KR102546314B1 - Optical modulating device having gate structure - Google Patents

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유정 루
호웨이 리
야오웨이 황
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Abstract

광 변조 소자는 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및 상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함한다. 외부 신호에 따라 유전율 변화층에 형성되는 활성 영역이 게이트 역할을 하며 광 변조 및 발광 성능을 제어할 수 있다. The light modulation device includes a dielectric constant change layer having a variable dielectric constant; a dielectric layer disposed on the dielectric constant change layer; a nanoantenna disposed on the dielectric layer; and a light emitting structure disposed adjacent to the dielectric constant change layer. An active region formed on the dielectric constant change layer according to an external signal serves as a gate and can control light modulation and light emission performance.

Description

게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자{Optical modulating device having gate structure}Optical modulating device having gate structure {Optical modulating device having gate structure}

본 개시는 광을 변조하는 광학 소자에 대한 것이다. The present disclosure is directed to an optical device that modulates light.

입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되고 있다. Optical elements that change transmission/reflection, polarization, phase, intensity, and path of incident light are utilized in various optical devices. In addition, light modulators of various structures have been proposed to control the above properties in an optical system in a desired manner.

이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 널리 사용되고 있다. 이러한 이러한 광변조기들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느리다. For example, a liquid crystal having optical anisotropy, a microelectromechanical system (MEMS) structure using a micromechanical movement of a light blocking/reflecting element, and the like are widely used in general light modulators. These optical modulators have a slow operation response time of several microseconds or more due to the nature of their driving method.

최근에는 금속층과 유전체층의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노안테나를 광학 소자에 활용하는 시도가 있다. Recently, an attempt has been made to utilize a nanoantenna using a surface plasmon resonance phenomenon occurring at a boundary between a metal layer and a dielectric layer in an optical element.

본 개시는 광을 변조하는 광학 소자에 대한 것이다. The present disclosure is directed to an optical device that modulates light.

일 유형에 따르면, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및 상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함하는 광 변조 소자가 제공된다.According to one type, a permittivity varying layer having a variable permittivity; a dielectric layer disposed on the dielectric constant change layer; a nanoantenna disposed on the dielectric layer; and a light emitting structure disposed adjacent to the dielectric constant change layer.

상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다. The light emitting structure may emit light having a longer wavelength than the incident light by using the incident light as an excitation source.

상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함할 수 있다. The light emitting structure may include a plurality of light emitting particles.

상기 광 변조 소자는 절연 물질층을 더 포함하며, 상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드될 수 있다. The light modulation device may further include an insulating material layer, and the plurality of light-emitting particles may be embedded in the insulating material layer.

상기 발광 구조체는 반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함할 수 있다. The light emitting structure may include a semiconductor quantum well structure or a semiconductor PN junction structure.

상기 광 변조 소자는 금속층을 더 포함하며, 상기 금속층 상에 순서대로, 상기 발광 구조체, 상기 유전율 변화층, 상기 유전체층, 상기 나노안테나가 배치될 수 있다. The light modulation device may further include a metal layer, and the light emitting structure, the dielectric constant change layer, the dielectric layer, and the nanoantenna may be sequentially disposed on the metal layer.

상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층과 상기 나노안테나 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함할 수 있다. The light modulation device may further include a voltage applying means for applying a voltage between the dielectric constant change layer and the nanoantenna.

상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다. The dielectric constant change layer may include a transparent conductive oxide.

상기 유전율 변화층은 상기 나노 안테나층과 상기 유전율 변화층 간에 인가되는 전압에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역을 포함할 수 있다. The dielectric constant change layer may include an active region in which carrier concentration changes according to a voltage applied between the nanoantenna layer and the dielectric constant change layer.

또한, 일 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나; 상기 복수의 나노안테나 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 및 상기 복수의 나노안테나 사이의, 상기 유전율 변화층 상에 배치된 발광 구조체;를 포함하는, 광 변조 소자가 제공된다.Further, according to one type, a substrate; a plurality of nanoantennas spaced apart from each other on the substrate; a dielectric layer disposed on the plurality of nanoantennas; a dielectric constant change layer disposed on the dielectric layer and having a variable dielectric constant; and a light emitting structure disposed on the dielectric constant change layer between the plurality of nanoantennas.

상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다. The light emitting structure may emit light having a longer wavelength than the incident light by using the incident light as an excitation source.

상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함할 수 있다. The light emitting structure may include a plurality of light emitting particles.

상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층 상에 배치된 절연 물질층;을 더 포함하며, 상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드될 수 있다. The light modulation device may further include an insulating material layer disposed on the dielectric constant change layer, and the plurality of light-emitting particles may be embedded in the insulating material layer.

상기 발광 구조체는 반도체 양자 우물층 또는 PN 접합 반도체층을 포함할 수 있다. The light emitting structure may include a semiconductor quantum well layer or a PN junction semiconductor layer.

상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층과 상기 발광 구조체를 덮는 절연물질층을 더 포함할 수 있다. The light modulation device may further include an insulating material layer covering the dielectric constant change layer and the light emitting structure.

상기 광 변조 소자는 상기 복수의 나노안테나 각각과 상기 유전율 변화층 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함할 수 있다. The light modulation device may further include a voltage applying means for applying a voltage between each of the plurality of nanoantennas and the dielectric constant change layer.

상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다. The dielectric constant change layer may include a transparent conductive oxide.

또한, 일 유형에 따르면, 상술한 어느 하나의 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.Further, according to one type, an optical device including any one of the light modulation elements described above is provided.

상기 광학 장치는 상기 광 변조 소자에 광을 제공하는 백라이트 유닛;을 더 포함할 수 있다. The optical device may further include a backlight unit providing light to the light modulation device.

상기 광학 장치는 상기 복수의 나노안테나 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부를 더 포함할 수 있다. The optical device may further include a driving circuit unit for controlling a voltage applied to each of the plurality of nanoantennas.

상술한 광 변조 소자는 나노안테나, 유전율 변화층, 발광구조체를 포함하며, 유전율 변화층에서 캐리어 농도가 변하는 영역을 게이트로 활용하여 입사광을 다양한 형태로 변조할 수 있다. The above-described light modulation device includes a nanoantenna, a dielectric constant change layer, and a light emitting structure, and incident light can be modulated in various forms by using a region where carrier concentration is changed in the dielectric constant change layer as a gate.

또한, 입사광의 에너지는 광 변조 소자의 발광구조체에 흡수되어 다른 파장의 광이 발광될 수 있고, 발광 에너지는 유전율 변화층의 유전율 제어로 조절될 수 있다.In addition, the energy of the incident light is absorbed by the light emitting structure of the light modulation device to emit light of different wavelengths, and the light emitting energy can be adjusted by controlling the permittivity of the permittivity changing layer.

상술한 광 변조 소자는 소형, 구속 구동이 가능하여 다양한 광학 장치에 적용되어 광학 장치의 성능을 향상시킬 수 있다. The above-described light modulation device is compact and capable of constrained driving, so that it can be applied to various optical devices to improve the performance of optical devices.

상술한 광 변조 소자는 백라이트 유닛과 함께, 디스플레이 장치를 구현할 수 있으며, 픽셀이 소형화되고, 콘트라스트가 향상된 영상을 제공할 수 있다. The above-described light modulation device, together with a backlight unit, can implement a display device, and can provide an image with reduced pixels and improved contrast.

도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 광 변조 소자의 A-A' 단면도이다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층의 캐리어 농도에 따른 유전율 변화를 전산 모사한 그래프이다.
도 4는 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 반사율을 전산 모사한 그래프이다.
도 5는 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 위상 변화를 파장 별로 전산 모사한 그래프이다.
도 6은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 비교예와 비교하여 전산 모사한 그래프이다.
도 7은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 전산 모사한 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 16은 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.1 is a perspective view showing a schematic configuration of a light modulation device according to an embodiment.
FIG. 2 is an AA′ cross-sectional view of the light modulation device of FIG. 1 .
FIG. 3 is a graph simulating a change in permittivity according to a carrier concentration of a permittivity change layer in the light modulation device of FIG. 1 .
FIG. 4 is a graph obtained by computationally simulating reflectance according to a voltage applied to a dielectric constant change layer and a wavelength of incident light in the light modulation device of FIG. 1 .
FIG. 5 is a graph obtained by computationally simulating a phase change for each wavelength according to a voltage applied to a dielectric constant change layer and a wavelength of incident light in the optical modulation device of FIG. 1 .
FIG. 6 is a graph obtained by computationally simulating a change in LDOS according to a voltage applied to a dielectric constant change layer and a wavelength of incident light in the optical modulation device of FIG. 1 compared to a comparative example.
FIG. 7 is a graph computationally simulating a change in LDOS according to a voltage applied to a dielectric constant change layer in the light modulation device of FIG. 1 and a wavelength of incident light.
8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
15 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device according to another embodiment.
16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical device according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same reference numerals denote the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. On the other hand, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, what is described as "above" or "above" may include not only what is directly on top of contact but also what is on top of non-contact.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 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.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. .

도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자(100)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이고, 도 2는 도 1의 광 변조 소자(100)의 A-A' 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a light modulation device 100 according to an embodiment, and FIG. 2 is an AA' cross-sectional view of the light modulation device 100 of FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 광 변조 소자(100)는 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층(140), 유전율 변화층(140) 상에 배치된 유전체층(150), 유전체층(150) 상에 배치된 나노 안테나(NA) 및 유전율 변화층(140)에 인접 배치된 발광 구조체(120)를 포함한다.1 and 2, the light modulation device 100 includes a dielectric constant change layer 140 having a variable dielectric constant, a dielectric layer 150 disposed on the dielectric constant change layer 140, and a dielectric layer 150 disposed on the dielectric constant change layer 140. A light emitting structure 120 disposed adjacent to the nanoantenna NA and the dielectric constant change layer 140 is included.

광 변조 소자(100)는 절연물질층(130)을 더 포함할 수 있고, 발광 구조체(120)는 절연물질층(130) 내에 임베드된 형태로, 유전율 변화층(140) 하부에 배치될 수 있다.The light modulation device 100 may further include an insulating material layer 130, and the light emitting structure 120 may be disposed under the dielectric constant change layer 140 in a form embedded in the insulating material layer 130. .

광 변조 소자(100)는 또한, 유전율 변화층(140) 하부에 배치된 금속층(110)을 더 포함할 수 있고, 금속층(110) 상에 순서대로, 발광 구조체(120)가 임베드된 절연물질층(130), 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)가 배치될 수 있다.The light modulation device 100 may further include a metal layer 110 disposed under the dielectric constant change layer 140, and an insulating material layer on which the light emitting structure 120 is sequentially embedded on the metal layer 110. 130, a dielectric constant change layer 140, a dielectric layer 150, and a nanoantenna (NA) may be disposed.

유전율 변화층(140)은 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 외부 신호는 전기 신호일 수 있다. 유전율 변화층(140)은 예를 들어, 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)로 이루어질 수 있다. 또한, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice)도 사용 가능하다. 이외에도, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질), 즉, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate)이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.The dielectric constant change layer 140 is an external It may be made of a material whose optical properties change depending on the signal. The external signal may be an electrical signal. The dielectric constant change layer 140 may include, for example, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), gallium zinc oxide (GZO), aluminum gallium zinc oxide (AGZO), or gallium zinc oxide (GIZO). It may be made of a transparent conductive oxide (TCO) such as indium zinc oxide. In addition, transition metal nitrides such as TiN, ZrN, HfN, and TaN may also be used. In addition, electro-optic materials whose effective permittivity changes when an electrical signal is applied, that is, LiNbO 3 , LiTaO 3 KTN (potassium tantalate niobate), PZT (lead zirconate titanate) can be used, and also electro-optical properties A variety of polymer materials having a can be used.

유전율 변화층(140)과 나노안테나(NA) 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단(190)이 구비될 수 있다. 이하에서는 유전율 변화층(140)이 전기 신호에 따라 유전율이 변하는 물질로 설명할 것이나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열을 인가하면 소정 온도 이상에서 상전이가 일어나 유전율이 변하는 물질, 예를 들어, VO2, VO2O3, EuO, MnO, CoO, CoO2, LiCoO2, 또는, Ca2RuO4 등이 유전율 변화층(140)에 채용될 수 있다. A voltage application unit 190 for applying a voltage between the dielectric constant change layer 140 and the nanoantenna NA may be provided. Hereinafter, the dielectric constant change layer 140 will be described as a material whose dielectric constant changes according to an electrical signal, but is not limited thereto. For example, when heat is applied, a phase transition occurs above a predetermined temperature and the dielectric constant changes, for example, VO 2 , VO 2 O 3 , EuO, MnO, CoO, CoO 2 , LiCoO 2 , or Ca 2 RuO 4 The like may be employed for the dielectric constant change layer 140 .

나노안테나(NA)는 전도성 물질로 이루어지고, 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가지는 인공 구조(artificial structure)이며, 소정 파장 대역의 빛을 강하게 모으는 역할을 한다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)은 나노안테나(NA)의 동작 파장, 즉, 상기 소정 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(NA)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예를 들어, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나(NA) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다. The nanoantenna (NA) is an artificial structure made of a conductive material and having a shape dimension of a sub-wavelength, and serves to strongly collect light of a predetermined wavelength band. Here, the sub-wavelength means an operating wavelength of the nanoantenna NA, that is, a dimension smaller than the predetermined wavelength. Any one dimension constituting the shape of the nanoantennas NA, eg, at least one of thickness, width, length, or spacing between the nanoantennas NA, may have a sub-wavelength dimension.

나노안테나(NA)의 상기한 기능은 금속물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 것으로 알려져 있으며, 나노안테나(NA)의 세부적인 형상에 따라 공진 파장이 달라진다. 이하에서는 나노안테나(NA), 유전체층(150), 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 경계면(interface)를 통칭하여 '메타표면'으로도 지칭할 것이다.The above function of the nanoantenna (NA) is known to be due to surface plasmon resonance occurring at the boundary between a metal material and a dielectric material, and the resonance wavelength varies depending on the detailed shape of the nanoantenna (NA). Hereinafter, the nanoantenna (NA), the dielectric layer 150, and the interface where surface plasmon resonance occurs will be collectively referred to as a 'metasurface'.

나노안테나(NA)의 단면 형상은 십자 형으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 원형, 별형, 다각형의 형상을 가질 수도 있다. The cross-sectional shape of the nanoantenna NA is illustrated as a cross, but is not limited thereto. For example, it may have a circular, star, or polygonal shape.

나노안테나(NA)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.As a conductive material forming the nanoantenna (NA), a highly conductive metal material capable of generating surface plasmon excitation may be employed. For example, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), At least one selected from osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au) may be employed, and may be made of an alloy including any one of these. In addition, a two-dimensional material having good conductivity, such as graphene, or a conductive oxide may be employed.

유전체층(150)에는 Al2O3, HfO2, MgO, 또는 SiO2 과 같은 물질이 사용될 수 있다.The dielectric layer 150 includes Al 2 O 3 , HfO 2 , MgO, or SiO 2 substances such as can be used

발광 구조체(120)로는 광발광(photoluminescence)이 가능한 다양한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광 입자로서, 희토류 이온(rare earth ion), 양자점, 플라즈모닉 나노입자, 유전체 나노입자, 반도체 나노입자 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 예를 들어, Si계 나노결정, II-VI족계 화합물 반도체 나노결정, III-V족계 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족계 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나의 나노결정을 포함할 수 있다. II-VI족계 화합물 반도체 나노결정은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HggZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. III-V족계 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs, 및 InAlPAs로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. IV-VI족계 화합물 반도체 나노결정은 SbTe일 수 있다.A variety of materials capable of photoluminescence may be used as the light emitting structure 120 . For example, as the light-emitting particles, any one of rare earth ions, quantum dots, plasmonic nanoparticles, dielectric nanoparticles, and semiconductor nanoparticles may be employed. For example, it may include nanocrystals of any one of Si-based nanocrystals, group II-VI compound semiconductor nanocrystals, group III-V compound semiconductor nanocrystals, group IV-VI compound semiconductor nanocrystals, and mixtures thereof. . Group II-VI compound semiconductor nanocrystals are CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe . Group III-V compound semiconductor nanocrystals are GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs , GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNPs, InAlNAs, and may be any one selected from the group consisting of InAlPAs. The group IV-VI compound semiconductor nanocrystal may be SbTe.

도 2에서는 발광 구조체(120)를 발광 입자로 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, PN 접합 구조나 양자 우물 구조가 채용될 수도 있다.Although the light emitting structure 120 is illustrated as a light emitting particle in FIG. 2 , it is not limited thereto, and a PN junction structure or a quantum well structure may be employed.

금속층(110)은 광을 반사하는 미러층으로 기능할 수 있다. 금속층(110)의 구비에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 입사광(Li), 변조광(Lm)의 방향이 형성된다. 금속층(110)의 재질은 이러한 기능을 수행할 수 있는 다양한 금속 재질, 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The metal layer 110 may function as a mirror layer that reflects light. Depending on the presence of the metal layer 110 , as shown in FIG. 2 , directions of the incident light Li and the modulated light Lm are formed. The material of the metal layer 110 is a variety of metal materials that can perform these functions, for example, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, ruthenium (Ru), rhodium (rhodium, Rh) , Palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), osmium (osmium, Os), iridium (iridium, Ir), platinum (Pt), gold (Au), including at least one selected from can

금속층(110)이 구비되는 경우, 필요에 따라, 나노안테나(NA)와 금속층(110) 사이에 전압이 인가될 수도 있다.When the metal layer 110 is provided, a voltage may be applied between the nanoantenna NA and the metal layer 110 as needed.

도 2를 참조하면, 유전율 변화층(140)은 나노안테나(NA)와의 사이에 인가되는 전압 여하에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역(145)을 포함할 수 있다. 활성 영역(145)은 유전율 변화층(140) 내에서 유전체층(150)과 인접한 영역 쪽에 형성되며, 캐리어 농도는 인가 전압에 따라 변한다. 활성 영역(145)에 형성된 캐리어 농도에 따라 광 변조 소자(100)에 입사되는 광이 변조되는 형태가 조절될 수 있다. 이러한 점에서, 활성 영역(145)은 나노안테나(NA)의 광 변조 성능을 조절, 제어하는 게이트로 볼 수 있다. Referring to FIG. 2 , the dielectric constant change layer 140 may include an active region 145 in which the carrier concentration changes depending on a voltage applied between the nanoantenna NA. The active region 145 is formed on the side adjacent to the dielectric layer 150 within the dielectric constant change layer 140, and the carrier concentration changes according to the applied voltage. The modulated form of light incident to the light modulation device 100 may be controlled according to the carrier concentration formed in the active region 145 . In this respect, the active region 145 can be regarded as a gate for adjusting and controlling the optical modulation performance of the nanoantenna (NA).

유전율 변화층(140)의 유전율(permittivity)은 파장에 따라 변하는 값을 갖는다. 진공의 유전율(ε0)에 대한 상대 유전율(relative permittivity, εr)을 유전 상수(dielectric constant)라고 하며, 유전율 변화층(140)의 유전 상수의 실수부는 소정 파장 대역에서 0의 값을 나타낸다. The permittivity of the dielectric constant change layer 140 has a value that varies according to the wavelength. A relative permittivity (ε r ) with respect to the permittivity (ε 0 ) of vacuum is called a dielectric constant, and the real part of the dielectric constant of the dielectric constant change layer 140 represents a value of 0 in a predetermined wavelength band.

유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 갖게 되는 파장 대역을 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역이라고 한다. 대부분의 물질의 유전 상수는 파장의 함수로 나타나며, 복소수(complex number)로 나타낼 수 있다. 진공의 유전 상수는 1이 되며, 일반적인 유전체(dielectric material)의 경우, 유전 상수의 실수부(real part)는 1보다 큰 양수이다. 금속(metal)의 경우, 유전 상수의 실수부는 음수가 될 수도 있다. 대부분의 파장 대역에서, 대부분의 물질의 유전 상수는 1보다 큰 값을 가지지만, 또한, 특정 파장에서, 유전 상수의 실수부는 0의 값을 가질 수 있다. A wavelength band in which the real part of the dielectric constant has a value of 0 or very close to 0 is referred to as an epsilon near zero (ENZ) wavelength band. The dielectric constant of most materials is a function of wavelength and can be expressed as a complex number. The dielectric constant of vacuum is 1, and for normal dielectric materials, the real part of the dielectric constant is a positive number greater than 1. In the case of a metal, the real part of the dielectric constant may be a negative number. In most wavelength bands, the dielectric constant of most materials has a value greater than 1, but also at certain wavelengths, the real part of the dielectric constant may have a value of zero.

유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가질 때, 특이한 광학적 성질을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 실시예의 광 변조 소자(100)는 동작 파장 대역을 유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역을 포함하는 영역으로 설정할 수 있다. 즉, 나노안테나(NA)의 공진 파장 대역과, 유전율 변화층(140)의 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역을 유사하게 설정함으로써, 인가 전압에 의한 광 변조 성능이 조절되는 범위를 더욱 크게 할 수 있다. When the real part of the dielectric constant has a value of 0 or very close to 0, it is known to exhibit unique optical properties. area can be set. That is, by setting the resonant wavelength band of the nanoantenna NA and the ENZ (epsilon near zero) wavelength band of the dielectric constant change layer 140 to be similar, the range in which the light modulation performance by the applied voltage is controlled can be further increased. there is.

유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역은 활성 영역(145)에 형성되는 캐리어 농도에 따라 다르게 나타난다. 유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역을 활용하기 위해, 전압 인가 수단(190)이 유전율 변화층(140)과 나노안테나(NA) 사이에 인가하는 전압 범위는, 상기 전압 범위 내에서, 플라즈모닉 나노안테나층(170)의 공진 파장과 유전율 변화층(130)이 ENZ(epsilon near zero) 성질을 나타내는 파장이 일치하는 범위일 수 있다.The ENZ wavelength band of the dielectric constant change layer 140 appears differently depending on the carrier concentration formed in the active region 145 . In order to utilize the ENZ wavelength band of the dielectric constant change layer 140, the voltage range applied between the dielectric constant change layer 140 and the nanoantenna (NA) by the voltage applying unit 190 is plasmonic within the voltage range. The resonant wavelength of the nanoantenna layer 170 and the wavelength at which the dielectric constant change layer 130 exhibits ENZ (epsilon near zero) properties may be within a range of coincidence.

발광 구조체(120)는 입사광에 의해 여기되어 입사광의 파장보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다. 여기광에 의해 발광 구조체(120)에 형성되는 다이폴 이미터(dipole emitter)는 메타표면의 공진 파장 대역에서 갭 플라즈몬 모드(gap plasmon mode)와 결합한다. 즉, 다이폴 이미터에 의해 방사된 전자기 에너지는 나노안테나(NA)의 공진모드를 통하여 far-field까지 전달되며 방사 파워는 LDOS(local density of optical state)와 관련된다. LDOS(local density of optical state)는 다이폴 이미터의 소멸율(decay rate)와 관련되고, 또한, 단위시간당 방출되는 광자 개수로 표현될 수 있다. LDOS가 큰 값을 가질수록 방사 파워는 높아진다. LDOS는 유전율 변화층(140)의 유전율 변화에 의해 제어될 수 있다. 유전율 변화층(140)에서 국소적으로 일어나는 복소 굴절률 변화가 LDOS의 제어에 기여하며, 즉, 유전율 변화층(140) 내에 형성된 활성 영역(145)에 전하가 축적(accumulateion) 또는 고갈(depletion)되는 정도에 따라 다이폴 이미터와 플라즈몬이 커플링 되는 정도가 조절되는 것으로 분석될 수 있다. 이러한 커플링 효율(coupling efficiency)은 인가 전압에 의해 조절될 수 있다. 또한 이를 통해, 다이폴 이미터와 나노안테나의 상대적인 커플링 효율도 조절될 수 있다. 또한, 나노안테나가 방향성이 있는 경우 광이 원하는 방향으로 출사되도록 조절될 수도 있다.The light emitting structure 120 may be excited by incident light and emit light having a longer wavelength than the incident light. A dipole emitter formed in the light emitting structure 120 by excitation light couples to a gap plasmon mode in a resonant wavelength band of the metasurface. That is, the electromagnetic energy radiated by the dipole emitter is transferred to the far-field through the resonance mode of the nanoantenna (NA), and the radiated power is related to LDOS (local density of optical state). The local density of optical state (LDOS) is related to the decay rate of the dipole emitter and can also be expressed as the number of photons emitted per unit time. The larger the LDOS value, the higher the radiation power. LDOS can be controlled by changing the dielectric constant of the dielectric constant change layer 140 . The complex refractive index change that occurs locally in the dielectric constant change layer 140 contributes to the control of LDOS, that is, charge is accumulated or depleted in the active region 145 formed in the dielectric constant change layer 140. It can be analyzed that the degree of coupling between the dipole emitter and the plasmon is controlled according to the degree. This coupling efficiency can be controlled by the applied voltage. Also, through this, the relative coupling efficiency between the dipole emitter and the nanoantenna can be adjusted. In addition, when the nanoantenna has directionality, light may be controlled to be emitted in a desired direction.

상술한 바와 같이, 광 변조 소자(100)에의 입사광(Li)은 변조광(Lm)으로 출사되며, 변조광(Lm)의 파장, 세기, 위상, 방향 등이 상술한 요소들에 의해 제어될 수 있다. As described above, the incident light Li to the light modulation device 100 is emitted as modulated light Lm, and the wavelength, intensity, phase, direction, etc. of the modulated light Lm can be controlled by the above-described factors. there is.

도 3은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)의 캐리어 농도에 따른 유전율 변화를 전산 모사한 그래프이다.FIG. 3 is a graph that simulates the change in dielectric constant according to the carrier concentration of the dielectric constant change layer 140 in the light modulation device 100 of FIG. 1 .

그래프에서 가로축은 유전율 변화층(140) 내의 위치를 유전체층(150)과의 경계면으로부터의 거리로 표시하고 있다. 세로축은 유전율의 실수값을 나타낸다.In the graph, the horizontal axis represents the position within the dielectric constant change layer 140 as the distance from the interface with the dielectric layer 150. The vertical axis represents the real value of the permittivity.

캐리어 농도의 단위는 cm- 3 이고, 세가지 캐리어 농도에 대한 유전율 실수부의 변화를 나타내고 있다. The unit of the carrier concentration is cm -3 , and the change in the real part of the permittivity for the three carrier concentrations is shown.

도 4는 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 반사율을 전산 모사한 그래프이다.FIG. 4 is a graph obtained by computationally simulating the reflectance according to the wavelength of incident light and the voltage applied to the dielectric constant change layer 140 in the light modulation device 100 of FIG. 1 .

반사율이 최소가 되는 파장 대역이 공진 파장 대역이며, 인가전압에 따라 반사율이 변하며 공진 파장 대역이 조절되는 것을 볼 수 있다. It can be seen that the wavelength band in which the reflectance is minimum is the resonance wavelength band, and the reflectance is changed according to the applied voltage and the resonance wavelength band is adjusted.

도 5는 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 위상 변화를 파장 별로 전산 모사한 그래프이다.FIG. 5 is a graph in which a voltage applied to the dielectric constant change layer 140 in the light modulation device 100 of FIG. 1 and a phase change according to the wavelength of incident light are simulated by wavelength.

그래프로부터, 인가 전압의 조절로 위상 변화가 조절되며, 약 2π 에 근접한 범위의 위상 변화가 가능함을 볼 수 있다.From the graph, it can be seen that the phase change is controlled by adjusting the applied voltage, and a phase change in a range close to about 2π is possible.

도 6은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 비교예와 비교하여 전산 모사한 그래프이다.FIG. 6 is a graph obtained by computationally simulating a change in LDOS according to a voltage applied to the dielectric constant change layer 140 in the light modulation device 100 of FIG. 1 and a wavelength of incident light, compared to a comparative example.

그래프에서 실시예(1V)는 인가 전압을 1V로 한 경우이고, 실시예(5V)는 인가 전압을 5V로 한 경우이다. 비교예 1은 나노안테나(NA)와 발광 구조체(120) 만이 구비된 구조이고, 비교예 2는 하부 금속층(11)과 발광 구조체(120)만이 구비된 경우이며, 비교예 3은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)이 구비되지 않은 구조이다. In the graph, Example (1V) is a case where the applied voltage is 1V, and Example (5V) is a case where the applied voltage is 5V. Comparative Example 1 is a structure in which only the nanoantenna (NA) and the light emitting structure 120 are provided, Comparative Example 2 is a case in which only the lower metal layer 11 and the light emitting structure 120 are provided, and Comparative Example 3 is a case in which only the light emitting structure 120 is provided. The modulation element 100 has a structure in which the dielectric constant change layer 140 is not provided.

그래프에서 세로축은 LDOS를 나타내며, 첨자 z은 다이폴 방향을 z 방향으로 하여 전산 모사한 것임을 의미한다. In the graph, the vertical axis represents LDOS, and the subscript z means that the dipole is simulated in the z direction.

그래프를 참조하면, 메타표면 구조가 구비될 때 공진 파장 대역이 형성되고 LDOS의 수준이 높아짐을 알 수 있다. 또한, 유전율 변화층이 구비되는 실시예에서 인가 전압으로 국소 굴절률 변화를 조절함에 따라 LDOS를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to the graph, it can be seen that when the metasurface structure is provided, a resonant wavelength band is formed and the level of LDOS increases. In addition, it can be confirmed that LDOS can be changed by adjusting the local refractive index change with the applied voltage in the embodiment in which the dielectric constant change layer is provided.

도 7은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 전산 모사한 그래프이다.FIG. 7 is a graph computationally simulating a change in LDOS according to a voltage applied to the dielectric constant change layer 140 in the light modulation device 100 of FIG. 1 and a wavelength of incident light.

그래프는 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압을 세분화하여 LDOS가 조절될 수 있음을 보이고 있다.The graph shows that LDOS can be adjusted by subdividing the voltage applied to the dielectric constant change layer 140 .

도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(101)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 101 according to another embodiment.

광 변조 소자(101)는 발광 구조체(121)로 PN 접합 구조를 채용하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(101)와 차이가 있다.The light modulation device 101 is different from the light modulation device 101 of FIG. 1 in that a PN junction structure is used as the light emitting structure 121 .

광 변조 소자(101)는 금속층(110), 발광 구조체(121), 절연물질층(130), 활성 영역(145)이 구비되는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함할 수 있다.The light modulation device 101 includes a metal layer 110, a light emitting structure 121, an insulating material layer 130, a dielectric constant change layer 140 having an active region 145, a dielectric layer 150, and a nanoantenna (NA). can include

발광 구조체(121)는 p형 반도체층(121a)과 n형 반도체층(121b)이 접합된 반도체 PN 접합 구조를 포함한다. 입사된 광에너지에 의해 PN 접합의 계면에서 일어나는 전자, 정공의 결합에 의해 이미터(emitter)가 형성된다. 이미터와 표면 플라즈몬과의 커플링이 유전율 변화층(140)의 복소 유전율 변화에 의해 제어되며 LDOS가 조절된다.The light emitting structure 121 includes a semiconductor PN junction structure in which a p-type semiconductor layer 121a and an n-type semiconductor layer 121b are bonded. An emitter is formed by the combination of electrons and holes generated at the interface of the PN junction by incident light energy. Coupling between the emitter and the surface plasmon is controlled by the complex permittivity change of the dielectric constant change layer 140, and LDOS is controlled.

도 9는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(102)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 102 according to another embodiment.

광 변조 소자(103)는 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조를 채용하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(101)와 차이가 있다.The light modulation device 103 is different from the light modulation device 101 of FIG. 1 in that a semiconductor quantum well structure is used as the light emitting structure 122 .

광 변조 소자(103)는 금속층(110), 발광 구조체(122), 절연물질층(130), 활성 영역(145)이 구비되는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함할 수 있다.The light modulation device 103 includes a metal layer 110, a light emitting structure 122, an insulating material layer 130, a dielectric constant change layer 140 having an active region 145, a dielectric layer 150, and a nanoantenna (NA). can include

발광 구조체(122)는 두께, 조성이 다른 복수층의 반도체층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 장벽층(122a)(122c) 사이에 우물층(122b)이 게재된 구조를 포함할 수 있다. 도면에서는 두 장벽층(122a)(122c) 사이에 우물층(122b)이 게재된 단일 양자 우물(SQW, single quantum well) 구조로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다. 발광 구조체(122)는 장벽층과 우물층이 반복 적층된 다중 양자 우물(MQW, multi-quantum well) 구조를 포함할 수 있다. 우물층(122b), 장벽층(122a)(122c)은 3족 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 장벽층(122a)(122c)에는 InGaN 또는 GaN이, 우물층(122b)에는 InGaN이 채용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 우물층(122b)은 장벽층(122a)(122c) 보다 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어진다. 장벽층(122a)(122c)은 n형 또는 p형으로 도칭될 수 있고, 우물층(122b), 장벽층(122a)(122c) 이 모두 도핑되는 것도 가능하다. The light emitting structure 122 may include a plurality of semiconductor layers having different thicknesses and compositions. For example, a structure in which the well layer 122b is interposed between the two barrier layers 122a and 122c may be included. In the drawing, a single quantum well (SQW) structure is shown in which the well layer 122b is interposed between the two barrier layers 122a and 122c, but this is exemplary and not limited thereto. The light emitting structure 122 may include a multi-quantum well (MQW) structure in which barrier layers and well layers are repeatedly stacked. The well layer 122b and the barrier layers 122a and 122c may be made of a Group III nitride semiconductor material, for example, InGaN or GaN is used for the barrier layers 122a and 122c and InGaN is used for the well layer 122b. this may be employed. However, it is not limited thereto. The well layer 122b is made of a material having a smaller energy band gap than the barrier layers 122a and 122c. The barrier layers 122a and 122c may be doped with n-type or p-type, and it is also possible that both the well layer 122b and the barrier layers 122a and 122c are doped.

입사된 광에너지가 장벽층(122a)(122c)에 흡수되어 전자, 정공이 생성된다. 생성된 전자, 정공은 우물층(122b)으로 이동하여 우물층(122b)에 가두어진(confined) 다음 서로 결합한다. 우물층(122b)에서 일어난 전자, 정공의 결합이 이미터의 역할을 한다. 이미터와 표면 플라즈몬과의 커플링이 유전체 변화층(140)의 복소 유전율 변화에 의해 제어되며 LDOS가 조절된다. LDOS가 높을 때, 발광량이 많고, LDOS가 낮을 때, 발광량은 감소한다.Incident light energy is absorbed by the barrier layers 122a and 122c to generate electrons and holes. The generated electrons and holes move to the well layer 122b, are confined to the well layer 122b, and then combine with each other. A combination of electrons and holes generated in the well layer 122b serves as an emitter. Coupling between the emitter and the surface plasmon is controlled by the complex permittivity change of the dielectric variable layer 140, and LDOS is controlled. When the LDOS is high, the amount of light emitted is high, and when the LDOS is low, the amount of light emitted is reduced.

도 10은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(103)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 103 according to another embodiment.

광 변조 소자(103)는 투과형 구조로서, 즉, 입사광(Li)이 광 변조 소자(103)를 투과하며 변조광(Lm)으로 출사한다. The light modulation device 103 is a transmissive structure, that is, the incident light Li passes through the light modulation device 103 and outputs the modulated light Lm.

광 변조 소자(103)는 발광 구조체(120), 발광 구조체(120)가 임베드된 절연물질층(130), 활성 영역(145)을 구비하는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함한다. 도 1의 금속층(110)이 구비되지 않는 점에서 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있다.The light modulation device 103 includes a light emitting structure 120, an insulating material layer 130 in which the light emitting structure 120 is embedded, a dielectric constant change layer 140 having an active region 145, a dielectric layer 150, and a nanoantenna. (NA). It is different from the light modulation device 100 of FIG. 1 in that the metal layer 110 of FIG. 1 is not provided.

도 11은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(104)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 104 according to another embodiment.

광 변조 소자(103)는 도 10의 광 변조 소자(103)와 마찬가지로, 투과형이며, 발광 구조체(121)로 반도체 PN 접합 구조가 채용되는 점에서 도 10의 광 변조 소자(104)와 차이가 있다.Like the light modulation device 103 of FIG. 10, the light modulation device 103 is a transmissive type, and is different from the light modulation device 104 of FIG. 10 in that a semiconductor PN junction structure is employed as the light emitting structure 121. .

도 12는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(105의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 105 according to another embodiment.

광 변조 소자(105)는 도 10의 광 변조 소자(103)와 마찬가지로 투과형이며, 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조가 채용되는 점에서 도 10의 광 변조 소자(103)와 차이가 있다.The light modulation device 105 is a transmission type like the light modulation device 103 of FIG. 10 , and is different from the light modulation device 103 of FIG. 10 in that a semiconductor quantum well structure is employed as the light emitting structure 122 .

도 13은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(106)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 106 according to another embodiment.

광 변조 소자(106)는 기판(105), 기판(105) 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나(NA1)(NA2), 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 상에 배치된 유전체층(151), 유전체층(151) 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층(141), 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 사이의, 유전율 변화층(141) 상에 배치된 발광 구조체(120)를 포함한다.The light modulation device 106 includes a substrate 105, a plurality of nanoantennas NA1 and NA2 spaced apart from each other on the substrate 105, and a dielectric layer 151 disposed on the plurality of nanoantennas NA1 and NA2. ), a dielectric constant change layer 141 disposed on the dielectric layer 151 and having a variable permittivity, and a light emitting structure 120 disposed on the dielectric constant change layer 141 between the plurality of nanoantennas NA1 and NA2 includes

발광 구조체(120)는 도시된 바와 같이, 발광 입자로 이루어질 수 있고, 유전율 변화층(141) 상에 배치된 절연 물질층(130) 내에 임베드될 수 있다. As illustrated, the light emitting structure 120 may be made of light emitting particles and may be embedded in the insulating material layer 130 disposed on the dielectric constant change layer 141 .

광 변조 소자(106)는 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 각각과 유전율 변화층(141)간에 독립적으로 전압을 인가할 수 있는 전압 인가 수단(191)(192)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전율 변화층(141)을 접지로 하고, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 각각에 서로 다른 전압을 인가할 수 있다. The light modulation element 106 may further include voltage applying units 191 and 192 capable of independently applying voltages between the plurality of nanoantennas NA1 and NA2 and the dielectric constant change layer 141 . For example, different voltages may be applied to each of the plurality of nanoantennas NA1 and NA2 with the dielectric constant change layer 141 as a ground.

복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 사이에 배치된 발광 구조체(120)는 인접한 나노안테나(NA1)(NA2)에 의한 표면 플라즈몬과 서로 다른 정도로 커플링할 수 있고, 커플링 상태의 조합으로 발광 구조체(120) 위치에서의 LDOS가 정해질 수 있다.The light emitting structure 120 disposed between the plurality of nanoantennas NA1 and NA2 may couple to surface plasmons by the adjacent nanoantennas NA1 and NA2 to different degrees, and emit light in a combination of coupling states. The LDOS at the location of structure 120 may be determined.

도 14는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(107)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 107 according to another embodiment.

광 변조 소자(106)는, 발광 구조체(121)로 반도체 PN 접합 구조가 채용되는 점에서 도 13의 광 변조 소자(106)와 차이가 있다.The light modulation device 106 is different from the light modulation device 106 of FIG. 13 in that a semiconductor PN junction structure is employed as the light emitting structure 121 .

도 15는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(108)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.15 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a light modulation device 108 according to another embodiment.

광 변조 소자(108)는 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조가 채용되는 점에서 도 13의 광 변조 소자(106)와 차이가 있다.The light modulation device 108 is different from the light modulation device 106 of FIG. 13 in that a semiconductor quantum well structure is employed as the light emitting structure 122 .

도 16은 실시예에 따른 광학 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical device 1000 according to an embodiment.

광학 장치(1000)는 백라이트 유닛(1100)과 광 변조 소자(1700)를 포함한다.The optical device 1000 includes a backlight unit 1100 and a light modulation device 1700 .

광 변조 소자(1700)은 기판(1105) 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나 (NA1)(NA2)(NA3)(NA4)를 포함한다. 기판(1105)은 투명 기판일 수 있고, 또는 적어도, 백라이트 유닛(1100)에서 제공되는 파장 대역의 광에 대해 투명한 성질을 가질 수 있다. The light modulation device 1700 includes a plurality of nanoantennas NA1 , NA2 , NA3 , and NA4 spaced apart from each other on the substrate 1105 . The substrate 1105 may be a transparent substrate, or at least may have a property of being transparent to light of a wavelength band provided from the backlight unit 1100 .

복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 상에는 유전체층(1500), 유전율 변화층(1400)이 배치된다. 유전체층(1500), 유전율 변화층(1400)은 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각의 표면을 따라 형성되어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 사이에 인입 영역이 형성될 수 있다. 이 위치에 발광 구조체(1211)(1212)(1213)가 배치될 수 있다. 광 변조 소자(1700)는 유전율 변화층(150)을 덮는 절연물질층(1300)을 더 포함할 수 있고, 절연물질층(1300) 내에 발광 구조체(1211)(1212)(1213)가 임베드 될 수 있다. 기판(1105) 상에는 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부(1110)가 더 배치될 수 있다. A dielectric layer 1500 and a dielectric constant change layer 1400 are disposed on the plurality of nanoantennas NA1 , NA2 , NA3 , and NA4 . The dielectric layer 1500 and the dielectric constant change layer 1400 are formed along the surfaces of each of the plurality of nanoantennas NA1, NA2, NA3, and NA4, and the plurality of nanoantennas NA1, NA2, and NA3 ( A lead-in area may be formed between NA4). Light emitting structures 1211, 1212, and 1213 may be disposed at this location. The light modulation device 1700 may further include an insulating material layer 1300 covering the dielectric constant change layer 150, and the light emitting structures 1211, 1212, and 1213 may be embedded in the insulating material layer 1300. there is. A driving circuit unit 1110 for controlling a voltage applied to each of the plurality of nanoantennas NA1 , NA2 , NA3 , and NA4 may be further disposed on the substrate 1105 .

백라이트 유닛(1100)은 광 변조 소자(1700)에서 변조될 광을 제공한다. 백라이트 유닛(1100)에서 제공되는 광은 광 변조 소자(1700)에 구비된 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에 광에너지를 공급하고 이미터를 생성할 수 있다. 백라이트 유닛(1100)은 자외선광(UV) 또는 청색광을 제공할 수 있다. 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에서의 발광 파장은 백라이트 유닛(1100)에서 제공된 광의 파장보다 긴 파장을 갖는다. 각 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에서 생성된 이미터에 의해 발광 파워는 광 변조 소자(1700)의 유전율 변화층(1400)의 유전율 변화에 의해 형성되는 LDOS에 의해 결정된다. 유전율 변화는 인가 전압에 의해 제어될 수 있다. The backlight unit 1100 provides light to be modulated by the light modulation device 1700 . Light provided from the backlight unit 1100 may supply light energy to the light emitting structures 1211 , 1212 , and 1213 included in the light modulation device 1700 and generate an emitter. The backlight unit 1100 may provide ultraviolet (UV) light or blue light. The emission wavelengths of the light emitting structures 1211 , 1212 , and 1213 have a longer wavelength than the wavelength of light provided from the backlight unit 1100 . The light emitting power of the emitters generated in each of the light emitting structures 1211, 1212, and 1213 is determined by LDOS formed by a change in the permittivity of the permittivity change layer 1400 of the light modulation device 1700. Permittivity change can be controlled by applied voltage.

제어부가 더 구비되어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각과 유전율 변화층(1400) 간의 전압을 독립적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 나노안테나(NA1)(NA2) 사이의 발광구조체(1211), 나노안테나(NA2)(NA3) 사이의 발광구조체(1212), 나노안테나(NA3)(NA4) 사이의 발광구조체(1213)는 각각 서로 다른 LDOS를 나타낼 수 있고 독립적으로 제어되는 별개의 화소의 역할을 할 수 있다.A control unit is further provided to independently control the voltage between each of the plurality of nanoantennas NA1 , NA2 , NA3 , and NA4 and the dielectric constant change layer 1400 . Accordingly, the light emitting structure 1211 between the nanoantennas NA1 and NA2, the light emitting structure 1212 between the nanoantennas NA2 and NA3, and the light emitting structure 1213 between the nanoantennas NA3 and NA4 may represent different LDOS and may serve as separate pixels that are independently controlled.

광학 장치(1000)는 디스플레이 장치의 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 발광 구조체(1211)(1212)(1213)는 서로 다른 파장의 광을 방출하도록, 발광 입자의 크기나 재질이 조절될 수 있다. 형성하고자 하는 영상 정보에 따라 제어부가 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각과 유전율 변화층(1400) 사이의 전압을 제어하여 개개의 화소를 온/오프 함으로써 영상이 표시될 수 있다. 이와 같이 형성된 영상은 색순도가 높아 개선된 색 재현율(color gamut)을 나타낼 수 있으며, 높은 대비비(contrast)를 나타내 수 있다.The optical device 1000 may serve as a display device. To this end, the light emitting structures 1211, 1212, and 1213 may have the size or material of the light emitting particles adjusted to emit light of different wavelengths. According to the image information to be formed, the control unit controls the voltage between each of the plurality of nanoantennas (NA1) (NA2) (NA3) (NA4) and the dielectric constant change layer 1400 to turn on/off individual pixels, thereby displaying an image. It can be. The image thus formed has high color purity and can exhibit improved color gamut and high contrast.

광학 장치(1000)가 디스플레이 장치 뿐 아니라, 다른 장치로 적용될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4)에 서로 다른 지향성을 갖는 형상으로 하거나, 인가 전압에 소정 규칙을 부여함으로써 빔 디플렉터나 빔 정형기로 적용될 수도 있다. The optical device 1000 may be applied to other devices as well as a display device. For example, a plurality of nanoantennas (NA1) (NA2) (NA3) (NA4) may have different directivity or may be applied as a beam deflector or a beam shaper by applying a predetermined rule to an applied voltage.

발광 구조체(1211)(1212)(1213)는 발광 입자로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 도 14, 도 15에서 각각 예시한, 반도체 PN 접합 구조나 반도체 양자 우물 구조가 채용될 수 있다. 이외에도, 광발광(photoluminescence)이 가능한 다양한 물질 및 구조가 채용될 수 있다. The light-emitting structures 1211, 1212, and 1213 are illustrated as light-emitting particles, but are not limited thereto, and semiconductor PN junction structures or semiconductor quantum well structures illustrated in FIGS. 14 and 15, respectively, may be employed. In addition, various materials and structures capable of photoluminescence may be employed.

광학 장치(1000)는 도 13의 구조가 어레이되어 광 변조 소자(1700)를 구현하는 것으로 예시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 도 1의 구조가 반복 어레이되어 광 변조 소자를 구현할 수도 있다. 이 경우, 백라이트 유닛의 형태는 발광구조체(1211)(1212)(1213)에 광을 제공하기에 보다 적절한 형태로 변경될 수 있다.The optical device 1000 is illustrated as implementing the light modulation device 1700 by arraying the structure of FIG. 13 , but is not limited thereto. For example, the structure of FIG. 1 may be repeatedly arrayed to implement the light modulation device 1700 . . In this case, the shape of the backlight unit may be changed to a shape more suitable for providing light to the light emitting structures 1211, 1212, and 1213.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.So far, exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings in order to facilitate the understanding of the present invention. However, it should be understood that these examples are merely illustrative of the invention and not limiting thereof. And it should be understood that the present invention is not limited to the description shown and described. This is because various other variations may occur to those skilled in the art.

100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 1700 ..광 변조 소자
110.. 금속층
120, 121, 122..발광 구조체
130, 1300..절연물질층
140, 141, 1400.. 유전율 변화층
145.. 활성 영역
150, 151, 1500. 유전체층
NA, NA1, NA2.. 나노안테나
190, 191, 192.. 전압 인가 수단
1100..백라이트 유닛
1105..기판
1110..구동회로부100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 1700 .. light modulation element
110.. metal layer
120, 121, 122.. light emitting structure
130, 1300.. insulating material layer
140, 141, 1400.. Dielectric constant change layer
145.. active area
150, 151, 1500. Dielectric layer
NA, NA1, NA2.. nanoantenna
190, 191, 192.. Voltage application means
1100..backlight unit
1105..substrate
1110.. drive circuit part

Claims (20)

가변 유전율을 가지는 유전율 변화층;
상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층;
상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및
상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함하며,
상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출하는, 광 변조 소자.a permittivity varying layer having a variable permittivity;
a dielectric layer disposed on the dielectric constant change layer;
a nanoantenna disposed on the dielectric layer; and
A light emitting structure disposed adjacent to the dielectric constant change layer;
The light emitting structure emits light having a longer wavelength than the incident light by using the incident light as an excitation source. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함하는, 광 변조 소자. According to claim 1,
The light emitting structure includes a plurality of light emitting particles, a light modulation device. 제3항에 있어서,
절연 물질층을 더 포함하며,
상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드되는, 광 변조 소자.According to claim 3,
further comprising a layer of insulating material;
The plurality of light emitting particles are embedded in the insulating material layer, the light modulation device. 제1항에 있어서,
상기 발광 구조체는
반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함하는, 광 변조 소자. According to claim 1,
The light emitting structure
A light modulation device comprising a semiconductor quantum well structure or a semiconductor PN junction structure. 제1항에 있어서,
금속층을 더 포함하며,
상기 금속층 상에 순서대로, 상기 발광 구조체, 상기 유전율 변화층, 상기 유전체층, 상기 나노안테나가 배치된, 광 변조 소자. According to claim 1,
Further comprising a metal layer,
The light emitting structure, the dielectric constant change layer, the dielectric layer, and the nanoantenna are sequentially disposed on the metal layer. 제1항에 있어서,
상기 유전율 변화층과 상기 나노안테나 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함하는, 광 변조 소자.According to claim 1,
and a voltage applying means for applying a voltage between the dielectric constant change layer and the nanoantenna. 제7항에 있어서,
상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함하는, 광 변조 소자.According to claim 7,
Wherein the dielectric constant change layer includes a transparent conductive oxide. 제7항에 있어서,
상기 유전율 변화층은
상기 나노 안테나층과 상기 유전율 변화층 간에 인가되는 전압에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역을 포함하는, 광 변조 소자.According to claim 7,
The dielectric constant change layer is
and an active region in which carrier concentration changes according to a voltage applied between the nanoantenna layer and the dielectric constant change layer. 기판;
상기 기판 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나;
상기 복수의 나노안테나 상에 배치된 유전체층;
상기 유전체층 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층;
상기 복수의 나노안테나 사이의, 상기 유전율 변화층 상에 배치된 발광 구조체;를 포함하는, 광 변조 소자.Board;
a plurality of nanoantennas spaced apart from each other on the substrate;
a dielectric layer disposed on the plurality of nanoantennas;
a dielectric constant change layer disposed on the dielectric layer and having a variable dielectric constant;
A light modulation device comprising: a light emitting structure disposed on the dielectric constant change layer between the plurality of nanoantennas. 제10항에 있어서,
상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출하는, 광 변조 소자.According to claim 10,
The light emitting structure emits light having a longer wavelength than the incident light by using the incident light as an excitation source. 제11항에 있어서,
상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함하는, 광 변조 소자. According to claim 11,
The light emitting structure includes a plurality of light emitting particles, a light modulation device. 제12항에 있어서,
상기 유전율 변화층 상에 배치된 절연 물질층;을 더 포함하며,
상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드되는, 광 변조 소자.According to claim 12,
Further comprising an insulating material layer disposed on the dielectric constant change layer,
The plurality of light emitting particles are embedded in the insulating material layer, the light modulation device. 제11항에 있어서,
상기 발광 구조체는
반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함하는, 광 변조 소자. According to claim 11,
The light emitting structure
A light modulation device comprising a semiconductor quantum well structure or a semiconductor PN junction structure. 제14항에 있어서,
상기 유전율 변화층과 상기 발광 구조체를 덮는 절연물질층을 더 포함하는, 광 변조 소자.According to claim 14,
Further comprising an insulating material layer covering the dielectric constant change layer and the light emitting structure, the light modulation device. 제10항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나 각각과 상기 유전율 변화층 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함하는, 광 변조 소자. According to claim 10,
and a voltage applying means for applying a voltage between each of the plurality of nanoantennas and the dielectric constant change layer. 제16항에 있어서,
상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함하는, 광 변조 소자.According to claim 16,
Wherein the dielectric constant change layer includes a transparent conductive oxide. 제1항의 광 변조 소자;를 포함하는 광학 장치.An optical device comprising the light modulation element of claim 1 . 제10항의 광 변조 소자;
상기 광 변조 소자에 광을 제공하는 백라이트 유닛;을 포함하는 광학 장치. The light modulation element of claim 10;
An optical device including a backlight unit providing light to the light modulation device. 제19항에 있어서,
상기 기판 상에는 상기 복수의 나노안테나 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부가 더 배치된, 광학 장치.According to claim 19,
A driving circuit unit for controlling a voltage applied to each of the plurality of nanoantennas is further disposed on the substrate.
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