KR102592696B1 - 다파장 광원 장치, 이를 포함하는 다기능 프로젝터 및 다기능 프로젝터를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

광원 장치는 제1반사층, 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제2발광층, 제1 식각정지층, 상기 제2파장과 다른 제1파장의 광을 출사하도록 구성된 제1발광층, 제1 나노구조 반사층을 포함하는 제1 발광요소; 상기 제1발광요소와 이격 배치되며, 상기 제1반사층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2반사층, 상기 제2발광층과 동일한 재질과 구조를 가지며, 상기 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제3발광층, 상기 제1 식각정지층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2 식각정지층, 제2 나노구조 반사층을 포함하는 제2 발광요소를 포함한다.

Description

다파장 광원 장치, 이를 포함하는 다기능 프로젝터 및 다기능 프로젝터를 포함하는 전자 장치{Multi-wavelength light source device, multi-function projector and including the same and electronic apparatus including the multi-function projector}
본 개시는 다파장 광원 장치, 이를 포함하는 다기능 프로젝터, 및 다기능 프로젝터를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
모바일(mobile) 및 웨어러블(wearable) 기기에서 홍채 인식 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 센서에 대한 수요가 있다. 또한, 태블릿(Tablet), 드론(drone), 사물 인터넷(IoT)(Internet of Thing)등의 분야에서도 활용되기 위해 센서들의 소형화, 저 전력화 추세가 지속적으로 이어지고 있다.
기존의 센서들은 각 센서의 기능들에 맞게 별도의 마이크로 광학(micro-optic) 기술과 함께 프로젝터, 스캐너 등에 필요한 조명 부품을 사용하고 있다. 이로 인해 여러 개의 광원, 광학 부품들이 필요하게 되고 이러한 광학 부품들이 차지하는 부피는 설계의 정밀도 및 제작 요건에 영향을 주는 요인이 된다.
다파장 대역의 광을 출사하는 광원 장치를 제공한다.
이러한 광원 장치를 포함하는 다기능 프로젝터 및 전자장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 제1반사층, 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제2발광층, 제1 식각정지층, 상기 제2파장과 다른 제1파장의 광을 출사하도록 구성된 제1발광층, 제1 나노구조 반사층을 포함하는 제1 발광요소: 상기 기판 상에, 상기 제1발광요소와 이격 배치되며, 상기 제1반사층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2반사층, 상기 제2발광층과 동일한 재질과 구조를 가지며, 상기 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제3발광층, 상기 제1 식각정지층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2 식각정지층, 제2 나노구조 반사층을 포함하는 제2 발광요소;를 포함하는, 광원 장치가 제공된다.
상기 광원 장치는 일체형(monolithic) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 파장이 상기 제2 파장보다 클 수 있다.
상기 제1발광층과 상기 제2발광층은 양자 우물 구조를 가지며, 상기 제1발광층의 양자 우물 구조의 밴드갭 에너지가 상기 제2발광층의 양자 우물 구조의 밴드갭 에너지 보다 작을 수 있다.
상기 제1 발광요소는 제2 파장의 광을 출사하도록, 제1반사층과 상기 제1 나노구조 반사층 간 거리가 설정될 수 있다.
상기 제1반사층과 상기 제1 나노구조 반사층 간 거리는 상기 제1파장의 제1정수 배일 수 있다.
상기 제2반사층과 상기 제2 나노구조 반사층 간 거리는 상기 제2파장의 제2정수 배일 수 있다.
상기 제1정수는 상기 제2정수보다 클 수 있다.
상기 제1파장과 상기 제2파장의 차이는 50nm 이상일 수 있다.
상기 제1파장은 적외선 파장 대역이고, 상기 제2파장은 가시광선 파장 대역일 수 있다.
상기 제1 발광요소와 상기 제2 발광요소는 서로 다른 편광의 광을 출사할 수 있다.
상기 제1 나노구조 반사층은 상기 제1파장에 대해 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 제1 나노구조물을 포함할 수 있다.
상기 제2 나노구조 반사층은 상기 제2파장의 광에 대해 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 제2 나노구조물을 포함할 수 있다.
상기 제1 발광요소는 나란하게 이격된 복수의 열을 따라 배열되고, 상기 제2 발광요소는 상기 복수의 열과 교번되는 복수의 열을 따라 배열될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 전술한 어느 하나의 광원 장치; 상기 제1 발광요소 또는 상기 제2 발광요소가 선택적으로 구동되도록 상기 광원 장치를 제어하는 제어부; 상기 광원 장치로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 장치에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 포함하며, 상기 광원 장치에서 출사하는 광을 변조하는 나노구조 광변조층;을 포함하는, 다기능 프로젝터가 제공된다.
상기 나노구조 광변조층은 상기 제1 발광요소에서 출사된 광과 상기 제2 발광요소에서 출사된 광을 다르게 변조할 수 있다.
상기 제1 발광요소와 상기 제2 발광요소는 서로 다른 편광의 광을 출사할 수 있다.
상기 나노구조 광변조층은 상기 제1 발광요소에서 출사된 광을 소정의 구조광으로 변조하고, 상기 제2 발광요소에서 출사된 광을 균일광으로 변조할 수 있다.
상기 나노구조 광변조층의 상기 나노구조물은 비대칭의 단면 형상을 가질 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 피사체에 광을 조사하는 것으로 전술한 어느 하나의 다기능 프로젝터; 상기 피사체로부터의 광을 수신하는 센서; 및 상기 센서에서 수광된 광으로부터 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
상기 프로세서는 상기 다기능 프로젝터에서 출사하는 광의 파장에 따라 다른 연산을 수행할 수 있다.
상기 다기능 프로젝터는 상기 제1 발광요소에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광요소에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 다기능 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 사용자 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고, 상기 다기능 프로젝터가 상기 피사체에 균일광을 조사한 경우, 사용자 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용할 수 있다.
상술한 다파장 광원 장치는 파장 대역이 다른 광을 선택적으로 출사할 수 있다.
상술한 다파장 광원 장치는 하나의 기판에 일체형(monolithic)으로 형성될 수 있어 제조 공정이 용이하다.
상술한 다파장 광원 장치는 나노구조 광변조층과 함께 다기능 프로젝터를 구현할 수 있고, 전자장치에 채용되어 다양한 어플리케이션에 활용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광원 장치의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 광원 장치에 구비된 복수의 발광요소의 배열을 보인 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 광원 장치에 구비된 제1 발광요소를 상세히 보인 사시도 및 단면도이다.
도 4는 도 1의 광원 장치의 제1 발광요소에 구비된 제1 나노구조 반사층의 예시적인 구조를 보인다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 1의 광원 장치에 구비된 제2 발광요소를 상세히 보인 사시도 및 단면도이다.
도 6은 도 1의 광원 장치의 제2 발광요소에 구비된 제2 나노구조 반사층의 예시적인 구조를 보인다.
도 7은 도 1의 광원 장치의 일부를 확대하여 상세히 보인 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 다기능 프로젝터에 대한 사시도로서, 각각, 제1 발광요소에서의 광으로부터 제1변조광, 제2 발광요소에서의 광으로부터 제2변조광을 형성하는 것을 보이고 있다.
도 9 내지 도 11은 도 8a 및 도 8b의 나노구조 광변조층에 구비될 수 있는 나노구조물의 예시적인 형상들을 보이는 사시도이다.
도 12는 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
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.
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.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 광원 장치의 개략적인 구성을 보이는 사시도이고, 도 2는 도 1의 광원 장치에 구비된 복수의 발광요소의 배열을 보인 평면도이다.
광원 장치(100)는 기판 상에 형성되어 복수의 파장의 광을 출사하는 광원 어레이(140)을 포함한다. 광원 어레이(140)는 복수의 제1 발광요소(142)와 복수의 제2 발광요소(148)를 포함한다 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)는 서로 다른 파장의 광을 출사하도록 구성될 수 있다. 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)는 서로 다른 편광의 광 을 출사하도록 구성될 수도 있다. 상기 기판은 반도체 기판(110)과 반도체 기반 물질로 이루어진 반사층(120)을 포함할 수 있다. 반사층(120)은 굴절률이 다른 복수의 층을 교번 적층한 분산 브래그 리플렉터(distributed brag reflector)일 수 있다. 반사층(120)은 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)에 공통되게 하부 미러로 동작할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)에 별도의 반사층이 구비될 수도 있다. 반도체 기판(110)의 하면에는 하부 전극(180)이 배치될 수 있다. 하부 전극(180)은 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)에 각각 마련된 상부 전극과 함께 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)에 전류를 주입하는 전극이 된다. 다만, 하부 전극(180)의 위치도 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 위치에 배치될 수도 있다.
광원 장치(100)는 서로 다른 파장의 광을 출사하는 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)가 동일한 기판 상에 일체형(monolithic)으로 형성된 구조를 갖는다. 여기서, 일체형이라 함은, 동일한 기판 상에서 연속적으로 이루어지는 일련의 공정에 따라 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)가 제조되는 구성임을 의미한다. 즉, 별도의 공정에서 제조되어 전사되거나 접합되는 과정이 수반되지 않고, 다양한 물질층들을 증착 등의 방법으로 적층하고, 패턴 형성을 위한 노광, 현상, 식각을 거치는 포토리소그라피 공정 등의 일련의 과정에 따라 제조되는 것을 의미한다. 이를 위한 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)의 세부적인 상세 구조는 도 3a 내지 도 6을 참조하여 후술할 것이다.
광원 장치(100)는 서로 다른 파장의 광이 선택적으로 출사될 수 있는 구성을 갖는다. 제1 발광요소(142)는 나란하게 서로 이격된 복수의 열을 따라 배열되어 제1 발광어레이(140_1)를 이루며, 제2 발광요소(148)는 제1 발광요소(142)들이 배열된 복수의 열과 교번되는 복수의 열을 따라 배열되어 제2 발광어레이(140_2)를 이룰 수 있다.
제1 발광어레이(140_1)와 제2 발광 어레이(130)는 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 제1 발광어레이(140_1)는 제어 신호(P1)에 따라, 제2 발광어레이(140_2)는 제어 신호(P2)에 의해 구동될 수 있다. 제1 발광어레이(140_1)만이 광을 출사하고, 제2 발광어레이(140_2)는 광을 출사하지 않도록 동작하거나, 제2 발광어레이(140_2)만이 광을 출사하고 제1 발광어레이(140_1)는 광을 출사하지 않도록 동작할 수 있다.
제1 발광어레이(140_1)와 제2 발광어레이(140_2)는 서로 독립적으로 제어될 때, 제1 발광어레이(140_1)의 제1 발광요소(142)들이 모두 동시에 구동되거나, 제2 발광어레이(140_2)의 제2 발광요소(148)들이 모두 동시에 구동되는 것은 아니다. 제1 발광어레이(140_1)가 구동될 때, 제1 발광요소(142)들이 배열된 열 별로 순차 구동되어 스캐닝 방식으로 광을 출사할 수 있고, 다른 형태로 순차 구동도 가능하다. 제2 발광어레이(140_2)가 구동될 때도, 제2 발광요소(148)들이 배열된 열 별로 순차 구동되어 스캐닝 방식으로 광을 출사할 수 있고, 다른 형태로 순차 구동도 가능하다.
제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)들의 배열은 도시된 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 그 배열은 랜덤한 분포를 가질 수도 있다. 제1 발광어레이(140_1), 제2 발광어레이(140_2)가 서로 독립적으로 제어될 수 있고, 제1 발광어레이(140_1), 제2 발광어레이(140_2) 중 어느 하나가 구동될 때, 출사광 분포가 공간적으로 대체로 고르게 되는 다양한 배열 형태가 채용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 광원 장치에 구비된 제1 발광요소를 상세히 보인 사시도 및 단면도이고, 도 4는 도 1의 광원 장치의 제1 발광요소에 구비된 제1 나노구조 반사층의 예시적인 구조를 보인다.
제1 발광요소(142)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)와 유사한 구성을 갖는다. 구체적인 구성을 살펴보기로 한다.
제1 발광요소(142)는 제1반사층(20), 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제2발광층(30), 제1 식각정지층(40), 제2파장과 다른 제1파장의 광을 출사하도록 구성된 제1발광층(50), 제1 나노구조 반사층(90)을 포함한다. 제2발광층(30), 제1 식각정지층(40), 제1발광층(50), 제1 나노구조 반사층(90)은 아래서부터 순차적으로 배치될 수 있다.
제2발광층(30)은 에너지를 흡수하여 광을 생성하는 층이다. 제2발광층(30)은 예를 들어 전류 주입에 의해, 또는 펌핑 광에 의해 광을 생성할 수 있다. 제2발광층(30)은 반도체 물질을 포함하는 제2활성층(active layer)(34)를 포함할 수 있다. 제2활성층(34)은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2활성층(34)은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 포함할 수 있다. 제2활성층(34)은 양자점(Quantum Dots)를 포함할 수도 있다. 제2활성층(34)의 재질에 예시된 재질에 한정되지는 않는다. 제2활성층(34)은 제2파장의 광을 출사하는 재질과 구조를 가질 수 있다.
제2발광층(30)은 제2활성층(34)의 상부 및 하부에 마련되는 제2 상부 클래드층(36) 및 제2 하부 클래드층(32)을 더 포함할 수 있다. 제2 상부 클래드층(36), 제2 하부 클래드층(32)은 각각 N형 또는 P형 또는 intrinsic 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 상부 클래드층(36), 제2 하부 클래드층(32)은 제2활성층(34)과 같은 반도체 물질 또는 다른 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 각각 N형 도펀트, P형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
제1발광층(50)도 에너지를 흡수하여 광을 생성하는 층으로, 제2발광층(30)과는 다른 파장의 광을 출사하도록 구성된다. 제1발광층(50)은 반도체 물질을 포함하는 제1활성층 (54)를 포함할 수 있다. 제1활성층(54)은 제2활성층(34)과 유사하게, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있고, InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 포함할 수 있다. 제1활성층(54)은 양자점(Quantum Dots)를 포함할 수도 있다. 제1활성층(54)의 재질에 예시된 재질에 한정되지는 않는다. 제1활성층(54)은 제2활성층(34)에서 출사하는 제2파장보다 긴, 제1파장의 광을 출사하는 재질과 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1활성층(54)은 적외선 대역의 광을 출사하도록 재질과 구조가 형성될 수 있다. 제1활성층(54)에 채용된 양자우물 구조의 밴드갭 에너지는 제2활성층(34)에 채용된 양자우물 구조의 밴드갭 에너지 보다 낮을 수 있다.
제1발광층(50)은 제1활성층(54)의 상부 및 하부에 마련되는 제1 상부 클래드층(56) 및 제1 하부 클래드층(52)을 더 포함할 수 있다. 제1 상부 클래드층(56), 제1 하부 클래드층(52)은 각각 N형 또는 P형 또는 intrinsic 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 상부 클래드층(56), 제1 하부 클래드층(52)은 제1활성층(54)과 같은 반도체 물질 또는 다른 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 각각 N형 도펀트, P형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
제2발광층(30)과 제1발광층(50) 사이에는 제1 식각정지층(40)이 배치된다. 제1 식각정지층(40)은 제1 발광요소(142) 및 이와 같은 기판 상에 형성되는 제2 발광요소(148)를 제조하는 제조상의 편의에 따라 마련되는 것이다. 제1 식각정지층(40)은 반도체 물질로 형성될 수 있고, 제1 식각정지층(40)의 상부에 배치되는 제1발광층(50)과 다른 식각비를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제1 발광요소(142)는 산화물 개구층(oxide aperture)(60)을 포함할 수 있다. 산화물 개구층(60)은 발진되는 광의 모드 조절이나 빔 크기를 조절하기 위한 것이다. 산화물 개구층(40)의 위치는 제1발광층(50)의 상부로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 제2발광층(30) 하부의 제1반사층(21)층 내에 배치될 수도 있다. 또한, 산화물 개구층(60)은 복수개가 구비될 수도 있고, 생략될 수도 있다. 산화물 개구층(60) 상에 제1발광층(50)에 전류 주입을 위한 제2전극(80)이 배치될 수 있다.
제2발광층(30)의 하부 및 제1발광층(50) 상부에 각각 형성된 제1반사층(21)과 제1 나노구조 반사층(90)은 제1발광층(50)에서 생성된 광에 대한 공진 캐비티를 형성한다. 즉, 제1반사층(20)과 제1 나노구조 반사층(90)은 제1 활성층(54)에서 생성된 광을 발진시켜 제1파장의 광(Lλ2)이 증폭되어 출사되도록 마련되는 것이다. 이를 위하여, 제1반사층(20)에서 제1 나노구조 반사층(90)까지의 두께는 제1파장(λ1)의 정수배로 할 수 있다.
제1반사층(20)은 도 1의 반도체 기판(110) 상에 형성된 반사층(120)과 같이, 분산 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector)로 구성될 수 있다. 즉, 제1반사층(20)은 굴절률이 다른 복수의 층이 교번 적층된 구성을 갖는다. 굴절률이 다른 복수의 층 각각의 두께는 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께일 수 있다. 상기 두께는 발진 파장의 1/4의 홀수배의 두께(예를 들어, 3/4, 5/4,??)일 수도 있다. 이러한 분산 브래그 리플렉터는 두 물질층의 굴절률 차 및 그 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 제1반사층(20)은 제1발광층(50), 제2발광층(30)을 구성하는 반도체 물질과 동일한 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 두 물질층 중 하나는 AlxGa(1-x)As (0≤x≤1)층이고 다른 하나는 AlyGa(1-y)As (0 ≤y≤1, x ≠ y)층일 수 있다. 제1반사층(20)은 제2발광층(30)의 제2 하부 클래드층(32)과 동일한 반도체 형(type)을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 하부 클래드층(32)이 P형인 경우, P형으로 도핑되고, 제2 하부 클래드층(32)이 N형인 경우, N형으로 도핑될 수 있다. 제1반사층(20)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 사용될 수 있다.
분산 브래그 리플렉터는 적층수가 많아질수록 반사율이 높아진다. 따라서, 반사층(도 1의 120)과 제1반사층(20)의 총 적층수는 원하는 반사율, 예를 들어 대략 90%이상의 반사율을 구현할 수 있는 정도로 정해질 수 있다. 이러한 반사율을 조절하여 광이 출사되는 방향을 조절할 수 있다. 반사층(도 1의 120)과 제1반사층(20)에 의한 반사율을 약 98% 이상으로 하여, 상부의 제1 나노구조 반사층(90)을 통해 광이 출사되도록 할 수 있다.
제1 나노구조 반사층(90)은 적층수가 많아 두꺼운 분산 브래그 리플렉터 구조 대신, 얇은 두께로 원하는 반사율을 구현하기 위해 채용될 수 있다. 이에 따라 제1 발광요소(142)의 두께를 줄일 수 있고, 광원 장치(100)의 전체적인 부피 감소에 유리할 수 있다.
제1 나노구조 반사층(90)는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS1)을 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 나노구조물(NS1)은 지지층(91) 상에 형성될 수 있다. 서브 파장의 형상 치수라 함은 나노구조물(NS1)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭이, 제1 발광요소(142)에서 출사하는 광의 파장, 즉, 제1활성층(54)에서 생성되는 광의 파장인 제1파장(λ1)보다 작음을 의미한다.
제1 나노구조 반사층(90)의 재질로 반도체 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(91)의 굴절률이 나노구조물(NS1)의 굴절률 보다 작게 할 수 있다. 지지층(91)과 나노구조물(NS1)의 굴절률 차는 약 0.5 이상일 수 있고, 또는 1 이상일 수 있다.
지지층(91)의 두께는 발진 파장, 즉, 제1파장의 1/5 이상으로 설정될 수 있다. 지지층(91)의 두께가 발진 파장의 1/5 보다 작은 경우 반도체 물질로 된 하부층에 지지층(91) 위의 나노구조물(NS1)에서 공진하는 빛이 커플링 될 수 있어서 메타 구조로서 원하는 동작이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
제1 발광요소(142)는 이외에도, 제1발광층(50), 제2발광층(30)에서 발생하는 열의 방출을 위한 힛 싱크(heat sink)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 힛 싱크는 열전도성이 좋은 금속 물질, 예를 들어, 구리(Copper), 금(gold), 알루미늄(aluminum) 등으로 이루어질 수 있고, 제1 발광요소(142) 측면을 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다.
제2발광층(30)의 하부에 배치된 제1전극(도 1의 180) 및 제1발광층(50) 상부에 배치된 제2전극(80)을 통해, 제1활성층(54), 제2활성층(34)에 전류가 주입되면, 각각에서 제1파장의 광(Lλ1)과 제2파장의 광(Lλ2)이 생성된다. 제1파장의 광(Lλ1)은 캐비티의 공진 조건에 부합하므로 증폭되며, 반면, 제2파장의 광(Lλ2)은 캐비티 내의 구조에서 흡수되어 출사되지 못한다. 이와 같은 과정에 따라, 제1 발광요소(142)에서는 제1파장의 광(Lλ1)이 출사된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 1의 광원 장치에 구비된 제2 발광요소를 상세히 보인 사시도 및 단면도이고, 도 6은 도 1의 광원 장치의 제2 발광요소에 구비된 제2 나노구조 반사층의 예시적인 구조를 보인다.
제2 발광요소(148)는 제2반사층(21), 제3발광층(31), 제2 식각정지층(41)를 포함한다. 제2반사층(21)은 제1 발광요소(142)의 제1반사층(20)과 동일한 재질과 두께를 갖는다. 제3발광층(31)은 제2파장의 광(Lλ2)을 생성하는 층으로, 제1 발광요소(142)의 제2발광층(30)과 동일한 재질과 구조를 갖는다. 즉, 제3발광층(31)은 제3 하부클래드층(33), 제3활성층(35), 제3 상부클래드층(37)을 포함하며, 제3 하부클래드층(33), 제3활성층(35), 제3 상부클래드층(37)은 제2 하부 클래드층(32), 제2활성층(34), 제2 상부클래드층(36)과 동일한 재질로 이루어지며 동일한 두께를 갖는다. 제3활성층(35)은 제1 발광요소(142)에서 출사하는 광(Lλ1)의 제1파장(λ1)보다 짧으며 그 차이가 약 50nm 이상인 제2파장(λ2)의 광(Lλ2)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제3활성층(35)은 가시광선 파장 대역의 광을 생성할 수 있다.
제2 식각정지층(41)은 제1 발광요소(142)의 제1 식각정지층(40)과 동일한 재질과 두께를 갖는다.
제2 식각정지층(41) 상에 산화물 개구층(61)이 배치될 수 있고, 산화물 개구층(61) 상에 제2 나노구조 반사층(95), 제2전극(85)이 배치될 수 있다.
제2반사층(21)과 제2 나노구조 반사층(95)은 제3활성층(35)에서 생성된 광에 대한 공진 캐비티를 형성한다. 즉, 제2반사층(21)과 제2 나노구조 반사층(95)은 제3활성층(35)에서 생성된 광을 발진시켜 제2파장의 광(Lλ2)이 증폭되어 출사되도록 마련되는 것이다. 이를 위하여, 제2반사층(21)에서 제2 나노구조 반사층(95)까지의 두께는 제2파장(λ2)의 정수(n)배로 할 수 있다. 정수 n은 제1 발광요소(142)의 캐비티 길이를 설정하는 정수(m)보다 작을 수 있다.
제2 나노구조 반사층(95)는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS2)을 포함한다. 서브 파장의 형상 치수라 함은 나노구조물(NS2)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭이, 제2 발광요소(148)에서 출사하는 광의 파장, 즉, 제3활성층(35)에서 생성되는 광의 파장인 제2파장보다 작음을 의미한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 나노구조물(NS2)은 지지층(92) 상에 형성될 수 있다.
제2 나노구조 반사층(95)의 재질로 반도체 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(92)의 굴절률이 나노구조물(NS2)의 굴절률 보다 작게 할 수 있다. 지지층(92)과 나노구조물(NS2)의 굴절률 차는 약 0.5 이상일 수 있고, 또는 1 이상일 수 있다.
지지층(92)의 두께는 발진 파장, 즉, 제2파장(λ2)의 1/5 이상으로 설정될 수 있다.
제2 발광요소(148)에서는 제2파장의 광(Lλ2)이 출사된다.
이상, 제1 발광요소(142)에서 제1파장의 광(Lλ1)을 출사하고, 제2 발광요소(148)에서 제2파장의 광(Lλ2)을 출사하는 상세한 구성을 살펴보았다.
한편, 제1 발광요소(142)에서 출사하는 제1파장의 광(Lλ1)과 제2 발광요소(148)에서 출사하는 제2파장의 광(Lλ2)은 서로 다른 편광을 가질 수 있으며, 이를 위한 구성을 살펴보기로 한다.
제1 발광요소(142)의 제2전극(80), 제2 발광요소(148)의 제2전극(85)의 구체적인 형상을 조절하여 출사되는 광의 편광을 조절할 수 있다. 즉, 제2전극(80)(85)의 형상에 따라 제1활성층(54), 제3활성층(35)에 전류가 주입되는 경로가 변화될 수 있고, 출사광의 편광을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 제1 발광요소(142)의 제2전극(80)과 제2 발광요소(148)의 제2전극(85) 형상을 서로 다르게 하여, 제1 발광요소(142)에서 출사하는 제1파장의 광(Lλ1)의 편광과 제2 발광요소(148)에서 출사하는 제2파장의 광(Lλ2)의 편광을 서로 다르게 할 수 있다.
또는, 비대칭 전류 주입(asymmetric current injection) 방법을 사용하여 출사되는 광의 편광을 조절할 수 있다. 전류가 주입되는 방향을 조절하여 출사광의 편광을 조절하거나, 또는, 전류 주입되는 양을 방향에 따라 다르게 조절하여 출사광 편광을 조절할 수 있다. 이 경우, 제1 발광요소(142)의 제2전극(80), 제2 발광요소(148)의 제2전극(85) 형상은 동일할 수 있다.
또는, 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)의 단면 형상을 비대칭으로 하고 길이가 긴 방향을 조절하는 방식으로 출사광의 편광을 조절하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 3a 및 도 5a의 사시도에서 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)는 원기둥 형상으로 도시되고 있으나, 이와 달리, 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)는 가로 방향과 세로 방향의 길이가 서로 다른 직사각기둥 형상이 될 수도 있다. 이 때, 제1 발광요소(142), 제2 발광요소(148)의 길이가 긴 방향을 서로 다르게 하여, 제1 발광요소(142)에서 출사하는 제1파장의 광(Lλ1)의 편광과 제2 발광요소(148)에서 출사하는 제2파장의 광(Lλ2)의 편광을 서로 다르게 할 수 있다.
또는, 편광 방향을 조절하는 요소로서 그레이팅 기반의 구성을 제1 발광요소(142) 및 제2 발광요소(148) 각각에서 광이 출사되는 경로에 배치시켜 출사광의 편광을 조절하는 것도 가능하다. 상기 두 경로에 각각 다른 편광의 광이 출사되도록 서로 다른 그레이팅 요소를 배치하여, 제1 발광요소(142)에서 출사하는 제1파장의 광(Lλ1)의 편광과 제2 발광요소(148)에서 출사하는 제2파장의 광(Lλ2)의 편광을 서로 다르게 할 수 있다.
도 7은 도 1의 광원 장치의 일부를 확대하여 상세히 보인 단면도이다.
광원 장치(100)에 구비되는 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)는 제1전극(180), 반도체 기판(110), 반사층(120)을 공유한다. 또한, 제1 발광요소(142)의 제1반사층(20), 제2발광층(30), 제1 식각정지층(40)은 각각 제2 발광요소(148)의 제2반사층(21), 제3발광층(31), 제2 식각정지층(41)과 동일한 물질과 구조로 구성되고 있다. 따라서, 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)를 형성하는 많은 공정을 공유할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110) 상에 반사층(120) 및 제1 발광요소(142)를 이루는 물질층들을 전체적으로 먼저 적층하고, 제2 발광요소(148)의 패턴을 형성할 때, 제2 식각정지층(41)을 활용하여 제2 발광요소(148)에는 필요하지 않은 물질층들을 제거할 수 있다. 이와 같이, 제2 발광요소(148)를 형성하는 대부분의 공정은 제1 발광요소(142)를 형성하는 공정을 활용할 수 있어 제조가 용이하다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 다기능 프로젝터에 대한 사시도로서, 각각, 제1 발광요소에서의 광으로부터 제1변조광, 제2 발광요소에서의 광으로부터 제2변조광을 형성하는 것을 보이고 있다.
다기능 프로젝터(200)는 광원 장치(100), 제어부(250) 및 나노구조 광변조층(230)을 포함한다.
광원 장치(100)는 복수 파장의 광을 출사하는 광원 어레이(140)를 포함한다. 광원 어레이(140)는 제1파장의 광(Lλ1)을 출사하는 제1 발광요소(142), 제2파장의 광(Lλ2)을 출사하는 제2 발광요소(148)를 포함한다. 제1 발광요소(142)들은 이격 배열된 열을 따라 반복 배열되어 제1 발광어레이(140_1)를 이루고, 제2 발광요소(148)들은 상기 열들과 교번되는 열들을 따라 반복 배열되어 제2 발광어레이(140_1)를 이룬다.
제어부(250)는 제1 발광요소(142) 또는 제2 발광요소(148)가 선택적으로 구동되도록 광원 장치(100)를 제어한다. 예를 들어, 도 8a와 같이, 제1 발광요소(142)들만이 광을 출사하도록 구동되고 제2 발광요소(148)들은 광을 출사하지 않도록 오프(off) 상태로 제어되는 경우, 광원 장치(100)는 제1파장의 광(Lλ1)을 출사한다. 도 8b와 같이, 제2 발광요소(148)들만이 광을 출사하도록 구동되고 제1 발광요소(142)는 광을 출사하지 않도록 오프(off) 상태로 제어되는 경우, 광원 장치(100)는 제2 파장의 광(Lλ2)을 출사한다.
나노구조 광변조층(230)은 광원 장치(100)로부터 출사된 광의 경로에 배치되어 광을 변조하는 층으로, 광원 장치(100)에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS3)을 포함한다.
나노구조 광변조층(230)은 복수의 나노구조물(NS3)를 포함한다. 나노구조물(NS3)은 서브 파장의 형상 치수를 가진다. 여기서, 형상 치수는 나노구조물(NS3)의 형상을 정의하는 치수, 즉, 두께나 폭 등을 의미하며, 서브 파장의 형상 치수라 함은 이러한 형상 치수 중 적어도 하나가 광원 장치(100)에서 출사되는 광의 파장보다 작음을 의미한다. 광원 장치(100)는 제어부(250)의 제어에 따라 제1파장(λ1) 또는 이보다 짧은 제2파장(λ2)의 광을 출사하며, 나노구조물(NS3)은 제2파장(λ2)에 대해 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다.
나노구조물(NS3)의 형상 치수는 제2파장(λ2)의 반 이하일 수 있다. 복수의 나노구조물(NS3) 간의 배열 피치는 제2파장(λ2)의 반 이하일 수 있다. 나노구조물(NS3)의 폭이 입사광의 파장의 반 이하일 때 메타구조를 이루는 강한 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있게 된다.
나노구조물(NS3)들은 각각의 재질, 형상에 따라 고유한 값을 갖는 투과 세기 및 투과 위상을 가질 수 있다. 이들 형상 분포를 조절하여 나노구조 광변조층(230)을 투과하는 광의 위상이나 세기 분포를 조절할 수 있다. 여기서, '형상 분포'는 복수의 나노구조물(NS3)의 형상, 복수의 나노구조물(NS3)의 크기, 복수의 나노구조물(NS3)의 크기 분포, 복수의 나노구조물(NS3)의 배열 피치, 복수의 나노구조물(NS3)의 배열 피치의 분포 중 적어도 어느 하나를 의미한다.
복수의 나노구조물(NS3)의 형상 분포는 광원 장치(100)에서 출사되는 광의 파장에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하도록 정해질 수 있다. 이에 따라, 나노구조 광변조층(230)은 제1 발광요소(142)들로부터 출사되는 제1파장의 광을 제1변조광(ML1)으로 변조하고, 제2 발광요소(148)들로부터 출사되는 제2파장의 광을 제2변조광(ML2)으로 변조할 수 있다.
또는, 광원 장치(100)에서 출사하는 제1파장의 광(Lλ1)이 제1편광이고 제2파장의 광(Lλ2)이 제2편광인 경우, 나노구조 광변조층(230)은 제1 발광요소(142)에서 출사하는, 제1편광 상태의 제1파장의 광(Lλ1)에 대해서는 구조광(structured light)을 형성하고, 제2 발광요소(132)들에서 출사하는 제2편광 상태의 제2파장의 광(Lλ2)에 대해서는 균일광(uniform light)을 형성하도록 복수의 나노구조물(NS3)의 형상 분포가 정해질 수 있다. 다시 말하면, 제1변조광(ML1)은 구조광, 제2변조광(ML2)은 균일광이 될 수 있다.
구조광은 공간상에 진행해 나가는 빛살(ray of light)들이 형성하는 빔 스폿의 분포를 지칭한다. 나노구조 광변조층(230)을 지나며 형성되는 구조광은 밝고 어두운 점들이 각 각도 방향 위치 좌표를 고유하게 지정하도록 수학적으로 코드된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴은 3차원 형상을 인식하는데 사용될 수 있다. 3차원 물체에 조사된 구조광이 물체에 의해 형태가 변화될 수 있고, 이를 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 좌표별 패턴의 형태 변화 정도를 추적함으로써, 3차원 형상의 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.
균일광(uniform light)은 구조광과 같은 위치별 패턴이 설정되지 않은 형태로서, 일반적인 조명(illumination)일 수 있다. 광원 장치(100)로부터의 광은 나노구조 광변조층(230)을 지나며 빔 폭이 조절되고 그 공간 분포가 균일해질 수 있다. 균일광은 예를 들어, 2차원 영상 획득에 적합한 조도를 가질 수 있고, 또는 일반 조명으로도 활용될 수 있다.
도시된 나노구조물(NS3)들은 모두 같은 형상, 크기, 높이의 원기둥 형태로 편의상 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 위치에 따라 수평 또는 수직 방향의 크기나 구성 물질을 조절하여 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성할 수 있다. 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성하기 위해, 복수의 나노구조물(NS3)로 이루어진 소정 그룹에 대해 위치별 나노구조물(NS3)들의 형상 분포가 정해질 수도 있다. 또한, 이와 같이 형성된 나노구조물(NS3) 그룹은 소정 주기로 반복 배열될 수도 있다. 복수의 나노구조물(NS3)의 형상 분포는 규칙적, 주기적, 유사 주기적일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않고, 랜덤할 수도 있다.
나노구조 광변조층(230)은 복수의 나노구조물(NS3)들을 지지하는 지지층(SU)을 더 포함할 수 있다. 지지층(SU)은 나노구조물(NS3)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, SiO2, TCO(transparent conductive oxide), 또는 PC, PS, PMMA와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다.
나노구조물(NS3)은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 나노구조물(NS3)은 인접한 주변 물질, 예를 들어, 공기나 지지층(SU)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 나노구조물(NS3)의 굴절률과 주변 물질의 굴절률 차는 1 이상일 수 있다.
나노구조물(NS3)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나가 나노구조물(NS3)의 재질로 사용될 수 있다.
또는, 나노구조물(NS3)은 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 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.
또는, 나노구조물(NS3)들 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 나노구조물(NS)들 중의 일부는 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있고. 나노구조물(NS3)들 중의 다른 일부는 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
나노구조물(NS3)은 비대칭적인 형상을 가질 수 있다. 비대칭성을 가지는 나노구조물(NS3) 형상이 채용되는 경우 비대칭성에 의해 정해지는 특정 방향의 편광에 대해 상술한 광학 작용이 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1편광의 광에 대해서는 구조광(structured light)을 형성하고, 제2편광의 광에 대해서는 균일광(uniform light)을 형성하도록, 나노구조물(NS3) 각각에 입사하는 광의 투과 위상 분포를 변경할 수 있다.
나노구조물(NS3)의 단면 형상, 즉, 광원 장치(100)와 나노구조 광변조층(230)이 이격된 방향(Z 방향)에 수직인 단면 형상은 비대칭성을 가지는 형상일 수 있다. 예를 들어, 제1 발광요소(142)와 제2 발광요소(148)에서 출사하는 광의 편광이 각각 제1편광, 제2편광으로 서로 다른 경우, 나노구조물(NS3)은 두 편광 방향의 길이가 서로 다를 수 있다. 두 방향의 길이가 서로 다른 정도는 복수의 나노구조물(NS3) 각각이 배열된 위치에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(NS3)들의 배열된 분포는 제1 발광요소(142)가 출사하는 제1편광의 광이 소정의 원하는 구조광(structured light) 패턴을 구현하기에 알맞게 제1편광 방향 길이를 조절하며 정해지며, 이와 유사하게, 제2 발광요소(148)가 출사하는 제2편광의 광은 서로 혼합되며 균일한 조명을 형성할 수 있도록 나노구조물(NS3)들의 제2편광 방향 길이 분포를 조절하며 정해질 수 있다. 예를 들어, 구조광 패턴 형성을 위해서는 제1편광 방향의 광이 주기적인 각도로 회절되도록 나노구조물(NS3)들이 위상 격자 형태의 효과를 제공하게 설계할 수 있다. 제2편광 방향의 광에 대해서는 균일한 조명을 형성할 수 있도록 나노구조물(NS3)들이 일종의 비구면 볼록 렌즈와 같은 위상분포를 가지도록 설계될 수 있다. 나노구조물(NS3)의 제1편광 방향 길이와 제2편광 방향 길이는 각 위치에서의 두 길이의 영향을 시뮬레이션 계산으로 파악해서 정할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 도 8a 및 도 8b의 나노구조 광변조층에 구비될 수 있는 나노구조물의 예시적인 형상들을 보이는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 나노구조물(NS3)은 XY평면에 나란한 단면 형상이 십자 형태이고 두께가 t인 다각 기둥 형상일 수 있다. 상기 십자 형태는 X방향의 길이(Dx)와 Y 방향의 길이(Dy)가 서로 다른 비대칭 형상일 수 있다. 상기 십자 형태의 X방향의 길이(Dx)와 Y 방향의 길이(Dy)의 비는 나노구조물(NS3)이 배치된 각 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 또한, 나노구조물(NS3)들의 X 방향의 길이(Dx)의 분포와 Y 방향의 길이(Dy)의 분포를 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, X 방향의 길이(Dx) 분포는 소정의 패턴광 형성에 적합하게, Y 방향의 길이(Dy) 분포는 균일광 형성에 적합하게 정해질 수 있다. 이와 같은 비대칭 형상의 나노구조물(NS3)을 위치마다 적절히 배치함으로써 X 방향의 편광, Y 방향의 편광의 광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 나노구조물(NS3)은 비대칭성을 가지는 형상으로, XY평면에 나란한 단면 형상 타원인, 타원 기둥 형상일 수 있다. 나노구조물(NS3)에 장축의 길이(DX)와 단축의 길이(DY)가 다른 타원 형상을 도입하고, 나노구조물(NS3)이 배치된 위치별로 장축의 길이(DX)와 단축의 길이(DY) 비를 다르게 설정함으로써, 장축 방향과 나란한 편광, 단축 방향과 나란한 편광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 나노구조물(NS3)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 세로 길이(Dx)와 가로 길이(Dy)가 직사각형의 단면을 가지는 직육면체 형상일 수 있다. 이와 같은 형상도, 도 4 및 도 6의 경우와 유사하게, 위치별로 직사각형 단면의 종횡비를 조절하여, X 방향 편광 및 Y 방향 편광의 광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
피사체에 광을 조사하는 다기능 프로젝터(310), 피사체(OBJ)로부터의 광을 수신하는 센서(330) 및 센서(330)에서 수광된 광으로부터 피사체(OBJ)의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서(320)를 포함한다.
다기능 프로젝터(310)는 복수 파장의 광을 출사하는 광원 어레이와 복수 파장의 광에 대해 각각 다른 변조 작용을 나타내는 나노구조 광변조층을 포함하여, 제1변조광(ML1) 또는 제2변조광(ML2)을 선택적으로 피사체(OBJ)에 조사할 수 있다. 제1변조광(ML1), 제2변조광(ML2)은 각각 구조광, 균일광일 수 있다. 다기능 프로젝터(310)로 도 8a, 도 8b에서 설명한 다기능 프로젝터(200)가 채용될 수 있다.
프로세서(320)는 전자 장치(300)에 대한 전반적인 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 다기능 프로젝터(310)가 제1변조광(ML1) 또는 제2변조광(ML2)을 피사체(OBJ)에 조사하도록 다기능 프로젝터(310)를 제어할 수 있다. 또한, 센서(330)의 동작을 제어하고 센서(330)에서 수광된 광(ML1r)(ML2r)에 대한 정보를 수신하고 이를 활용한 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(320)는 다기능 프로젝터(310)에서 출사하는 광의 파장에 따라 다른 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 다기능 프로젝터(310)가 제1변조광(ML1)을 출사하는 경우, 센서(330)에서 수광된 광(ML1r)의 분석에 알맞는 연산, 다기능 프로젝터(310)가 제1변조광(ML2)을 출사하는 경우, 센서(330)에서 수광된 광(ML2r)의 분석에 알맞은 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1변조광(ML1)이 구조광인 경우, 피사체(OBJ)에 대한 3차원 형상 획득에 대한 연산을 수행하고, 제2변조광(ML2)이 균일광인 경우, 피사체(OBJ)에 대한 2차원 형상 획득에 대한 연산을 수행할 수 있다.
프로세서(320)는 메모리(350)를 더 포함하며, 메모리(350)에는 프로세서(320)에서 실행될 수 있도록 프로그램된 제1광 연산모듈(352), 제2광 연산모듈(354)이 저장될 수 있다. 제1광 연산모듈(352), 제2광 연산모듈(354)은 각각 제1변조광(ML1), 제2변조광(ML2)와 관련된 어플리케이션일 수 있다.
프로세서(320)는 메모리(350)에 포함된 제1광 연산모듈(352)을 실행함으로써, 다기능 프로젝터(310)가 제1변조광(ML1)을 조사하도록 다기능 프로젝터(310)를 제어하고, 센서(330)에서 수광된 광(ML1r)을 분석할 수 있다. 예를 들어, 제1변조광(ML1)이 구조광인 경우, 구조광 패턴 변화를 분석하여 피사체(OBJ)에 대한 3차원 형상 정보를 분석할 수 있다.
프로세서(320)는 제2광 연산모듈(354)을 실행함으로써, 다기능 프로젝터(310)가 제2변조광(ML2)을 조사하도록 다기능 프로젝터(310)를 제어하고, 센서(330)에서 수광된 광(ML2r)을 분석할 수 있다. 예를 들어, 제2변조광(ML2)이 균일광인 경우 피사체(OBJ)에 대한 2차원 형상 정보를 분석할 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전자 장치(400)는 사용자 인증을 위한 광을 피사체에 조사하기 위한 다기능 프로젝터(410), 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서(430) 및 센서(430)에서 수광한 광을 분석하여 사용자 인증 여부를 판단하는 프로세서(420)를 포함한다.
다기능 프로젝터(410)로는 도 8a 및 도 8b에서 설명한 다기능 프로젝터(200)가 채용될 수 있다. 다기능 프로젝터(410)는 복수 파장의 광을 출사하는 광원 어레이와 복수 파장의 광에 대해 각각 다른 변조 작용을 나타내는 나노구조 광변조층을 포함하여, 구조광(structured light) 또는 균일광(uniform light)을 선택적으로 피사체에 조사할 수 있다. 인증을 위해 광이 조사되는 피사체는 사용자의 안면 또는 사용자의 홍채가 될 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 전자 장치(400)에 구비되는 어플리케이션의 실행에 따른 입력에 따라, 다기능 프로젝터(410)를 제어할 수 있다.
프로세서(420)는 다기능 프로젝터(410)가 피사체에 구조광을 조사한 경우, 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고, 다기능 프로젝터(410)가 피사체에 균일광을 조사한 경우, 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용할 수 있다.
전자 장치(400)는 메모리(450)를 포함하며, 메모리(450)에는 프로세서(420)에서의 실행을 위해 프로그램된 홍채 인식 모듈(451), 안면 인식 모듈(453), 어플리케이션 모듈(455)이 저장될 수 있다. 메모리(450)에는 또한, 홍채 인식 모듈(451), 안면 인식 모듈(453), 어플리케이션 모듈(455)등의 실행에 필요한 데이터들이 저장될 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 어플리케이션 모듈(455)의 실행에 따른 입력 신호에 의해 안면 인식 모듈(453)을 실행할 수 있고, 이에 따라 다기능 프로젝터(410)에서 구조광을 조사하도록 다기능 프로젝터(419)를 제어하고, 센서(430)에서 수신된 광을 분석하여 3차원 영상 분석에 따라 안면 인식을 실행할 수 있다. 분석된 안면 데이터는 메모리(420)에 미리 등록된 안면 데이터와 비교하여 인증 여부를 판단할 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 어플리케이션 모듈(455)의 실행에 따른 입력 신호에 의해 홍채 인식 모듈(451)을 실행할 수 있고, 이에 따라 다기능 프로젝터(410)에서 균일광을 조사하도록 다기능 프로젝터(410)를 제어하고, 센서(430)에서 수신된 광을 분석하여 홍채 인식을 실행할 수 있다. 분석된 홍채 데이터는 메모리(420)에 미리 등록된 홍채 데이터와 비교하여 인증 여부를 판단할 수 있다.
메모리(450)에는 이외에도, 전자 장치(400)에 구비된 장치에 따라, 이를 구동하기 위한 프로그램으로, 통신 모듈, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈, 등이 더 저장될 수 있다.
메모리(450)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
전자 장치(400)는 또한, 통신부(470)와 사용자 인터페이스(480)를 더 포함할 수 있다.
통신부(470)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 방법을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
사용자 인터페이스(480)는 디스플레이 패널, 키보드, 터치 패널, 터치 패널, 버튼 등을 포함할 수 있다.
전자 장치(400)는 예를 들어, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 스마트 냉장고 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전술한 실시예들에 따른 전자 장치에서 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
상술한 다기능 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 - 광원 장치 110 - 반도체 기판
120 - 반사층 140 - 광원 어레이
140_1 - 제1 발광어레이 140_2 - 제2 발광어레이
142 - 제1 발광요소 148 - 제2 발광요소
20 - 제1반사층
21 - 제1반사층
30 - 제2발광층
31 - 제3발광층
40 - 제1 식각정지층
41 - 제2 식각정지층
50 - 제1발광층
80, 85 - 제2전극
90 - 제1 나노구조 반사층
95 - 제2 나노구조 반사층
200 - 다기능 프로젝터
230 - 나노구조 광변조층
NS1, NS2, NS3 - 나노구조물

Claims (23)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 제1반사층, 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제2발광층, 제1 식각정지층, 상기 제2파장과 다른 제1파장의 광을 출사하도록 구성된 제1발광층, 제1 나노구조 반사층을 포함하며, 상기 제1반사층과 상기 제1 나노구조 반사층은 상기 제1발광층에서 생성되는 상기 제1파장의 광에 대해 공진 캐비티를 형성하는, 제1 발광요소:
    상기 기판 상에, 상기 제1발광요소와 이격 배치되며, 상기 제1반사층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2반사층, 상기 제2발광층과 동일한 재질과 구조를 가지며, 상기 제2파장의 광을 생성하도록 구성된 제3발광층, 상기 제1 식각정지층과 동일한 재질과 두께를 가지는 제2 식각정지층, 제2 나노구조 반사층을 포함하며, 상기 제2반사층과 상기 제2 나노구조 반사층은 상기 제3발광층에서 생성되는 상기 제2파장의 광에 대해 공진 캐비티를 형성하는, 제2 발광요소;를 포함하는, 광원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원 장치는 일체형(monolithic) 구조를 갖는, 광원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장이 상기 제2 파장보다 큰, 광원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1발광층과 상기 제2발광층은 양자우물구조를 가지며,
    상기 제1발광층의 양자우물구조의 밴드갭 에너지가 상기 제2발광층의 양자우물구조의 밴드갭 에너지 보다 작은, 광원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광요소는 제2 파장의 광을 출사하도록, 제1반사층과 상기 제1 나노구조 반사층 간 거리가 설정된, 광원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사층과 상기 제1 나노구조 반사층 간 거리는 상기 제1파장의 제1정수 배인, 광원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2반사층과 상기 제2 나노구조 반사층 간 거리는 상기 제2파장의 제2정수 배인, 광원 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1정수는 상기 제2정수보다 큰, 광원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1파장과 상기 제2파장의 차이는 50nm 이상인, 광원 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1파장은 적외선 파장 대역이고,
    상기 제2파장은 가시광선 파장 대역인, 광원 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광요소와 상기 제2 발광요소는 서로 다른 편광의 광을 출사하는, 광원 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노구조 반사층은
    상기 제1파장에 대해 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 제1 나노구조물을 포함하는, 광원 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 나노구조 반사층은
    상기 제2파장의 광에 대해 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 제2 나노구조물을 포함하는, 광원 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광요소는 나란하게 이격된 복수의 열을 따라 배열되고,
    상기 제2 발광요소는 상기 복수의 열과 교번되는 복수의 열을 따라 배열되는, 광원 장치.
  15. 제1항의 광원 장치;
    상기 제1 발광요소 또는 상기 제2 발광요소가 선택적으로 구동되도록 상기 광원 장치를 제어하는 제어부;
    상기 광원 장치로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 장치에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물을 포함하며, 상기 광원 장치에서 출사하는 광을 변조하는 나노구조 광변조층;을 포함하는, 다기능 프로젝터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 나노구조 광변조층은 상기 제1 발광요소에서 출사된 광과 상기 제2 발광요소에서 출사된 광을 다르게 변조하는, 다기능 프로젝터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 발광요소와 상기 제2 발광요소는 서로 다른 편광의 광을 출사하는, 다기능 프로젝터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 나노구조 광변조층은
    상기 제1 발광요소에서 출사된 광을 소정의 구조광으로 변조하고,
    상기 제2 발광요소에서 출사된 광을 균일광으로 변조하는, 다기능 프로젝터.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 나노구조 광변조층의 상기 나노구조물은 비대칭의 단면 형상을 가지는, 다기능 프로젝터.
  20. 피사체에 광을 조사하는 제15항의 다기능 프로젝터;
    상기 피사체로부터의 광을 수신하는 센서; 및
    상기 센서에서 수광된 광으로부터 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 다기능 프로젝터에서 출사하는 광의 파장에 따라 다른 연산을 수행하는, 전자 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 다기능 프로젝터는
    상기 제1 발광요소에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광요소에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성하는, 전자 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 다기능 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 사용자 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고,
    상기 다기능 프로젝터가 상기 피사체에 균일광을 조사한 경우, 사용자 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용하는, 전자 장치.
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