KR102556165B1

KR102556165B1 - 일체형 ｏｐａ 소자 및 이를 포함하는 광센싱 시스템

Info

Publication number: KR102556165B1
Application number: KR1020200146107A
Authority: KR
Inventors: 최병룡; 황동목; 구태준; 문성원
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2023-07-14
Also published as: KR20220060282A; US20220137481A1; US11619859B2

Abstract

본원은 광원, 상기 광원으로부터 연장되어 상기 광원으로부터 입사된 빛이 통과하는 도파로(waveguide), 상기 도파로에 배치되어 상기 도파로 내부의 빛의 위상을 변조시키는 복수의 변조기(modulator), 상기 광원으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 또는 흡수하는 2 차원 물질층, 및 상기 2 차원 물질층에 전하를 공급하기 위한 전극을 포함하는 일체형 OPA(Optical phase array) 소자에 있어서, 상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층, 상기 도파로 및 상기 변조기를 통과하고, 상기 일체형 OPA 소자의 외부의 목표물에 의해 반사되어, 상기 변조기 및 상기 도파로를 통과한 후 상기 2 차원 물질층에 흡수되는 것인, 일체형 OPA 소자에 관한 것이다.

Description

일체형 ＯＰＡ 소자 및 이를 포함하는 광센싱 시스템 {SINGLE OPTICAL PHASE ARRAY AND PHOTOSENSING SYSTEM INCLUING THE SAME}

본원은 일체형 OPA 소자 및 이를 포함하는 광센싱 시스템에 관한 것이다.

차량을 이용하는 사용자의 편의를 위해, 각 종 센서와 전자 장치 등이 구비되고 있는 추세이다. 특히, 사용자의 운전 편의를 위해 차량 운전자 보조 시스템(ADAS : Advanced Driver Assistance System)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 나아가, 자율 주행 자동차(Autonomous Vehicle)에 대한 개발이 활발하게 이루어 지고 있다.

이러한 자율 주행 자동차의 실현을 위해서는, 물체와의 거리를 인간이 아닌 기계가 실시간으로 확인할 필요가 있으며, 이러한 위치 파악 기술은 레이저 빔 등의 빛을 이용하여 물체와 물체 사이의 거리를 실시간으로 측정할 수 있는 LIDAR 가 대표적이다. 이러한 LIDAR 는, LD와 PD를 기계적으로 회전하여 거리를 측정하는 기계식 방식, 전압 등에 의해 빛의 기울기 각이 변화하는 MEMS 방식, 광학 플래시를 이용하는 플래시 방식, 그리고 빛의 속도를 전기적으로 제어하는 OPA(Optical Phase Array) 방식 등으로 빛을 방출하여 거리를 측정할 수 있다.

이 중 OPA 기술은 기본적으로 도파로(waveguide) 소재가 온도에 따라 굴절률이 변하는 특성을 통해, 각각의 도파로 채널(waveguide channel) 상에 온도를 제어하는 열선을 만들어 상기 도파로 채널 내부에서 전파되는 빛의 위상을 제어하는 기술을 의미한다. 그러나, 종래의 OPA 소자는 빛을 발신하는 부분과 수신하는 부분이 상이하여 구조가 복잡하고 제어가 어려워 상용화가 쉽지 않다.

본원의 배경이 되는 기술인 한국 등록특허공보 제10-1720434호는 광 위상배열 안테나에 관한 것이다. 상기 등록특허의 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는 광원 및 광파를 발산하는 발산기 만을 포함할 뿐, 광파 수신부에 대해서는 인식하지 못하고 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구조의 소형화 및 단순화가 구현된 일체형 OPA 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본원은 상기 일체형 OPA 소자를 포함하는 광센싱 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 광원, 상기 광원으로부터 연장되어 상기 광원으로부터 입사된 빛이 통과하는 도파로(waveguide), 상기 도파로에 배치되어 상기 도파로 내부의 빛의 위상을 변조시키는 변조기(modulator), 상기 광원으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 또는 흡수하는 2 차원 물질층, 및 상기 2 차원 물질층에 전하를 공급하기 위한 전극을 포함하는 일체형 OPA(Optical phase array) 소자에 있어서, 상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층, 상기 도파로 및 상기 변조기를 통과하고, 상기 일체형 OPA 소자로부터 방출된 빛이 외부의 목표물에 의해 반사되어, 상기 변조기 및 상기 도파로를 통과한 후 상기 2 차원 물질층에 흡수되는 것인, 일체형 OPA 소자를 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 따라, 상기 2 차원 물질층은 상기 광원으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 흡수할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 따라, 상기 2 차원 물질층의 에너지 밴드 구조(energy band structure)에 전하 캐리어(charge carrier)가 축적(accumulation) 또는 결핍(depletion)될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 변조기는 상기 광원에서 입사된 빛 또는 상기 목표물에 의해 반사된 빛의 위상을 변조시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층은 그래핀(graphene), 전이금속 칼코겐화물(transition metal chalcogenide), h-BN(hexagonal boron nitride), 흑린, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원으로부터 입사된 빛의 파장은 750 nm 내지 2,000 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 도파로는 Ⅳ 족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ 족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ 족 반도체 물질, 산화물, 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 다르면, 상기 도파로는 상기 광원으로부터 연장되되 분기되지 않은 도파로, 및 상기 분기되지 않은 도파로로부터 연장되되 여러 갈래로 나뉘어진 복수의 분기된 도파로를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층은 상기 분기되지 않은 도파로 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극은 Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자는 상기 광원의 빛을 상기 목표물에 조사할 발신 안테나, 상기 목표물로부터 반사된 빛을 수신하기 위한 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자는 상기 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 일체형 OPA 소자는 상기 분기되지 않은 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층 뿐만 아니라, 상기 복수의 분기된 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층을 추가 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자는 상기 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층 상에 형성된 중간층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 2 측면은 기판 상에 광원, 2 차원 물질층, 도파로, 및 변조기를 형성하는 단계, 및 상기 2 차원 물질층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 일체형 OPA 소자의 제조 방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자의 제조 방법은, 상기 도파로 상에 2 차원 물질층을 형성하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자의 제조 방법은 도파로 상에 형성된 상기 2 차원 물질층 상에 중간층을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자의 제조 방법은, 상기 기판 상에 상기 도파로 또는 상기 변조기 중 어느 하나로부터 연장된, 발신 안테나, 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 형성하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본원의 제 3 측면은 광센싱 방법에 대한 것으로서, 상기 제 1 측면에 따른 일체형 OPA 소자의 광원으로부터 외부의 목표물을 향해 빛을 방출시키는 단계, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛을 상기 일체형 OPA 소자의 내부로 받아들이는 단계, 및 상기 일체형 OPA 소자의 내부로 받아들인 빛을 2 차원 물질층에서 흡수하는 단계를 포함하는, 광센싱 방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층의 광흡수율은 상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 의해 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층을 통과하고, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛은 상기 2 차원 물질층에서 흡수될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 일체형 OPA 소자는 빛을 발신하기 위한 부분과 반사된 빛을 수신하기 위한 부분이 하나의 기판 내에 통합되어 존재하기 때문에, 종래의 OPA 소자에 비해 소형화가 가능하다.

또한, 본원에 따른 일체형 OPA 소자는 발신과 수신의 스캔 제어를 한 단계로 수행하는 것이 가능하고, 광축이 동일하여 수광 효율이 향상되어 고성능 광센싱 시스템의 구현에 유리하다.

또한, 본원에 따른 일체형 OPA 소자는 그래핀을 사용하여 반사된 빛을 수광하기 때문에, 종래의 OPA 소자와 달리 반사된 빛을 수신하기 위한 포토 다이오드 및 반사된 빛의 방향을 조절할 렌즈가 필요하지 않아 단순화된 구조를 가질 수 있다.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 개념도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 단면도이다.
도 3 의 (a) 및 (b) 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 동작 방식을 나타낸 그림이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 2 차원 물질층의 밴드 구조도이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 2 차원 물질층의 밴드 구조도이다.
도 6 은 종래의 일반적인 OPA 소자의 개념도이다.
도 7 은 종래의 비일체형 OPA 소자의 개념도이다
도 8 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9 는 본원의 일 구현예에 따른 광센싱 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 10 은 본원의 일 구현예에 따른 광센싱 시스템의 순서도이다.
도 11 은 종래의 광센싱 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 일체형 OPA 소자의 이미지이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.

이하에서는 본원의 일체형 OPA 소자 및 이를 이용한 광센싱 시스템에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 개념도이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 광원(100), 상기 광원(100)으로부터 연장되어 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛이 통과하는 도파로(200, waveguide), 상기 도파로(200)에 배치되어 상기 도파로(200) 내부의 빛의 위상을 변조시키는 변조기(300, modulator), 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 또는 흡수하는 2 차원 물질층(400), 및 상기 2 차원 물질층(400)에 전하를 공급하기 위한 전극(500)을 포함하는 일체형 OPA(Optical phase array) 소자(10)에 있어서, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층(400), 상기 도파로(200) 및 상기 변조기(300)를 통과하고, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 외부의 목표물(미도시)에 의해 반사되어, 상기 변조기(300) 및 상기 도파로(200)를 통과한 후 상기 2 차원 물질층(400)에 흡수되는 것인, 일체형 OPA 소자(10)를 제공한다.

이와 관련하여, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 기판(600) 상에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원에 따른 OPA 소자는 외부 물체에 빛을 조사하고 상기 빛이 상기 외부 물체에 의해 반사되어 인식되기까지 소요되는 시간을 통해 상기 외부 물체와 소자 사이의 거리를 측정할 수 있는 소자를 의미한다. 이러한 OPA 소자는 LIDAR(Light Detection And Ranging) 등 빛으로 무언가를 탐지하기 위한 시스템에서 주로 사용되었다.

일반적인 OPA 소자는, 기본적으로 도파로의 소재가 온도에 따라 굴절률이 변하는 특성을 이용한 것으로서, 도파로 내부에 흐르는 빛의 위상을 제어하여 OPA를 이루고 있는 도파로 채널 별로 온도를 제어하는 열선을 만들어 위상을 제어함으로써 흐르는 빛의 위상을 제어할 수 있다. 각 도파로 채널에서 형성된 서로 다른 위상을 가진 빛은 발신 안테나에서 합쳐지며 의도한 방향으로 빛을 방출하거나, 수신 안테나에서 입력된 빛은 분리되어 서로 다른 위상을 갖도록 각 도파로 채널로 분리될 수 있다 (Huygens's principle).

종래의 OPA 소자는 빛의 발신을 위한 부분과 빛의 수신을 위한 부분이 별도로 구성된 반면, 본원에 따른 일체형 OPA 소자(10)는 빛을 흡수하기 위한 수신부와 빛을 방출하기 위한 발신부가 하나의 기판 상에 통합되어 있기 때문에, 종래의 OPA 소자와 달리 소면적화가 가능하고, 단일 위상 제어를 통한 발신된 빛 및 수신된 빛의 제어를 순차적으로 한번에 가능하다.

후술하겠으나, 상기 일체형 OPA 소자(10)에서는, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층(400) 및 상기 도파로(200)를 통과하여 상기 변조기(300)에 의해 위상이 조절된 후, 외부의 물체를 향해 방출될 수 있다. 상기 외부의 물체에 조사된 빛은 반사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)의 도파로(200)를 걸쳐, 상기 2 차원 물질층(400)에 흡수될 수 있다. 이 때, 상기 외부의 물체에 조사되어 반사된 빛이 상기 일체형 OPA 소자(10)에 수신될 때, 상기 반사된 빛은 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛 뿐만 아니라 가시광선을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 가시광선은 상기 2 차원 물질층(400)에 의해 흡수될 수 있다. 이 때, 상기 가시광선은 상기 광원(100)으로부터 입사되어 외부의 물체 조사된 후 반사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)에 수신되는 빛과 달리, 펄스 폭 등의 신호 정보를 포함하지 않아 신호 처리에 의해 제거될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)은 그래핀(graphene), 전이금속 칼코겐화물(transition metal chalcogenide), h-BN(hexagonal boron nitride), 흑린, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 2 차원 물질층(400)은 단층의 그래핀(single layer-graphene)을 포함할 수 있다.

본원에 따른 도파로(200)는, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛 또는 상기 외부의 목표물에 의해 반사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)에 입력된 빛의 경로를 의미한다. 후술하겠지만, 상기 도파로(200)는 상기 광원(100)으로부터 연장되되 분기되지 않은 도파로(210)와, 상기 분기되지 않은 도파로(210)로부터 연장되되 여러 갈래로 나뉘어진 복수의 분기된 도파로(220)를 포함할 수 있고, 특별한 설명이 없는 한 본원의 도파로(200)의 기재는 복수의 분기된 도파로(220) 중 적어도 하나 이상 선택된 도파로, 및/또는 상기 분기되지 않은 도파로(210)를 포함하는 도파로를 의미한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 분기되지 않은 도파로(210) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 상기 도파로(200) 상에 형성된 2 차원 물질층(400)을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 도 1 을 참조하면, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 2 차원 물질층(400)은 상기 분기되지 않은 도파로(210)에 형성되어 상기 일체형 OPA 소자(10)의 두 전극(500)을 연결하는 것이다. 이 때, 도 1 에서는 생략되었으나 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 복수의 분기된 도파로(220)상에도 추가로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 분기되지 않은 도파로(210) 상에 형성된 2 차원 물질층(400) 및 상기 복수의 분기된 도파로(220) 상에 형성된 2 차원 물질층(400)은 상기 도파로(200) 상에 형성된 변조기(300)보다는 광원(100)에 인접하여야 한다. 이와 관련하여, 상기 2 차원 물질층(400)이 상기 변조기(300)보다 광원(100)에 인접하지 않을 경우, 상기 일체형 OPA 소자(10)가 외부의 목표물로부터 반사된 빛을 수신할 때 상기 반사된 빛이 위상변화 없이 상기 2 차원 물질층(400)에 의해 흡수되어 흡수된 빛의 변별력이 떨어질 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 도파로(200)는 Ⅳ 족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ 족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ 족 반도체 물질, 산화물, 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 변조기(300)는 상기 광원(100)에서 입사된 빛 또는 상기 목표물에 의해 반사된 빛의 위상을 변조시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

후술하겠지만, 본원에 따른 일체형 OPA 소자(10) 또는 이를 포함하는 광센싱 시스템(미도시) 는, 빛이 방출되고 반사되어 수신될 때까지 소요된 시간 또는 빛이 방출되고 반사되어 수신될 때까지의 시간 차이 또는 위상 변화량을 이용하여 사물과 사물 사이의 거리를 측정할 수 있다. 구체적으로, 빛의 속도 c 및, 상기 일체형 OPA 소자(10)로부터 방출된 빛이 상기 목표물에 의해 반사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)에 수신될 때까지 소요된 시간을 통해, 사물과 사물 사이의 거리를 측정할 수 있다. 본원에 따른 변조기(300)는, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛 또는 상기 목표물에 의해 반사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)에 수신된 빛의 위상을 변조시킴으로써 사물과 소자 사이의 거리를 측정할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 상기 복수의 도파로(200) 상에 형성된 2 차원 물질층(400) 상에 형성된 중간층(510)을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 상기 광원(100)의 빛을 상기 목표물에 조사할 발신 안테나, 상기 목표물로부터 반사된 빛을 수신하기 위한 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 일체형 OPA 소자(10)는, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛을 발신 또는 상기 목표물로부터 반사된 빛을 수신할 수 있는 수발신 일체형 안테나 빛 상기 목표물로부터 반사된 빛의 수신량을 증가시키기 위한 수신 안테나를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극(500)은 Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다

도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 단면도이다.

도 2 를 참조하면, 상기 2 차원 물질층(400) 상에는 3 개의 전극(500)이 형성될 수 있다. 이 때, 도 2 의 좌측 및 우측의 전극(500)은 상기 2 차원 물질층(400)에 소스 전압 및 드레인 전압을 인가하기 위한 소스 전극 및 드레인 전극을 의미하고, 도 2 의 중앙에 위치한 전극은 상기 도파로(200) 상에 형성된 2 차원 물질층(400) 상에 형성된 것으로서, 상기 2 차원 물질층에 게이트 전압을 인가하기 위한 게이트 전극을 의미한다. 그러나 상기 도파로(200) 상에 형성된 2 차원 물질층(400)과 상기 게이트 전극이 직접적으로 접촉해서는 안되기 때문에, 상기 도파로(200) 상에 형성된 2 차원 물질층(400)과 상기 게이트 전극 사이에는 중간층(510)이 존재하여 둘 사이의 접촉을 차단할 수 있다. 후술하겠지만, 전압의 인가를 통해, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 상기 목표물로부터 반사된 빛을 일부 통과 또는 일부 흡수할 수 있다. 또한, 상기 중간층(510)의 재질 및 두께에 따라 상기 2 차원 물질층(400)이 상기 반사된 빛을 통과 또는 흡수하기 위해 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압이 달라질 수 있다.

도 3 의 (a) 및 (b) 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 동작 방식을 나타낸 그림이다. 구체적으로, 도 3 은 상기 2 차원 물질층(400)이 그래핀(Gr)인 경우의 동작 방식을 나타낸 것으로서, 도 3 의 (a) 는 Gr 을 포함하는 FET(Field effect transistor)인 경우를 나타낸 것이고, (b) 는 게이트 산화물을 유전체로서, 그래핀을 게이트 전극으로서 대전시키는 경우를 나타낸 것이다.

도 3 은 전극(500)을 그래핀의 상단(도 2 의 중앙에 위치한 게이팅 전극) 및 좌우측(도 2 의 좌우에 위치한 소스 전극 및 드레인 전극)에 배치하는지, 또는 그래핀의 상부와 하부에 배치하는지의 차이가 존재할 뿐이나, 상기 전극(500)을 통해 상기 2 차원 물질층(400)의 빛 통과 여부를 제어할 수 있는 기능은 도 3 의 (a) 및 (b) 에서 동일하다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압에 따라, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 흡수할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일반적으로 물질의 밴드갭이 작아질수록, 상기 물질을 통해 관측할 수 있는 빛의 파장은 커진다. 구체적으로, 빛이 물질에 조사되었을 때, 상기 빛의 에너지가 물질의 밴드갭보다 작으면 상기 물질의 빛과 상호작용을 할 수 없다. 예를 들어, Si는 1.12 eV의 밴드갭을 가져 파장이 1.11 μm 보다 긴 파장의 빛과 상호작용을 할 수 없고, Ge는 0.67 eV의 밴드갭을 가져 파장 1.85 μm 보다 긴 파장의 빛과 상호작용을 할 수 없다. 종래의 수광 소자에서는 Si, Ge, 또는 III-V 족 물질을 사용하여 파장이 1.11 μm 이하 또는 1.85 μm 이하인 빛을 흡수하였다.

그러나 상기 Si 나 Ge 등의 물질들은 LiDAR 등에 사용될 수 있는 900 nm 내지 1,500 nm의 파장을 갖는 근적외선을 ?g수할 수 있기 때문에, 관측의 정확도가 낮은 문제점이 존재한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압에 따라, 상기 2 차원 물질층(400)의 에너지 밴드 구조(energy band structure)에 전하 캐리어(charge carrier)가 축적(accumulation) 또는 결핍(depletion)될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4 및 도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 2 차원 물질층(400)의 밴드 구조도이다.

예를 들어 상기 2 차원 물질층(400)이 단층의 그래핀일 경우, 에너지 밴드 구조가 도 4 및 도 5 와 같은 구조를 가질 수 있다. 단층의 그래핀은 상기 그래핀에 수직으로 조사된 빛을 파장과 무관하게 약 97% 내지 98% 투과하고 약 2% 내지 약 3% 흡수할 수 있다. 또한, 상기 단층의 그래핀이 상기 그래핀에 수평으로 조사된 빛을 흡수하는 정도는 빛이 단층의 그래핀 내에서 빛이 진행하는 거리, 즉 단층의 그래핀의 수평 길이(width)에 따라 가변적으로 변화될 수 있다.

한편, 단층의 그래핀에 빛을 조사하거나 전압을 인가하면, 상기 그래핀의 원자가띠(valence band)의 전자들은 상기 빛의 에너지를 일부 흡수하거나 전압에 의해 전도띠(conduction band)로 여기될 수 있다. 이 때, 양의 전압이 인가된 그래핀은 n 타입으로 도핑된 반도체와 같은 효과를 가질 수 있으며, 상기 n 타입 반도체와 같은 물성을 갖는 그래핀에 전압을 인가하면서 동시에 빛을 조사하면, 빛에 의한 전자의 여기가 차단되어 특정 에너지 준위 이하의 빛이 그래핀에 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 이를 파울리 차단(Pauli blocking)이라고 한다. 또한, 상기 그래핀에 음의 전압을 인가할 경우, 상기 그래핀은 p 타입으로 도핑된 반도체와 같이 작동하여 특정 에너지 준위 이하의 빛이 그래핀에 흡수되는 것을 방지할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압에 따라 2 차원 물질층(400)의 전자가 여기되기 위해 필요한 에너지가 상이해질 수 있어, 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압을 조절함으로써 상기 빛이 상기 그래핀을 통과하는 비율을 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 특정 파장의 빛이 상기 2 차원 물질층(400)을 통과하기 위해 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압은 상기 중간층(510)의 물질의 종류 및 두께에 따라 변동될 수 있다.

예를 들어, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 2 차원 물질층(400)이 그래핀이고, 상기 중간층(510)이 10 nm 의 Al₂O₃ 일 경우, 상기 그래핀에 +8 V 의 전압을 인가하면 상기 그래핀의 원자가띠의 전자들은 1,500 μm 이상의 파장을 갖는 적외선에 의해 여기되지 않아 상기 적외선은 상기 그래핀을 투과할 수 있고, 상기 적외선을 통해 상기 일체형 OPA 소자와 물체 사이의 거리를 측정할 수 있다

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중간층(510)은 200 nm 이하의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 외부의 목표물에 의해 반사된 빛의 흡수율은, 상기 2 차원 물질층(400)을 통과하는 거리, 즉 2 차원 물질층(400)의 수평 길이에 따라 상이할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 2 차원 물질층(400)의 수평길이는 1 μm 내지 1,000 μm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상술하였듯, 상기 2 차원 물질층(400)에 수평으로 조사되는 빛은 빛이 상기 단층의 그래핀을 통과하는 거리에 비례하여 상기 단층의 그래핀이 더 많은 빛을 흡수할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛의 파장은 750 nm 내지 2,000 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛의 파장은 약 750 nm 내지 약 2,000 nm, 약 800 nm 내지 약 2,000 nm, 약 900 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,000 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,100 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,200 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,300 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,400 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,500 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,600 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,700 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,800 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1,900 nm 내지 약 2,000 nm, 약 750 nm 내지 약 800 nm, 약 750 nm 내지 약 900 nm, 약 750 nm 내지 약 1,000 nm, 약 750 nm 내지 약 1,100 nm, 약 750 nm 내지 약 1,200 nm, 약 750 nm 내지 약 1,300 nm, 약 750 nm 내지 약 1,400 nm, 약 750 nm 내지 약 1,500 nm, 약 750 nm 내지 약 1,600 nm, 약 750 nm 내지 약 1,700 nm, 약 750 nm 내지 약 1,800 nm, 약 750 nm 내지 약 1,900 nm, 약 800 nm 내지 약 1,900 nm, 약 900 nm 내지 약 1,800 nm, 약 1,000 nm 내지 약 1,700 nm, 약 1,100 nm 내지 약 1,600 nm, 약 1,200 nm 내지 약 1,500 nm, 또는 약 1,300 nm 내지 약 1,400 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 광원(100)으로부터 상기 2 차원 물질층(400)으로 입사되어 상기 일체형 OPA 소자(10)로부터 방출된 빛은, 외부의 목표물에 의해 반사되어 외부의 가시광선과 혼재된 상태로 상기 일체형 OPA 소자(10)에 수광될 수 있다.

상술하였듯, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압에 의해, 상기 외부의 목표물에 의해 반사된 빛을 일부 차단하거나, 흡수하거나, 또는 통과시킬 수 있다. 반면, 종래의 OPA 소자(20)의 포토 다이오드(410)는 상기 2 차원 물질층(400)에 비해 밴드 갭이 커서 일정 파장 이상의 빛과 상호작용하기 어려워 후술할 라이더(LiDAR) 등에 적용하기가 어렵다.

본원에 따른 일체형 OPA 소자(10)와 달리, 종래의 OPA 소자(20)는 빛을 방출하기 위한 부분과 반사된 빛을 수신하기 위한 부분이 별도로 구성되어 있다.

도 6 및 도 7 은 종래의 비일체형 OPA 소자(20)의 개념도이다.

도 1 의 일체형 OPA 소자(10)와, 도 6 및 도 7 의 비일체형 OPA 소자(20)는 반사된 빛을 수신하기 위한 부분에서 차이가 존재한다. 구체적으로, 상기 일체형 OPA 소자(10)는 빛을 수신하기 위한 2 차원 물질층(400)이 광원(100)의 전방 내지 변조기(300)의 후방에 위치한 반면, 상기 비일체형 OPA 소자(20)는 빛을 수신하기 위한 포토 다이오드(410)이 광원(100)과 별도의 기판(600)에 위치하는 것이며, 이를 위해 상기 비일체형 OPA 소자(20)는 상기 일체형 OPA 소자(10)에 비해 공간적 제약이 크다.

이와 관련하여, 상기 광원(100)의 전방은 도 1 의 광원(100)을 기준으로 3 시 방향을 의미하는 것이고, 상기 변조기(300)의 후방은 도 1 의 변조기(300)를 기준으로 9 시 방향을 의미한다. 즉, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 광원(100)과, 상기 변조기(300) 사이에 존재하는 적어도 하나 이상의 도파로 상에 형성됨을 의미한다.

또한, 종래의 비일체형 OPA 소자(20)는 광원(100)과 포토 다이오드(410)가 별도의 기판 상에 존재하기 때문에, 광원(100)을 포함하는 기판(600)에서 방출된 빛과 목표물에 의해 반사된 빛의 각도가 상이할 수 밖에 없어, 상기 포토 다이오드(410)를 포함하는 기판 역시 상기 반사된 빛의 위상을 조절할 변조기(300)를 포함할 수 있다.

또한, 본원의 제 2 측면은 기판(600) 상에 광원(100), 2 차원 물질층(400), 도파로(200), 및 변조기(300)를 형성하는 단계, 및 상기 2 차원 물질층(400) 상에 전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는, 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법을 제공한다.

본원의 제 2 측면에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.

도 8 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

먼저, 기판(600) 상에 광원(100), 2 차원 물질층(400), 도파로(200), 및 복수의 변조기(300)를 형성한다 (S100). 구체적으로, 기판(600) 상에 광원(100), 상기 광원(100)으로부터 연장되되 분기되지 않은 도파로(210) 및 상기 분기되지 않은 도파로(210)로부터 연장되되 일정한 또는 불규칙적인 간격을 가지며 분기되어 복수개의 통로가 형성되는 복수의 분기된 도파로(220)를 포함하는 도파로(200)를 형성한 후, 상기 도파로(200)의 일부 영역 상에 적어도 하나 이상의 변조기(300)를 배치한 후, 상기 광원(100)의 전방이면서, 동시에 상기 분기되지 않은 도파로(210) 상에 2 차원 물질층(400)을 배치할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 변조기(300)는 상기 도파로(200) 상에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 변조기(300)는 상기 복수의 분기된 도파로(220) 상에 배치될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법은, 상기 복수의 분기된 도파로(220) 상에 2 차원 물질층(400)을 형성하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 변조기(300)보다 상기 광원(100)에 인접하도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상술하였듯, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛을 통과시키고, 외부의 목표물에 의해 반사된 빛의 일부를 흡수 또는 차단함으로써 상기 일체형 OPA 소자(10)와 상기 목표물 사이의 거리를 측정하기 위한 것이기 때문에, 상기 2 차원 물질층(400)은 상기 광원(100)과 상기 변조기(300) 사이에 배치된 도파로 상에 배치될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법은 상기 복수의 분기된 도파로(220) 상에 형성된 상기 2 차원 물질층(400) 상에 중간층(미도시)을 형성하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 상기 2 차원 물질층(400) 상에 전극(500) 을 형성한다 (S200). 이와 관련하여, 상기 전극(500)은 상기 도파로(210) 상에 형성된 상기 2 차원 물질층(400)과 연결될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극(500)은 상기 2 차원 물질층(400)을 전도 채널로 하는 FET 구조를 형성하도록 형성되거나, 또는 상기 2 차원 물질층(400)을 이용한 커패시터(capacitor)를 형성하도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 OPA 소자(10)의 제조 방법은, 상기 기판(600) 상에 상기 도파로(200) 또는 상기 변조기(300) 중 어느 하나로부터 연장된, 발신 안테나, 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 형성하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 안테나는 상기 광원(100)으로부터 입사되고, 상기 2 차원 물질층(400) 및 상기 도파로(200) 을 통과하여 상기 변조기(300)에 의해 위상이 변조된 빛을 일체형 OPA 소자(10)의 외부로 방출시키기 위한 발신 안테나, 및 외부의 목표물에 의해 반사된 상기 방출된 빛을 수신하기 위한 수신 안테나가 일체형으로 존재하는 수발신 일체형 안테나를 포함할 수 있다.

또한, 본원의 제 3 측면은 광센싱 방법에 대한 것으로서, 상기 제 1 측면에 따른 일체형 OPA 소자(10)의 광원(100)으로부터 외부의 목표물을 향해 빛을 방출시키는 단계, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛을 상기 일체형 OPA 소자(10)의 내부로 받아들이는 단계, 및 상기 일체형 OPA 소자(10)의 내부로 받아들인 빛을 2 차원 물질층(400)에서 흡수하는 단계를 포함하는, 광센싱 방법을 제공한다.

본원에 따른 광센싱 방법은 LIDAR 와 같이 전자기파를 이용해 물체의 위치를 측정하는 방법을 의미한다. 종래의 LIDAR 는 Si 기반의 물질을 광흡수 물질로서 사용하였기 때문에, 적외선을 인식할 수 없었고, Ge 나 InSb 는 적외선을 인식할 수 있으나 제조 공정 등의 문제가 존재하였다.

도 9 는 본원의 일 구현예에 따른 광센싱 시스템을 나타낸 개념도이고, 도 10 은 본원의 일 구현예에 따른 광센싱 시스템의 순서도이며, 도 11 은 종래의 광센싱 시스템을 나타낸 개념도이다.

도 9 및 도 11 을 참조하면, 본원에 따른 광센싱 시스템의 일체형 OPA 소자(10)는, 상기 외부의 목표물에 의해 반사된 빛을 가장 많이 수광할 수 있도록 수신 안테나와 발신 안테나가 하나의 기판 상에 존재하나, 종래의 비일체형 OPA 소자(20)를 포함하는 광센싱 시스템은 수신 안테나와 발신 안테나가 분리되어 존재하여 상기 일체형 OPA 소자(10)를 포함하는 광센싱 시스템에 비해 더 적은 빛을 받아들일 수 있다.

도 10 을 참조하면, 본원에 따른 광센싱 시스템은, 스캔 방향을 설정한 후 OPA로부터 빛을 방출하여 목표물에 빛을 조사한다. 이 때, 2 차원 물질층(400)은 상기 광원으로부터 입사된 빛을 최소한으로 흡수하도록 조절될 수 있다.

이어서, 상기 목표물에 의해 반사된 빛은 수신 안테나를 통해 일체형 OPA 소자(10)에 입력될 수 있고, 이 때의 2 차원 물질층(400)은 상기 반사된 빛을 최대한으로 흡수할 수 있도록 조절될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 2 차원 물질층(400)의 광흡수율은 상기 2 차원 물질층(400)에 인가되는 전압에 의해 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원(100)으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층(400)을 통과하고, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛은 상기 2 차원 물질층(400)에서 흡수될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

광원, 상기 광원으로부터 연장되어 분기되지 않은 도파로, 상기 분기되지 않은 도파로로부터 연장되어 일정한 또는 불규칙한 간격으로 나뉘어진 형태로 존재하는 복수의 분기된 도파로 및, 상기 복수의 분기된 도파로 상에 형성된 변조기를 포함하는 Si 웨이퍼 기판을 준비하였다. 이어서 상기 기판 상에 그래핀을 전사하여 2차원 물질층을 형성하였다. 이어서, 상기 그래핀을 일정한 두께로 패터닝하고 상기 그래핀 상에 Au/Cr을 열증착하여 전극을 형성하였다. 이어서 ALD를 이용하여 도파로 상에 형성된 그래핀 상에 Al₂O₃를 증착하여 blocking oxide를 형성하고 상기 Al₂O₃ 상에 Au/Cr을 열증착하여 게이팅 전극을 형성하였다.

이와 관련하여, 상기 Au/Cr 전극은 상기 그래핀 상에 형성되되 상기 도파로 상에 형성된 것은 아니고, 상기 Au/Cr 게이팅 전극은 상기 그래핀 및 상기 도파로 상에 형성된 것이다.

도 12 는 상기 실시예에 따른 일체형 OPA 소자의 이미지로서, 도 12 를 통해 분기되지 않은 도파로 상에 그래핀이 전사된 것을 확인할 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 일체형 OPA 소자
20 : 비일체형 OPA 소자
100 : 광원
200 : 도파로
210 : 분기되지 않은 도파로
220 : 복수의 분기된 도파로
300 : 변조기
400 : 2차원물질층
410 : 포토 다이오드
500 : 전극
510 : 중간층
600 : 기판

Claims

광원;
상기 광원으로부터 연장되어 상기 광원으로부터 입사된 빛이 통과하는 도파로(waveguide);
상기 도파로에 배치되어 상기 도파로 내부의 빛의 위상을 변조시키는 복수의 변조기(modulator);
상기 광원으로부터 입사된 빛을 통과시키거나 또는 흡수하는 2 차원 물질층;
상기 2 차원 물질층 상에 형성된 중간층; 및
상기 2 차원 물질층에 전하를 공급하기 위한 전극;
을 포함하는 일체형 OPA(Optical phase array) 소자에 있어서,
상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층, 상기 도파로 및 상기 변조기를 통과하고, 상기 일체형 OPA 소자의 외부의 목표물에 의해 반사되어, 상기 변조기 및 상기 도파로를 통과한 후 상기 2 차원 물질층에 흡수되고,
상기 도파로는 광원으로부터 연장되되 분기되지 않은 도파로 및 상기 분기되지 않은 도파로로부터 분기되어 연장된 복수의 분기된 도파로를 포함하고,
상기 2 차원 물질층은 상기 분기되지 않은 도파로 및 상기 복수의 분기된 도파로 상에 형성되는 것이고,
상기 중간층은 상기 분기된 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층 상에 형성되는 것이고,
상기 2 차원 물질층에 전압을 인가하면서 빛을 조사하면 상기 빛에 의한 전자의 여기가 차단되어 특정 에너지 준위 이하의 빛이 상기 2 차원 물질층에 흡수되는 것이 방지됨으로써 상기 2 차원 물질층의 광흡수율은 상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 의해 조절되고,
상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층을 통과하고, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛은 상기 2 차원 물질층에서 흡수되는 것인,
일체형 OPA 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 따라, 상기 2 차원 물질층의 에너지 밴드 구조(energy band structure)에 전하 캐리어(charge carrier)가 축적(accumulation) 또는 결핍(depletion)되는 것인, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 변조기는 상기 OPA 소자로부터 방출되는 빛 또는 상기 목표물에 의해 반사된 빛의 위상을 변조시키는 것인, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 2 차원 물질층은 그래핀(graphene), 전이금속 칼코겐화물(transition metal chalcogenide), h-BN(hexagonal boron nitride), 흑린, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 광원으로부터 입사된 빛의 파장은 750 nm 내지 2,000 nm 인, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 도파로는 Ⅳ 족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ 족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ 족 반도체 물질, 산화물, 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 전극은 Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는, 일체형 OPA 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 일체형 OPA 소자는 상기 광원의 빛을 상기 목표물에 조사할 발신 안테나, 상기 목표물로부터 반사된 빛을 수신하기 위한 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 추가 포함하는, 일체형 OPA 소자.
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기판 상에 광원, 2 차원 물질층, 도파로, 및 복수의 변조기를 형성하는 단계;
상기 2 차원 물질층 상에 중간층을 형성하는 단계; 및
상기 2 차원 물질층 상에 전극을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 도파로는 광원으로부터 연장되되 분기되지 않은 도파로 및 상기 분기되지 않은 도파로로부터 분기되어 연장된 복수의 분기된 도파로를 포함하고,
상기 2 차원 물질층은 상기 분기되지 않은 도파로 및 상기 복수의 분기된 도파로 상에 형성되는 것이고,
상기 중간층은 상기 복수의 분기된 도파로 상에 형성된 2 차원 물질층 상에 형성되는 것인,
일체형 OPA 소자의 제조 방법.
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제 12 항에 있어서,
상기 일체형 OPA 소자의 제조 방법은, 상기 기판 상에 상기 복수의 도파로 또는 상기 복수의 변조기 중 어느 하나로부터 연장된, 발신 안테나, 수신 안테나, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 안테나를 형성하는 단계를 추가 포함하는, 일체형 OPA 소자의 제조 방법.
광센싱 방법에 있어서,
제 1 항 및 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 일체형 OPA 소자의 광원으로부터 외부의 목표물을 향해 빛을 방출시키는 단계;
상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛을 상기 일체형 OPA 소자의 내부로 받아들이는 단계; 및
상기 일체형 OPA 소자의 내부로 받아들인 빛을 2 차원 물질층에서 흡수하는 단계;
를 포함하고,
상기 2 차원 물질층에 전압을 인가하면서 빛을 조사하면 상기 빛에 의한 전자의 여기가 차단되어 특정 에너지 준위 이하의 빛이 상기 2 차원 물질층에 흡수되는 것이 방지됨으로써 상기 2 차원 물질층의 광흡수율은 상기 2 차원 물질층에 인가되는 전압에 의해 조절되고,
상기 광원으로부터 입사된 빛은 상기 2 차원 물질층을 통과하고, 상기 외부의 목표물로부터 반사된 빛은 상기 2 차원 물질층에서 흡수되는 것인,
광센싱 방법.
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