KR102542468B1 - 출력 커플러를 포함하는 광방출 소자 및 이를 적용한 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

출력 커플러를 포함하는 광방출 소자 및 이를 적용한 광학 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광방출 소자는 양자점을 함유하는 양자점 함유층 및 상기 양자점 함유층에서 방출되는 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러를 포함하는 나노안테나 구조체를 구비할 수 있다. 상기 출력 커플러는 상기 양자점 함유층의 방출 파장과 결부된 구성을 가질 수 있다. 상기 나노안테나 구조체는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna) 및 슬릿(slit)-함유 구조 중 어느 하나를 포함하거나, 멀티-패치(multi-patch) 안테나 구조 또는 피시본(fishbone) 안테나 구조를 포함할 수 있다.

Description

출력 커플러를 포함하는 광방출 소자 및 이를 적용한 광학 장치{Light emission device including output coupler and optical apparatus adopting the same}
개시된 실시예들은 광방출 소자 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
광을 방출(emission)하거나 광의 특성을 변조(modulation)하는 소자는 다양한 광학 장치에 활용될 수 있다. 광을 발생하거나 방출하는 방식으로는 전계 발광(electroluminescence)(EL) 방식, 광 발광(photoluminescence)(PL) 방식, 음극 발광(cathodeluminescence)(CL) 방식 등 다양한 방식이 있다. 광의 변조 측면에서, 광의 투과/반사 특성, 위상, 진폭, 편광, 세기, 경로 등을 변화시키는 다양한 변조 방식이 제시되었다. 예컨대, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal)이나, 광차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 사용되고 있다. 이러한 광 변조기들은 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느린 단점이 있다.
양자점(quantum dots)을 이용한 광방출 및 광변조 소자를 제공한다.
양자점을 이용한 광방출/광변조 소자에서 광의 출력 특성을 개선할 수 있는 출력 커플러를 포함하는 나노안테나(nano-antenna) 구조체를 제공한다.
고속으로 광학적 특성을 조절(변조)할 수 있는 광방출 소자를 제공한다.
상기 광방출/광변조 소자를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 광방출 특성을 갖는 양자점(quantum dots)을 함유하는 양자점 함유층을 포함하는 층구조체(layered structure); 및 상기 양자점 함유층에서 방출된 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러(output coupler)를 포함하는 나노안테나(nano-antenna) 구조체;를 구비하는 양자점 광방출 소자가 제공된다.
상기 출력 커플러는 상기 양자점 함유층의 방출 파장(emission wavelength)과 결부된(coupled) 구성을 가질 수 있다.
상기 출력 커플러의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 상기 양자점 함유층의 방출 파장 영역(emission wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다.
상기 출력 커플러는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna) 및 슬릿(slit)-함유 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 출력 커플러는 굴절률 변화 물질 또는 상변화 물질을 포함할 수 있고, 상기 출력 커플러의 굴절률 변화 또는 상변화를 이용해서 상기 광의 출력 특성을 조절할 수 있다.
상기 나노안테나 구조체는 상기 출력 커플러와 이격된 입력 커플러(input coupler)를 더 포함할 수 있다.
상기 입력 커플러의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 상기 양자점의 여기 파장 영역(excitation wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다.
상기 나노안테나 구조체는 멀티-패치(multi-patch) 안테나 구조 또는 피시본(fishbone) 안테나 구조를 포함할 수 있다.
상기 광방출 소자로 입력되는 광은 제1 편광 방향을 갖고, 상기 광방출 소자에서 출력되는 광은 상기 제1 편광 방향과 수직한 제2 편광 방향을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 출력 커플러는 복수 개로 구비될 수 있고, 상기 복수의 출력 커플러는 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다.
상기 층구조체는 상기 양자점 함유층에 인접하게 구비된 굴절률 변화층을 더 포함할 수 있고, 상기 굴절률 변화층의 굴절률 변화를 이용해서 상기 양자점 함유층의 광방출 특성을 변조하도록 구성될 수 있다.
상기 층구조체는 복수의 상기 양자점 함유층 및 복수의 상기 굴절률 변화층의 스택(stack) 구조를 포함할 수 있고, 상기 복수의 굴절률 변화층 사이에 상기 복수의 양자점 함유층이 배치될 수 있다.
상기 복수의 양자점 함유층 중 적어도 두 개는 서로 다른 중심 발광 파장을 가질 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변화층 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질을 포함하거나 서로 다른 캐리어 밀도를 가질 수 있다.
상기 스택 구조의 일면 측에 상기 복수의 양자점 함유층의 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광원요소 또는 상기 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광을 가이드하는 광도파로를 더 포함할 수 있다.
상기 스택 구조의 일면 측에 구비된 반사체(reflector); 및 상기 스택 구조의 타면 측에 구비된 밴드-스탑 미러(band-stop mirror);를 더 포함할 수 있다.
상기 스택 구조와 상기 반사체 사이에, 상기 복수의 양자점 함유층의 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광원요소 또는 상기 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광을 가이드하는 광도파로를 더 포함할 수 있다.
상기 층구조체는 반사체(reflector)와 굴절률 변화층을 더 포함할 수 있고, 상기 반사체와 상기 양자점 함유층 사이에 상기 굴절률 변화층이 배치될 수 있고, 상기 굴절률 변화층과 상기 나노안테나 구조체 사이에 상기 양자점 함유층이 배치될 수 있다.
상기 반사체와 상기 굴절률 변화층 사이에 배치된 제1 유전체층; 및 상기 굴절률 변화층과 상기 양자점 함유층 사이에 배치된 제2 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 양자점 광방출 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 광방출 특성을 갖는 양자점을 함유하는 양자점 함유층과 이에 인접한 굴절률 변화층을 포함하는 다층구조체; 및 상기 다층구조체의 일면에 배치된 것으로, 상기 양자점 함유층에서 방출된 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러;를 포함하고, 상기 굴절률 변화층의 굴절률 변화를 이용해서 상기 양자점 함유층의 발광 특성을 변조하도록 구성되고, 상기 출력 커플러는 상기 양자점 함유층의 방출 파장과 광학적으로 결부된(coupled) 구성을 갖는 양자점 광방출 소자가 제공된다.
상기 출력 커플러는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna) 및 슬릿(slit)-함유 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 다층구조체의 일면에 상기 출력 커플러와 이격된 입력 커플러(input coupler)를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 커플러와 상기 입력 커플러는 멀티-패치(multi-patch) 안테나 구조 또는 피시본(fishbone) 안테나 구조를 구성할 수 있다.
상기 다층구조체는 복수의 상기 양자점 함유층 및 복수의 상기 굴절률 변화층을 포함할 수 있고, 상기 복수의 굴절률 변화층 사이에 상기 복수의 양자점 함유층이 배치될 수 있다.
상기 복수의 양자점 함유층 중 적어도 두 개는 서로 다른 중심 발광 파장을 가질 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변화층 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질을 포함하거나 서로 다른 캐리어 밀도를 가질 수 있다.
상기 다층구조체는 반사체(reflector)를 더 포함할 수 있고, 상기 반사체와 상기 양자점 함유층 사이에 상기 굴절률 변화층이 배치될 수 있고, 상기 굴절률 변화층과 상기 출력 커플러 사이에 상기 양자점 함유층이 배치될 수 있다.
상기 반사체와 상기 굴절률 변화층 사이에 배치된 제1 유전체층; 및 상기 굴절률 변화층과 상기 양자점 함유층 사이에 배치된 제2 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 양자점 광방출 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
양자점을 이용한 광방출 및 광변조 소자를 구현할 수 있다. 양자점을 이용한 광방출/광변조 소자에서 광의 출력 특성(출력 커플링 특성)을 개선할 수 있다. 고속으로 광학적 특성을 조절(변조)할 수 있는 광방출 소자를 구현할 수 있다.
상기 광방출/광변조 소자를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장과 출력 커플러(나노안테나)의 공진 파장 영역의 관계를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 나노안테나 구조체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장과 복수의 출력 커플러(나노안테나)의 공진 파장 영역의 관계를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 나노안테나 구조체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 광변조 원리를 설명하기 위한 사시도이다.
도 13은 도 12의 양자점 광방출 소자에 인가되는 전압(VG)의 변화에 따른 발광 PL(photoluminescence)의 세기 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 도 12의 양자점 광방출 소자에 인가되는 전압(VG)의 변화에 따른 굴절률 변화층의 물성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 전압(VG) 변화에 따라 양자점 위치에서의 LDOS 강화(enhancement) 스펙트럼이 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다.
도 16은 전압(VG) 변화에 따른 양자점의 PL 세기 변화량을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장 및 광원요소의 발광 파장을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 밴드-스탑 미러(band-stop mirror)의 반사 특성을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 19는 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 것으로, 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 22는 도 21의 사시도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 24는 다른 실시예에 따른 것으로, 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 25는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 26은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 27은 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나를 보여준다.
도 28은 다른 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나를 보여준다.
도 29는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
이하, 실시예들에 따른 출력 커플러를 포함하는 광방출 소자 및 이를 적용한 광학 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광방출 특성을 갖는 양자점(quantum dots)을 함유하는 양자점 함유층(QD-containing layer)(A10, A20, A30)을 포함하는 층구조체(layered structure)가 구비될 수 있다. 양자점 함유층(A10, A20, A30)에서 방출된 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러(output coupler)를 포함하는 나노안테나(nano-antenna) 구조체(NA10)가 구비될 수 있다.
양자점을 포함하는 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 상호 이격하여 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 구비될 수 있다. 그러나, 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 개수는 예시적인 것이고 변화될 수 있다. 각각의 양자점 함유층(A10, A20, A30)은 절연층(N10, N20, N30) 및 절연층(N10, N20, N30) 내에 임베드(embedded)된 복수의 양자점(QD1, QD2, QD3)을 포함할 수 있다. 제1 양자점 함유층(A10)에 포함된 양자점(QD1)은 제1 양자점, 제2 양자점 함유층(A20)에 포함된 양자점(QD2)은 제2 양자점, 제3 양자점 함유층(A30)에 포함된 양자점(QD3)은 제3 양자점이라 할 수 있다. 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30) 중 적어도 두 개는 서로 다른 중심 발광 파장을 가질 수 있다. 이와 관련해서, 제1 내지 제3 양자점(QD1, QD2, QD3) 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질을 포함하거나, 및/또는, 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다. 양자점의 물질이나 사이즈에 따라, 그의 중심 발광 파장이 달라질 수 있다. 제1 내지 제3 양자점(QD1, QD2, QD3)이 모두 서로 다른 중심 발광 파장을 가질 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 제1 내지 제3 양자점(QD1, QD2, QD3) 중 적어도 두 개는 동일한 중심 발광 파장을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제3 양자점(QD1, QD2, QD3) 중 적어도 두 개는 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
상호 이격된 복수의 굴절률 변화층(refractive index change layer)(R10, R20, R30, R40)이 구비될 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제4 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)이 구비될 수 있고, 이들 사이에 제1 내지 제3 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 배치될 수 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 그에 인가되는 전기적 신호나 그 밖에 다른 조건 변화에 따라 굴절률이 변화되는 층일 수 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 전기적 조건에 따라서 유전율(permittivity)이 변화되는 층일 수 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)에 인가되는 전기장에 따라 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)가 변화될 수 있고, 그로 인해, 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 유전율이 변화될 수 있다. 예를 들어, 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 또는, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)를 포함할 수 있다. 이외에도, 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 반도체 또는 도전체이거나, 유전체일 수도 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 투명하거나 실질적으로 투명할 수 있다.
복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)은 동일한 물질로 형성될 수 있고, 동일한 캐리어 밀도를 가질 수 있다. 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)에 인가되는 전기적 신호나 그 밖에 다른 조건을 달리함으로써, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 특성을 독립적으로 제어할 수 있다. 다른 실시예의 경우, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40) 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질을 포함하거나, 및/또는, 서로 다른 캐리어 밀도를 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)을 이용해서 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 특성을 서로 다르게 제어하기가 보다 용이할 수 있다.
본 실시예의 광방출 소자는 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 굴절률 변화를 이용해서 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 발광(light-emission) 특성을 변조하도록 구성될 수 있다. 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 서로 다른 중심 발광 파장을 갖는 경우, 광방출 소자는 다중 파장영역의 광을 방출하는 특성을 가질 수 있다. 이때, 다중 파장영역의 광들은 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 멀티 파장영역의 광을 방출할 수 있고 이를 용이하게 제어(변조)할 수 있는 광방출 소자를 구현할 수 있다. 복수 파장영역의 광을 멀티플렉싱(multiplexing) 할 수 있는 광방출 소자를 구현할 수 있다. 파장영역 별로 광을 능동적으로 튜닝할 수 있는(actively tunable) 멀티플렉싱(multiplexing) 광방출 소자를 구현할 수 있다.
광방출 소자는 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 양자점들(QD1, QD2, QD3)을 광학적으로 여기(excitation) 시키기 위한 광원요소(LS10)를 더 포함할 수 있다. 광원요소(LS10)는 제1 굴절률 변화층(R10) 아래에 구비될 수 있다. 광원요소(LS10)는 무기물 기반의 LED(light emitting device)(즉, iLED) 또는 유기물 기반의 OLED(organic light emitting device)를 포함하거나, LD(laser diode)를 포함할 수도 있다. 광원요소(LS10)로부터 양자점들(QD1, QD2, QD3)을 여기시키기 위한 광(즉, 여기 광)이 양자점 함유층(A10, A20, A30)으로 조사될 수 있다.
본 실시예에 적용되는 양자점(즉, QD1, QD2, QD3)은 나노미터(nm) 크기의 작은 구 혹은 그와 유사한 형태의 반도체 입자를 의미하며, 대략 수 nm 내지 수십 nm 정도의 사이즈(지름)를 가질 수 있다. 양자점은 단일체 구조를 갖거나, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있고, 코어-쉘 구조의 경우, 단일 쉘 또는 멀티 쉘 구조를 가질 수 있다. 일례로, 소정의 제1 반도체로 이루어진 코어부(중심체)와 제2 반도체로 이루어진 껍질부(쉘부)로 구성될 수 있다. 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체 및 Ⅳ족 계열 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 양자점은 그 크기가 매우 작기 때문에 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 나타낼 수 있다. 입자가 매우 작은 경우에 입자 내의 전자가 입자의 외벽에 의해 불연속적인 에너지 상태를 형성하게 되는데, 입자 내의 공간의 크기가 작을수록 전자의 에너지 상태가 상대적으로 높아지고 에너지 밴드 간격이 넓어지는 효과를 양자 구속 효과라 한다. 이와 같은 양자 구속 효과에 따라, 자외선이나 가시광선 등의 광이 양자점에 입사되면, 다양한 범위의 파장의 광이 발생될 수 있다. 양자점에서 발생되는 광의 파장은 입자(양자점)의 크기나 물질, 구조 등에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 양자점에 에너지 밴드 간격보다 큰 에너지를 갖는 파장의 광이 입사되면, 양자점은 광의 에너지를 흡수하여 여기되고, 특정 파장의 광을 방출하면서 기저 상태가 될 수 있다. 이 경우, 양자점(혹은, 양자점의 코어부)의 크기가 작을수록 상대적으로 짧은 파장의 광, 일례로, 청색 계열의 광 또는 녹색 계열의 광을 발생시킬 수 있고, 양자점(혹은, 양자점의 코어부)의 크기가 클수록 상대적으로 긴 파장의 광, 일례로 적색 계열의 광을 발생시킬 수 있다. 따라서, 양자점(혹은, 양자점의 코어부)의 크기 등에 따라 다양한 색상의 광을 구현할 수 있다. 양자점의 크기(지름)뿐 아니라 구성 물질 및 구조에 의해서도 발광 파장이 조절될 수 있다. 양자점(QD1, QD2, QD3)이 임베드(embedded) 되는 절연층(N10, N20, N30)은, 예컨대, 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물 등과 같은 유전층일 수 있다. 양자점 함유층(A10, A20, A30) 각각은, 예컨대, 수십 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40) 각각은, 예컨대, 수십 nm 이하의 두께의 가질 수 있다. 그러나, 양자점 함유층(A10, A20, A30) 및 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 두께는 전술한 바에 한정되지 않고 변화될 수 있다.
실시예에 따르면, 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 특성 변화를 이용해서 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 광방출 특성을 고속으로 용이하게 변조할 수 있다. 특히, 전기적 신호를 이용해서 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 특성을 용이하게 변화시킬 수 있고, 결과적으로, 고속 광변조가 가능할 수 있다. 또한, 서로 다른 중심 발광 파장을 갖는 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)을 이용함으로써, 복수 파장영역(즉, 멀티-컬러)의 광을 멀티플렉싱(multiplexing) 할 수 있고, 고속으로 변조할 수 있다. 서로 다른 파장 대역의 광들을 독립적으로 제어(변조)할 수 있다. 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 모두 동일한 양자점을 포함하는 경우에도, 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)을 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40) 사이에 삽입하여 소자를 구성함으로써, 발광 및 변조 효율을 증가시킬 수 있다.
광원요소(LS10) 상에 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)과 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 적층구조체가 구비될 수 있고, 상기 적층구조체 상에 나노안테나 구조체(NA10)가 구비될 수 있다. 나노안테나 구조체(NA10)는 양자점 함유층(A10, A20, A30)으로부터 광의 출력 특성을 개선하는 역할을 하는 출력 커플러일 수 있다. 나노안테나 구조체(NA10)는 양자점 함유층(A10, A20, A30) 중 적어도 하나의 방출 파장(emission wavelength)과 결부된(coupled) 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 나노안테나 구조체(NA10)의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 방출 파장 영역(emission wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다. 이러한 나노안테나 구조체(NA10)에 의해 양자점 함유층(A10, A20, A30)에서의 광방출/출력 특성이 개선될 수 있고, 출력광의 지향성 및 방향성이 개선될 수 있다. 따라서, 나노안테나 구조체(NA10)를 이용하면, far-field emission 특성을 구현할 수 있다.
나노안테나 구조체(NA10)는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna), 슬릿(slit)-함유 구조(예컨대, 금속층에 슬릿이 형성된 구조) 등 다양한 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 나노안테나 구조체(NA10)의 사이즈, 형태, 물질 등에 따라서, 광의 출력 특성이 달라질 수 있다. 또한, 나노안테나 구조체(NA10)는 굴절률 변화 물질 또는 상변화 물질을 포함할 수 있고, 이 경우, 나노안테나 구조체(NA10)(즉, 출력 커플러)의 굴절률 변화 또는 상변화를 이용해서 광의 출력 특성을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 상변화 물질은 Ge-Sb-Te계 칼코게나이드(chalcogenide) 물질이나 바나듐(V) 산화물 등을 포함할 수 있다. 나노안테나 구조체(NA10)의 특성 변화를 이용해서 광의 출력 특성을 조절하는 경우, 나노안테나 구조체(NA10)는 tunable output coupler 라고 할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)과 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)이 하나의 '적층구조체(스택 구조)'를 구성한다고 하면, 광방출 소자는 상기 적층구조체의 일면 측에 구비된 반사체(reflector)(RT10) 및 상기 적층구조체의 타면 측에 구비된 밴드-스탑 미러(band-stop mirror)(MR10)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광원요소(LS10)는 상기 적층구조체와 반사체(RT10) 사이에 배치될 수 있다. 밴드-스탑 미러(MR10)는 상기 적층구조체와 나노안테나 구조체(NA10) 사이에 배치될 수 있다.
밴드-스탑 미러(MR10)는 특정 파장영역(밴드)의 광에 대해서 반사 특성을 갖고 나머지 파장영역에 대해서는 투과 특성을 가질 수 있다. 밴드-스탑 미러(MR10)는, 예컨대, DBR(distributed Bragg reflector) 구조를 가질 수 있다. 굴절률이 다른 두 개의 유전층을 λ/4 두께 조건(여기서, λ는 빛의 파장)으로 반복 적층할 수 있고, 원하는 파장 대역의 반사율 또는 투과율을 높일 수 있다. 그러나, 밴드-스탑 미러(MR10)는 DBR 구조가 아닌 다른 구조를 가질 수도 있다. 반사체(RT10)는 금속과 같은 도전체로 형성되거나, DBR 구조를 가질 수도 있다. 반사체(RT10)는 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 광원요소(LS10)로부터 양자점들(QD1, QD2, QD3)을 여기시키기 위한 광(즉, 여기 광)이 양자점 함유층(A10, A20, A30)으로 조사될 수 있다. 반사체(RT10)와 밴드-스탑 미러(MR10)는 상기한 여기 광이 광변조 소자 내에서 내부 반사되도록 캐비티(cavity) 구조를 구성할 수 있다. 따라서, 광원요소(LS10)와 반사체(RT10) 및 밴드-스탑 미러(MR10)는 광변조 소자의 발광 효율 및 변조 효율을 높이는 역할을 할 수 있다. 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)에서 발광 및 변조되는 광은 밴드-스탑 미러(MR10)를 통과하여 그 위쪽으로 출력(출사)될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장과 출력 커플러(나노안테나)의 공진 파장 영역의 관계를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 출력 커플러의 공진 파장 영역은 복수의 양자점의 중심 발광 파장(λ1, λ2, λ3) 영역을 커버할 수 있다. 따라서, 출력 커플러에 의해 복수의 양자점에서의 광방출 커플링 특성이 개선될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 나노안테나 구조체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 복수의 굴절률 변화층과 복수의 양자점 함유층의 적층구조체(SS10) 상에 복수의 나노안테나(NA11, NA21, NA31)가 구비될 수 있다. 복수의 나노안테나(NA11, NA21, NA31)는, 예컨대, 제1 나노안테나(NA11), 제2 나노안테나(NA21) 및 제3 나노안테나(NA31)를 포함할 수 있다. 복수의 나노안테나(NA11, NA21, NA31) 중 적어도 두 개는 서로 다른 사이즈를 갖거나, 서로 다른 물질을 포함하거나, 서로 다른 형태를 가질 수 있다. 여기서는, 복수의 나노안테나(NA11, NA21, NA31)가 서로 다른 사이즈를 갖는 경우가 도시되어 있다. 제1 나노안테나(NA11)는 제1 양자점의 발광 파장에 대응하는 제1 공진 파장 영역을 가질 수 있고, 제2 나노안테나(NA21)는 제2 양자점의 발광 파장에 대응하는 제2 공진 파장 영역을 가질 수 있고, 제3 나노안테나(NA31)는 제3 양자점의 발광 파장에 대응하는 제3 공진 파장 영역을 가질 수 있다. 이 경우, 복수의 나노안테나(NA11, NA21, NA31)로부터 서로 다른 파장의 광이 출력될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장과 복수의 출력 커플러(나노안테나)의 공진 파장 영역의 관계를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제1 출력 커플러(NA11)의 공진 파장 영역은 제1 양자점(QD1)의 중심 발광 파장(λ1)에 대응될 수 있고, 제2 출력 커플러(NA21)의 공진 파장 영역은 제2 양자점(QD2)의 중심 발광 파장(λ2)에 대응될 수 있고, 제3 출력 커플러(NA31)의 공진 파장 영역은 제3 양자점(QD3)의 중심 발광 파장(λ3)에 대응될 수 있다. 따라서, 각각의 출력 커플러에 의해 해당 양자점에서의 광방출 커플링 특성이 개선될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 나노안테나 구조체를 설명하기 위한 평면도이다. 본 실시예는 나노안테나 구조체가 슬릿을 포함하는 경우의 일례를 보여준다.
도 6을 참조하면, 소정의 물질층(M10) 내에 슬릿(slit)(S10)이 형성될 수 있다. 복수의 슬릿(S10)이 어레이를 이루도록 배치될 수 있다. 슬릿(S10)의 사이즈, 배열 방식 등에 따라서, 출력되는 광의 특성 및 방향 등이 제어될 수 있다. 그러나, 여기서 개시한 슬릿(S10)의 배열 방식 등은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다. 물질층(M10)은 금속층일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에서 광원요소(LS10) 위치에 광도파로(optical waveguide)를 적용할 수 있다. 그 예가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
도 7 및 도 8은 각각 도 1 및 도 2의 광원요소(LS10) 위치에 광도파로(WG10)를 적용한 경우를 보여준다. 광도파로(WG10)는 양자점들(QD1, QD2, QD3)을 광학적으로 여기시키기 위한 광을 가이드하는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 광도파로(WG10)와 광학적으로 연결된 별도의 광원요소(미도시)가 더 구비될 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 복수의 양자점 함유층(A11, A21, A31) 중 적어도 두 개는 서로 다른 사이즈를 갖는 양자점을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 양자점 함유층(A11)의 제1 양자점(QD11), 제2 양자점 함유층(A21)의 제2 양자점(QD21) 및 제3 양자점 함유층(A31)의 제3 양자점(QD31)은 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 복수의 양자점 함유층(A12, A22, A32) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 양자점 함유층(A12)의 제1 절연층(N12), 제2 양자점 함유층(A22)의 제2 절연층(N22) 및 제3 양자점 함유층(A32)의 제3 절연층(N32)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 각각의 양자점 함유층(A12, A22, A32)에 포함된 양자점(QD1, QD2, QD3)의 양이 서로 다를 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 복수의 굴절률 변화층(R11, R21, R31, R41) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제4 굴절률 변화층(R11, R21, R31, R41)의 두께가 서로 다를 수 있다. 그러나 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한 양자점의 사이즈 변화 및 층들의 두께 변화는 예시적인 것에 불과하고, 필요에 따라, 다양하게 변형될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 광변조 원리를 설명하기 위한 사시도이다. 여기서는, 하나의 양자점 함유층을 포함하는 광방출 소자에 대해서 예시적으로 설명한다.
도 12를 참조하면, 도전층(10)과 굴절률 변화층(30) 사이에 양자점 함유층(20)이 배치될 수 있다. 양자점 함유층(20)은 절연층(20a) 내에 구비된 복수의 양자점(20b)을 포함한다. 예컨대, 도전층(10)은 Ag를 포함할 수 있고, 굴절률 변화층(30)은 TiN을 포함할 수 있다. 절연층(20a)은 SiO2를 포함할 수 있고, 양자점(20b)은 InP를 포함할 수 있다. 도전층(10)과 굴절률 변화층(30) 사이에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단(VG)이 연결될 수 있고, 신호 인가수단(VG)에 의해 도전층(10)과 굴절률 변화층(30) 사이에 인가되는 전기적 신호(전압)에 따라 굴절률 변화층(30)의 일부 영역의 캐리어 밀도가 변화될 수 있다. 이 영역을 캐리어 밀도 변화영역(30a)이라 할 수 있다. 캐리어 밀도 변화영역(30a)은 굴절률 변화층(30)과 양자점 함유층(20) 사이의 계면에 위치할 수 있다. 이러한 캐리어 밀도 변화에 의해 굴절률 변화층(30)의 LDOS(local density of states)가 변화될 수 있다. 외부 광(ωext)에 의해 여기된 양자점(20b)에서 PL(photoluminescence) 효과에 의한 광(ωPL)이 발생하는데, 양자점 발광 특성은 LDOS modulation에 의해 조절(튜닝)될 수 있다.
도 13은 도 12의 양자점 광방출 소자에 인가되는 전압(VG)의 변화에 따른 발광 PL(photoluminescence)의 세기 변화를 보여주는 그래프이다. 이로부터, 전압(VG)의 변화에 따라, PL 세기가 변화되는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 도 12의 양자점 광방출 소자에 인가되는 전압(VG)의 변화에 따른 굴절률 변화층(30)의 물성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 전압(VG)의 변화에 따라 굴절률 변화층(30)의 캐리어 농도(N) 및 유전율(Re)이 어떻게 변화되는지를 확인할 수 있다. 특히, 양자점 함유층(20)에 인접한 굴절률 변화층(30) 부분의 물성이 크게 변화될 수 있다. 여기서, ENZ는 epsilon near zero 지점을 의미한다.
도 15는 전압(VG) 변화에 따라 양자점 위치에서의 LDOS 강화(enhancement) 스펙트럼이 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다. 여기서, 점선 커브는 VG가 0V 보다 작은 경우로, 굴절률 변화층(TiN)이 ENZ 영역에 있는 경우이다. 실선 커브는 VG가 0V 보다 큰 경우로, 굴절률 변화층(TiN)이 optically plasmonic TiN 영역을 포함하는 경우이다. 이로부터, VG 변화에 따라 LDOS 강화(enhancement) 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.
도 16은 전압(VG) 변화에 따른 양자점의 PL 세기 변화량을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 본 결과는 도 12의 소자에 대한 것이다. 여기서, I0 PL은 0V에서의 PL 세기를 의미하고, ΔIPL은 0V가 아닌 소정의 전압에서의 PL 세기와 0V에서의 PL 세기의 차이를 의미한다. 도 16의 결과로부터, 전압(VG) 변화에 따라 PL 세기 변화량(즉, ΔIPL/I0 PL)(%)이 변화되는 것을 알 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 복수의 양자점의 중심 발광 파장 및 광원요소의 발광 파장을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 제1 양자점은 제1 중심 발광 파장(λ1)을 가질 수 있고, 제2 양자점은 제2 중심 발광 파장(λ2)을 가질 수 있고, 제3 양자점은 제3 중심 발광 파장(λ3)을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 중심 발광 파장(λ1, λ2, λ3)은 서로 다를 수 있다. 여기서, 상기 제1 내지 제3 양자점은, 예컨대, 도 1의 제1 내지 제3 양자점(QD1, QD2, QD3)에 각각 대응될 수 있다. 한편, 광원요소의 발광 파장(λ0)은 제1 내지 제3 중심 발광 파장(λ1, λ2, λ3)보다 작을 수 있다. 광원요소의 발광 에너지는 상대적으로 높은 고에너지일 수 있다. 여기서, 광원요소는 도 1의 광원요소(LS10)에 대응될 수 있다.
도 18은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 밴드-스탑 미러(band-stop mirror)의 반사 특성을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 밴드-스탑 미러(band-stop mirror)는 광원요소의 발광 파장(λ0) 및 그 이하의 파장에 대해 높은 반사율을 가질 수 있고, 양자점들의 발광 파장(λ1, λ2, λ3)에 대해서는 낮은 반사율(즉, 높은 투과율)을 가질 수 있다. 이러한 밴드-스탑 미러는, 예컨대, 도 2의 밴드-스탑 미러(MR10)에 대응될 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 2의 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 보여준다.
도 19를 참조하면, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)에 전기적 신호를 인가하기 위한 '신호 인가수단'이 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 신호 인가수단은 제1 굴절률 변화층(R10)에 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V10), 제2 굴절률 변화층(R20)에 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(V20), 제3 굴절률 변화층(R30)에 전압을 인가하기 위한 제3 전압 인가수단(V30) 및 제4 굴절률 변화층(R40)에 전압을 인가하기 위한 제4 전압 인가수단(V40)을 포함할 수 있다. 각각의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)에 독립적으로 전기적 신호(전압)를 인가할 수 있다. 신호 인가수단을 이용해서 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)의 굴절률을 변화시킬 수 있다.
도 20은 다른 실시예에 따른 것으로, 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 제1 굴절률 변화층(R10)과 제2 굴절률 변화층(R20) 사이에 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V11)이 구비될 수 있고, 제2 굴절률 변화층(R20)과 제3 굴절률 변화층(R30) 사이에 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(V21)이 구비될 수 있고, 제3 굴절률 변화층(R30)과 제4 굴절률 변화층(R40) 사이에 전압을 인가하기 위한 제3 전압 인가수단(V31)이 구비될 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제4 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40) 중 어느 하나는 접지될 수도 있다. 여기서는, 제2 굴절률 변화층(R20)이 접지된 경우를 도시하였지만, 이는 선택적인 것이고, 경우에 따라, 접지되지 않을 수도 있다.
도 19 및 도 20에서는 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단이 연결된 경우를 예시적으로 도시하고 설명하였지만, 신호 인가수단의 연결 방식은 다양하게 변화될 수 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다. 도 22는 도 21의 사시도이다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 양자점 광방출 소자는 양자점(QD5)을 포함하는 양자점 함유층(A50) 및 이와 인접하게 배치된 굴절률 변화층(R50)을 포함할 수 있다. 양자점 함유층(A50)은 절연층(N50) 내에 임베드(embedded)된 양자점(QD5)을 포함할 수 있다. 또한, 양자점 함유층(A50)과 이격된 반사체(RT50)가 더 구비될 수 있다. 반사체(RT50)와 양자점 함유층(A50) 사이에 굴절률 변화층(R50)이 배치될 수 있다. 굴절률 변화층(R50)의 물성 변화에 따라, 양자점 함유층(A50)의 광방출 특성이 제어될 수 있다. 굴절률 변화층(R50)는 양자점(QD5)을 여기시키기 위한 광의 파장(λ)과 관련된 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 굴절률 변화층(R50)은 상기 여기 광의 파장(λ)에 대하여 λ/4의 정수배에 해당하는 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 굴절률 변화층(R50) 내에서 광의 위상(phase)이 조절될 수 있고, 광효율이 개선될 수 있다. 그러나 굴절률 변화층(R50)의 두께 조건은 상기한 바에 한정되는 것은 아니다. 반사체(RT50)는 금속층일 수 있다. 반사체(RT50)는 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다.
본 실시예에 따른 양자점 광방출 소자는 양자점 함유층(A50) 상에 듀얼 패치(dual patch) 구조의 나노안테나 구조체(NA50)가 구비될 수 있다. 나노안테나 구조체(NA50)는 제1 패치에 해당하는 입력 커플러(NA51) 및 제2 패치에 해당하는 출력 커플러(NA52)를 포함할 수 있다. 입력 커플러(NA51)의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 양자점(QD5)의 여기 파장 영역(excitation wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다. 외부로부터 양자점 함유층(A50)으로 들어오는 광을 양자점(QD5)의 여기 광으로 사용할 수 있다. 외부로부터 들어오는 여기 광(입사광)에 대하여 입력 커플러(NA51)가 입력 효율(입력 커플링 효율)을 높이는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 입력 커플러(NA51)는 양자점(QD5)을 광학적으로 여기시키기 위한 광에 대하여 광학적 안테나 기능을 수행할 수 있다. 출력 커플러(NA52)의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 양자점(QD5)의 방출 파장 영역(emission wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(NA52)에 의해 양자점 함유층(A50)에서의 광 출력 특성(출력 커플링 특성)이 개선될 수 있다. 출력 커플러(NA52)의 폭은 입력 커플러(NA51)의 폭보다 클 수 있다. 커플러(NA51, NA52)의 폭에 따라 중심 공진 파장이 달라질 수 있다.
도 23은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 21 및 도 22의 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 보여준다.
도 23을 참조하면, 굴절률 변화층(R50)에 전기적 신호를 인가하기 위한 '신호 인가수단'이 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 신호 인가수단은 나노안테나 구조체(NA50)와 반사체(RT50) 사이에 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V15)을 포함할 수 있다. 제1 전압 인가수단(V15)은 출력 커플러(NA52)와 반사체(RT50) 사이에 연결될 수 있다. 제1 전압 인가수단(V15)에 의해 출력 커플러(NA52)와 반사체(RT50) 사이에 인가되는 전압에 의해 굴절률 변화층(R50)의 물성이 변화될 수 있고, 결과적으로, 양자점 함유층(A50)의 광방출 특성이 조절될 수 있다.
도 24는 다른 실시예에 따른 것으로, 양자점 광방출 소자에 신호 인가수단을 연결한 경우를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 24를 참조하면, 신호 인가수단은 나노안테나 구조체(NA50)와 반사체(RT50) 사이에 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V15) 및 제2 전압 인가수단(V25)을 포함할 수 있다. 제1 전압 인가수단(V15)은 출력 커플러(NA52)와 반사체(RT50) 사이에 연결될 수 있고, 제2 전압 인가수단(V25)은 입력 커플러(NA51)와 반사체(RT50) 사이에 연결될 수 있다. 제2 전압 인가수단(V25)은 입력 커플링 특성 및 입력 효율 등을 조절하는 역할을 할 수 있다.
도 25는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 1의 소자 구조에서 나노안테나 구조체(NA10)의 구성을 변형한 경우를 보여준다.
도 25를 참조하면, 복수의 굴절률 변화층(R10, R20, R30, R40)과 복수의 양자점 함유층(A10, A20, A30)의 적층구조체 상에 듀얼 패치(dual patch) 구조의 나노안테나 구조체(NA60)가 구비될 수 있다. 나노안테나 구조체(NA60)는 제1 패치에 해당하는 입력 커플러(NA61) 및 제2 패치에 해당하는 출력 커플러(NA62)를 포함할 수 있다. 입력 커플러(NA61)의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 양자점(QD1, QD2, QD3)의 여기 파장 영역(excitation wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다. 광원요소(LS10)를 이용할 경우, 광원요소(LS10)로부터 발생되는 여기 광을 사용할 수 있고, 이와 함께, 외부로부터 들어오는 여기 광을 더 사용할 수 있다. 외부로부터 들어오는 여기 광(입사광)에 대하여 입력 커플러(NA61)가 입력 효율(입력 커플링 효율)을 높이는 역할을 할 수 있다. 출력 커플러(NA62)의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 양자점(QD1, QD2, QD3)의 방출 파장 영역(emission wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복될 수 있다. 따라서, 출력 커플러(NA62)에 의해 양자점 함유층(A10, A20, A30)에서의 광 출력 특성(출력 커플링 특성)이 개선될 수 있다.
도 21 내지 도 25에서는 듀얼 패치(dual patch) 구조의 나노안테나를 사용하는 경우를 도시하였지만, 3개의 패치 또는 4개 이상의 패치를 갖는 멀티-패치(multi-patch) 구조의 나노안테나를 사용할 수 있다. 그 일례가 도 26에 도시되어 있다.
도 26은 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 복수의 굴절률 변화층(R15, R25, R35, R45)과 복수의 양자점 함유층(A15, A25, A35)의 적층구조체 상에 멀티-패치 구조의 나노안테나 구조체(NA70)가 구비될 수 있다. 예컨대, 나노안테나 구조체(NA70)는 적어도 하나의 입력 커플러(NA71) 및 복수의 출력 커플러(NA72, NA73, NA74)를 포함할 수 있다. 복수의 출력 커플러(NA72, NA73, NA74)는 서로 다른 발광 파장 영역에 대하여 광학적으로 커플링되도록 디자인될 수 있다. 이와 관련해서, 복수의 출력 커플러(NA72, NA73, NA74)는 서로 다른 사이즈를 갖거나, 서로 다른 물질을 포함하거나, 서로 다른 모양을 가질 수 있다. 제1 출력 커플러(NA72)는 제1 양자점(QD15)의 발광 파장 영역에 대응될 수 있고, 제2 출력 커플러(NA73)는 제2 양자점(QD25)의 발광 파장 영역에 대응될 수 있고, 제3 출력 커플러(NA74)는 제3 양자점(QD35)의 발광 파장 영역에 대응될 수 있다. 따라서, 복수의 양자점 함유층(A15, A25, A35)으로부터 방출된 광들이 서로 다른 출력 커플러(NA72, NA73, NA74)를 통해서 출력되도록 디자인될 수 있다. 도 26에 도시된 입력 커플러(NA71) 및 복수의 출력 커플러(NA72, NA73, NA74)의 형태, 사이즈, 배열 순서 등은 예시적인 것이고, 달라질 수 있다.
도 21 내지 도 26에서는 나노안테나 구조체가 멀티-패치(multi-patch) 구조를 갖는 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 나노안테나 구조체는 피시본(fishbone) 안테나 구조 등 다른 구조를 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 27 및 도 28을 참조하여 설명한다.
도 27 및 도 28은 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나를 예시적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 27은 실시예에 따른 양자점 광방출 소자에 적용될 수 있는 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나를 보여준다.
도 27을 참조하면, 나노안테나 구조체(NA80)는 제1 방향으로 연장되는 제1 나노안테나 요소(NA81)와 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 연장되는 제2 나노안테나 요소(NA82)를 포함할 수 있다. 제2 나노안테나 요소(NA82)에 대하여 이와 교차하도록 복수의 제1 나노안테나 요소(NA81)가 배열될 수 있다. 따라서, 나노안테나 구조체(NA80)는 피시본(fishbone) 구조를 갖는다고 할 수 있다.
제1 나노안테나 요소(NA81)는 입력 커플러일 수 있고, 제2 나노안테나 요소(NA82)는 출력 커플러일 수 있다. 이 경우, 제1 나노안테나 요소(NA81)에 의해 입사광이 제1 편광 방향을 가질 수 있고, 제2 나노안테나 요소(NA82)에 의해 출사광이 상기 제1 편광 방향과 수직한 제2 편광 방향을 가질 수 있다. 따라서, 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나 구조체(NA80)를 사용하면, 입사광 및 출사광의 편광 방향을 제어할 수 있다.
도 28은 다른 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나를 보여준다.
도 28을 참조하면, 복수의 나노안테나 구조체(NA80)가 소정 규칙을 가지고 배열될 수 있다. 여기서는, 두 개의 나노안테나 구조체(NA80)만 예시적으로 도시하였다. 두 개의 나노안테나 구조체(NA80)는 실질적으로 동일할 수 있지만, 경우에 따라서는, 사이즈나 패턴 크기, 패턴 간격 등이 달라질 수 있다. 또한, 여기서는 복수의 나노안테나 구조체(NA80)가 상호 이격하여 배치된 경우를 도시하였지만, 복수의 나노안테나 구조체(NA80)의 제1 나노안테나 요소(NA81)는 상호 연결될 수도 있다. 도 27 및 도 28을 참조하여 설명한 피시본(fishbone) 구조의 나노안테나는 예시적인 것이고, 다양하게 변형될 수 있다.
도 29는 다른 실시예에 따른 양자점 광방출 소자를 보여주는 단면도이다.
도 29를 참조하면, 광방출 특성을 갖는 양자점을 함유하는 양자점 함유층(A90)이 구비될 수 있다. 양자점 함유층(A90)은 절연층(N90) 및 절연층(N90) 내에 임베드(embedded)된 복수의 양자점(QD9)을 포함할 수 있다. 양자점 함유층(A90) 상에 출력 커플러(output coupler)를 포함하는 나노안테나 구조체(NA90)가 구비될 수 있다.
본 실시예의 광방출(광출력) 소자는 굴절률 변화층(R90) 및 반사체(RT90)를 더 포함할 수 있다. 굴절률 변화층(R90)은 양자점 함유층(A90)과 반사체(RT90) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 반사체(RT90)와 굴절률 변화층(R90) 사이에 제1 유전체층(D91)이 더 구비될 수 있고, 굴절률 변화층(R90)과 양자점 함유층(A90) 사이에 제2 유전체층(D92)이 더 구비될 수 있다.
제1 및 제2 유전체층(D91, D92)은 모두 소정의 관심 파장(사용 파장) 영역의 광에 대하여 투명할 수 있다. 제1 및 제2 유전체층(D91, D92)은 하부의 반사체(RT90)와 상부의 양자점 함유층(A90) 사이에 λ/4의 정수배에 해당하는 만큼의 광학 거리를 만들어주는 역할을 할 수 있다. 여기서, λ는 소정의 관심 파장(사용 파장) 영역의 중심 파장일 수 있다. 이러한 유전체층들(D91, D92)을 사용함으로써, 입사된 광이 양자점 함유층(A90)에 강하게 집중되는 효과를 얻을 수 있다. 이와 관련해서, 본 실시예에 따른 광방출 소자는 Salisbury screen-type 구조를 갖는다고 할 수 있다.
제1 및 제2 유전체층(D91, D92) 사이에 배치된 굴절률 변화층(R90)의 광학적 특성을 변화시키면, λ/4의 정수배 조건이 깨지면서, 양자점 함유층(A90)에 집중되는 광의 강도를 제어할 수 있다. 다시 말해, 굴절률 변화층(R90)의 광학적 특성을 변화시키면, 반사체(RT90)와 양자점 함유층(A90) 사이의 광학적 거리가 변화되면서, 양자점 함유층(A90) 발광 특성이 조절(변조)될 수 있다. 굴절률 변화층(R90)의 광학적 특성은 다양한 방식으로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 반사체(RT90)와 나노안테나 구조체(NA90) 사이에 소정의 전압을 인가하여, 굴절률 변화층(R90)에 전기장을 인가함으로써, 굴절률 변화층(R90)의 특성을 변화시킬 수 있다. 그 밖에도 다양한 방식이 사용될 수 있다.
나노안테나 구조체(NA90)는 단순하게 도시하였지만, 도 1 내지 도 11 및 도 19 내지 도 28 등을 참조하여 설명한 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다.
나노안테나는 특정 파장(혹은 주파수)의 빛(입사광, visible 및 invisible 전자기파 모두 포함)을 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)의 형태로 변환하여 그 에너지를 포획하는 것으로, 빛에 대한 나노구조의 안테나라 할 수 있다. 나노안테나는 도전층 패턴(ex, 금속층 패턴)일 수 있고, 상기 도전층 패턴은 비도전층(ex, 유전층)에 접촉되어 있을 수 있다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면에서 플라즈몬 공진이 발생할 수 있다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면과 같이, 표면 플라즈몬 공진이 일어나는 경계면(interface)을 통칭하여 "메타 표면" 또는 "메타 구조"라고 할 수 있다. 나노안테나는 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)이란 나노안테나의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다.
나노안테나는 사각형 패턴, 라인형 패턴, 원형 디스크, 타원형 디스크, 십자형, 별표형(asterisk type) 등 다양한 구조/형상을 가질 수 있다. 십자형은 두 개의 나노로드(nanorod)가 서로 수직한 방향으로 교차하는 형태일 수 있고, 별표형은 세 개의 나노로드(nanorod)가 교차하는 별(*) 형태일 수 있다. 그 밖에도, 나노안테나는 원뿔(cone), 삼각뿔(triangular pyramid), 구(sphere), 반구(hemisphere), 쌀알(rice grain), 막대(rod) 등 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 또한, 나노안테나는 복수의 층이 겹쳐진 다층 구조를 가질 수 있고, 코어부와 적어도 하나의 껍질부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 부가해서, 두 개 이상의 서로 다른 구조/형태를 갖는 나노안테나들이 하나의 단위를 이루어 주기적으로 배열될 수도 있다.
나노안테나의 구조/형태 및 그의 배열 방식에 따라, 공진 파장, 공진 파장 폭, 공진 편광 특성, 공진 각도, 반사/흡수/투과 특성 등이 달라질 수 있다. 따라서, 나노안테나의 구조/형태 및 배열 방식을 제어함으로써, 목적에 맞는 특성을 갖는 광변조 소자를 제조할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 양자점 광방출 소자는 씬 디스플레이(thin display), 울트라씬 디스플레이(ultrathin display), 집적형 광학 회로(integrated optical circuit)를 위한 온-칩 에미터(On-chip emitter), 차세대 Wi-Fi(wireless fidelity)에 해당하는 Li-Fi(light fidelity) 분야, 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치 등 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 광방출 소자는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광방출 소자는 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치 등 다양한 광학 성분/장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광방출 소자는 "메타 표면" 또는 "메타 구조"가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 광방출 소자는 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
부가적으로, 이상에서 설명한 실시예에서는 굴절률 변화층의 굴절률을 변조함에 있어서, 전기적 신호, 즉, 전압을 인가(즉, biasing)하는 것에 대해서 주로 설명하였지만, 굴절률 변화층의 굴절률을 변조하는 방법은 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 굴절률 변화층의 굴절률을 변조하는 방법은 전기장 인가, 자기장 인가, 가열 및 냉각, 광학적 펌핑(optical pumping), 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 전기-기계적(electro-mechanical) 변형(deformation) 및 변조(modulation) 등으로 다양할 수 있다. 또한, 굴절률 변화층의 물질 및 구성/구조는 다양하게 변화될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 11 및 도 19 내지 도 29 등을 참조하여 설명한 양자점 광방출 소자의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예들에 따른 양자점 광방출 소자의 적용 분야는 전술한 설명 내용에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
A10, A20, A30, A50 : 양자점 함유층 LS10 : 광원요소
MR10 : 밴드-스탑 미러 N10, N20, N30, N50 : 절연층
NA10, NA50 : 나노안테나 구조체 NA51 : 입력 커플러
NA52 : 출력 커플러 QD1, QD2, QD3, QD5 : 양자점
R10∼R50 : 굴절률 변화층 RT10, RT50 : 반사체
S10 : 슬릿 SS10 : 적층구조체
V10∼V40 : 전압 인가수단 WG10 : 광도파로

Claims (28)

  1. 광방출 특성을 갖는 양자점(quantum dots)을 함유하는 양자점 함유층 및 상기 양자점 함유층에 인접하게 구비된 굴절률 변화층을 포함하는 층구조체(layered structure); 및
    상기 양자점 함유층에서 방출된 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러(output coupler)를 포함하는 나노안테나(nano-antenna) 구조체;를 구비하고,
    상기 층구조체는 복수의 상기 양자점 함유층 및 복수의 상기 굴절률 변화층의 스택(stack) 구조를 포함하고, 상기 복수의 굴절률 변화층 사이에 상기 복수의 양자점 함유층이 배치된 양자점 광방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 양자점 함유층의 방출 파장(emission wavelength)과 결부된(coupled) 구성을 갖는 양자점 광방출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 상기 양자점 함유층의 방출 파장 영역(emission wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복되는 양자점 광방출 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna) 및 슬릿(slit)-함유 구조 중 어느 하나를 포함하는 양자점 광방출 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 굴절률 변화 물질 또는 상변화 물질을 포함하고,
    상기 출력 커플러의 굴절률 변화 또는 상변화를 이용해서 상기 광의 출력 특성을 조절하는 양자점 광방출 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노안테나 구조체는 상기 출력 커플러와 이격된 입력 커플러(input coupler)를 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입력 커플러의 공진 파장 영역(resonance wavelength region)은 상기 양자점의 여기 파장 영역(excitation wavelength region)과 적어도 부분적으로 중복되는 양자점 광방출 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노안테나 구조체는 멀티-패치(multi-patch) 안테나 구조 또는 피시본(fishbone) 안테나 구조를 포함하는 양자점 광방출 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광방출 소자로 입력되는 광은 제1 편광 방향을 갖고, 상기 광방출 소자에서 출력되는 광은 상기 제1 편광 방향과 수직한 제2 편광 방향을 갖도록 구성된 양자점 광방출 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 복수 개로 구비되고,
    상기 복수의 출력 커플러는 서로 다른 사이즈를 갖는 양자점 광방출 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변화층의 굴절률 변화를 이용해서 상기 양자점 함유층의 광방출 특성을 변조하도록 구성된 양자점 광방출 소자.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 양자점 함유층 중 적어도 두 개는 서로 다른 중심 발광 파장을 갖는 양자점 광방출 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변화층 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질을 포함하거나 서로 다른 캐리어 밀도를 갖는 양자점 광방출 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택 구조의 일면 측에 상기 복수의 양자점 함유층의 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광원요소 또는 상기 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광을 가이드하는 광도파로를 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택 구조의 일면 측에 구비된 반사체(reflector); 및
    상기 스택 구조의 타면 측에 구비된 밴드-스탑 미러(band-stop mirror);를 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 스택 구조와 상기 반사체 사이에,
    상기 복수의 양자점 함유층의 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광원요소 또는 상기 양자점들을 광학적으로 여기시키기 위한 광을 가이드하는 광도파로를 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 층구조체는 반사체(reflector)을 더 포함하고,
    상기 반사체와 상기 양자점 함유층 사이에 상기 굴절률 변화층이 배치되고,
    상기 굴절률 변화층과 상기 나노안테나 구조체 사이에 상기 양자점 함유층이 배치된 양자점 광방출 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반사체와 상기 굴절률 변화층 사이에 배치된 제1 유전체층; 및
    상기 굴절률 변화층과 상기 양자점 함유층 사이에 배치된 제2 유전체층;을 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  20. ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1 내지 11, 13 내지 19 중 어느 하나에 기재된 양자점 광방출 소자를 포함하는 광학 장치.
  21. ◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    광방출 특성을 갖는 양자점을 함유하는 양자점 함유층과 이에 인접한 굴절률 변화층을 포함하는 다층구조체; 및
    상기 다층구조체의 일면에 배치된 것으로, 상기 양자점 함유층에서 방출된 광의 출력 특성을 제어하도록 구성된 출력 커플러;를 포함하고,
    상기 굴절률 변화층의 굴절률 변화를 이용해서 상기 양자점 함유층의 발광 특성을 변조하도록 구성되고, 상기 출력 커플러는 상기 양자점 함유층의 방출 파장과 광학적으로 결부된(coupled) 구성을 갖고,
    상기 다층구조체는 복수의 상기 양자점 함유층 및 복수의 상기 굴절률 변화층을 포함하고, 상기 복수의 굴절률 변화층 사이에 상기 복수의 양자점 함유층이 배치되는 양자점 광방출 소자.
  22. ◈청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 21 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 금속성 안테나(metallic antenna), 유전체 안테나(dielectric antenna) 및 슬릿(slit)-함유 구조 중 어느 하나를 포함하는 양자점 광방출 소자.
  23. ◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 21 항에 있어서,
    상기 다층구조체의 일면에 상기 출력 커플러와 이격된 입력 커플러(input coupler)를 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  24. ◈청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 23 항에 있어서,
    상기 출력 커플러와 상기 입력 커플러는 멀티-패치(multi-patch) 안테나 구조 또는 피시본(fishbone) 안테나 구조를 구성하는 양자점 광방출 소자.
  25. ◈청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 21 항에 있어서,
    상기 복수의 양자점 함유층 중 적어도 두 개는 서로 다른 중심 발광 파장을 갖는 양자점 광방출 소자.
  26. ◈청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 21 항에 있어서,
    상기 다층구조체는 반사체(reflector)를 더 포함하고,
    상기 반사체와 상기 양자점 함유층 사이에 상기 굴절률 변화층이 배치되고,
    상기 굴절률 변화층과 상기 출력 커플러 사이에 상기 양자점 함유층이 배치된 양자점 광방출 소자.
  27. ◈청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 26 항에 있어서,
    상기 반사체와 상기 굴절률 변화층 사이에 배치된 제1 유전체층; 및
    상기 굴절률 변화층과 상기 양자점 함유층 사이에 배치된 제2 유전체층;을 더 포함하는 양자점 광방출 소자.
  28. ◈청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 21 내지 27 중 어느 하나에 기재된 양자점 광방출 소자를 포함하는 광학 장치.
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