KR20120133146A

KR20120133146A - 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120133146A
Application number: KR1020110051668A
Authority: KR
Inventors: 박용화; 스테파니 드퓌티에르; 마흘린느 기유-브히; 세바스띠앙 마흐죵
Original assignee: 삼성전자주식회사; 위니벨시떼 드 렌 1
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-12-10
Also published as: KR101912718B1; WO2012164405A3; WO2012164405A2

Abstract

광 이미지 셔터 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 광 이미지 셔터는, 전기장에 따라 굴절율이 변하는 전광 박막층, 전광 박막층을 사이에 두고 이격 배치된 제1 및 제2 전극 및 제1 전극과 전광 박막층의 사이 및 제2 전극과 상기 전광 박막층의 사이 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층를 포함한다.

Description

광 이미지 셔터 및 그 제조 방법{Optical image shutter and method of fabricating the same}

본 발명의 실시예는 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 장치에 널리 사용되는 광학 모듈이다.

최근, 카메라가 3차원 입체 이미지를 획득하기 위해 피사체의 거리 정보를 측정하는 기술이 연구되고 있다. 거리의 측정을 위해서 LED(Light Emitting Diode) 또는 LD(Laser Diode)를 이용하여 피사체에 특정 파장(예컨대, 850nm의 근적외선)의 광을 투사하고, 피사체로부터 반사된 광 이미지를 셔터링 한 후, 촬상소자를 통해 이미지를 획득한다. 그리고 획득된 이미지에 대한 일련의 처리 과정을 거쳐 거리 정보를 얻는다. 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 반도체 기판(10)의 광 셔터가 제시되고 있다. 반도체 기반의 광 셔터는 전광(electro-optical) 물질을 박막으로 형성하기 때문에 낮은 전압에서도 광 셔터 기능을 할 수 있어서, 반도체 기반의 광셔터 (Optical Shutter) 기술이 연구되고 있다.

본 개시는 누설 전류를 감소시킬 수 있는 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 유형에 따르는 광 이미지 셔터는, 전기장에 따라 굴절율이 변하는 전광 박막층; 상기 전광 박막층을 사이에 두고 이격 배치된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 전광 박막층의 사이 및 상기 제2 전극 및 상기 전광 박막층의 사이 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층;를 포함한다.

그리고, 상기 전광 박막층은 KTa₁ _- _xNb_xO₃(0≤x≤1)(KTN), LiNbO₃(LN), Pb(ZrO_1-xTi_x)O₃(0≤x≤1)(PZT) 및 DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 중에서 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 통전 방지층은 절연 물질로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 절연 물질의 격자 상수는 상기 전광 박막층의 격자 상수와 유사할 수 있다.

또한, 상기 통전 방지층은 ZrO2, TiO2, MgO, SrTiO3, Al2O3, HfO2, NbO, SiO2 및 Si3N4 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제1 전극의 하부에 배치되는 버퍼층; 상기 버퍼층의 하부에 배치되는 기판; 및 상기 제2 전극의 상부에 배치되는 반사층;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기판은 결정성 기판일 수 있다.

그리고, 상기 기판은 Si 및 GaAs, Sapphire 중 적어도 하나로 형성되고, 상기 제1 전극은 Pt, Cu, Ag, Ir, Ru, Al, Au 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 전극의 하부에 배치되는 제1 반사층; 상기 제1 반사층의 하부에 배치되는 기판; 및 상기 제2 전극의 상부에 배치되는 제2 반사층;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 기판은 투명한 비정질 기판이고, 상기 제1 전극은 투명 전도성 산화물 또는 투명 산화물 반도체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 전극은 SrTiO₃ 또는 ZnO 계 물질로 형성될 수 있다.

그리고, 제2 반사층의 반사율은 상기 제1 반사층의 반사율과 같을 수 있다.

한편, 본 발명의 일 유형에 따르는 광 이미지 셔터의 제조 방법은, 제1 반사층 위에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 위에 전기장에 따라 굴절율이 변하는 전광 박막층을 형성하는 단계; 상기 전광 박막층 위에 제2 전극을 형성하는 단계;상기 제2 전극위에 반사층을 형성하는 단계;를 포함하고,상기 전광 박막층의 형선 전 및 형성 후 단계 중 적어도 하나의 단계에 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 유형에 따르는 광 이미지 셔터의 제조 방법은, 결정질 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 위에 제1 반사층을 형성하는 단계; 상기 제1 반사층 위에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 전광 박막층을 형성하는 단계; 상기 전광 박막층위에 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제2 전극위에 제 2 반사층을 형성하는 단계; 플립-칩 본딩 방식으로 투명 기판위에 상기 제 2 반사층을 접합하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하여 상기 제 1 반사층 위의 상기 결정질 기판을 떼어내는 단계;를 포함하고, 상기 전광 박막층의 형선 전 및 형성 후 단계 중 적어도 하나의 단계에 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

본 개시의 일 실시예에 따른 광 이미지 셔터는 유리 기판 등과 같은 저가의 투명한 기판을 사용하여 저온에서 결정질의 전광 박막층을 형성할 수 있기 때문에 원가 절감 및 수율 향상 효과를 얻을 수 있다.

또한, 유리 기판위에 전광 결정을 박막의 형태로 형성할 수 있기 때문에, 결과적으로 광 이미지 셔터는 작은 두께를 가질 수 있다.

그리고, 전광 박막층과 전극들 사이에 전류의 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하기 때문에 누설 전류를 감소시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 전광 박막층의 격자 상수와 유사한 통전 방지층을 사용하기 때문에 전광 박막층 및 통전 방지층의 균열을 방지할 수 있다.

더욱이, 개시된 광 이미지 셔터는 대면적화가 가능하여 카메라용 셔터 및 평판 디스플레이용 셔터로도 활용이 가능하다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 광 이미지 셔터의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 광 이미지 셔터를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 이미지 셔터의 구조를 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 이미지 셔터 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시될 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102) 의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1 내지 3를 참조하면, 투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102)는 기판(10), 기판(10) 위에 배치되며 특정 파장 대역의 광을 반사시키는 제1 및 제2 반사층(11, 16), 제1 및 제2 반사층(11, 16) 사이에 배치되며 전기장에 따라 굴절율이 변하는 결정질의 전광 박막층(14), 전광 박막층(14)을 중심으로 제1 및 제2 반사층(11, 16) 사이에 이격 배치되어 전광 박막층(14)에 전기장을 인가시키는 제1 및 제2 전극(12, 15), 그리고, 제1 전극(12)과 전광 박막층(14)의 사이 및 제2 전극(15)과 전광 박막층(14)의 사이 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 전광 박막층(14)으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층(13, 17)를 포함한다.

기판(10)은 광이 투과될 수 있도록 투명한 비정질 물질, 예를 들어, 유리 등으로 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 반사층(11, 16)은 굴절률이 서로 다른 두 종류 이상의 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 제1 및 제2 반사층(11, 16)으로서 사용할 수 있다. 제1 반사층(11)과 제2 반사층(16)은 동일한 물질로 동일한 구조로 형성될 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제2 반사층(11, 16)의 반사율은 동일할 수 있으며, 각각 97% 이상일 수 있다. 그러면 입사광은 전광 박막층(14)을 가운데 두고 제1 반사층(11)과 제2 반사층(16) 사이에서 공진하며, 공진 모드에 해당하는 좁은 파장 대역의 광만이 투과될 수 있다. 따라서, 제1 반사층(11), 전광 박막층(14) 및 제2 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. 투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102)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 변하는 전광효과(Electro-Optical effect)를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 전광 박막층(14)의 물질로는, 예를 들어, KTa₁ _- _xNb_xO₃(0≤x≤1)(KTN), LiNbO₃(LN), Pb(ZrO₁ _-xTi_x)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 위해서 전광 박막층(14)은 a=3.9Å의 격자 상수를 갖는 사방정계(Perovskite material)의 구조를 갖을 수 있다.

제1 및 제2 전극(12, 15)은 전광 박막층(14)에 전기장을 인가하기 위한 것으로 동일한 물질로 형성될 수 있거나 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어,

예를 들어, 제1 전극(12)은 전광 박막층(14)의 격자 상수와 유사한 물질로 이루어진 투명 금속 산화물일 수 있다. KTN과 같은 전광 박막층(14)은 이미 결정화된 기판(10)에서만 결정 박막 성장이 가능하기 때문에 낮은 원가로 대량 생산이 가능한 유리와 같은 비정질 기판을 기판으로서 사용하기 어렵게 된다. 또한, Si, GaAs, Al₂O₃, MgO, SrTiO₃ 등과 같은 결정화된 기판을 사용하더라도, 약 700℃ 정도의 고온 공정으로 전광 박막층(14)을 형성할 수 있다. 그러나, 이러한 고온 공정은 유전체 박막으로 된 제1 반사층(11)과 제2 반사층(16)의 굴절률 변화 등과 같은 특성 변화를 초래할 수 있다.

그리하여, 전광 박막층(14)을 형성하기 전에, 하부층의 격자 상수에 관계 없이 300℃ 이하의 저온에서 결정화될 수 있는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)의 결정질 물질로 제1 전극(12)을 형성한다. 제1 전극(12)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 제1 전극(12)의 격자 상수가 조절될 수 있다. 이러한 제1 전극(12)으로 사용가능한 물질은 SrTiO₃일 수 있다. SrTiO₃는 KTN과 동일한 사방정계(Perovskite)의 구조를 가지며, 격자 상수도 또한 KTN과 유사하다.

한편, 투명 산화물 반도체인 ZnO 계의 물질도 격자 상수가 a=3.3Å로서 KTN의 격자 상수와 유사하다. ZnO도 역시 기판(10)의 결정성과 관계 없이 300℃ 이하의 저온에서 쉽게 결정화될 수 있다. 또한, ZnO는 도핑에 의해 격자 상수를 쉽게 조절할 수 있으며 전기전도도도 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 물질도 제1 전극(12)을 형성하기 위해 이용될 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 물질을 제1 전극(12)으로 이용할 수 있다. 이 경우, Al, In, Ga, Sn의 조성을 변화시킴으로써, 제1 전극(12)의 격자 상수 및 전기전도도를 원하는 값으로 조절하는 것이 가능하다. 또한, ZnO 계 물질 사이에 전기전도도가 우수한 금속인 Ag를 박막 형태로 개재한 ZnO/Ag/ZnO 구조로 제1 전극(12)을 형성하면, 단일 ZnO로 된 제1 전극(12)에 비하여 전기전도도가 더욱 향상될 수 있다. 이러한 방식으로 제1 전극(12)을 형성하고 그 다음에 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.

그리고, 제2 전극(15)은 일반적인 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO₂(Tin oxide) 또는 In₂O₃ 등으로 형성될 수 있다. 물론 제2 전극(15)도 제1 전극(12)의 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다.

통전 방지층(13, 17)은 제1 및 제2 전극(12, 15) 중 적어도 하나와 전광 박막층(14)간의 전기적 통전을 방지한다. 광 이미지 셔터는 CCD　또는 CMOS 센서의 촬상면의 크기에　대응하여야 한다. 이를 위해 광 이미지 셔터의 구경은 CCD　또는 CMOS 센서의 액티브 영역(Active Area)의 크기와 유사한 크기, 예를 들어, 대각 1cm 내외의 큰 구경을 갖어야 한다. 이와 같은 큰 구경을 갖는 전광 박막층(14)을 제1 전극(12)에 증착하게 되면 전광 박막층(14)상에 결점(defect)이 존재할 수 있다. 이러한 결점은 전광 박막층(14)의 아래에 위치한 제1 전극(12) 또는 위에 위치한 제2 전극(15)과 전광 박막층(14)간의 전기적 통전을 발생시킬 수 있다. 그리고, 상기한 전기적 통전은 쇼트를 발생시켜 브레이크다운(breakdown)에 도달할 수도 있다. 따라서 전광 박막층(14)과 전극 사이에 통전을 방지시키는 통전 방치층을 삽입할 필요가 있다.

통전 방지층(13, 17)은 ZrO₂, TiO₂, MgO, CeO₂, Al₂O₃, HfO₂, NbO, SiO₂, Si₃N₄중 적어도 하나를 포함하는 절연 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 통전 방지층(13, 17)의 절연 물질은 전광 박막층(14)의 물질 특성에 따라 그 종류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 통전 방지층(13, 17)은 전광 박막층(14)의 격자 상수와 유사한 절연 물질을 사용할 수 있다. 그리하여, 전광 박막층(14)으로 KTN을 사용하는 경우, KTN의 격자 상수와 유사한 격자 상수를 갖는 MgO을 통전 방지층(13, 17)으로 이용할 수 있다. KTN의 격자 상수가 a=3.3Å일 때, 격자 상수가 a=4.21Å인 MgO을 통전 방지층(13, 17)으로 이용할 수 있다.

통전 방지층(13, 17)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1 전극(12)과 전광 박막층(14) 사이에 배치될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 전광 박막층(14)과 제2 전극(15)사이에 배치되는 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극(12)과 전광 박막층(14) 사이 및 전광 박막층(14)과 제2 전극(15) 사이에 배치될 수 있다.

한편, 전광 박막층(14)이 KTN으로 구성될 경우, 통전 방지층(13, 17)으로 SiO₂보다는 MgO를 사용하는 것이 통전 방지효과가 보다 크다. 왜냐하면, MgO와 KTN의 결정상수가 유사하여 동일 기판(10)상에 조밀한 결정박막 증착이 가능하기 때문이다. 하기 표 1은 통전 방지층(13, 17)으로 이용가능한 SiO₂, MgO과 전광 박막층(14)으로 이용가능한 KTN의 물리적 특징을 도시한 표이다.

Characteristics	SiO₂	MgO	KTN
Dielectric permittivity ( )	3.9	9.6-9.8
Energy gap (eV)	9	7.8
Thermal expansion coefficients(10^-6K^-1)	0.5	11.15	5.6

표 1에 도시된 바와 같이, SiO₂ 및 MgO는 7eV 이상의 에너지 밴드갭을 가지므로 절연성이 우수하다. 또한 MgO는 SiO₂ 대비 유전율이 2배 가량 우수하여 KTN의 인가 전계를 2배 이상 높일 수 있는 효과가 있다. 그리고, MgO의 열팽창계수는 SiO₂에 비해 KTN에 더 가까워 공정중 발생가능한 온도 변화에 의한 응력이 SiO₂에 비해 상대적으로 작다. 그리하여 통전 방지층(13, 17)으로 MgO를 사용하면, MgO또는 KTN 층의 균열을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, MgO의 디퓨전(diffusion)이 KTN에서 발생한다면, 디퓨젼은 유전 손실의 감소에 기여하는 도핑 효과를 초래할 수 있다. 그리하여 누설 전류(leakage current)가 감소되는 효과가 있다.

한편, 광 이미지 셔터의 동작 원리는 다음과 같다. 광 이미지 셔터의 중심 파장

는 하기 수학식 1과 같이 전광 박막층(14)의 굴절률과 두께에 따라 결정된다.

여기서 m은 양의 정수이고, n 과 d는 각각 전광 박막층(14)의 굴절률과 두께이다.

한편, 전광 효과는 전광 박막층(14)에 전계를 인가하면 전광 박막층(14)의 굴절률이 변화하는 효과를 의미하는데, 포켈 효과(Pockel effect) 및 커 효과(Kerr effect)등이 있다. 커 효과를 고려하면 굴절률 변화값(n')은 수학식 2와 같이 제1 및 제2 전극(12, 15)에 가해지는 전압차V의 함수로 나타낼 수 있다.

여기서

는 전광 박막층(14)의 커계수(Kerr efficient)로서, KTN인 경우 커계수는

이다. 즉 전광 박막층(14)의 아래 및 위에 배치된 제1 및 제2 전극(12, 15)에 전압을 인가하면 전광 효과에 의해 전광 박막층(14)의 굴절률이 변화하고 그에 따라서 수학식 1에서 정의된 광이미지　셔터의 중심파장도 하기 수학식 3과 같이 변하게 된다.

따라서 제1 및 제2 전극(12, 15)에 인가하는 전압차를 조절하여 광 이미지 셔터의 광투과 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전에는 약 850nm의 중심 파장을 갖는 광이 광 이미지 셔터를 통과할 수 있다면, 전광 박막층(14)의 상하부에 20V의 전압이 인가되는 경우, 전광 박막층(14)내에 전기장이 발생하게 되어 굴절률이 변화한다. 그러면, 광 이미지 셔터의 투과 특성이 변하면서 약 870nm의 중심 파장을 갖는 광이 광 이미지 셔터를 통과할 수도 있다. 여기서, 투과되는 파장인 850nm, 870nm 은 단지 예시적인 것으로, 전광 박막층(14)의 굴절률 및 두께와 제 1 및 제 2 반사층의 설계에 따라 투과 파장의 조절이 가능하다. 전광 박막층(14)에 전기장이 인가되기 전과 인가된 후의 광투과 특성이 변경되어 광 이미지 셔터는 특정파장 대역을 갖는 광을 전기적으로 제어하는 셔터의 역할을 할 수 있다.

투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102)에 포함된 각 층의 증착은 화학기상증착, 스퍼터링, PLD(Pulsed Laser Deposion) 방법 등을 사용할 수 있다. 그러나 투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102)에 유리 기판(10)을 사용하는 경우, 유리 기판(10)은 비결정 기판인 반면 제1 반사층은 결정성 물질이므로, 제1 반사층이 유리 기판(10)에 결정화하기 어려울 수 있다. 이와 같은 경우, 결정성이 좋은 기판(10)을 사용하여 제1 반사층, 제1 전극(12), 통전 방지층(13, 17), 전광 박막층(14), 제2 전극(15) 및 제2 반사층을 순차적으로 형성한 후에, 상기 형성된 투광성 광 이미시 셔터의 일부를 플립-칩 본딩(flip-chip bonding) 기법으로 유리와 같은 투명 기판(10)에 접합하는 것도 가능하다. 도 4a 내지 도 4d는 이러한 방식으로 광 이미지 셔터를 제조하는 방법을 도시하고 있다.

먼저, 도 4a를 참조하면, Si 이나 GaAs와 같은 결정성 기판(20) 위에 희생층(21), 제2 반사층(16) 및 제2 전극(15)을 차례로 형성한다. 결정성 기판(20)은 이후에 제거될 것이기 때문에 반드시 투명할 필요는 없으며, 단지 결정성이 우수한 물질로 이루어지면 된다. 그리고, 제2 반사층(16) 및 제2 전극(15)에 대해서는 앞서 설명한 그대로 적용된다. 그런 후, 제2 전극(15) 위에 전광 박막층(14), 통전 방지층(13), 제1 전극(12) 및 제1 반사층(11)을 계속하여 형성할 수 있다. 여기서, 전광 박막층(14)은 예를 들어 5㎛ 또는 그 이하의 두께로 형성될 수 있다.

다음으로 도 4b를 참조하면, 예를 들어 플립-칩 본딩 기법을 이용하여 제1 반사층(11)을 유리와 같은 투명한 기판(10) 위에 접합한다. 그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이 희생층(21)을 제거하면, 결정성 기판(20)이 제1 반사층(11)으로부터 떨어지게 된다. 그러면 최종적으로 도 4d와 같은 구조의 투과형 광 이미지 셔터(100)가 형성될 수 있다.

도 4d에 도시된 투과형 광 이미지 셔터(100)의 경우, 통전 방지층(13)이 전광 박막층(14) 및 제1 전극(12) 사이에 형성되지만, 전광 박막층(14)과 제2 전극(15) 사이에 통전 방지층(17)이 형성될 수도 있다. 뿐만 아니라, 전광 박막층(14)과 제1 전극(12) 사이 및 전광 박막층(14)과 제2 전극(15) 사이 모두에 통전 방지층(13, 17)이 형성될 수 있다.

지금까지는 투과형 광 이미지 셔터(100, 101, 102)에 대해 설명하였지만, 위에서 설명한 것과 동일한 구조로 반사형 광 이미지 셔터를 구성하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 광 이미지 셔터(300, 301, 302)의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 반사형 광 이미지 셔터(300)는 기판(30), 기판(30) 위에 배치된 버퍼층(31), 버퍼층(31) 위에 배치된 제1 전극(32), 제1 전극(32) 위에 배치된 통전 방지층(33, 37), 통전 방지층(33, 37) 위에 배치된 전광 박막층(34), 전광 박막층(34) 위에 배치된 제2 전극(35) 및 제 2 전극(35) 위에 배치된 반사층(36)을 포함할 수 있다.

도 5에 도시된 반사형 광 이미지 셔터(300)는 반사형이기 때문에, 투명한 기판을 사용할 필요가 없다. 예를 들어 반사형 광 이미지 셔터(300)는 Si이나 GaAs와 같은 결정성 기판(30)을 사용할 수 있다.

그리고, 버퍼층(31)은 제1 전극(32)을 기판(31)위에 결정화하기 위한 층으로서, 제1 전극(32)의 열팽창 계수와 기판(30)의 열팽창 계수 사이의 열 팽창 계수를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(31)은 Si0₂, P₂O₅, TiO₂, Li₂O, BaO 등의 산화물 중 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.

또한, 반사형 광 이미지 셔터(200)의 경우, 반사형으로 동작하기 위해 제1 전극(31)은 불투명한 물질일 수 있다. 그리고, 제1 전극(32)은 높은 전기 전도성과 반사율을 갖는 Pt, Cu, Ag, Ir, Ru, Al, Au 중 적어도 하나를 포함하는 금속 물질일 수 있다. 제1 전극(32)의 반사율은, 예를 들어, 약 90%이상일 수 있다.

통전 방지층(33)은 ZrO₂, TiO₂, MgO, CeO₂, Al₂O₃, HfO₂, NbO, SiO₂, Si₃N₄중 적어도 하나를 포함하는 절연 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 통전 방지층(33)의 절연 물질은 전광 박막층(34)의 물질 특성에 따라 그 종류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 통전 방지층(33)은 전광 박막층(34)의 격자 상수와 유사한 절연 물질을 사용할 수 있다. 그리하여, 전광 박막층(34)으로 KTN을 사용하는 경우, KTN의 격자 상수와 유사한 격자 상수를 갖는 MgO을 통전 방지층(33)으로 이용할 수 있다. KTN의 격자 상수가 a=3.3Å일 때, 격자 상수가 a=4.21Å인 MgO을 통전 방지층(33)으로 이용할 수 있다.

전광 박막층(34)은 인가된 전기장의 크기에 따라 굴절률이 변하는 전광효과(Electro-Optical effect)를 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 전광 박막층(34)의 물질로는, 예를 들어, KTa₁ _- _xNb_xO₃(0≤x≤1)(KTN), LiNbO₃(LN), Pb(ZrO₁ _-xTi_x)O₃(0≤x≤1)(PZT), DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 등의 결정을 이용할 수 있다. 전광 박막층(34)의 전광 효과를 향상시키기 위해서는 전광 박막층(34)의 결정성과 방향성을 제어하는 것이 중요하다. 예를 들어, KTN의 경우에, 전광 효과를 위해서 전광 박막층(34)은 a=3.9Å의 격자 상수를 갖는 사방정계(Perovskite material)의 구조를 갖을 수 있다.

제2 전극(35)은 일반적인 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO₂(Tin oxide) 또는 In₂O₃ 등으로 형성될 수 있다.

반사층(36)은 낮은 반사율, 예를 들어, 약 50% 정도일 수 있다. 따라서, 입사광은 제1 전극(31)과 반사층(36) 사이에서 패브리-페로 공진을 하며, 최종적으로는 반사율이 상대적으로 낮은 반사층(36)으로 출력된다. 반사층(36)은 굴절률이 서로 다른 두 종류 이상의 투명한 유전체 박막을 번갈아 적층함으로써 특정 파장 대역의 광에 대해 반사도를 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 통전 방지층(33, 37)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 광전 박막층(34)과 제2 전극(35)사이에도 배치될 수 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 반사형 광 이미지 셔터(300, 301, 302)는 플립-칩 본딩 기법으로 버퍼층(31)을 기판(30)에 증착시킬 수 있다. 그리고, 통전 방지층(33 및/또는 37) 및 전광 박막층(34)는 PLD 증착 공정으로 증착할 수 있다. 따라서, 반사형 광 이미지 셔터(300, 301, 302)는 기판(30) 위에 버퍼층(31), 제1 전극(32) 등의 순서로 순차적으로 적층될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유리 기판 등과 같은 저가의 투명한 기판을 사용하여 저온에서 결정질의 전광 박막층을 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.

또한, 전광 박막층과 전극들 사이에 전류의 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하기 때문에 누설 전류를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전광 박막층의 격자 상수와 유사한 통전 방지층을 사용하기 때문에 전광 박막층 및 통전 방지층의 균열을 방지할 수 있다.

이러한 결정질의 전광 박막층을 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.

10, 30 : 기판 11 : 제1 반사층
12, 32 : 제1 전극 13, 17, 33, 37 : 통전 방지층
14, 34 : 전광 박막층 15, 35 : 제2 전극
16 : 제2 반사층 31 : 버퍼층
36 : 반사층

Claims

전기장에 따라 굴절율이 변하는 전광 박막층;
상기 전광 박막층을 사이에 두고 이격 배치된 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 전광 박막층의 사이 및 상기 제2 전극 및 상기 전광 박막층의 사이 중 적어도 하나의 영역에 배치되어 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층;를 포함하는 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 전광 박막층은 KTa₁ _- _xNb_xO₃(0≤x≤1)(KTN), LiNbO₃(LN), Pb(ZrO₁ _-xTi_x)O₃(0≤x≤1)(PZT) 및 DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4 stilbazolium) 중에서 적어도 하나의 물질을 포함하는 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 통전 방지층은 절연 물질로 형성된 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 절연 물질의 격자 상수는 상기 전광 박막층의 격자 상수와 유사한 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 통전 방지층은 ZrO2, TiO2, MgO, SrTiO3, Al2O3, HfO2, NbO, SiO2 및 Si3N4 중 적어도 하나로 이루어진 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극의 하부에 배치되는 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층의 하부에 배치되는 기판; 및
상기 제2 전극의 상부에 배치되는 반사층;를 더 포함하는 광 이미지 셔터.
제 6항에 있어서,
상기 기판은 결정성 기판인 광 이미지 셔터.
제 7항에 있어서,
상기 기판은 Si, GaAs 및 Sapphire 중 적어도 하나로 형성되고, 상기 제1 전극은 Pt, Cu, Ag, Ir, Ru, Al, Au 중 적어도 하나로 형성된 광 이미지 셔터.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극의 하부에 배치되는 제1 반사층;
상기 제1 반사층의 하부에 배치되는 기판; 및
상기 제2 전극의 상부에 배치되는 제2 반사층;를 더 포함하는 광 이미지 셔터.
제 9항에 있어서,
상기 기판은 투명한 비정질 기판이고, 상기 제1 전극은 투명 전도성 산화물 또는 투명 산화물 반도체로 형성된 광 이미지 셔터.
제 10항에 있어서,
상기 제1 전극은 SrTiO₃ 또는 ZnO 계 물질로 형성되는 광 이미지 셔터.
제 9항에 있어서,
제2 반사층의 반사율은 상기 제1 반사층의 반사율과 같은 광 이미지 셔터.
제1 반사층 위에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 위에 전기장에 따라 굴절율이 변하는 전광 박막층을 형성하는 단계;
상기 전광 박막층 위에 제2 전극을 형성하는 단계;
상기 제2 전극위에 반사층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 전광 박막층의 형선 전 및 형성 후 단계 중 적어도 하나의 단계에 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하는 단계;를 포함하는 광 이미지 셔터 제조 방법.
결정질 기판 위에 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 위에 제1 반사층을 형성하는 단계;
상기 제1 반사층 위에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극위에 전기장에 따라 굴절률이 변화하는 전광 박막층을 형성하는 단계;
상기 전광 박막층위에 제2 전극을 형성하는 단계;
상기 제2 전극위에 제 2 반사층을 형성하는 단계;
플립-칩 본딩 방식으로 투명 기판위에 상기 제 2 반사층을 접합하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하여 상기 제 1 반사층 위의 상기 결정질 기판을 떼어내는 단계;를 포함하고,
상기 전광 박막층의 형선 전 및 형성 후 단계 중 적어도 하나의 단계에 상기 전광 박막층으로의 전류 유입을 방지하는 통전 방지층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 광 이미지 셔터 제조 방법.