조하면, 투과 광량은 4~6층 조건에서 가장 큰 감소가 보였으며 적층 수가 증가함에 따라 지속해서 감소하는 양상을 보였다. 반면 반치전폭은 2~4층 조건에서 가장 큰폭으로 감소하였으며 적층 수가 증가할수록 지수적으로 좁아짐을 확인할 수 있었다. 이를 통해 두 변수의 관계가 트레이드 오프(trade off) 관계를 가지는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
실험예4
브래그 반사경을 구성하는 제1박막(210) 및 제3박막(410)의 구성물질을 선정을 위한 굴절률 측정
제1박막(210)을 구성하는 물질을 선택하는 과정은 다음과 같다.
상기 제1박막(210)과 하부 브래그 반사경(20)의 반사도는 하기 식7의 관계를 가진다.
[식7]
Figure 112021036356741-pat00060
상기 식7에서 R은 하부 브래그 반사경(20)의 반사도이며
Figure 112021036356741-pat00061
는 기판(10)의 굴절률이며
Figure 112021036356741-pat00062
은 제1박막(210)의 굴절률이며
Figure 112021036356741-pat00063
는 제2박막(220)의 굴절률이며 m는 제1박막(210) 및 제2박막(220)의 반복 주기 수이다.
상기 식7을 참조하면 하부 브래그 반사경을 구성하는 박막의 적층 수에 변화가 없다면 하부 및 상부 브래그 반사경을 각각 구성하는 박막 간에 굴절률 차이가 클수록 반사도가 높아짐을 알 수 있다. 적층 수의 변화 없이 브래그 반사경의 반사도를 높일 수 있다는 것은 적층 수 증가에 의한 투과-광량 감소 없이 반사도를 높일 수 있다는 의미가 되며 마찬가지로 같은 반사도의 브래그 반사경과 필터의 두께가 얇아질 수 있다는 의미가 된다.
이하 상기 하부 및 상부 브래그 반사경의 박막을 구성하는 물질과 반사도의 관계를 고려하여 본 발명에 적용될 구체적인 물질을 특정하면 다음과 같다.
예를 들어 도6 및 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터에 있어서 검측 대상이 되는 파장(λ)을 4.26μm 대역으로 설정하고 Si(silicon)과 α-Si(Amorphous silicon)의 굴절률을 측정한 데이터이다. 이때 검측 대상이 되는 파장(λ)은 본 발명의 일 실시예로 비분산적외선 방식의 가스-센서의 광-필터로 사용하여 이산화탄소(CO2) 농도를 측정하는 경우를 상정하고 이산화탄소(CO2)가 4.26μm의 파장을 선택적으로 흡수하는 점을 고려하여 설정한 값이다. 도6 및 도7을 참고하면, 도6(a)는 12.398pm~333.28μm의 파장 범위에 걸쳐 약 3.41~3.43의 굴절률을 나타내는 Si의 측정 데이터이며, 도6(b)는 4.26μm에서 3.4285의 굴절률을 보이는 Si을 확인한 측정 데이터이다. 도7(a)는 2μm~35μm의 파장 범위에 걸쳐 α-Si의 굴절률을 측정한 데이터이며, 도7(b)는 4.26μm에서 3.84의 굴절률을 보이는 α-Si을 확인한 측정 데이터이다. 도6(a), (b) 및 도7(a), (b)를 참고하면, 검측 대상이 되는 4.26μm의 파장에서 Si(silicon)의 굴절률은 3.4285이며 α-Si(Amorphous silicon)의 굴절률은 3.84임을 확인할 수 있다. 여기에 상기 식7를 참조하면, 브래그 반사경의 적층 수가 변하지 않는 조건에서 Si(silicon) 보다 α-Si(Amorphous silicon)을 제1박막(210)의 구성 물질로 할 때 더 높은 반사도 및 분해능을 얻을 수 있으며 마찬가지로 α-Si(Amorphous silicon)을 제1박막(210)의 구성 물질로 할 때 Si(silicon)의 경우와 비교하여 더 얇은 두께의 필터로 같은 반사도 및 분해능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예인 비분산적외선 방식의 가스-센서는 가격이 비싸다는 단점이 있으나, Si 기반의 α-Si(Amorphous silicon)을 제1박막의 물질로 선택하는 경우 경제성도 갖출 수 있을 것이라 예상된다. 따라서 본 발명인 브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터에 있어서 상기 제1박막(210)을 구성하는 물질은 α-Si(Amorphous silicon)인 것을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로 제3박막(410)을 구성하는 물질을 선택하는 과정은 다음과 같다.
상기 제3박막(410)과 상부 브래그 반사경(40)의 반사도는 하기 식8의 관계를 가진다.
[식8]
Figure 112021036356741-pat00064
상기 식8에서 R은 상부 브래그 반사경(40)의 반사도이며
Figure 112021036356741-pat00065
는 기판(10)의 굴절률이며
Figure 112021036356741-pat00066
은 제3박막(410)의 굴절률이며
Figure 112021036356741-pat00067
는 제4박막(420)의 굴절률이며 m는 제3박막(410) 및 제4박막(420)의 반복 주기 수이다.
상기 식8을 참조하면 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 박막의 적층 수에 변화가 없다면 상부 브래그 반사경(40)을 구성하는 제3박막(410)과 제4박막(420) 간에 굴절률 차이가 클수록 반사도가 높아짐을 알 수 있다. 적층 수의 변화 없이 상부 브래그 반사경(40)의 반사도를 높일 수 있다는 것은 적층 수 증가에 의한 투과-광량 감소 없이 반사도를 높일 수 있다는 의미가 되며 마찬가지로 같은 반사도의 브래그 반사경과 필터의 두께가 얇아질 수 있다는 의미가 된다.
이하 상기 상부 브래그 반사경의 박막을 구성하는 물질과 반사도의 관계를 고려하여 본 발명에 적용될 구체적인 물질을 특정하면 다음과 같다.
예를 들어 도6 및 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 브래그 반사경 기반의 패브리-페로(Fabry-Perot) 필터에 있어서 검측 대상이 되는 파장(λ)을 4.26μm 대역으로 설정하고 Si(silicon)과 α-Si(Amorphous silicon)의 굴절률을 측정한 데이터이다. 이때 검측 대상이 되는 파장(λ)은 본 발명의 일 실시예로 비분산적외선 방식의 가스-센서의 광-필터로 사용하여 이산화탄소(CO2) 농도를 측정하는 경우를 상정하고 이산화탄소(CO2)가 4.26μm의 파장을 선택적으로 흡수하는 점을 고려하여 설정한 값이다. 도6 및 도7을 참고하면, 도6(a)는 12.398pm~333.28μm의 파장 범위에 걸쳐 약 3.41~3.43의 굴절률을 나타내는 Si의 측정 데이터이며, 도6(b)는 4.26μm에서 3.4285의 굴절률을 보이는 Si을 확인한 측정 데이터이다. 도7(a)는 2μm~35μm의 파장 범위에 걸쳐 α-Si의 굴절률을 측정한 데이터이며, 도7(b)는 4.26μm에서 3.84의 굴절률을 보이는 α-Si을 확인한 측정 데이터이다. 도6(a), (b) 및 도7(a), (b)를 참고하면, 검측 대상이 되는 4.26μm의 파장에서 Si(silicon)의 굴절률은 3.4285이며 α-Si(Amorphous silicon)의 굴절률은 3.84임을 확인할 수 있다. 여기에 상기 식6를 참조하면, 브래그 반사경의 적층 수가 변하지 않는 조건에서 Si(silicon) 보다 α-Si(Amorphous silicon)을 제3박막(410)의 구성 물질로 할 때 더 높은 반사도 및 분해능을 얻을 수 있으며 마찬가지로 α-Si(Amorphous silicon)을 제3박막(410)의 구성 물질로 할 때 Si(silicon)의 경우와 비교하여 더 얇은 두께의 필터로 같은 반사도 및 분해능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예인 비분산적외선 방식의 가스-센서는 가격이 비싸다는 단점이 있으나, Si(silicon) 기반의 α-Si(Amorphous silicon)을 제3박막의 물질로 선택하는 경우 경제성도 갖출 수 있을 것이라 예상된다. 따라서 본 발명인 브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터에 있어서 상기 제3박막(410)을 구성하는 물질은 α-Si(Amorphous silicon)인 것을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
실험예5
Si(silicon) 대비 α-Si(Amorphous silicon) 사용의 우수성 확인 실험
제1박막(210) 및 제3박막(410)의 물질을 α-Si(Amorphous silicon)으로 구성할 경우 Si(silicon)을 사용하는 경우와 비교하여 더 높은 반사도를 가지고 더 얇은 두께의 필터를 제작할 수 있음을 제시하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
시뮬레이션 방법으로 제1박막(210) 및 제3박막(410)의 물질을 Si(silicon)과 α-Si(Amorphous silicon)으로 각 형성한 후 검측 대상이 되는 파장인 4.26μm에 대한 반사율 및 브래그 반사경의 두께를 비교하였다.
도8을 참조하면, 3 μm~5 μm 대역의 밴드 패스 필터로서 동작하는 모습을 확인할 수 있으며 α-Si(Amorphous silicon)일 때 반사율 및 밴드 패스 영역이 더 높아짐으로써 보다 우수함을 확인할 수 있었다.
도9를 참조하면, 제1박막(210) 및 제3박막(410)의 물질을 Si(silicon)과 α-Si(Amorphous silicon)으로 각 구성하고 4층(도2의 DBR Layer : 4)으로 브래그 반사경을 제작하였을 때 브래그 반사경의 반사율과 두께를 비교한 데이터를 확인할 수 있다. 상기 식7 및 식8을 이용하여 분석해보면 똑같은 적층 수임에도 불구하고 α-Si(Amorphous silicon) 기반의 브래그 반사경의 반사도가 Si(silicon) 기반의 브래그 반사경의 반사도에 비해 1.09배 높았으며 반면 적층 두께는 66.58nm가 감소하는 효과를 확인할 수 있었다.
10 : 기판
20 : 하부 브래그 반사경
210 : 제1박막
220 : 제2박막
30 : 공진층
40 : 상부 브래그 반사경
410 : 제3박막
420 : 제4박막

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판상에 위치하는 하부 브래그 반사경;
    상기 하부 브래그 반사경 상에 위치하는 공진층; 및
    상기 공진층 상에 위치하는 상부 브래그 반사경을 포함하고,
    상기 하부 브래그 반사경 및 상기 상부 브래그 반사경은 서로 다른 굴절률을 가지는 박막이 교대하며 적층된 구조이며,
    상기 하부 브래그 반사경은
    Figure 112022090307928-pat00099
    의 굴절률을 가지는 제1박막 및
    Figure 112022090307928-pat00100
    의 굴절률을 가지는 제2박막이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
    Figure 112022090307928-pat00101
    과 굴절률
    Figure 112022090307928-pat00102
    는
    Figure 112022090307928-pat00103
    의 관계를 가지며,
    상기 상부 브래그 반사경은
    Figure 112022090307928-pat00104
    의 굴절률을 가지는 제3박막 및
    Figure 112022090307928-pat00105
    의 굴절률을 가지는 제4박막이 교대하며 적층된 구조가 1회 이상 반복되고 상기 굴절률
    Figure 112022090307928-pat00106
    과 굴절률
    Figure 112022090307928-pat00107
    는
    Figure 112022090307928-pat00108
    의 관계를 가지며,
    상기 제1박막 및 상기 제3박막의 물질은 α-Si(Amorphous silicon)이고,
    상기 제2박막 및 상기 제4박막의 물질은 SiO2(Silicon Dioxide) 또는 질화 규소(Silicon nitride)이며,
    상기 공진층은 두께를 조절하여 자외선, 가시광선 및 적외선을 포함하는 파장 범위에 걸쳐 반치전폭(FWHM)을 가지는 파장을 선택적으로 투과할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1박막의 두께
    Figure 112022013377975-pat00073
    는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식1의 관계를 가지며, 상기 제2박막의 두께(
    Figure 112022013377975-pat00074
    )는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식2의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터.
    [식1]
    Figure 112022013377975-pat00075

    상기 식1에서
    Figure 112022013377975-pat00076
    은 제1박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
    [식2]
    Figure 112022013377975-pat00077

    상기 식2에서
    Figure 112022013377975-pat00078
    는 제2박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3박막의 두께
    Figure 112022013377975-pat00084
    는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식3의 관계를 가지며, 상기 제4박막의 두께(
    Figure 112022013377975-pat00085
    )는 검측 대상이 되는 파장(λ)과 하기 식4의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 브래그 반사경 기반의 패브리-페로 필터.
    [식3]
    Figure 112022013377975-pat00086

    상기 식3에서
    Figure 112022013377975-pat00087
    은 제3박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
    [식4]
    Figure 112022013377975-pat00088

    상기 식4에서
    Figure 112022013377975-pat00089
    는 제4박막을 구성하는 물질의 굴절률이다.
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