KR20070065973A - 꼬인 다이렉터 결함층을 갖는 포토닉 밴드 갭 소자 및 이를이용한 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

다양한 특성을 가지는 광학 장치를 용이하게 제작할 수 있도록 하는 새로운 구조의 포토닉 밴드갭 소자가 개시된다. 포토닉 밴드갭 소자는, 제 1 포토닉 밴드갭 층, 제 1 포토닉 밴드갭 층에 대향 배치되는 제2 포토닉 밴드갭 층 및 제 1 포토닉 밴드갭 층과 제 2 포토닉 밴드갭 층 사이에 형성되되, 다이렉터 (또는 광축)가 소정 각도로 비틀어 꼬여진(twist) 이방성 매질로 이루어진 결함층을 구비한다.
포토닉 밴드 갭 소자, 결함 모드, 이방성, 꼬인 다이렉터, 콜레스테릭 액정, 레이저

Description

꼬인 다이렉터 결함층을 갖는 포토닉 밴드 갭 소자 및 이를 이용한 광학 장치 {Photonic band gap element having anisotropic defect mode with twisted director and optical device using the same}
도 1은 본 발명에 따른 포토닉 밴드 갭 소자의 개략도.
도 2는 본 발명의 포토닉 밴드 갭 소자 구조를 이용하여 제작된 레이저 발진 장치의 일예의 개략도.
도 3은 종래 기술에 따른 등방성 결함층을 갖는 포토닉 밴드갭 소자를 채용하는 레이저 발진 장치의 반사 스펙트럼과 모드 밀도(Density of Mode)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 종래 기술에 따른 이방성 (homogeneous) 결함층을 갖는 포토닉 밴드갭 소자를 채용하는 레이저 발진 장치의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른, 꼬임각이 90도인 꼬인 다이렉터(twisted director) 결함층을 갖는 포토닉 밴드갭 소자를 채용하는 레이저 발진 장치의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른, 꼬임각이 10도인 꼬인 다이렉터 결함층을 갖는 포토닉 밴드갭 소자를 채용하는 레이저 발진 장치의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬 레이션 결과를 나타내는 그래프.
본 발명은, 포토닉 밴드 갭 소자(photonic band gap)에 관한 것으로서, 특히 꼬인 다이렉터 (Twisted Director) 결함 (defect) 층을 가지는 포토닉 밴드 갭 소자 및 이를 이용한 광학 장치에 관한 것이다.
주기적인 격자 구조를 가진 광학적 요소 내에서 빛을 포함한 전자기파의 진행은 학문적으로도 흥미 있는 분야일 뿐만 아니라 그 특이한 광학적 현상 때문에 다양한 광학 장치의 요소 성분으로 적용되고 있다. 이러한 주기적인 구조를 가진 광학적 요소의 특이한 현상의 대표적인 예로는 결정 내에서의 X-선 회절, 굴절률이 주기적으로 변형된 광 요소에 의한 빛의 회절 및 주기적으로 적층되어 형성된 박막층(layer)의 구조로 형성된 광학 요소에서의 포토닉 밴드 갭 등이 있다. 이러한 현상을 채용한 광학 장치들로는 회절 격자, 홀로그램, 자유전자 레이저, 디스트리뷰티드 피드백(distributed-feedback;DFB) 레이저, 디스트리뷰티드 브래그 반사경(distributed-Bragg-reflector;DFR), 고반사 브래그(Bragg) 거울, 광음향(acoustio-optic)필터 등이 있다.
이러한 주기적인 구조를 갖는 광학적 요소의 광학 특성은 광학 요소의 이동 대칭으로 특성 지워진 유전률 텐서에 의해 결정된다. 가장 단순한 주기적인 구조의 예로는 1차원 주기를 가진 것으로서, 이 경우,유전률 텐서는 ε(z) = ε(z + l*P) 로 묘사된다. 여기서 z는 위치, p 는 주기, 그리고 l 은 정수를 나타낸다. 일반적으로 1차원의 주기를 가진 광학 요소는 두개의 투명한 매질 박막들이 교대로 적층되어 주기적으로 형성된 구조를 가진다. 이러한 주기적인 구조를 갖는 광학 요소에 빛이 입사하게 되면, 빛은 적층된 박막의 각 경계면에서 반사되거나 굴절하며 투과된다. 이때, 빛의 입사각을 θ라고 하면, 각 경계면에서 반사되는 빛들의 보강 간섭(constructive interference)은 브레그 조건으로 알려진 다음 조건에서 일어난다.
mλ=2*P*z*cosθ
이러한 브래그 조건을 만족하는 파장의 빛은 모두 반사되어 투과가 금지되는, 즉 특정의 파장의 빛을 선택적으로 반사하는, 소위 포토닉 밴드 갭(photonic band gap; PBG)을 형성하게 된다. 이러한 현상은 X-선 영역에서는 브래그 반사로도 알려져 있으며 반도체의 전자 밴드 갭 현상과 물리적으로 유사하다.
이러한 포토닉 밴드 갭 매질로서는, 서로 다른 굴절률 및 두께를 가지는 2개의 유전막이 적층된 단위 구조가 2주기 이상 반복되어 이루어진 복합 유전막, 상기 복합 유전막 내의 단위 구조 사이에 전술한 2개의 유전막과 다른 굴절률 및/또는 두께를 가지는 제 3 유전막이 삽입되어 형성된 복합 유전막, 또는 서로 다른 굴절률 및 두께를 가지는 3개의 유전막이 적층된 단위 구조가 2주기 이상 반복되어 이루어진 복합 유전막 등이 있다.
또한, 이러한 포토닉 밴드 갭 매질의 다른 일 예로는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal)이 있다. 콜레스테릭 액정 분자의 다이렉터는 1피치 동안 회전하여, 나선(螺旋, helix) 구조를 형성하고 있다. 따라서 입사광 중 나선 구조의 회전성과 같은 회전 방향의 원편광(circular polarization)은 선택적으로
사하며, 반대 회전성의 원편광은 투과시키는 특성을 가지고 있다.
이러한 포토닉 밴드 갭 매질, 특히 콜레스테릭 액정에 대해서는, 종래부터, 형광 발광 특성을 갖는 염료(dye)를 포토닉 밴드 갭 매질에 도핑(doping) 함으로써, 선택되는 반사파장 대역의 가장자리(edge) 부분에서 레이저 발진이 가능함이 보고되고 있다 (V. I. Kopp, et al., Opt. Lett. vol 23, pp1707 (1998). “Low-threshold lasing at the edge of a photonic stop band in cholesteric liquid crystals”).
따라서 콜레스테릭 액정을 채용하는 포토닉 밴드갭 소자를 레이저 발진 소자를 포함한 다양한 광학적 요소에 적용하는 예들이 늘고 있다. 최근에는, 낮은 문턱 에너지(low threshold energy)의 레이저 발진을 구현하기 위해서는, 선택 반사파장 대역의 안쪽의 파장(예를 들면 도 3에서 반사 파장 영역은 470~545 nm 사이이고, 안쪽의 파장이라 함은 ~510 nm 파장의 결함 모드를 의미한다.)에서 레이저 발진을 일으켜야 한다는 제안을 기반으로 한 여러 가지의 연구가 진행되어 왔다.
이러한 레이저 발진 소자로서, 예를 들면 (1) 색소를 포함한 2개의 콜레스테릭 액정 필름을, 방위각을 뒤틀린 상태로 직접 접합한 구조(twisted defect)의 레이저 발진 소자가 알려져 있다 (J. Schmidike, W. Stille, H. Finkelmann, Phys. Rev. Lett., 2003, vol 90, pp83902). 또 다른 예를 들면, (2) 두 개의 콜레스테릭 액정 필름 사이에 등방성의 결함층을 더욱 형성시켜 접합한 구조의 레이저 발진 소 자(오자키 외 3명, 「콜레스테릭 액정의 스톱 밴드 내에 있어서의 결함 모드와 레이저 발진」, 전기 재료 기술 잡지, 2002년, 제11권, 제2호, p.165-167) 또는 (3) 두 개의 콜레스테릭 액정 필름 사이에 호모지니어스(homogeneous) 이방성의 결함층을 더욱 형성시켜 접합한 구조의 레이저 발진 소자(M. H. Song, et al., Adv. Mater. vol 16, pp 779 (2004), 「Effect of phase retardation on defect mode lasing in polymeric cholesteric liquid crystals」)가 알려져 있다.
전술한 문헌들에 기재된 소자 구조가 적용된 레이저 발진 소자에 있어서, 선택 반사 대역 내의 파장에 대해 레이저 발진을 일으키게 할 수는 있지만, 발생하는 레이저광 강도의 세기를 조절하는 것은 쉽지 않으며, 제조공정이 복잡하여 제조 수율이 낮은 문제점이 있다. 즉, (1)의 기술에서, 방위각을 뒤틀린 상태로 직접 접합하여야 하므로 제조공정이 까다롭고 고수율을 얻기 곤란하며, 또한 광 세기의 강도를 조절하기 위해서는 접합된 면의 뒤틀린 정도를 조절하여야 하는데 이 또한 용이하기 않은 문제가 있다. (2)의 기술에서는, 등방성 결함층은 조절하고자하는 파장의 선택에 매우 민감하고 (Fabri-Perot Cavity 구조이므로) 조금만 틀어져도 모드가 사라지므로, 레이저 강도 조절이 쉽지 않다. 그리고 (3)의 기술에서는 전술한 (1) 및 (2)의 기술에서보다는 광 세기의 강도 조절 등이 다소 향상되었으나, 전계를 이용하는 경우, 프레드릭 전이 전압(Frederick transition voltage) 이후의 급격한 복굴절 변화로 인하여 그 조절이 여전히 어려운 점이 문제로 되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 다양한 특성을 가지는 광학 장치를 용이하게 제작할 수 있도록 하는 새로운 구조의 포토닉 밴드갭 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 레이저광 강도의 세기를 용이하게 조절할 수 있는 고효율의 레이저 발진 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 제작이 용이한 광학 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 2개의 포토닉 밴드 갭 매질 층 사이에 이방성 매질을 소정 각도 틀어서 배열한 꼬인(twist) 결함층을 마련하는 것으로 상기 과제를 해결 할 수 있다는 결과를 얻어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 소자는, 제 1 포토닉 밴드갭 층, 제 1 포토닉 밴드갭 층에 대향 배치되는 제2 포토닉 밴드갭 층 및 제 1 포토닉 밴드갭 층과 제 2 포토닉 밴드갭 층 사이에 형성되되, 다이렉터가 소정 각도로 비틀어 꼬여진(twist) 이방성 매질로 이루어진 결함층을 구비한다. 여기서 제1 포토닉 밴드갭 층과 제 2 포토닉 밴드갭 층의 최소한 하나 이상은 콜레스테릭 액정층으로 구성되며, 결함층은 네마틱 상 액정 또는 스메틱 상 액정으로 이루어지며, 광 여기에 의해 형광을 발하는 것으로서 이방성을 가지는 색소가 상기 결함층 내에 포함되어 있다.
또한 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 소자를 이용하는 레이저 발진 장치의 일예는, 제 1 클레스테릭 액정 층, 제 1 클레스테릭 액정 층에 대향 배치되는 제2 클 레스테릭 액정 층, 제 1 클레스테릭 액정 층과 제 2 클레스테릭 액정 층 사이에 형성되되, 다이렉터가 소정 각도로 비틀어 꼬여진(twist) 이방성 매질로 이루어진 결함층, 제 1 클레스테릭 액정 층, 제 2 클레스테릭 액정 층 및 결함층 중의 적어도 하나의 층에 포함된, 광 여기에 의해 형광을 발하는 색소, 색소의 여기 빛 및 형광에 대해서 투명하고, 제 1 클레스테릭 액정층을 지지하도록 결함층의 반대쪽에 있는 제 1 포클레스테릭 액정층의 측면에 형성된 제 1 배향 기판, 및 색소의 여기 빛 및 형광에 대해서 투명하고, 제 2 클레스테릭 액정 층을 지지하도록 결함층의 반대쪽에 있는 제 2 클레스테릭 액정층의 측면에 형성된 제 2 배향 기판을 포함한다. 여기서 제 1 클레스테릭 액정 층 및 제 2 클레스테릭 액정 층에 있어서의 선택 반사파장 대역과 색소로부터 발하는 형광의 발광대가 적어도 일부의 파장 영역에 있어 서로 겹친다.
이하, 첨부 도면을 참조해 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 신규한 포토닉 밴드 갭 소자의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 신규한 포토닉 밴드갭 소자는, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2), 상기 제1 포토닉 밴드갭 층(2)과 대향 배치되는 제 2 포토닉 밴드갭 층(3) 및 상기 제 1 포토닉 밴드갭 층(2)과 상기 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)사이에 형성되는 것으로서 이방성 매질로 이루어진 결함층(4)을 구비한다. 여기서 결함층(4)의 이방성 매질은 그의 다이렉터(또는 광축)가 임의의 각도(360°> θ > 0°)로 꼬여진 구조(액정 분자의 장축이 장축에 수직한 깊이 방향으로 진행함에 따 라 장축이 회전하는 구조)를 하고 있다(이하에서는 이러한 이방성 매질을 ‘꼬인 구조의 이방성 매질’이라 칭한다.). 이러한 매질의 일예로, 꼬인 네마틱(twisted nematic, TN) 액정을 포함하는 것이 이용될 수 있다. 여기서 꼬임각이란, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2)과의 경계면에 있는 이방성 매질의 다이렉터와 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)과의 경계면에 있는 이방성 매질의 다이렉터간의 각을 의미한다.
또한, 꼬인 구조의 이방성 매질을 가지는 결함층에는 광 여기에 의해 형광을 발하는 것이 가능한 이방성의 색소가 포함될 수도 있다. 예를 들면 포토닉 밴드갭 소자가 광학적 요소 중의 하나인 레이저 또는 흡수형 광 스위치에 적용될 때는 이러한 색소가 포함되며, 반사경, optical diode 등과 같은 광학적 요소에 작용될 때는 포함되지 않을 수 있다. 또한, 색소의 배열은 포토닉 밴드갭 소자가 채용되는 광학적 요소의 특성 및 종류에 따라서 결함층(4)의 이방성 매질과 같이 꼬인 구조를 가질 수도 있으며 그렇지 않을 수도 있다.
그리고 제 1포토닉 밴드갭 층(2)과 꼬인 구조의 이방성 매질로 이루어진 결함층(4)의 경계면에서, 결함층(4)의 이방성 매질의 다이렉터와 제 1포토닉 밴드갭 층(2)의 매질의 다이렉터는 평행하며, 제 2포토닉 밴드갭 층(3)과 꼬인 구조의 이방성 매질로 이루어진 결함층(4)의 경계면에서, 결함층(4)의 이방성 매질의 다이렉터와 제 2포토닉 밴드갭 층(3)의 매질의 다이렉터는 평행하도록 배향되어 있는 것이 바람직하다.
종래 기술에 따른 이방성 결함층을 가지는 포토닉 밴드갭 소자에 있어서는, 이방성 매질의 하나인 네마틱 액정(액정 분자가 뚜렷한 층상 구조를 보이지 않고 그의 장축 방향만 일정한 방향으로 가지런히 향하는 성질을 가진 액정 재료의 총칭)이 수평 배향(호모지니어스, homogeneous, planar) 구조를 형성하였으나, 본 발명에 따른 포토닉 밴드갭 소자의 결함층(4)에서는 이방성 매질은 그 분자의 장축 또는 다이렉터가 임의의 각 틀어져서 배열된 배향 구조를 하고 있다.
이러한 꼬임 다이렉터 (director) 구조는 기존 액정 디스플레이인 TN(Twisted nematic) 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD)에도 적용되고 있다. 이러한 꼬임 구조는 빛의 편광축(偏光軸)을 회전시키는 기능이 있어서, 포토닉 밴드갭 소자의 외부에서 전압을 가하면, 결합층(4)의 분자가 기판에 수직한 방향으로 가지런히 향하게 되어 편광축(偏光軸)을 회전시키는 기능이 없어진다. 인가전압 2V 정도에서 변화를 개시하여 5V 정도에서 포화되는 광 특성을 보인다. 또한, 콘트라스트 비(contrast ratio)가 100 이상으로 높으며 고화질 실현이 가능하다.
따라서 꼬임 구조의 결함층(4)을 가지는 본 발명의 포토닉 밴드갭 소자 또는 광학적 요소의 구동 전압은 낮게 되고 그리고 소비 전력이 적어지게 되어, 고효율의 포토닉 밴드갭 소자 또는 광학적 요소(예를 들면 옵티컬 다이오드, 포토 아이솔레이터 등)를 제작할 수 있게 된다.
또한, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2) 및 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)을 구성하는 매질의 광학적 특성(예를 들면 광 회전성, 주기, 굴절률 등)이 동일하다고 해도, 본 발명의 꼬임 다이렉터를 가진 이방성 매질로 이루어진 결함층(4)의 꼬임각을 달리하면, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2)을 통과 후 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)에 입사하기 전에 꼬임각에 따라 다양한 특성을 가지는 광이 도출되게 됨을 예상할 수 있다.
그리고 이런 다양한 광학 특성을 가진 광을 근거로 하여, 이에 적합한 다양한 광학 소자의 제작이 가능하게 된다. 예를 들면, 결함층(4)의 이방성 매질의 꼬임각이 90도일 경우에는 반사율 및 모드 밀도 특성이 등방성 결함층을 가진 포토닉 밴드갭 소자의 것과 유사한 경향을 보이며(도 6 참조), 결함층(4)의 이방성 매질의 꼬임각이 10도일 경우에는 사율 및 모드 밀도 특성이 호모지니어스한(꼬임이 없는) 이방성 결함층을 가진 포토닉 밴드갭 소자의 것과 유사한 경향을 보인다(도 5 참조).
결함층(14)의 이방성 매질의 꼬임각은, 각종 공지의 기술을 이용하여 조절될 수 있다. 예를 들면, 결함층(14)의 두께 또는 피치를 조절하거나, 이방성 매질에 소정의 도펀트를 넣거나 또는 결함층의 양 측면에 소정 각도 차를 보이도록 러빙 처리된 2개의 배향막을 형성하여서, 결함층(14) 내의 이방성 매질의 꼬임각을 조절할 수 있다. 또한, 전극을 설치하고 전계를 인가하는 방법으로도 손쉽게 이방성 매질의 꼬임각을 조절할 수 있다.
또한, 결함층(4)의 이방성 매질의 꼬임각 뿐만 아니라, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2) 및/또는 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)을 구성하는 매질의 회전성 및/또는 피치등을 조절하여, 다양한 광학적 특성을 도출해 낼 수 있으며, 이를 기반으로 다양한 광학적 특성을 요구하는 다양한 광학적 소자를 용이하게 제작할 수 있게 된다.
한편, 상기 제 1 포토닉 밴드갭 층(2) 및 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)은, 공지의 각종 포토닉 밴드갭 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 서로 다른 굴절률 및/또는 두께로 이루어진 2층 또는 3층의 유전박막이 2주기 이상 배열된 복합 유전 막, 콜레스테릭 액정 등을 들 수 있다. 특히 콜레스테릭 액정을 사용하는 것이 바람직하다. 제 1 포토닉 밴드갭 층(2) 및 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)으로서, 복합 유전막을 사용할 경우에도 꼬임각 조절을 통한 다양한 광학적 특성을 갖는 광학 장치의 제작은 가능하나, 이를 제조하기 위해서는 진공 증착등을 이용해야하는 등의 문제가 있어서 제조 공정이 복잡하고, 특히 나노 구조(수 백 나노)의 포토닉 밴드갭을 제작하는 것은 매우 까다로우며, 대면적(大面積)화하는 것이 곤란하다. 반면, 제 1 포토닉 밴드갭 층(2) 및 제 2 포토닉 밴드갭 층(3)으로 클레스테릭 액정을 사용하면, 클레스테릭 액정은 자발적으로 주기구조를 형성하는 액정이기 때문에, 제작 공정이 상대적으로 간단하여 나노 구조의 밴드갭 및 이를 채용하는 광학 장치를 제작하는데 유리하다.
이제 도 2 내지 도 6을 참조하여, 전술한 신규한 포토닉 밴드갭 소자를 이용하여 제작된 광학적 요소의 하나인 레이저 발진 장치의 일예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는, 본 발명의 포토닉 밴드 갭 소자 구조를 이용하여 제작된 레이저 발진 장치의 일예의 개략도이다. 도 2에서, 레이저 발진 장치는, 제 1 포토닉 밴드갭 층(12), 상기 제 1포토닉 밴드갭 층(12)과 대향 배치되는 제 2 포토닉 밴드갭 층(13), 제 1 포토닉 밴드갭 층(12)과 제 2 포토닉 밴드갭 층(13) 사이에 형성되어 있는 것으로서 다이렉터가 임의의 각도로 꼬인 구조의 이방성 매질(16)로 이루어진 결함층(14), 상기 결함층(14)의 반대쪽에 있는 상기 제 1 포토닉 밴드갭 층(12)의 측면에 형성된 제1 투명 배향 기판(17) 및 상기 결함층(14)의 반대쪽에 있는 상기 제 2 포토닉 밴드갭 층(13)의 측면에 형성된 제 2 투명 배향 기판(18)을 포함한다. 그리고 결함층(14) 내에는 이방성 색소(15)가 포함되어 있다.
결함층(14)은, 꼬인 구조의 이방성 매질로 구성되어 있으며, 이방성 매질로서는, 꼬인 네마틱(twisted nematic, TN) 액정 (16)을 포함하는 것이 이용될 수 있다. 본 발명에서의 꼬인 네마틱 액정은 임의의 각도로 틀어서 배열한 배향 구조를 갖으며, 특히 도 2에서는 90°의 꼬임각을 가진다. 결함층(14)을 구성하는 이방성 매질의 하나인 네마틱 액정은, 네마틱 액정 상(phase) 상태를 나타내는 것이 가능한 것이면 특히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 네마틱 액정 상의 고분자 액정 또는 저분자 액정의 혼합물이 사용될 수 있다. 여기서, "네마틱 액정 상"이란 액정 분자가 뚜렷한 층상 구조를 보이지 않고 그의 장축 방향만 일정한 방향으로 가지런히 향하는 성질을 보이는 것을 의미한다. 고분자 액정으로는, 각 종의 주쇄형 고분자 액정 물질, 측쇄형 고분자 액정 물질, 또는 이러한 혼합물을 이용할 수 있다. 또한 저분자 액정을 첨가한 조성물이 이용될 수 있다. 이렇게 결함층(14)으로 네마틱 액정을 사용할 경우, 외부 전기장의 인가에 의해서 전기적 동조가 가능한(electrical tunable) 광학 장치를 제작할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 네마틱 액정 대신에 스멕틱 상(장축이 일정한 방향으로 배열되고 층상 구조를 가짐)의 액정을 사용하여도 무방하다.
그리고 결함층(14)에는 색소(15)가 더욱 포함될 수 있다. 색소(15)는 광 여기에 의해 형광을 발하는 것이 가능하며 에너지 천이 모멘트의 이방성을 가지는 것이면 특히 제한되지 않는다. 색소(15)로서는 고분자 유기계 색소 또는 저분자 무기 계 색소의 혼합물도 상관없다. 고분자 유기계 색소로서는, 예를 들면, 스티릴(Styryl), 크산덴(Xanthene), 옥사진(Oxazine),　쿠마린(Coumarine),　스틸벤(Stilben) 유도체, 옥사졸(Oxazole) 유도체, 옥사디아졸(Oxadiazole) 유도체, 피-오리고페닐렌(p-Origophenylene) 유도체 등을 들 수 있다. 특히 색소를 결함층(14)의 액정에 용해하여 색소의 천이 모멘트를 일정한 방향으로 배향시키면, 특정 방향으로부터의 입사 빛에 대한 흡수 효율을 높여 고효율의 형광 발광을 얻을 수 있는 이점이 있다.
한편, 제 1 포토닉 밴드갭 층(12)과 제 2 포토닉 밴드갭 층(13)으로는 공지의 각종 포토닉 밴드 갭 물질이 사용될 수 있다. 바람직하게는 콜레스테릭 액정이 사용될 수 있어서, 제 1 포토닉 밴드갭 층(12) 및 제 2 포토닉 밴드갭 층(13) 중의 적어도 하나는 콜레스테릭 액정으로 이루어질 수 있다. 이러한 콜레스테릭 액정 층(12, 13)을 형성하는 방법으로서는, 공지의 방법을 이용할 수가 있다. 예를 들어, 콜레스테릭 액정층(12, 13)은 투명 기판 상에 배향막을 형성해서, 배향막에 러빙 처리를 가한 후, 상기 콜레스테릭 액정을 필수 성분으로 하는 액정 재료를 도포해, 열처리 하여 얻을 수 있다.
콜레스테릭 액정층(12, 13)은 나선 구조에 기인하여 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 반사하는 특성을 가지고 있다. 충분한 광 강도의 레이저 발진을 일으키기 위해서는, 콜레스테릭 액정으로는 색소(15)로부터 발생하는 형광의 발광 파장 대와 적어도 일부의 파장 영역에 있어 서로 겹쳐지는 선택 반사파장 대역을 가지는 것이 사용됨이 바람직하며 그리고 콜레스테릭 배향을 고정화할 수 있는 각종 공지 의 액정 물질이 사용된다. 이러한 콜레스테릭 액정으로는, 공지의 각종 고분자 액정 물질 또는 저분자 액정 물질이 사용될 수 있으며, 고분자 액정 물질로서는, 각종의 주쇄형 고분자 액정 물질, 측쇄형 고분자 액정 물질, 또는 이러한 혼합물을 이용할 수가 있다.
한편, 제 1 포토닉 밴드갭 층(12)과 제 2 포토닉 밴드갭 층(13)이 콜레스테릭 액정으로 이루어질 경우, 제 1 콜레스테릭 액정층 (12)의 나선의 회전 방향과 제 2 콜레스테릭 액정층(13)의 나선의 회전방향을 동일하게 구성할 수 있다. 이 경우에는 제 1 콜레스테릭 액정층(12) 및 제 2콜레스테릭 액정층(13)에 빛이 입사 되면, 입사 빛의 일부가 콜레스테릭 액정층(12, 13)의 액정의 나선 주기 구조에 기인해 선택적으로 반사된다. 또한, 필요에 따라서는 제 1 콜레스테릭 액정층 (12)의 나선의 회전 방향과 제 2 콜레스테릭 액정층(13)의 나선의 회전방향을 반대가 되도록 구성할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 상기 제 1 콜레스테릭 액정층(12)의 나선 구조의 피치가 상기 제 2콜레스테릭 액정층(13)의 나선 구조의 피치와 같게 하거나 다르게 구성할 수 도 있다.
또한, 도 2에서는 제 1 콜레스테릭 액정층(12)과 결함층(14)의 네마틱 액정 층의 경계면에 있어서 제 1 콜레스테릭 액정(12)의 다이렉터 (director)와 네마틱 액정 층(14)의 다이렉터 (director)(9) 가 평행하도록 하며, 동시에 제 2콜레스테릭 액정 층(13)과 결함층의 네마틱 액정층(14)의 경계면에 있어서의 콜레스테릭 액정의 다이렉터 (director)와 네마틱 액정의 다이렉터 (director) (10) 가 평행하도록 배치하였다. 따라서 결함층(14)에서 네마틱 액정이 꼬여진 구조로서 작동하도록 하여, 콜레스테릭 액정의 선택 반사파장 대역 내에 결함 모드를 발생시키고, 이를 이용하여 레이저 발진을 일으키게 하는 것이 가능해진다.
제 1 배향 기판(17) 및 제 2 배향 기판(18)은, 색소(15)의 여기 빛 및 형광에 대해서 투명하고 그리고 제 1 및 제 2콜레스테릭 액정층(12,13)을 지지하는 것이 가능한 것이면 특히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들면 제 1 및 제 2 배행 기판(17, 18)으로는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리 아미드이미드, 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 필름, 또는 이러한 필름의 1축 연신 필름 등이 사용될 수 있다. 이러한 필름은 충분한 배향 능력을 나타내는 것도 있지만, 배향 능력이 불충분, 또는 배향 능력을 나타내지 않는 경우가 있다. 이러할 때에는, 상기 필름을 적당한 가열 하에 연신 하거나, 필름 면을 레이온 천 등으로 한 방향에 켜는 이른바 러빙 처리를 하거나, 필름 상에 폴리이미드, 폴리비닐 알코올, 시란 커플링 제 등의 공지의 배향제로부터 형성되는 배향 막을 마련해 러빙 처리를 하거나, 산화 규소 등의 사방 증착 처리를 하거나, 혹은 이러한 처리를 적당 조합하는 것에 의해서 배향 능력이 발현된 필름을 만들어 이용해도 좋다.
이제 도 2의 레이저 발진 장치의 동작을 살펴본다.
레이저 발진 장치(20)에 대해 레이저 발진을 일으키게 하기 위해서는, 색소 (15)의 여기 빛으로서, 제 1 및 제 2콜레스테릭 액정층(12,13)의 선택 반사파장 대역보다 짧은 단파장의 빛이 이용된다. 색소 여기 빛을 제 1콜레스테릭 액정층(12)에 입사 한다. 그러면, 여기 빛은, 제 1콜레스테릭 액정층(12)을 투과해 결함층(14)에 입사되고, 결함층(14)내의 색소(15)를 여기하여 형광 발광을 일으키게 하고 레이저 발진을 일으키는 것이 가능해진다. 이 때, 결함층(14)이 꼬인 구조의 이방성 매질로 이루어졌으므로 레이저 발진 장치(20)는, 레이저 발진을 고효율로 일으키는 것이 가능해진다.
본 발명의 레이저 발진 장치는, 전술한 도 2의 레이저 발진 장치(20)의 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 레이저 발진 장치(20)에서는, 결함층(14) 안에 색소(15)가 포함되어 있지만, 색소(15)는, 제 1 콜레스테릭 액정 층(12), 제 2 콜레스테릭 액정층(13) 및 결함층(14) 중의 적어도 1개의 층에 포함되어 있으면 족하다. 따라서 색소(15)는 제 1 콜레스테릭 액정층(12) 또는 제 2 콜레스테릭 액정층(13)의 어느 쪽인가에 포함되어 있거나 동시에 포함되어도 상관없다.
또한 색소(15)는, 그의 에너지 천이 모멘트가 제 1 및 제 2콜레스테릭 액정층(12,13)의 표면에 대해 평행에 배향하고 있지만, 결함층(14)이 이방성 매질 구성되는 것이면, 색소(15)의 천이 모멘트가 결함층(4)에 대해 랜덤에 배향하고 있어도 상관없다.
또한 도 2의 실시 형태에 대해서는, 결함층(14)이 색소(15) 및 네마틱 액정(16)을 포함하는 것으로 구성되어 있지만, 본 발명의 레이저 발진 장치는, 결함층(14)이 꼬인 구조의 이방성 매질로 구성되는 것이면, 색소(15)및 네마틱 액정(16)을 포함하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 따라서 색소(15)및 네마틱 액정(16)을 포함하는 것에 대신해, 1축성 또는 2축성의 광학 매체, 예를 들어 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리비닐 알코올 등으로 구성되는 연신된 플라스틱 필름, 수정, 방해석과 같은 1축성 결정, 백운모, 석고와 같은 2축성 결정 등이 결함층(14)으로 이용될 수 도 있다.
다음의 실시 예를 이용해, 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시 예 1)
레이저 발진 장치에 대해서, 반사광 강도를 강하게 하는 구조적 요인을 조사하기 위해서, 이하의 3종류의 레이저 발진 장치의 반사 스펙트럼에 대해, MATLAB 6.1을 이용해 시뮬레이션 실험을 실시했다. 3종류의 레이저 발진 소자는 다음과 같다. 첫 번째, 콜레스테릭 액정층으로 된 제 1 및 제 2 포토닉 밴드갭 층과 이들 사이에 형성된 등방성 매질로 이루어진 결함층으로 구성된 레이저 발진 소자, 두번째, 콜레스테릭 액정층으로 된 제 1 및 제 2 포토닉 밴드갭 층과 이들 사이에 형성된 호모지니어스 이방성 매질로 이루어진 결함층으로 구성된 레이저 발진 소자, 세번째 콜레스테릭 액정층으로 된 제 1 및 제 2 포토닉 밴드갭 층과 이들 사이에 형성된 꼬인 구조의 이방성 매질로 이루어진 결함층으로 구성된 레이저 발진 소자를 말한다.
여기서, 시뮬레이션 조건은 이하와 같이 설정했다.
(i) 제1 및 제2 콜레스테릭 액정층 :ne = 1.63, no = 1.5 , 두께 = 1.35μm, 나선피치 = 510 nm, 여기서 ne : 이상 굴절률, no : 상굴절률을 나타낸다.
(ii) 이방성 네마틱 액정으로 이루어진 결함층 : ne = 1.66, no = 1.5, 두께 = 1.2μm,
(iii) 등방성 네마틱 액정으로 이루어진 결함층 : ne = 1.56, no = 1.56, 두께 = 1.2μm
3종류의 레이저 발진 소자의 시뮬레이션 실험의 결과는 도 3 내지 도 6에 나타낸다. 도 3은 첫 번째의 레이저 발진 소자의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이고, 도 4는 두 번째 레이저 발진 소자의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프 이다. 그리고 도 5는 세 번째 레이저 발진 소자의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프로서, 결함층의 액정의 다이렉터가 90도 꼬인 경우의 시물레이션 결과를 나타내며, 도 6은 세 번째 레이저 발진 소자의 반사 스펙트럼과 모드 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프로서, 결함층의 액정의 다이렉터가 10도 꼬인 경우의 시물레이션 결과를 나타낸다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 도 3과 도 5의 그래프가 유사함을 확인할 수 있다. 즉, 도 3 및 도 5의 광 반사 스펙트럼에서 반사 밴드 중심 부근(약 505nm 부근)에 반사율이 갑자기 0으로 떨어지는 결함 모드를 보이고 있으며, 이 결함 모드에서는 레이징(Lasing)이 일어날 수 있는 모드 밀도도 증가하는 특성을 보인다. 또한, 도 4 및 도 6의 그래프가 유사함을 확인할 수 있다. 즉, 밴드 갭 중심에서 관측되는 결함 모드의 반사율이 0 까지 떨어지지 않고 높은 반사율을 보인다. 또한, 결함 모드에서 레이징이 일어날 수 있는 모드 밀도도 증가하는 특성을 보인다.
즉, 본 발명에 따른, 꼬인 다이렉터를 가지는 이방성 매질로 이루어진 결함 층을 구비한 레이저 발진 장치에 있어서, 다이렉터의 꼬인 각도를 임의로 조절함으로써 등방성 결함층을 가지는 포토닉 밴드갭 소자의 특성 및 호모지니어스 이방성 결함층을 가지는 포토닉 밴드갭 소자의 특성을 모두 구현할 수 있다는 것을 입증할 수 있었다.
그리고, 도 5 및 도 6을 보면, 꼬인 다이렉터 구조의 이방성 매질의 꼬임각에 따라서 레이징이 일어나는 모드 밀도의 크기가 상이함을 확인 할 수 있다. 즉, 꼬임각의 조절에 의해서 레이저광 강도의 세기를 용이하게 조절할 수 있음을 알 수 있다. 또한 도시되지 않았으나 꼬임각을 조절하여 레이징이 일어나는 파장도 조절할 수도 있다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 따른 신규한 구조의 포토닉 밴드갭 소자에 의하면, 포토닉 밴드갭 소자의 결함층을 꼬인 이방성 매질로 구성하는 것으로서, 다양한 광 특성이 요구되는 광학 장치를 용이하게 제작할 수 있으며, 특히 레이저 발진 소자에 있어서는 레이저 발진을 고효율로 하면서도 레이저광의 강도를 용이하게 조절할 수 있게 되었다.

Claims (9)

  1. 제 1 포토닉 밴드갭 층,
    상기 제 1 포토닉 밴드갭 층에 대향 배치되는 제2 포토닉 밴드갭 층 및
    상기 제 1 포토닉 밴드갭 층과 제 2 포토닉 밴드갭 층 사이에 형성되되, 다이렉터가 소정 각도로 비틀어 꼬여진(twist) 이방성 매질로 이루어진 결함층을 구비하는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드 갭 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 포토닉 밴드갭 층과 상기 제 2 포토닉 밴드갭 층의 최소한 하나 이상은 콜레스테릭 액정층으로 구성되는 것인 포토닉 밴드 갭 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 1 콜레스테릭 액정 층 및 상기 제 2 콜레스테릭 액정 층에 포함되는 콜레스테릭 액정의 나선 피치 또는 회전성을 조절하여, 다양한 광학적 요소에 적용될 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이방성 매질의 꼬인 각도는 0도 보다 크고 360 도보다 작은 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 결함층은 네마틱 상 액정 또는 스메틱 상 액정으로 이 루어진 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 광 여기에 의해 형광을 발하는 것으로서 이방성을 가지는 색소가 상기 결함층 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 포토닉 밴드갭 소자.
  7. 제 1 클레스테릭 액정 층,
    상기 제 1 클레스테릭 액정 층에 대향 배치되는 제2 클레스테릭 액정 층,
    상기 제 1 클레스테릭 액정 층과 제 2 클레스테릭 액정 층 사이에 형성되되, 다이렉터가 소정 각도로 비틀어 꼬여진(twist) 이방성 매질로 이루어진 결함층,
    상기 제 1 클레스테릭 액정 층, 상기 제 2 클레스테릭 액정 층 및 상기 결함층 중의 적어도 하나의 층에 포함된, 광 여기에 의해 형광을 발하는 색소,
    상기 색소의 여기 빛 및 형광에 대해서 투명하고, 상기 제 1 클레스테릭 액정층을 지지하도록 상기 결함층의 반대쪽에 있는 상기 제 1 포클레스테릭 액정층의 측면에 형성된 제 1 배향 기판, 및
    상기 색소의 여기 빛 및 형광에 대해서 투명하고, 상기 제 2 클레스테릭 액정 층을 지지하도록 상기 결함층의 반대쪽에 있는 상기 제 2 클레스테릭 액정층의 측면에 형성된 제 2 배향 기판을 포함하고,
    상기 제 1 클레스테릭 액정 층 및 상기 제 2 클레스테릭 액정 층에 있어서의 선택 반사파장 대역과 상기 색소로부터 발하는 형광의 발광대가 적어도 일부의 파장 영역에 있어 서로 겹치고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 발진 소자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 결함층은 네마틱 상 액정 또는 스메틱 상 액정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 발진 소자.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 색소는 천이 모멘트의 이방성을 가지는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 발진 소자.
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