KR20110081649A - 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

투명한 비정질 기판 위에 형성된 투명한 전광 결정을 갖는 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 광 이미지 셔터는 유리와 같은 투명한 비정질 기판 위에, 전광 결정과 결정 상수가 유사한 재료로 버퍼층을 먼저 형성하고, 버퍼층 위에 전광 결정과 같은 전광 결정을 형성한다. 개시된 구조의 광 이미지 셔터에 따르면, 유리 기판 등과 같은 저가의 투명한 기판을 사용하여 저온에서 전광 결정을 형성할 수 있다. 따라서, 광 이미지 셔터를 제조하는 데 있어서 원가 절감 및 수율 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 개시된 광 이미지 셔터는 대면적화가 가능하여 카메라용 셔터 및 평판 디스플레이용 셔터로도 활용이 가능하다.

Description

광 이미지 셔터 및 그 제조 방법 {Optical image shutter and method of fabricating the same}
개시된 내용은 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명한 비정질 기판 위에 형성된 투명한 전광 결정을 갖는 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광 셔터(optical shutter)는 정보를 담고 있는 광 이미지(optical image)를 제어 신호에 따라 투과 또는 차단하는 기능을 갖는다. 광 셔터는 카메라 등과 같은 촬상용 장치와 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 디스플레이용 장치에 널리 사용되는 핵심 광학 모듈이다.
광 셔터를 기술별로 분류하면, 카메라 등에 사용되는 기계적 셔터, LCD에 사용되는 액정(Liquid Crystal) 셔터, 프로젝션 디스플레이에 사용되는 디지털 마이크로거울 소자(Digital Micromirror Device), 회절격자 광 밸브(grating light-valve) 등의 마이크로 전기 기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical System) 기반의 공간 광변조기(Spatial Light Modulator), 레이저 레이더(Laser Radar; LADAR)나 3차원 카메라(3D camera)에 사용되는 증강장치(intensifier) 및 반도체 기반 광 셔터 등으로 분류할 수 있다.
광 셔터를 구동 원리와 셔터속도 관점에서 나열해 보면, 기계적 셔터는 가리개를 전자기(Electro-magnetic) 모터로 구동하며 1ms 내외의 셔터 시간을 갖는다. 그리고 액정 셔터는 전기장에 반응하는 액정의 회전운동에 의해 구동되며 수 ms의 셔터 시간을 갖는다. 또한, MEMS 기반의 공간 광변조기는 미세 구조를 정전기력으로 구동하여 수십 ㎲의 동작 시간을 갖는다. 또한, 3차원 카메라에 사용되는 영상 증강장치(image intensifier) 또는 반도체 기반 광 셔터는 반도체의 광전변환으로 구동되며 수 ns의 셔터 시간을 가질 수 있다.
최근, 피사체의 거리 정보를 촬영할 수 있는 3D 카메라나 LADAR 기술이 많이 연구되고 있다. 이 기술에서 거리의 측정을 위해서는, LED 또는 LD를 이용하여 피사체에 특정 파장(예컨대, 850nm의 근적외선)의 광을 투사하고, 피사체로부터 반사된 광 이미지를 셔터링 한 후, 촬상소자를 통해 이미지를 얻고, 이미지에 대한 일련의 처리 과정을 거쳐 거리 정보를 얻는 과정을 수행한다. 이 과정에서, 거리에 따른 빛의 이동 시간을 정확히 식별하기 위해 수 ns 정도의 빠른 셔터 개폐 시간이 필요하다. 이렇게 빠른 셔터 개폐 시간을 제공할 수 있는 광 셔터로서 상술한 영상 증강장치나 반도체 기반의 광 셔터가 제시되고 있다.
영상 증강장치는 높은 동작 전압 및 진공 패킹(packaging)이 요구되는 고가의 장비이다. 반도체 기반의 광 셔터는, 예를 들어 GaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체를 기반으로 다중양자우물 구조를 이용한 광흡수기, 또는 광전변환(예컨대, 포토다이오드)과 전광변환(예컨대, LED)을 복합적으로 이용한 구조 등이 제안되었다. 이러한 반도체 기반의 광 셔터는 GaAs 기판에서 반도체 제조 공정으로 제작된다.
또한, 상술한 종류의 광 셔터 이외에도 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 전광효과(Electro-Optical effect)를 이용한 광 셔터가 있다. 전광효과를 이용한 광 셔터는 수십 GHz의 반응 속도를 가지므로, 초고속의 광통신의 도파로(waveguide) 등에서 활용되어 왔다. 전광효과를 이용한 광 셔터로는 커 효과(Kerr effect)를 이용한 커 셀(Kerr Cell), 포켈 효과(Pockel effect)를 이용한 포켈 셀(Pockel cell) 등이 있다. 커 셀 등은 주로 벌크 전광 결정(bulk Electro-Optical crystal)을 사용하며, 원하는 효과를 얻기 위해 수천 볼트의 구동 전압이 필요하다. 최근에는 전광 재료를 박막으로 형성하여 낮은 전압에서도 광 셔터 기능을 할 수 있는 구조가 제시되었다. 전광 재료를 박막 형태로 제작하는 데 있어서, 유리(glass)와 같은 비정질 기판 위에 전광 재료를 박막 결정화하는 기술이 이슈가 되고 있다.
투명한 비정질 기판 위에 형성된 투명한 전광 결정을 갖는 광 이미지 셔터를 제공한다.
또한 투명한 비정질 기판 위에 투명한 전광 결정을 형성하여 광 이미지 셔터를 제조하는 방법을 제공한다.
일 유형에 따른 광 이미지 셔터는, 투명한 비정질 기판; 상기 투명한 비정질 기판 위에 배치된 제 1 반사층; 상기 제 1 반사층 위에 배치된 결정질의 투명한 버퍼층; 상기 투명한 버퍼층 위에 배치된 것으로, 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층; 상기 전광 박막층 위에 배치된 투명 전극; 및 상기 투명 전극 위에 배치된 제 2 반사층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 투명한 비정질 기판은 예컨대 유리로 이루어질 수 있다.
상기 전광 박막층의 격자 상수에 대한 상기 투명한 버퍼층의 격자 상수와의 차이는 20% 이하일 수 있다.
상기 투명한 버퍼층은 전도성을 갖는 1차 버퍼층 및 상기 결정질의 전광 박막층과 동일한 결정 구조를 갖는 2차 버퍼층을 포함할 수 있다.
상기 1차 버퍼층은 투명 전도성 산화물 재료로 이루어질 수 있다.
예컨대, 상기 투명 전도성 산화물 재료는 ITO, AZO, IZO, SnO2, In2O3 또는 ZnO계 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 2차 버퍼층은 SrTiO3로 이루어질 수 있다.
대신에, 상기 투명한 버퍼층은 ZnO 계 재료로 이루어진 단일 층 구조일 수도 있다.
이 경우, 상기 투명한 버퍼층은 ZnO에 Al 또는 Ga을 1mol% 내지 5mol%로 도핑하여 형성될 수 있다.
상기 ZnO 계 재료는 Al-In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, Sn-Ga-Zn-O 또는 Sn-Al-Zn-O를 포함하는 3성분계 또는 4성분계 재료일 수 있다.
또한, 상기 투명한 버퍼층은 ZnO/Ag/ZnO의 다층 구조로 이루어질 수도 있다.
상기 투명한 버퍼층과 상기 투명 전극은 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 전광 박막층은, 예컨대 KTa1-xNbxO3(0≤x≤1)(KTN), LiNbO3(LN), Pb(ZrO1-xTix)O3(0≤x≤1)(PZT) 및 DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
한편, 다른 유형에 따른 광 이미지 셔터는, 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 배치된 제 1 반사층; 상기 제 1 반사층 위에 배치된 투명 전극; 상기 투명 전극 위에 배치된 것으로, 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층; 상기 전광 박막층 위에 배치된 결정질의 투명한 버퍼층; 및 상기 투명한 버퍼층 위에 배치된 제 2 반사층을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 유형에 따르면, 상술한 구조의 광 이미지 셔터를 셔터로서 사용하는 광학 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 유형에 따르면, 투명한 비정질 기판 위에 제 1 반사층을 형성하는 단계; 상기 제 1 반사층 위에 결정질의 투명한 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 투명한 버퍼층 위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층을 증착하는 단계; 상기 전광 박막층 위에 투명 전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명 전극 위에 제 2 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 광 이미지 셔터의 제조 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 결정질의 전광 박막층은 300℃ 이하의 저온에서 레이저 증착법(pulsed laser depostion; PLD)에 따라 형성될 수 있다.
또한, 다른 유형에 따른 광 이미지 셔터의 제조 방법은, 결정질 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 위에 제 1 반사층을 형성하는 단계; 상기 제 1 반사층 위에 결정질의 투명한 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 투명한 버퍼층 위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층을 증착하는 단계; 상기 전광 박막층 위에 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 위에 제 2 반사층을 형성하는 단계; 플립-칩 본딩 방식으로 투명 기판 위에 상기 제 2 반사층을 접합하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하여 상기 제 1 반사층 위의 결정질 기판을 떼어내는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 구조의 광 이미지 셔터에 따르면, 유리 기판 등과 같은 저가의 투명한 기판을 사용하여 저온에서 전광 결정을 형성할 수 있다. 따라서, 광 이미지 셔터를 제조하는 데 있어서 원가 절감 및 수율 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 개시된 광 이미지 셔터는 수 ns의 매우 빠른 셔터 개폐 속도를 갖는다. 또한, 유리 기판 위에 전광 결정을 박막 형태로 형성하기 때문에, 결과적인 광 이미지 셔터는 두께가 작을 수 있다. 더욱이, 개시된 광 이미지 셔터는 대면적화가 가능하여 카메라용 셔터 및 평판 디스플레이용 셔터로도 활용이 가능하다.
도 1은 일 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 3은 또 다른 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 개시된 투과형 광 이미지 셔터의 일반적인 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 또 다른 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 제조 과정을 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 10은 일 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 11은 다른 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 14는 또 다른 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 15는 또 다른 예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 보이는 단면도이다.
도 16 내지 도 18은 투명한 비정질 기판 위에 형성된 전광 박막층을 X-선 회절분석기(XRD)로 분석한 패턴을 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 투과형 광 이미지 셔터(100)의 구조를 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 광 이미지 셔터(100)는 투명 기판(10), 상기 투명 기판(10) 위에 배치된 제 1 반사층(11), 상기 제 1 반사층(11) 위에 배치된 제 1 투명 전극(12), 상기 제 1 투명 전극(12) 위에 배치된 투명 버퍼층(13), 상기 투명 버퍼층(13) 위에 배치된 투명한 전광 박막층(14), 상기 전광 박막층(14) 위에 배치된 제 2 투명 전극(15) 및 상기 제 2 투명 전극(15) 위에 배치된 제 2 반사층(16)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 광 이미지 셔터(100)에서, 투명 기판(10)은 예를 들어 유리와 같은 투명한 비정질 재료를 사용할 수 있다. 제 1 투명 전극(12)과 제 2 투명 전극(15)은 전광 박막층(14)에 전기장을 인가하기 위한 것이다. 제 1 투명 전극(12)과 제 2 투명 전극(15)으로는, 예를 들어, 투명한 금속 산화물인 ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3 등을 사용할 수 있다.
제 1 반사층(11)과 제 2 반사층(16)은, 예를 들어, 굴절률이 서로 다른 두 종류의 투명한 유전체 박막을 번갈아 적층함으로써 특정 파장 대역의 광에 대해 높은 반사도를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 유전체 박막 대신에 얇은 금속 등과 같이 빛의 투과 및 반사 특성을 동시에 갖는 층을 제 1 및 제 2 반사층(11,16)으로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 반사층(11)과 제 2 반사층(16)의 반사율은 각각 약 97% 정도일 수 있다. 그러면 입사광은 전광 박막층(14)을 가운데 두고 제 1 반사층(11)과 제 2 반사층(16) 사이에서 공진하며, 공진 모드에 해당하는 좁은 파장 대역의 광만이 투과될 수 있다. 따라서, 제 1 반사층(11), 전광 박막층(14) 및 제 2 반사층(16)을 포함하는 구조는 제어 가능한 단파장 투과 특성을 갖는 패브리-페로 필터(Fabry-Perot filter)의 역할을 한다. 투과되는 광의 파장 대역은 전광 박막층(14)의 굴절률과 두께에 따라 제어될 수 있다. 광 이미지 셔터(100)를 투과한 광은 예를 들어 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 사용하는 촬상소자(도시되지 않음)에서 촬영될 수 있다.
전광 박막층(14)은 인가된 전기장의 크기에 따라 굴절률이 변화하는 전광효과(Electro-Optical effect)를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 전광 박막층(14)의 재료로는, 예를 들어, KTa1-xNbxO3(0≤x≤1)(KTN), LiNbO3(LN), Pb(ZrO1-xTix)O3(0≤x≤1)(PZT), DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 등의 결정을 이용할 수 있다. 전광 박막층(14)의 전광 효과를 향상시키기 위해서는 전광 박막층(14)의 결정성과 방향성을 제어하는 것이 중요하다. 예를 들어, KTN의 경우에, 전광 효과를 극대화하기 위해서는 a=3.9Å의 격자 상수를 갖는 사방정계(Perovskite material)의 구조를 가져야 한다.
그런데 기존에 알려진 방법으로 결정화된 전광 박막층(14)을 형성하는 경우에 두 가지 문제가 있을 수 있다. 먼저, KTN과 같은 전광 박막층(14)은 이미 결정화된 기판에서만 결정 박막 성장이 가능하다는 것이다. 이로 인하여, 낮은 원가로 대량 생산이 가능한 유리와 같은 비정질 기판을 기판으로서 사용하기 어렵게 된다. 또한, Si, GaAs, Al2O3, MgO, SrTiO3 등과 같은 결정화된 기판을 사용하더라도, 전광 박막층(14)을 형성하기 위해서는 약 700℃ 정도의 고온 공정이 필요하다. 그러나, 이러한 고온 공정은 유전체 박막으로 된 제 1 반사층(11)과 제 2 반사층(16)의 굴절률 변화 등과 같은 특성 변화를 초래할 수 있다. 예를 들어, KTN의 경우에, 기판과의 격자 상수의 부정합(mismatch)이 10% 이상인 경우에는 결정화되기 쉽지 않다. 또한, 기판과의 격자 상수의 부정합이 10% 이내인 경우라도, KTN 박막을 저온에서 증착하면 비정질 특성과 상변화 특성이 나타난다.
도 1에 도시된 광 이미지 셔터(100)의 경우, 상술한 문제들을 개선하기 위하여, 전광 박막층(14)을 형성하기 전에, 하부층의 격자 상수에 관계 없이 300℃ 이하의 저온에서 결정화되기 쉬운 투명산화물(transparent conductive oxide; TCO) 결정질 재료를 버퍼층으로서 먼저 형성한다. 도 1을 참조하면, 제 1 투명 전극(12)과 전광 박막층(14) 사이에 투명 버퍼층(13)이 형성되어 있다. 투명 버퍼층(13)은 전광 박막층(14)의 결정화를 용이하게 하기 위하여, 전광 박막층(14)의 격자 상수와 유사한 격자 상수를 갖도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 전광 박막층(14)의 격자 상수와의 격자 부정합이 20% 이내 또는 10% 이내가 되도록 투명 버퍼층(13)의 격자 상수가 조절될 수 있다.
이러한 투명 버퍼층(13)의 재료는, 전극의 역할도 할 수 있도록 우수한 전기 전도도를 가지며, 저온에서도 결정화가 용이하고, KTN과 같은 전광 박막층(14)과 비슷한 격자 상수를 갖는 것이 좋을 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 제 1 투명 전극(12)에 사용되는 일반적인 투명 산화물 전극 재료인 ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide), In2O3 등도 투명 버퍼층(13)의 역할을 어느 정도 할 수 있다. 그러나, 이러한 재료는 전광 박막층(14)과의 격자 상수가 비교적 크기 때문에, 제 1 투명 전극(12) 위에 투명 버퍼층(13)으로서 SrTiO3를 사용할 수 있다. SrTiO3는 예를 들어 KTN과 동일한 사방정계(Perovskite)의 구조를 가지며, 격자 상수도 또한 KTN과 유사하다. 이 경우, 제 1 투명 전극(12)은 제 1 버퍼층의 역할을 하고 SrTiO3는 제 2 버퍼층의 역할을 하는 2층 구조의 버퍼층이 전광 박막층(14)의 하부에 마련된 것으로 볼 수 있다.
한편, 투명 산화물 반도체인 ZnO 계의 재료는 격자 상수가 a=3.3Å로서 KTN의 격자 상수와 매우 유사하다. ZnO도 역시 기판의 결정성과 관계 없이 300℃ 이하의 저온에서 쉽게 결정화될 수 있다. 또한, ZnO는 도핑에 의해 격자 상수를 쉽게 조절할 수 있으며 전기전도도도 역시 도핑을 통해 쉽게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 격자 상수의 조절 및 전기전도도의 향상을 위하여 ZnO에 Al이나 Ga을 도핑할 수 있다. 이때 Al이나 Ga의 도핑 농도는 1mol% ≤ Al or Ga ≤ 5mol% 정도일 수 있다. 따라서, ZnO 계 재료는 투명 전극과 투명 버퍼층의 역할을 동시에 수행하는 것이 가능하다.
도 2는 ZnO 계 재료를 투명 전도성 버퍼층(17)으로서 사용한 예를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 일 예에 따른 광 이미지 셔터(101)는 유리와 같은 비정질 재료로 된 투명 기판(10), 상기 투명 기판(10) 위의 제 1 반사층(11), 상기 제 1 반사층(11) 위의 투명 전도성 버퍼층(17), 상기 투명 전도성 버퍼층(17) 위의 전광 박막층(14), 상기 전광 박막층(14) 위의 투명 전극(15), 상기 투명 전극(15) 위의 제 2 반사층(16)을 포함할 수 있다.
여기서, 투명 전도성 버퍼층(17)은 도 1에 도시된 제 1 투명 전극(12)의 역할과 투명 버퍼층(13)의 역할을 동시에 수행하며, ZnO 계 재료로 이루어질 수 있다. 또한, Al-In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, Sn-Ga-Zn-O, Sn-Al-Zn-O 등과 같이 3가지 또는 4가지 조성을 갖는 3성분계 또는 4성분계의 ZnO 계 재료를 투명 전도성 버퍼층(17)으로서 사용할 수 있다. 이 경우, Al, In, Ga, Sn의 조성을 변화시킴으로써, 투명 전도성 버퍼층(17)의 격자 상수 및 전기전도도를 원하는 값으로 조절하는 것이 가능하다. 또한, ZnO 계 재료 사이에 전기전도도가 우수한 금속인 Ag를 박막 형태로 개재한 ZnO/Ag/ZnO 구조로 투명 전도성 버퍼층(17)을 형성하면, 단일 ZnO로 된 투명 전도성 버퍼층(17)에 비하여 전기전도도가 더욱 향상될 수 있다. 이러한 방식으로 투명 전도성 버퍼층(17)을 먼저 형성하고 그 위에 전광 박막층(14)을 형성하면, 상대적으로 저온(예컨대, 약 300℃ 이하)에서 제조 공정이 이루어질 수 있으며, 전광 박막층(14)의 결정성도 역시 향상될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 투명 전도성 버퍼층(17) 위에 전광 박막층(14)과 결정 구조가 동일하고 격자 상수도 유사한 SrTiO3를 2차 버퍼층으로 사용하면 전광 박막층(14)의 결정성이 더욱 좋아질 수 있다. 즉, 도 1의 경우와 유사하게, 1차 버퍼층으로서 상술한 ZnO 계 재료를 사용하고, 2차 버퍼층으로서 SrTiO3를 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 광 이미지 셔터(101)의 경우에는, 전광 박막층(14)의 하부에만 투명 전도성 버퍼층(17)을 형성하고, 상부에는 일반적인 투명 전극(15)이 형성되어 있다. 그러나, 전광 박막층(14)의 상하부에 모두 상술한 구조의 투명 전도성 버퍼층(17)을 형성하는 것도 가능하다. 도 3은 이러한 구조의 광 이미지 셔터(102)를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 광 이미지 셔터(102)는, 도 2에 도시된 광 이미지 셔터(101)와 비교할 때, 전광 박막층(14)의 상부에 투명 전극 대신에 제 2 투명 전도성 박막층(18)이 형성되어 있다. 광 이미지 셔터(102)의 나머지 구성은 도 2에 도시된 광 이미지 셔터(101)의 구성과 동일하다. 전광 박막층(14)의 상부에 형성된 제 2 투명 전도성 박막층(18)은 전광 박막층(14)의 하부에 있는 제 1 투명 전도성 버퍼층(17)과 동일한 구조와 재료를 갖는다. 이렇게 광 이미지 셔터(102)를 제조하면, 광 이미지 셔터(102)를 제조하는 데 필요한 전체적인 재료의 종류를 줄일 수 있어서, 공정을 더욱 간단하게 할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 상술한 투과형 광 이미지 셔터(100~102)의 일반적인 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 먼저, 도 4는 광 이미지 셔터(100~102)의 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전과 인가된 후의 광투과 특성의 변화를 보이고 있다. 도 4를 참조하면, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전에는 약 850nm의 중심 파장을 갖는 광이 광 이미지 셔터(100~102)를 통과할 수 있다. 여기서, 투과되는 파장인 850nm은 단지 예시적인 것으로, 전광 박막층(14)의 굴절률 및 두께와 제 1 및 제 2 반사층(11,16)의 설계에 따라 투과 파장의 조절이 가능하다. 한편, 전광 박막층(14)의 상하부에 20V의 전압이 인가되는 경우, 전광 박막층(14) 내에 전기장이 발생하게 되어 굴절률이 변화한다. 그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 광 이미지 셔터(100~102)의 투과 특성이 변하면서 약 870nm의 중심 파장을 갖는 광이 광 이미지 셔터(100~102)를 통과하게 된다.
만약 광 이미지 셔터(100~102)에 입사하는 광이 도 5에 도시된 바와 같이 중심 파장이 850nm인 스펙트럼을 갖는다면, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전과 인가된 후의 광투과 특성은 도 6의 그래프와 같이 된다. 도 6의 그래프는 단순히 도 4의 그래프와 도 5의 그래프의 곱으로 표현된 것이다. 도 6을 참조하면, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전에는 850nm를 중심 파장으로 하여 입사광의 대부분이 광 이미지 셔터(100~102)를 통과하게 된다. 그러나, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가된 후에는 거의 대부분의 입사광이 차단된다. 따라서, 광 이미지 셔터(100~102)는 850nm의 파장을 갖는 광에 대해 전기적으로 제어되는 셔터의 역할을 할 수 있다.
한편, 전광 박막층(14)을 박막 결정화할 때, 결정성이 좋은 기판을 사용하여 전광 박막층(14)을 먼저 형성한 후에, 상기 형성된 전광 박막층(14)을 플립-칩 본딩(flip-chip bonding) 기법으로 유리와 같은 투명 기판에 접합하는 것도 가능하다. 도 7a 내지 도 7d는 이러한 방식으로 광 이미지 셔터를 제조하는 방법을 도시하고 있다.
먼저, 도 7a를 참조하면, Si 이나 GaAs와 같은 결정성 기판(20) 위에 희생층(21), 제 1 반사층(11), 제 1 투명 전극(12) 및 투명 버퍼층(13)을 차례로 형성한다. 도 7a 및 이후에 설명할 도 7b 내지 도 7d에는 적층 방향이 거꾸로 도시되어 있다. 제 1 반사층(11), 제 1 투명 전극(12) 및 투명 버퍼층(13)에 대해서는 앞서 제시된 설명이 그대로 적용된다. 예를 들어, 제 1 투명 전극(12)은 ITO, AZO, IZO, SnO2, In2O3 등과 같은 투명한 금속 산화물일 수 있다. 또한, 투명 버퍼층(13)은 SrTiO3을 사용할 수 있다. 따라서, 1차 버퍼층으로서 제 1 투명 전극(12)이, 2차 버퍼층으로서 투명 버퍼층(13)이 사용된 2중 버퍼층 구조이다. 결정성 기판(20)은 이후에 제거될 것이기 때문에 반드시 투명할 필요는 없으며, 단지 결정성이 우수한 재료로 이루어지면 된다. 그런 후, 상기 투명 버퍼층(13) 위에 전광 박막층(14), 제 2 투명 전극(15) 및 제 2 반사층(16)을 계속하여 형성할 수 있다. 여기서, 전광 박막층(14)은 예를 들어 5㎛ 또는 그 이하의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로 도 7b를 참조하면, 예를 들어 플립-칩 본딩 기법을 이용하여 제 2 반사층(16)을 유리와 같은 투명한 기판(10) 위에 접합한다. 그리고, 도 7c에 도시된 바와 같이 희생층(21)을 제거하면, 결정성 기판(20)이 제 1 반사층(11)으로부터 떨어지게 된다. 그러면 최종적으로 도 7d와 같은 구조의 광 이미지 셔터(103)가 형성될 수 있다. 도 7d를 참조하면, 결과적인 광 이미지 셔터(103)는 투명 기판(10) 위에 제 2 반사층(16), 제 2 투명 전극(15), 전광 박막층(14), 투명 버퍼층(13), 제 1 투명 전극(12) 및 제 1 반사층(11)이 차례로 배치된 구조를 갖는다. 그러나, 실제 층 형성 순서는, 도 7a 내지 도 7d에서 설명한 바와 같이, 제 1 반사층(11)으로부터 시작한다.
도 7d에 도시된 광 이미지 셔터(103)의 경우, 제 1 투명 전극(12)과 투명 버퍼층(13)이 별개로 존재하지만, 도 2에서 설명한 바와 같이, 제 1 투명 전극(12)과 투명 버퍼층(13)을 하나의 투명 전도성 버퍼층으로 형성하는 것도 가능하다. 도 8을 참조하면, ZnO 계 재료를 사용한 투명 전도성 버퍼층(17)이 제 1 반사층(11)과 전광 박막층(14) 사이에 개재되어 있다. 따라서 도 8에 도시된 구조는 투명 전도성 버퍼층(17)이 전극과 버퍼층의 역할을 동시에 하는 단일 버퍼층 구조라고 볼 수 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이, 투명 전도성 버퍼층(17)과 전광 박막층(14) 사이에 SrTiO3을 더 배치하여, 투명 전도성 버퍼층(17)이 1차 버퍼층이고 SrTiO3이 2차 버퍼층인 2중 버퍼층 구조로 구현되는 것도 역시 가능하다. 도 8에 도시된 광 이미지 셔터(104)도 역시 플립-칩 본딩 기법으로 제조된 것으로, 결과적인 광 이미지 셔터(104)는 투명 기판(10) 위에 제 2 반사층(16), 제 2 투명 전극(15), 전광 박막층(14), 투명 전도성 버퍼층(17) 및 제 1 반사층(11)이 차례로 배치된 구조를 갖는다. 그러나, 각각의 층의 형성 순서는, 도 7a 내지 도 7d에서 설명한 바와 같이, 제 1 반사층(11)으로부터 시작한다.
또한, 도 3에서 설명한 바와 같이, 전광 박막층(14)의 상하부에 모두 투명 전도성 버퍼층을 형성하는 것도 가능하다. 도 9는 그러한 광 이미지 셔터(105)를 도시하고 있다. 도 9에 도시된 광 이미지 셔터(105)도 역시 플립-칩 본딩 기법으로 제조된 것으로, 결과적인 광 이미지 셔터(105)는 투명 기판(10) 위에 제 2 반사층(16), 제 2 투명 전도성 버퍼층(18), 전광 박막층(14), 제 1 투명 전도성 버퍼층(17) 및 제 1 반사층(11)이 차례로 배치된 구조를 갖는다. 그러나 여기서 배치 순서와 층 형성 순서는 반대이다.
도 7d, 도 8 및 도 9에 도시된 광 이미지 셔터(103~105)의 동작은 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 광 이미지 셔터(100~102)의 동작과 같다. 예를 들어, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되지 않으면 특정 파장 대역의 입사광이 광 이미지 셔터(103~105)를 투과하게 된다. 반면, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되면, 광 이미지 셔터(103~105)는 입사광을 차단한다. 따라서, 상기 광 이미지 셔터(103~105)는 투과형이다.
지금까지는 투과형 광 이미지 셔터(100~105)에 대해 설명하였지만, 위에서 설명한 것과 동일한 구조로 반사형 광 이미지 셔터를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 10은 반사형 광 이미지 셔터(200)의 일 예를 도시하고 있다. 도 10을 참조하면, 광 이미지 셔터(200)는 기판(20), 상기 기판(20) 위에 배치된 제 1 반사층(11), 상기 제 1 반사층(11) 위에 배치된 제 1 투명 전극(12), 상기 제 1 투명 전극(12) 위에 배치된 투명 버퍼층(13), 상기 투명 버퍼층(13) 위에 배치된 투명한 전광 박막층(14), 상기 전광 박막층(14) 위에 배치된 제 2 투명 전극(15) 및 상기 제 2 투명 전극(15) 위에 배치된 제 2 반사층(26)을 포함할 수 있다. 따라서, 도 10에 도시된 광 이미지 셔터(200)는 도 1에 도시된 광 이미지 셔터(100)와 거의 유사한 구조를 갖는다.
다만, 도 10에 도시된 광 이미지 셔터(200)는 반사형이기 때문에, 투명한 기판을 사용할 필요가 없다. 예를 들어 광 이미지 셔터(200)는 Si이나 GaAs와 같은 결정성 기판(20)을 사용할 수 있다. 또한, 광 이미지 셔터(200)의 경우, 반사형으로 동작하기 위해 제 2 반사층(26)은 약 50% 정도의 반사율을 갖도록 형성된다. 반면, 제 1 반사층(11)은 여전히 약 97%의 높은 반사율을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 광 이미지 셔터(100)의 경우에 제 1 및 제 2 반사층(11,16)이 모두 동일하게 약 97% 정도의 높은 반사율을 갖는 반면, 도 10에 도시된 광 이미지 셔터(200)는 제 2 반사층(26)이 약 50% 정도의 비교적 낮은 반사율을 갖는다. 따라서, 입사광은 제 1 반사층(11)과 제 2 반사층(26) 사이에서 패브리-페로 공진을 하며, 최종적으로는 반사율이 상대적으로 낮은 제 2 반사층(26)으로 출력된다. 도 10에 도시된 광 이미지 셔터(200)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 광 이미지 셔터(100)에 관하여 설명한 것과 동일하다.
도 11에 도시된 광 이미지 셔터(201)도 역시 기판(20) 및 제 2 반사층(26)의 반사율을 제외하면 도 2에 도시된 광 이미지 셔터(101)와 동일한 구성을 갖는다. 또한, 도 12에 도시된 광 이미지 셔터(202)도 기판(20) 및 제 2 반사층(26)의 반사율을 제외하면 도 3에 도시된 광 이미지 셔터(102)와 동일한 구성을 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이 기판(20)은 결정성을 가질 수 있으며, 불투명하더라도 무방하다. 제 2 반사층(26)은 약 50% 정도의 비교적 낮은 반사율을 갖는다.
도 13 내지 도 15에 도시된 광 이미지 셔터(203,204,205)는 플립-칩 본딩 기법으로 제조된 것이다. 따라서, 상기 광 이미지 셔터(203,204,205)는 도 7d, 도 8 및 도 9에 도시된 광 이미지 셔터(103,104,105)와 각각 유사한 구성을 갖는다. 예컨대, 도 13의 광 이미지 셔터(203)는 결과적으로 기판(20) 위에 제 2 반사층(16), 제 2 투명 전극(15), 전광 박막층(14), 투명 버퍼층(13), 제 1 투명 전극(12) 및 제 1 반사층(21)이 차례로 배치된 구조를 갖는다. 그러나, 층 형성 순서는 제 1 반사층(21)으로부터 시작한다. 도 13 내지 도 15에 도시된 광 이미지 셔터(203~205)의 경우, 반사형으로 동작하기 위해 제 1 반사층(21)이 약 50% 정도의 비교적 낮은 반사율을 가지며, 제 2 반사층(16)은 여전히 약 97% 정도의 비교적 높은 반사율을 갖는다. 또한, 기판(20)은 상술한 바와 같이 불투명한 결정성일 수 있다. 그 외의 광 이미지 셔터(203~205)의 구성은 도 7d, 도 8 및 도 9를 참조하여 이미 설명하였던 광 이미지 셔터(103,104,105)의 구성과 동일할 수 있다.
실험을 위하여, Nb2O5, Ta2O5 파우더를 사용하여 KTa1-xNbxO3(KTN) 타겟(target)을 제작하고, 상기 KTN 타겟으로 레이저 증착법(pulsed laser depostion; PLD)에 따라 KTN 박막 증착을 수행하였다. 도 16은 PLD 증착 공정에서 사용할 KTN 타겟의 결정화 정도를 X-선 회절분석기(XRD)로 측정한 결과이다. 도 16에 도시된 결과에서 보듯이 Ta:Nb의 비율이 0.77:0.23로 결정화가 되었다는 것을 알 수 있다.
도 17은 비정질의 유리 기판 위에 비정질의 ITO를 증착하고, 그 위에 KTN을 박막 증착한 후 XRD로 측정한 결과이다. 도 17에 도시된 바와 같이, KTN 박막의 증착 전후에 전형적인 비정질 특성, 즉 특별한 피크(peak)가 관찰되지 않는 특성을 보였다. 결과적으로 KTN이 결정화되지 않았음을 알 수 있다. 한편, 도 18은 비정질의 유리 기판 위에 ZnO로 된 버퍼층을 먼저 증착하고, 그 위에 KTN 박막을 증착한 후에 XRD로 측정한 결과이다. 여기서, KTN의 격자 상수(a=3.99Å)와 가까운 격자 상수를 갖는 ZnO(a=3.3Å)에 Al 및 Ga 도핑을 함으로써, ZnO의 격자 상수를 KTN의 격자 상수와 더욱 비슷하게 하였다. 도 18을 참조하면, 31도 부근에서 KTN(110)의 피크가 관찰되었다. 따라서, XRD 결과로부터 KTN 박막이 결정화되어 증착된 것을 확인할 수 있었다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유리 기판 등과 같은 저가의 투명한 기판(10)을 사용하여 저온에서 결정질의 전광 박막층(14)을 형성할 수 있다. 따라서, 광 이미지 셔터를 제조하는 데 있어서 원가 절감 및 수율 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 유리 기판 위에 전광 결정을 박막의 형태로 형성할 수 있기 때문에, 결과적인 광 이미지 셔터는 작은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제조된 광 이미지 셔터의 총 두께는 100㎛ 내지 1mm, 기판을 제외하면 100㎛ 이하가 될 수 있다. 이러한 결정절의 전광 박막층(14)을 이용한 광 이미지 셔터는 수 ns의 매우 빠른 셔터 개폐 속도를 가질 수 있으며 대면적화가 가능하기 때문에, 카메라, 평판 디스플레이, 광변조기, 3D 카메라, LADAR 등과 같은 다양한 광학 장치에서 셔터로서 사용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법에 대한 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.
100,101,102,103,104,105.....투과형 광 이미지 셔터
200,201,202,203,204,205.....반사형 광 이미지 셔터
10.....비정질 투명 기판 11.....제 1 반사층
12.....제 1 투명 전극 13.....투명 버퍼층
14.....전광 박막층 15.....제 2 투명 전극
16.....제 2 반사층 17.....제 1 투명 전도성 버퍼층
18.....제 2 투명 전도성 버퍼층 20.....결정성 기판
21.....희생층

Claims (27)

  1. 투명한 비정질 기판;
    상기 투명한 비정질 기판 위에 배치된 제 1 반사층;
    상기 제 1 반사층 위에 배치된 결정질의 투명한 버퍼층;
    상기 투명한 버퍼층 위에 배치된 것으로, 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층;
    상기 전광 박막층 위에 배치된 투명 전극; 및
    상기 투명 전극 위에 배치된 제 2 반사층을 포함하는 광 이미지 셔터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 비정질 기판은 유리로 이루어진 광 이미지 셔터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전광 박막층의 격자 상수에 대한 상기 투명한 버퍼층의 격자 상수와의 차이는 20% 이하인 광 이미지 셔터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 전도성을 갖는 1차 버퍼층 및 상기 결정질의 전광 박막층과 동일한 결정 구조를 갖는 2차 버퍼층을 포함하는 광 이미지 셔터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 1차 버퍼층은 투명 전도성 산화물 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물 재료는 ITO, AZO, IZO, SnO2, In2O3 또는 ZnO계 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 버퍼층은 SrTiO3로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO 계 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO에 Al 또는 Ga을 1mol% 내지 5mol%로 도핑하여 형성되는 광 이미지 셔터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 ZnO 계 재료는 Al-In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, Sn-Ga-Zn-O 또는 Sn-Al-Zn-O를 포함하는 광 이미지 셔터.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO/Ag/ZnO의 다층 구조를 갖는 광 이미지 셔터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층과 상기 투명 전극은 동일한 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전광 박막층은 KTa1-xNbxO3(0≤x≤1)(KTN), LiNbO3(LN), Pb(ZrO1-xTix)O3(0≤x≤1)(PZT) 및 DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함하는 광 이미지 셔터.
  14. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 배치된 제 1 반사층;
    상기 제 1 반사층 위에 배치된 투명 전극;
    상기 투명 전극 위에 배치된 것으로, 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층;
    상기 전광 박막층 위에 배치된 결정질의 투명한 버퍼층; 및
    상기 투명한 버퍼층 위에 배치된 제 2 반사층을 포함하는 광 이미지 셔터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 전도성을 갖는 1차 버퍼층 및 상기 결정질의 전광 박막층과 동일한 결정 구조를 갖는 2차 버퍼층을 포함하는 광 이미지 셔터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 1차 버퍼층은 ITO, AZO, IZO, SnO2, In2O3 또는 ZnO계 재료로 이루어지며, 상기 2차 버퍼층은 SrTiO3로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO 계 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 광 이미지 셔터를 셔터로서 사용하는 광학 장치.
  19. 투명한 비정질 기판 위에 제 1 반사층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 반사층 위에 결정질의 투명한 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 투명한 버퍼층 위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층을 증착하는 단계;
    상기 전광 박막층 위에 투명 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 투명 전극 위에 제 2 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 결정질의 전광 박막층은 300℃ 이하의 저온에서 레이저 증착법(pulsed laser depostion; PLD)에 따라 형성되는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 전도성을 갖는 1차 버퍼층 및 상기 결정질의 전광 박막층과 동일한 결정 구조를 갖는 2차 버퍼층을 포함하는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 1차 버퍼층은 ITO, AZO, IZO, SnO2, In2O3 또는 ZnO계 재료로 이루어지며 상기 2차 버퍼층은 SrTiO3로 이루어지는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO 계 재료로 이루어지는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO에 Al 또는 Ga을 1mol% 내지 5mol%로 도핑하여 형성되는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 ZnO 계 재료는 Al-In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, Sn-Ga-Zn-O 또는 Sn-Al-Zn-O를 포함하는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 투명한 버퍼층은 ZnO/Ag/ZnO의 다층 구조를 갖도록 형성되는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
  27. 결정질 기판 위에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 위에 제 1 반사층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 반사층 위에 결정질의 투명한 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 투명한 버퍼층 위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 결정질의 전광 박막층을 증착하는 단계;
    상기 전광 박막층 위에 투명 전극을 형성하는 단계;
    상기 투명 전극 위에 제 2 반사층을 형성하는 단계;
    플립-칩 본딩 방식으로 투명 기판 위에 상기 제 2 반사층을 접합하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 제 1 반사층 위의 결정질 기판을 떼어내는 단계를 포함하는 광 이미지 셔터의 제조 방법.
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