KR20050070002A - 2차원 광결정 - Google Patents

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Abstract

단변 X1의 길이가 x1, 장변 Y1의 길이가 y1인 직사각형을 단위격자 L로 하고 인접하는 4개의 단위격자 L가 1개의 각을 공유하도록 배열된 평면상에서 단변 X2의 길이가 x2, 장변 Y2의 길이가 y2인 직사각형 단면을 갖는 기둥 모양의 제1 유전체 영역을 각 직사각형의 단위격자 L의 단변 X1 및 장변 Y1상에 배치한 2차원 광결정이다. 이 2차원 광결정에서는 단변 X1의 중점 및 장변 Y1의 중점과 직사각형 단면의 중심이 대략 일치하도록 제1 유전체 영역이 배치되어 각 제1 유전체 영역의 장변 Y2끼리가 서로 대략 평행을 이룬다.

Description

2차원 광결정{Two-dimensional Photonic Crystal}
본 발명은 2차원 광결정(Photonic crystal)에 관한 것이다.
최근들어, 유전율을 주기적으로 변화시킨 2차원 또는 3차원의 구조체인 광결정이 주목받고 있다. 여기서, 2차원, 3차원이란 주기성을 가질 방향의 수에 따라 정해진다. 2종류의 유전체의 주기 구조로 이루어진 광결정에 전자파가 입사하여 불럭(block) 회절을 일으키면 2개의 정재파가 생긴다. 저유전율 영역에서 생기는 고에너지의 정재파와 고유전율 영역에서 생기는 저에너지의 정재파이다. 이들 2개의 정재파의 에너지의 사이에 해당하는 에너지를 가지는 파(波)는 존재할 수 없기 때문에 광결정중에는 포토닉 밴드갭(Photonic Band Gap)이 발현된다. 포토닉 밴드갭중의 에너지(파장) 범위의 전자파는 광결정을 통과할 수가 없게 된다. 그리고, 여기서 말하는 포토닉 밴드갭이란 전술한 현상을 결정내 전자의 에너지 준위의 밴드갭(금제대역)과 동일하게 파악한 것이다.
여기서, 포토닉 밴드갭을 가지는 결정의 내부에 주기성을 혼란시키는 결함을 도입하면 이 결함 부분에만 빛이 존재할 수가 있다. 따라서, 이 결정내에 결함을 없앤 영역으로서 제작하면 빛의 공진기를 얻을 수 있다. 또, 이 결정내에 결함을 선상에 제작하면 도파로를 얻을 수 있다. 예를 들면, 2차원 광결정의 경우에는 전계 성분을 주기 구조의 평면에 평행이 되는 TE파(Transverse Electric Wave)와 수직이 되는 TM파(Transverse Magnetic Wave)로 나눌 수가 있다. 일반적으로는, 각각의 빛에 대응하는 포토닉 밴드갭의 주파수 ω의 범위는 반드시 일치하지 않는다. 따라서, TE파와 TM파의 양쪽 모두에 대해서 동시에 포토닉 밴드갭이 생기는 주파수 범위가 존재하는 경우 그 포토닉 밴 갭은 완전 밴드갭으로 일컬어진다.
2차원 구조로 완전 밴드갭이 존재하는 비교적 단순한 구조의 광결정이 알려져 있다. 이 광결정은 예컨대, 일본국 특개 2001－272555호 공보에 개시된 바와 같이 유전체내에 관통공(공기 구멍)을 3각 격자상으로 배열한 것이다. 이 경우, 가장 넓은 완전 밴드갭을 얻을 수 있는 것은 반경(r/a)이 0.48, 주파수(ωa/2πc)가 0.5 정도일 때이다. 단, r는 구멍의 반경, a는 광결정의 격자 정수, ω는 빛의 각 진동수, c는 진공중의 광속이다.
그런데, 3각 격자모양에 공기 구멍을 배열한 종래의 2차원 광결정에서는 완전 밴드갭을 얻을 수 있는 것은 구멍의 직경 d(=2 r)=0.95a 때이다. 이때, 공간의 벽의 두께는 최소부에서 0.05a, 즉 0.035μm로서 지극히 얇기 때문에 완전 밴드갭을 얻을 수 있는 2차원 광결정을 제작하는 것이 곤란했다.　
본 발명은 이러한 기술적 과제에 의거 안출된 것으로, 제조가 용이하고 TE파 및 TM파에 대해서 완전 밴드갭을 가질 수 있는 2차원 주기 구조를 갖는 광결정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명에 따른 광결정의 일례를 나타내는 사시도.
도2는 본 발명에 따른 광결정의 단위 격자 및 각주(角柱) 구조체의 배열을 나타내는 도면.
도3은 본 발명에 따른 광결정에 대해 단위 격자 및 각주 구조체의 사이즈를 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명에 따른 광결정의 다른 예를 나타내는 사시도.
도5는 시뮬레이션에 의해 얻어진 풀 밴드갭 폭을 나타내는 산포도.
도6은 뮬레이션에 의해 얻어진 풀 밴드갭 폭을 나타내는 산포도.
도7은 본 발명에 따른 광결정에 매우 적합한 제조 방법을 나타내는 순서도.
도8은 본 발명에 따른 광결정에 매우 적합한 제조 방법의 소정의 공정을 나타내는 도면.
본 발명은 단변 X1의 길이가 x1, 장변 Y1의 길이가 y1인 직사각형을 단위격자로 하고 인접하는 4개의 단위격자가 1개의 각(角)을 공유하도록 배열된 평면상으로 단변 X2의 길이가 x2, 장변 Y2의 길이가 y2인 직사각형 단면을 갖는 기둥 모양의 제1 유전체 영역을 각 직사각형 단위격자의 단변 X1 및 장변 Y1상에 배치한 2차원 광결정이다.
본 발명은 상기 2차원 광결정에 대해 단변 X1의 중점 및 장변 Y1의 중점과 직사각형 단면의 중심이 대략 일치하도록 제1 유전체 영역이 배치되며 각 제1 유전체 영역의 장변 Y2끼리가 서로 대략 평행을 이루고 있다. 그리고, x1：y1=1：약 이고, x1：x2：y2=1：0.133：0.48~1：0.158：0.58로 설정한다.
　　　본 발명의 2차원 광결정에서는 x1：x2：y2=1：0.135：0.48~1：0.150：0.54로 하는 것이 바람직하고, 1：0.135：0.52~1：0.140：0.54로 하는 것이 보다 바람직하다.
이상의 본 발명에 의하면, 제1 유전체 영역은 최소한 0.10μm×0.37μm 정도의 직사각형 단면을 갖기 때문에 종래의 3각 격자모양에 공기 구멍을 배열한 종래의 2차원 광결정에 비해 현격히 제조성이 뛰어나다. 아울러, 후술하는 바와 같이 실용상 충분한 완전 밴드갭 폭을 갖는다.
본 발명의 2차원 광결정에서는 제1 유전체 영역의 주위를 둘러쌈과 동시에 제1 유전체 영역과는 다른 유전율을 가지는 제2 유전체 영역을 구비할 수도 있다. 여기서, 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역은 유체물 뿐만 아니라 기체를 포함한 개념을 갖는다. 따라서 본 발명에서는 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역의 어느 한쪽을 유전체 재료로 구성하고 다른 한쪽을 기체로 구성할 수가 있다. 기체의 전형적인 예는 공기이다. 그리고 본 발명에서 유전체 재료라고 할 때는 유체물을 의미하는 것이다.
상술한 유전체 재료로는 예를 들면 BaO－TiO2계 또는 BaO－Nd2O3－TiO2계의 것을 이용할 수가 있다.
또, 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역을 각각 다른 유전율을 가지는 유전체 재료로 구성할 수도 있다.　
이 경우에, 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역은 소결체로 할 수가 있다. 이에 의해, 기계적 강도나 유전율이 한층 더 향상된 2차원 광결정을 얻을 수 있다.
아울러, 본 발명에 의한 2차원 광결정은 평판 모양의 기초부 및 기초부와 동일한 유전체 재료로 구성되고 기초부로부터 입설(立設)하는 복수의 제1 유전체 영역을 구비하는 형태로 할 수가 있다. 제2 유전체 영역은 공기 등의 기체로 할 수가 있고 또 유전체 재료로 할 수도 있다.
또한, 본 발명은 제1 유전체 영역 및 제1 유전체 영역과 다른 유전율을 가지는 제2 유전체 영역을 주기적으로 배치한 2차원 광결정으로서, 직사각형 단면을 가지는 기둥 모양의 제1 유전체 영역과 제1 유전체 영역의 주위를 둘러싸는 제2 유전체 영역을 구비하며, X방향에 대해 인접하는 2개의 제1 유전체 영역의 중심끼리를 연결하는 선분 Lx와 X방향으로 직교하는 Y방향에 대해 인접하는 2개의 제1 유전체 영역의 중심끼리를 연결하는 선분 Ly가 서로의 대략 중점끼리에서 대략 직교하며, 선분 Lx의 길이 x3와 선분 Ly의 길이 y3의 비가 1：약 이고, 선분 Lx의 길이 x3, 제1 유전체 영역의 X방향의 길이 x2 및 Y방향의 길이 y2의 비가 1：0.133：0.48~1：0.158：0.58로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 2차원 광결정에서는 x3：x2：y2=1：0.135：0.48~1：0.150：0.54로 하는 것이 바람직하며, 1：0.135：0.52~1：0.140：0.54로 하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 의한 2차원 광결정에서는 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역의 어느 한쪽을 유전체 재료로 구성하고 다른 한쪽을 기체로 구성할 수가 있다.
또, 본 발명에 의한 2차원 광결정에서는 제1 유전체 영역 및 제2 유전체 영역은 각각 다른 유전율을 가지는 유전체 재료로 구성할 수도 있다.
본 발명에 의한 2차원 광결정은 20.0% 이상의 풀 밴드갭 폭을 가질 수 있다. 여기서, 본 발명에서는 풀 밴드갭이 주파수에 대해 연속하여 존재하고 있는 경우 그 주파수폭을 주파수폭의 중심 주파수로 나눈 값을 풀 밴드갭 폭(%)이라고 한다.
도1은 본 실시의 형태에서의 광결정(1)의 구조를 나타내는 사시도이다. 도1에서, 본 실시의 형태에 따른 광결정(1)은 기초부(12) 상에 각주 구조체(11)이 복수 배열된 구조를 이루고 있다. 각주 구조체(11) 및 기초부(12)는 예컨대 BaO－ TiO2계, BaO－Nd2O3－TiO2계 등의 유전체 재료로 구성할 수 있다. 각주 구조체(11) 및 기초부(12)를 구성하는 유전체 재료는 동일해도 좋고 상이해도 괜찮다. 인접하는 각주 구조체(11) 사이는 공극(13)이며, 공극(13)에는 공기가 존재하게 된다. 따라서, 각주 구조체(11)이 제1 유전체 영역을, 그리고 인접하는 각주 구조체(11) 사이의 공극(13)이 제2 유전체 영역을 구성하게 된다. 이 때문에, 광결정(1)은 2차원 주기 구조를 갖는다.
도2는 광결정(1)의 제1 유전체 영역을 구성하는 각주 구조체(11)의 배치를 설명하기 위한 도면으로서 광결정(1)을 평면시한 모식도이다.
도2에 나타낸 바와 같이, 광결정(1) 상에 점선으로 나타낸 정6각형이 벌집 형상으로 가상적으로 배열되고 있는 것으로 한다. 이 정6각형을 구성하는 변 가운데 도면중 Y방향으로 평행한 변 위에 각주 구조체(11)을 입설하고 있다. 그리고 도2에서는 광결정(1)의 일부만을 기재하고 있고 각주 구조체(11)도 그 일부만을 기재하고 있다.
소정의 정6각형 H를 둘러싸는 4개의 각주 구조체(11)에 의해 각주 구조체(11)의 주기적인 구조의 단위가 구성된다. 이 주기적인 구조의 단위를 본 발명에서는 단위격자 L라고 정의한다. 이 단위격자 L는 X방향으로 평행하게 배치되는 2개의 단변 X1 및 X방향과 직교하는 Y방향으로 배치되는 2개의 장변 Y1으로 구성되어 직사각형을 이룬다. 그리고, 인접하는 4개의 단위격자 L는 1개의 각 C를 공유하고 있다. 아울러, 여기서 말하는 단위격자 L는 이것을 병진 조작함으로써 평면을 중복도 간극도 없게 다 메울 수 있는 것임은 물론이다.
단위격자 L에서 X방향으로 평행하게 배치되는 2개의 단변 X1 상, Y방향으로 평행하게 배치되는 2개의 장변 Y1 상에는 각각 각주 구조체(11)이 배치된다. 이 각주 구조체(11)이 제1 유전체 영역을 구성한다. 또, 각주 구조체(11)의 주위를 둘러싸는 부분이 제2 유전체 영역을 구성한다. 도2에서는 각주 구조체(11)로 이루어진 제1 유전체 영역을 유전체 재료로 구성하고 그 주위에 존재하는 제2 유전체 영역을 공기로 하는 것을 전제로 하고 있지만, 제1 유전체 영역의 부분을 공기로 하고 그 주위에 존재하는 제2 유전체 영역을 유전체 재료로 구성하는 것도 가능하다. 또, 도4에 나타낸 바와 같이, 제1 유전체 재료로 구성되는 각주 구조체(111)과, 제2 유전체 재료로 구성되고 각주 구조체(111)을 둘러싸는 제2 유전체 영역(113)으로 본 발명에 의한 광결정(100)을 구성할 수 있다. 제1 유전체 재료와 제2 유전체 재료는 유전율이 상위하다. 광결정(100)의 기초부(112)는 제1 유전체 재료로 구성된다.
본 발명에 의한 광결정(1)은 이 단위격자 L 및 단위격자 L 내에 배치되는 각주 구조체(11)의 사이즈에 특징이 있다. 도3에 의거 이 특징점에 대해 설명한다.
도3(a)는 본 실시의 형태에 따른 광결정(1)의 단위격자 L를 기재하고 있다.
도3(b)는 각주 구조체(11)을 제외하고 단위격자 L만을 기재하고 있으며, 도3(c)는 각주 구조체(11)만을 기재하고 있다.
본 발명에 의한 광결정(1)은 도3(b)에 나타내는 단위격자 L의 단변 X1의 길이 x1과 장변 Y1의 길이 y1을 x1：y1=1：약 으로 설정한다. x1：y1는 엄밀하게는 1： 이지만, 오차를 고려해 1：약 으로 하고 있다. 본 발명에 있어서, 그 밖에 약 을 사용하고 있는 경우도 마찬가지다. 여기서, 각각의 단위격자 L은 단변 X1끼리 및 장변 Y1끼리가 서로 대략 평행을 이루고 있다. 또, 각주 구조체(11)의 단변 X2는 단위격자 L의 단변 X1과 대략 평행을 이루고 장변 Y2는 단위격자 L의 장변 Y1과 평행을 이룬다.
또, 도3(c)에 나타내는 각주 구조체(11)의 단변 X2의 길이 x2와 장변 Y2의 길이 y2를 x1：x2：y2=1：0.133：0.48~1：0.158：0.58로 설정한다.
여기서, 도3(a)에 나타낸 바와 같이, X방향에 대해 인접하는 2개의 각주 구조체(11)의 중심끼리를 연결하는 선분 Lx와 Y방향에 대해 인접하는 2개의 각주 구조체(11)의 중심끼리를 연결하는 선분 Ly란 서로의 대략 중점끼리에서 대략 직교한다. 선분 Lx의 길이와 선분 Ly의 길이는 1：약 의 비율을 갖는다.
또, 단변 X1상에 배치되는 각주 구조체(11)은 그 중심과 단변 X1의 중점이 대략 일치하고 장변 Y1상에 배치되는 각주 구조체(11)의 중심과 장변 Y1의 중점이 대략 일치한다.
그리고 각주 구조체(11)의 중심이란 평면 방향의 중심을 말한다.
본 발명에 있어서, 이상의 비율은 시뮬레이션(자세하게는 후술한다)에 의해 구해진 풀 밴드갭 폭에 의거하여 채용했다.
도5는 x1：y1=1： 으로 고정하고 x2 및 y2를 변동시켜 행한 풀 밴드갭 폭의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그림이다. 도5에 나타낸 바와 같이, x2 및 y2를 선택함으로써 큰값의 풀 밴드갭 폭을 얻을 수 있다.
도6는 소정의 x2, y2에서의 풀 밴드갭 폭의 값을 기술하고 있다.
도6에서는 22.5% 이상의 넓은 풀 밴드갭 폭을 얻을 수 있는 플롯을 흑색으로 나타내고 있다. 흑색 플롯은 x1：x2：y2=1：0.133：0.48~1：0.158：0.58의 범위에 포함된다. 1：0.133：0.48~1：0.148：0.53의 범위에서는 26% 이상의 풀 밴드갭 폭을 얻을 수 있다. 또, 1：0.133：0.52~1：0.148：0.53의 범위에서는 28% 이상의 풀 밴드갭 폭을 얻을 수 있다.
다음으로, 이상의 시뮬레이션에 의한 풀 밴드갭 폭의 산출 방법을 개략적으로 설명한다.
계산시 광결정의 투과 특성 시뮬레이터인“트랜스 라이트”(Translight)를 사용했다. 이 소프트웨어는 앤드류·레이놀드(Andrew Reynolds) 씨가 글래스고우(Glasgow) 대학에 재직중에 개발한 것이다. 계산방법으로는 트랜스퍼 매트릭스법(Transfer Matrix Method)을 사용하고 있다. 이 소프트웨어에서는 원주 및 각주를 자유롭게 배치하여 이러한 집합체인 광결정 구조에 대해 TE파 및 TM파를 입사했을 때의 반사 및 투과 특성을 계산한다. 입사는 0~90°의 임의의 각도 범위에서 행할 수 있으며 임의의 주파수 범위에 대해서 답을 얻을 수 있다.
시뮬레이터에 계산하고 싶은 광결정 구조 형상, 주파수 영역, TE파와 TM파의 입사각 범위 및 사용하는 유전체의 유전율을 대입했다. 입사각은 0~ 90°로 했다. 계산한 광결정 구조는 x－y( 도3의 x－y와 정합시킬 필요가 있음) 평면에 대해서 대칭형이기 때문에 이 입사각으로 y－z( 도3의 x－y와 정합시킬 필요가 있음) 평면으로부터 입사하는 모든 전자파 입사를 포함하고 있다. 이것을 계산(시뮬레이션)함으로써 TE파 및 TM파의 각 입사각도에서 주파수에 대한 반사 및 투과 감쇠량을 얻을 수 있었다. 이 투과 감쇠량이 50dB 이상인 경우에 밴드갭이 생겼다고 인정했다. 여기서 투과 감쇠량이 50dB 이상인 입사각도 및 주파수를 TE파 및 TM파에 대해서 추출했다. 어느 주파수에서 TE파 및 TM파의 모든 입사각에 대해 밴드갭이 생기고 있을 때 그 주파수로 풀 밴드갭이 형성된 것으로 된다. 이에 따라, 각 주파수에 대해 풀 밴드갭의 유무를 확인했다. 풀 밴드갭이 주파수에 대해 연속하여 존재하고 있는 경우 그 주파수폭을 주파수폭의 중심 주파수로 나눈 값을 풀 밴드갭 폭(%)으로 했다. 이 풀 밴드갭 폭을 광결정 형상(각주 구조체(11)의 x2 및 y2의 값)에 대해 플롯한 것이 도5 및 도6이다.
다음으로, 광결정(1)의 매우 적합한 제조 방법을 도7 및 도8를 사용하여 설명한다.
이 제조 방법은 매사추세츠 공과대학(MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY)에서 개발된 슬러리(slurry) 베이스의 3DP(Three Dimensional Printing) 프로세스를 이용한다. 이 3DP프로세스의 기본적인 순서를 도8에 나타낸다. 이 프로세스를 적용할 수 있는 재료는 슬러리화할 수 있는 것이면 재료 선택에 제약이 없다. 예를 들면, 알루미나(Al2O3), 실리콘카바이드(SiC), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르콘산연(PLT), BaO－Nd2O3- TiO2 등의 세라믹은 물론 아크릴이나 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 플라스틱, Al나 Cu, Ag 등의 금속, Si나 GaAs 등의 반도체를 이용할 수도 있다.
3DP 프로세스에서는 우선 도8에 나타낸 바와 같이 슬러리 제작 공정 S1에서 각주 구조체(11) 및 기초부(12)를 구성하는 유전체 분말을 용매에 분산시켜 슬러리화한다. 용매는 알코올 등의 유기용매를 이용할 수 있지만, 독성이 없고 취급이 용이하며 유전체 분말에 대한 영향이 적은 등의 이유 때문에 물을 베이스로 하는 것이 바람직하다. 필요에 따라서는 용매에 분산제 등을 첨가한다. 2종류 이상의 유전체 분말을 이용하여 각주 구조체(11) 및 기초부(12)를 제작할 수도 있다.
다음으로, 슬러리 인쇄공정 S2에서 제트 프린트법을 이용하여 유전체 분말을 포함한 슬러리를 기재(基材)상의 표면에 1층 분만큼 인쇄 형성한다. 인쇄되는 유전체층의 층 두께는 건조공정에서의 수축율 등을 고려하여 결정한다.
계속되는 슬러리 건조공정 S3에서는 슬러리 인쇄공정 S2에서 인쇄 형성한 유전체층으로부터 용매를 건조, 제거한다. 건조시키는 방법은 자연 건조하거나 가열 건조하여도 좋다.
다음으로, 바인더 인쇄공정 S4에서 이미 형성한 유전체층의 소정 부분에 제트 프린트법에 의해 바인더가 인쇄 도포된다. 바인더는 각주 구조체(11) 및 기초부(12)를 구성하는 부분에 도포된다. 바인더의 토출양은 유전체층의 1층 분에 침투하도록 조정한다.
바인더 인쇄공정 S4에서 이용하는 바인더의 종류는 특히 제한되지 않지만 취급이 용이하거나 유전체 분말에 대한 영향이 적은 것, 독성이 없는 것 등의 이유 로 인해 물을 용매로 하는 수용성의 것이 바람직하다. 또, 바인더에 의해 경화되지않은 분말을 유전체의 성형체로부터 수중에서 재분산 처리하여 제거하는 (공정 S8) 때문에 바인더는 경화 후에는 비수용성인 것이 필요하다. 또한, 경화 후의 기계적 강도 등도 고려하면, 바인더로서 열강화성 수지를 이용하는 것이 바람직하고, 특히 폴리 아크릴산(PAA：polyacrylic acid)이 바람직하다.
다음으로, 바인더 건조공정 S5에서 유전체층에 침투시킨 바인더에 포함되는 용매를 건조 제거한다. 건조 방법은 자연 건조하거나 가열 건조해도 좋다. 이 바인더 건조공정 S5를 거친 유전체층은 바인더가 침투한 영역에 존재하는 유전체 분말이 해당 바인더에 의해 결합된다.
상기 슬러리 인쇄공정 S2로부터 바인더 건조 공정 S5까지의 각 공정을 소정 회수만 반복한다(도8, 판단 공정 S6). 그러면, 바인더에 의해 유전체 분말이 결합된 영역(결합 영역)과 그렇지 않은 영역(미결합 영역)이 혼재한 블록형상 성형체가 형성된다. 구체적으로 후술하겠지만, 상기 결합 영역이 제1 유전체 영역을 이루는 각주 구조체(11)을, 상기미결합 영역이 제2 유전체 영역을 이루는 공극(13)을 구성한다. 이 2개의 결합 영역 및 미결합 영역이 평면시하여 도2, 도3에 나타낸 바와 같이 주기적으로 배치되도록 바인더 인쇄공정 S4에서 바인더를 인쇄한다.
상기 각 공정이 소정 회수만 반복되었다면 바인더 경화공정 S7이 진행된다.
바인더 경화공정 S7에서는 상기 각 공정의 반복에 의해 소정의 층수만큼 인쇄하여 얻은 성형체를 열처리하는 등에 의해 바인더 인쇄공정 S4에서 유전체층 안에 침투된 바인더를 충분히 경화시킨다. 이 처리에 의해 유전체 분말끼리는 경화 바인더에 의해 보다 강하게 결합되기 때문에 유전체 분말끼리의 결합 강도가 높아져 차후의 취급이 극히 용이하게 된다.
바인더 경화공정 S7 후에 미결합 영역 제거공정 S8가 실시된다.
미결합 영역 제거공정 S8에서는 미결합 영역에 존재하는 유전체 분말을 성형체로부터 제거한다. 이 제거는 적층된 유전체층으로 이루어진 성형체를 물에 침지하여 행할 수 있다. 즉, 바인더로 결합되어 있지 않은 유전체 분말은 수중에 침지됨으로써 유전체층으로부터 이탈하여 수중에 재분산된다.
아울러, 제거공정(공정 S8)에서 바인더에 의해 결합되어 있지 않은 유전체 분말이 물에 재분산하기 쉽도록 슬러리 제작공정 S1에 대해 슬러리중에 분산제를 미리 첨가해 두는 것이 바람직하다. 분산제로는 예컨대 폴리에틸렌 글리콜(PEG：Polyethylene glycol)을 이용하면 좋다. 재분산을 실시할 때에는 성형체를 침지하는 물 또는 해당 성형체 자체에 초음파를 인가하는 것이 효과적이다.
제거공정(공정 S8)이 종료된 후, 유전체 분말이 바인더에 의해 각주 구조체 (11)의 형상에 결합된 성형체를 물로부터 끌어올려 건조공정 S9를 실시한다. 이 건조공정 S9에서도 자연 건조하거나 가열 건조하여도 좋다.
그리고 건조공정 S9를 거친 성형체를 그대로 광결정(1)으로서 이용해도 좋지만, 필요에 따라서는 더욱 소성공정 S10에서 소성하여 소결체로 하여도 좋다. 소결체로 함으로써 기계적 강도나 유전율이 한층 더 향상된다.
이상에서는 바인더 경화공정 S7을 거친 후에 미결합 영역 제거공정 S8을 실시했다. 그러나, 바인더가 침투한 영역의 유전체 분말의 밀도, 이용하는 바인더의 성질과 상태 등에 따라서는 바인더 경화공정 S7를 거치지 않고 미결합 영역 제거공정 S8를 실시하는 것도 가능하다. 본 발명은 이 형태도 포함하고 있다.
다음으로, 상술한 광결정(1)의 제조 방법의 각 공정에 대해 도8를 참조하면서 보다 구체적으로 설명한다.
도8(a)는 슬러리 인쇄공정 S2에서 제트 프린트 헤드(22)로부터 유전체 분말을 포함한 슬러리(23)을 토출하여(내보내어) 기판(21)상에 첫번째 유전체층을 형성하는 모습을 모식적으로 나타내고 있다.
슬러리 토출용의 제트 프린트 헤드(22)를 2차원으로 주사시키면서 유전체 분말을 포함한 슬러리(23)을 연속적으로 토출시킴으로써 기판(21)상의 일면에 슬러리 (23)을 1층분만큼 인쇄 형성한다. 그리고 여기서는 제트 프린트 헤드(22)를 고정하여 기판(21)을 이동시켜도 좋다.
기판(21)이 다공질이면 인쇄된 유전체층 안의 용매가 기판(21) 내에 흡수되어 유전체 분말의 밀집도가 높아지므로 유전체 분말의 성형 밀도가 높아진다. 이 목적을 위해서, 기판(21)으로서 소결 알루미나 등을 이용할 수가 있다. 슬러리(23)을 구성하는 유전체 분말로 이루어진 성형체 그 자체를 기판(21)으로 하여도 좋다.
슬러리 건조공정 S3에서 슬러리(23) 내에 포함되는 용매를 건조 제거하면 유전체층이 1층분만큼 형성된다.
첫번째 유전체층을 형성한 후에 도8(b)에 나타낸 바와 같이 바인더 인쇄공정도 S4를 실시한다.
도8(b)는 바인더 인쇄공정 S4에서 제트 프린트 헤드(24)로부터 바인더(25)를 내보내어 소정 부분에만 인쇄 도포하는 모습을 모식적으로 나타내고 있다.
바인더 토출용의 제트 프린트 헤드(24)를 주사하면서 바인더(25)를 연속적으로 내보냄으로써 인쇄 형성된 유전체층의 전면에 바인더(25)를 침투시킨다. 도8에 서는 바인더(25)가 침투한 영역에는 망걸기(그라데이션)를 실시하고 있다. 제트 프린트 헤드(24)로부터 토출되는 바인더(25)의 양은 유전체층의 전역에 충분히 침투하도록 제어된다. 바인더(25)를 인쇄 도포한 후, 바인더(25)를 건조 제거시키는 바인더 건조공정 S5를 실시한다.
첫번째 유전체층에 대한 바인더 건조공정 S5를 실시한 후에 두번째 층의 슬러리(23)의 인쇄, 두번째 유전체층에 대한 바인더(25)의 인쇄·건조, 그리고 세번째 층의 슬러리(23)의 인쇄를 상기와 동일하게 실시한다. 세번째 층의 슬러리 (23)을 인쇄하고 슬러리(23) 내에 포함되는 용매를 제거한 후 바인더(25)의 인쇄를 실시한다. 도8(c)는 이 모습을 나타내고 있다. 도8(c)에서는 제트 프린트 헤드(24)를 주사하면서 바인더(25)를 단속적으로 내보낸다. 도8(c)에서는 해칭이 시행되고 있는 유전체층 안의 탈색의 영역에 대응하는 부분에서 바인더(25)의 토출이 정지된다. 이 탈색의 영역에는 바인더(25)가 침투되고 있지 않다.
다섯번째 유전체층까지는 도8(c)와 동일하게 단속적인 바인더(25)의 인쇄를 실행한다. 이렇게 해서 얻어진 성형체를 도8(d)에 나타낸다.
도8(d)에 나타낸 바와 같이, 이 성형체는 바인더(25)가 존재하는 영역과 그렇지 않은 영역이 주기적으로 배치되고 있다. 도8(d)에 나타낸 성형체는 이어서 바인더 경화공정(S7)에 제공된다. 이 공정에서는 성형체내에 침투한 바인더(25)를 경화시키기 위한 열처리를 행한다.
도8(e)는 도8(d)에 나타낸 성형체로부터 바인더(25)에 의해 경화되어 있지 않은 영역(상술한 미결합 영역)에 존재하는 유전체 분말을 제거한 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 바인더 경화공정 S7를 거친 성형체를 기판(21)으로부터 떼어내서 물에 침지한다. 이렇게 함으로써 성형체내의 미결합 영역에 존재하는 유전체 분말을 물에 재분산해 제거한다. 유전체 분말이 제거된 부분은 공기가 존재하는 공극 (13)이 된다. 이때, 초음파를 인가하는 것이 유효하다. 유전체 분말이 제거된 영역은 공극(13)이 되기 때문에 이 성형체는 유전체 분말이 존재하는 각주 구조체(11)과 공기로 이루어진 공극(13)이 주기적으로 배치된 광결정(1)을 구성한다. 이 구조체를 더 소성하여도 좋음은 상술한 바와 같다.
도8(e)에 나타낸 성형체는 제2 유전체 영역으로서 공기를 이용하는 광결정(1)이지만, 제2 유전체 영역으로서 공기 이외의 유전체 재료를 이용하는 광결정(1)을 제작할 수도 있다.
도8(f)는 전술한 방법에 의해 도8(e)에 나타낸 것과 같은 성형체 또는 소결체를 제작한 후 그 공극(113a)에 각주 구조체(111)과는 다른 유전체 재료를 충전한 것을 나타내고 있다. 제1 유전체 영역과 제2 유전체 영역의 유전율의 차이는 목적으로 하는 광결정(100)의 특성에 따라 결정하면 좋다.
도8은 광결정 1(100)의 측단면에 대하여 나타낸 것이지만, 평면시 했을 경우 도3에 나타낸 것처럼 각주 구조체(11)이 배치되도록 제트 프린트 헤드(24)를 주사 한다. 이 때, 바인더 25는, 각주 구조체 11(111)이 형성되는 부분에 인쇄된다.
또, 이상에서는 3DP 프로세스에 의해 본 발명의 광결정(1,100)을 얻는 방법에 대해 설명했지만, 드라이 에칭법, 자기 클로닝법 및 광조형법 등 공지의 방법에 따를 수도 있다. 각 방법에 대해 간단하게 언급한다.
드라이 에칭법은 포트리소그래피 기술로 제작한 마스크를 이용하여 에칭 가스에 의해 재료를 원하는 형상으로 에칭하는 방법이다. 자기 클로닝법은 특정의 모드로 바이어스 스퍼터링을 실시하는 것으로, 기재의 요철의 주기를 유지하면서 기재에 수직인 방향으로 재료를 퇴적시키는 방법이다. 또, 광조형법은 액상의 광경화성 수지에 자외선 광빔을 주사하고 조사 영역만 중합 반응시켜 광경화성 수지를 원하는 형상으로 경화시키는 방법이다.
이외에도, 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 한 상기 실시의 형태로 든 구성을 취사 선택하거나 다른 구성으로 적당히 변경하는 것도 가능함은 물론이다. 예를 들면, 결정내에 폐쇄된 결함 영역을 형성하여 빛의 공진기를 얻는 것, 혹은 그 결정내에 선상 결함을 형성해 도파로를 얻는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 제조가 용이하고 한편 TE파 및 TM파에 대해서 완전 밴드갭을 가질 수 있는 2차원 주기 구조를 갖는 광결정이 제공된다.

Claims (17)

  1. 단변 X1의 길이가 x1, 장변 Y1의 길이가 y1인 직사각형을 단위격자로 하고 인접하는 4개의 단위격자가 1개의 각을 공유하도록 배열된 평면상에서 단변 X2의 길이가 x2, 장변 Y2의 길이가 y2인 직사각형 단면을 갖는 기둥 모양의 제1 유전체 영역을 각 직사각형 단위격자의 상기 단변 X1 및 상기 장변 Y1상에 배치한 2차원 광결정에 있어서,
    상기 단변 X1의 중점 및 상기 장변 Y1의 중점과 상기 직사각형 단면의 중심이 대략 일치하도록 상기 제 1 유전체 영역이 배치되며,
    상기 각 제 1 유전체 영역의 상기 장변 Y2끼리가 서로 대략 평행을 이루어
    x1：y1=1：약 이고,
    x1：x2：y2=1：0.133：0.48~1：0.158：0.58인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역은 그 직사각형 단면의 상기 장변 Y2가 단위격자의 상기 장변 Y1와 대략 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    x1：x2：y2=1：0.135：0.48~1：0.150：0.54인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  4. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    x1：x2：y2=1：0.135：0.52~1：0.140：0.54인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  5. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직사각형 단면의 사이즈는 0.10μm×0.37μm 이상인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역의 주위를 둘러쌈과 동시에 상기 제 1 유전체 영역과는 다른 유전율을 가지는 제2 유전체 영역을 구비하며, 상기 제 1 유전체 영역 및 상기 제 2 유전체 영역의 어느 한쪽이 유전체 재료로 구성되고 다른 한쪽이 기체로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체 재료는 BaO－TiO2계 유전체 재료 또는 BaO－Nd2O3－TiO2계 유전체 재료인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  8. 제 6 항에 있어서,
    평판 모양의 기초부와, 상기 기초부와 동일한 유전체 재료로 구성되고 상기 기초부로부터 입설하는 복수의 상기 제 1 유전체 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역의 주위를 둘러쌈과 동시에 상기 제 1 유전체 영역과는 다른 유전율을 가지는 제2 유전체 영역을 구비하며, 상기 제 1 유전체 영역 및 상기 제 2 유전체 영역은 각각 다른 유전율을 갖는 유전체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역 및 상기 제 2 유전체 영역은 소결체인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  11. 제 9 항에 있어서,
    평판 모양의 기초부와, 상기 기초부로부터 입설하여 상기 기초부와 동일한 유전체 재료로 구성되는 복수의 상기 제 1 유전체 영역과, 상기 제 1 유전체 영역의 주위를 둘러싸는 제2 유전체 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  12. 제1 유전체 영역 및 상기 제 1 유전체 영역과 다른 유전율을 가지는 제2 유전체 영역을 주기적으로 배치한 2차원 광결정에 있어서,
    직사각형 단면을 가지는 기둥 모양의 상기 제 1 유전체 영역과,
    상기 제 1 유전체 영역의 주위를 둘러싸는 상기 제 2 유전체 영역을 구비하며,
    X방향에 대해 인접하는 2개의 상기 제 1 유전체 영역의 중심끼리를 연결하는 선분 Lx와 상기 X방향으로 직교하는 Y방향에 대해 인접하는 2개의 상기 제 1 유전체 영역의 중심끼리를 연결하는 선분 Ly가 서로의 대략 중점끼리로 대략 직교하며,
    상기 선분 Lx의 길이 x3와 상기 선분 Ly의 길이 y3의 비가 1：약 이고,
    상기 선분 Lx의 길이 x3, 상기 제 1 유전체 영역의 상기 X방향의 길이 x2 및 상기 Y방향의 길이 y2의 비가 1：0.133：0.48~1：0.158：0.58로 설정되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  13. 제 12 항에 있어서,
    x3：x2：y2=1：0.135：0.48~1：0.150：0.54인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  14. 제 12 항에 있어서,
    x3：x2：y2=1：0.135：0.52~1：0.140：0.54인 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역 및 상기 제 2 유전체 영역의 어느 한쪽이 유전체 재료로 구성되고 다른 한쪽이 기체로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 영역 및 상기 제 2 유전체 영역은 각각 다른 유전율을 가지는 유전체 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
  17. 제 1 또는 12 항에 있어서,
    상기 2차원 광결정은 20.0% 이상의 풀 밴드갭 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 2차원 광결정.
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