KR20150023227A - 광 변조기, 촬상 소자 및 표시 장치 - Google Patents

광 변조기, 촬상 소자 및 표시 장치 Download PDF

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Abstract

원하는 파장 영역의 광의 투과 광량을 전기적으로 고속 제어할 수가 있고, 광 변조기를 포함하는 소자의 크기를 감소시킬 수 있는 광 변조기가 제공된다. 광 변조기는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함한다. 상기 광 변조기를 각각 포함하는 촬상 소자 및 표시 장치 또한 제공된다.

Description

광 변조기, 촬상 소자 및 표시 장치{OPTICAL MODULATOR, IMAGING DEVICE AND DISPLAY APPARATUS}
본 발명은 광 변조기, 촬상 소자 및 표시 장치에 관한 것으로, 특히, 그래핀(graphene)을 이용한 광 변조기, 이러한 광 변조기를 이용한 촬상 소자 및 표시 장치에 관한 것이다.
촬상 소자에 있어서, 입사광량을 소정의 광량으로 제어하여 다이나믹 레인지를 확대할 필요가 있다. 또한, 액정 디스플레이나 유기 일렉트로루미네센스 디스플레이(유기 EL 디스플레이) 등의 표시 장치에 있어서, 표시에 이용되는 광량을 소정의 값으로 제어하여 계조를 표현할 필요가 있다. 또한, 이러한 광량 제어가 행해질 경우, 광량을 소정의 속도로 바꿀 필요가 있다.
종래 기술에서, 전기적으로 광량을 제어하는 방법으로서, 예를 들면, 액정 분자의 배향을 제어하는 방법 및 분자 구조의 가역적인 변화를 이용한 일렉트로크로믹 재료(산화 텅스텐, 바이올로겐 등)를 이용하는 방법(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 비특허문헌 1 참조)이 있다.
그러나, 액정 분자의 배향을 제어하는 방법은, 액정 분자의 배향 동작에 기인해서 응답 속도가 충분히 빠르지 않고, 액정 분자에 의한 투과 광량의 손실이 크기 때문에, 투과 모드에서의 투과율이 충분하지 않다. 또한, 액정부에서는 배향부 및 전극부가 대형화된다는 문제가 있다. 또한, 일렉트로크로믹 재료를 이용하는 방법에 의해 얻어지는 응답 속도는, 응답 시간이 ㎳ 차수로, 액정 분자의 배향을 이용하는 방법에 의해 얻어지는 것과 비교해서 늦어, 광량을 조정할 수 있는 파장 영역에 제한이 있다. 또한, 이들의 방식을 이용하여 광량 제어 기구의 크기를 감소시키기는 어렵기 때문에, 예를 들면 고체 촬상 소자의 각각의 화소마다 광량을 제어하는 것은 곤란하다.
한편, 최근, 그래핀이 상당히 주목받고 있다. 그래핀은 탄소 원자만으로 이루어지는 단원자층의 차수의 두께를 가지는 2차원 재료이며, 선형 밴드 구조를 가진다는 점에서 일반적인 반도체와는 상이한 제로 갭 반도체이다. 이 그래핀의 표면에 도펀트가 흡착되어, 즉 화학적 도핑을 행함으로써 캐리어를 유기시켜, 그래핀의 페르미 준위를 시프트시키는 것이 가능하다. 이 페르미 준위의 시프트량의 에너지를 ΔEF로 하면, 상기의 특유한 밴드 구조로부터 2|ΔEF| 이하의 에너지의 광 흡수가 금지된다.
종래 기술에서, 그래핀의 흡수율을 전기적으로 제어하는 소자로서, 다음과 같은 소자가 보고된다(비특허문헌 2 참조). 이 소자에서는, SiO2막 위에 그래핀을 형성하고, 이 그래핀의 일단에 소스 전극을 형성하고, 타단에 드레인 전극을 형성한다. 그리고, 이들 SiO2막, 소스 전극 및 드레인 전극을 이온 겔에 의해 덮고, 그 위에 게이트 전극을 형성한다. 소스 전극을 접지하고, 게이트 전극에 게이트 전압을 인가함으로써, 이온 겔을 개재해서 그래핀에 전계를 인가함으로써 흡수율을 제어한다.
또한, 그래핀의 흡수율을 전기적으로 제어하는 소자로서는, 테라헤르츠 광 통신을 위한 그래핀 기반 도파로 집적형 광 변조기도 보고된다(비특허문헌 3 참조). 이 그래핀 기반 도파로 집적형 광 변조기는, 실리콘 도파로 위에 산화 알루미늄(Al2O3)을 개재해서 그래핀이 형성된 구조를 가지고, 실리콘 도파로를 통해 전달되는 광이 그래핀에 의해 흡수 및 감쇠되는 정도를 외부 전압의 인가를 통해 제어한다. 이 그래핀 기반 도파로 집적형 광 변조기에서는, 전압 인가에 의해 그래핀의 페르미 준위를 시프트시킴으로써 적외선 영역의 광 흡수율을 제어하고 있다.
일본 비심사 특허 출원 공개 평6-165003호 공보 일본 비심사 특허 출원 공개 평8-160340호 공보
Chem. Mater., 2009, 21(7), pp.1381-1389 Nature 471, 617(2011) LETTER(2011) doi: 10.1038/nature10067 Adv. Mater. 18, 1657(2006)
그러나, 비특허문헌 2에서 보고된 소자에서는, 이온 겔을 개재해서 큰 전압을 인가하면 이온 겔의 분해가 진행된다. 이 때문에, 예를 들면, 가시광 영역 전역의 광량 제어에 필요한 33μC/㎝2 이상의 캐리어를 그래핀에 축적할 수 없다. 또한, 이 소자의 크기를 감소시키는 것은 곤란하다.
또한, 비특허문헌 3에서 보고된 그래핀 기반 도파로 집적형 광 변조기는, 실리콘 도파로를 통해 전파되는 테라헤르츠 영역의 광을 주변의 그래핀을 이용해서 감쇠시킬 뿐, 기판에 실리콘을 이용하기 때문에, 외부로부터의 입사광의 광량을 제어하는 기능은 가지지 않는다.
원하는 파장 영역에서 투과 광량을 전기적으로 고속 제어할 수 있고, 소자의 크기를 감소시킬 수 있는 투과 광량 제어 소자, 즉, 광 변조기를 제공하는 것이 바람직하다.
상기의 광 변조기를 이용하여 뛰어난 촬상 소자 및 표시 장치를 제공하는 것 또한 바람직하다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀과 유전체층에 의해 형성된 접합을 포함하고, 상기 접합에 전압을 인가해서 상기 그래핀에 축적되는 전하량을 제어함으로써 투과 광량을 제어하는 광 변조기가 제공된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀과 유전체층에 의해 형성된 접합을 가지고, 상기 접합에 전압을 인가해서 상기 그래핀에 축적되는 전하량을 제어함으로써 투과 광량을 제어하는 광 변조기를 수광부가 포함하는 촬상 소자가 제공된다.
이러한 촬상 소자에서는, 수광부에 입사하는 광의 광량이 광 변조기에 의해 제어된다. 촬상 소자는 CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀과 유전체층에 의해 형성된 접합을 가지고, 상기 접합에 전압을 인가해서 상기 그래핀에 축적되는 전하량을 제어함으로써 투과 광량을 제어하는 광 변조기를 발광부가 포함하는 표시 장치가 제공된다.
이 표시 장치에서는, 표시를 행하기 위해 발광부로부터 방사되는 광의 광량이 광 변조기에 의해 제어된다. 이 표시 장치는, 예를 들면, 액정 디스플레이, 유기 EL 디스플레이 등을 포함한다.
상기의 광 변조기에서는, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀과 유전체층에 의해 형성된 접합에 전압을 인가하면, 그 그래핀에 면하는 유전체층의 면에 그 전압의 극성에 따라서 양 또는 음의 전하가 유기되고, 그것에 의해서 그 그래핀에 음 또는 양의 전하가 축적된다. 이렇게 해서, 축적되는 전하량에 따라서 이 그래핀에 의해 투과율 변조가 가능한 광의 파장 영역이 정해지고, 축적 전하량이 증가함에 따라, 보다 파장이 짧은 파장 영역의 광의 투과율 변조, 즉 광 변조가 가능해진다. 광 변조를 행하는 광의 파장 영역은 이 광 변조기에 요구되는 특성 등에 따라서 적절히 선택될 수 있지만, 예를 들면, 8㎛ 이상, 혹은 1.4㎛ 이상, 혹은 380㎚ 이상의 파장 영역의 광 변조가 행해질 수 있다. 예를 들면, 한 층의 그래핀에 1μC/㎝2 이상의 전하를 축적시키면 2.2㎛ 이상의 파장 영역의 광 변조가 가능해지고, 33μC/㎝2 이상의 전하를 축적시키면 가시광 영역 전역의 광 변조가 가능해진다.
상기의 광 변조기에서는, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀은, 유전체층의 한쪽의 면에 마련되어도 되고, 유전체층의 양쪽의 면에 마련되어도 된다. 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀이 유전체층의 한쪽의 면에만 마련될 경우, 유전체층의 다른 쪽의 면에는 투과율 변조층을 구성하지 않는 전극이 마련된다.
상기의 적어도 한 층의 그래핀은 한 층의 그래핀이거나, 복수 층의 그래핀이 적층된 적층 그래핀이어도 된다. 그래핀 한 층 당 투과율 변조 폭은 2%정도이므로, 투과율 변조 폭(혹은 광 변조량)을 크게 하기 위해서 적층 그래핀을 이용한다.
상기의 적어도 한 층의 그래핀에는, 필요에 따라서 화학적 도핑을 행할 수 있고, 이것에 의해 그래핀의 페르미 준위를 제어하여 그래핀에 캐리어를 발생시킬 수 있다. 이렇게 함에 따라, 전압 인가에 의해 유기되는 캐리어 및 화학적 도핑에 의해 도입되는 동극성의 캐리어에 의해, 광 변조를 행하기 위한 광의 파장 영역에서의 투과율 변조를 행하기 위해서 그래핀에 축적시킬 필요가 있는 캐리어 밀도를 용이하게 얻을 수 있고, 혹은, 광 변조를 행하기 위해 인가할 필요가 있는 전압을 작게 할 수 있다. 예를 들면, 화학적 도핑에 의해 그래핀에 1μC/㎝2 이상의 전하를 축적시켰을 경우에는, 전압 인가에 의해 1㎛ 이하의 파장 영역에서의 광 변조가 행해질 수 있다. 화학적 도핑을 행하기 위해, 구체적으로는,그래핀 위에 도펀트층을 형성한다. 도펀트층은, 전자 수용형(p형)의 도펀트층이어도 되고, 혹은 전자 공여형(n형)의 도펀트층이어도 된다. 전자 공여형의 도펀트층을 형성한 그래핀에는 각각 음전하를 가지는 캐리어인 전자가 도입되기 때문에, 이 그래핀 측이 음 전위 측이 되는 전압을 인가함으로써 이 그래핀에 전자가 발생되면, 이 그래핀의 캐리어 밀도, 즉, 축적 전하량이 증가하여, 화학적 도핑을 행하지 않을 경우에 비해 광 변조를 행할 수 있는 광의 파장 영역을 넓힐 수 있다. 또한, 전자 수용형의 도펀트층을 형성한 그래핀에는 각각 양전하를 가지는 캐리어인 정공이 도입되기 때문에, 이 그래핀 측이 양 전위 측이 되는 전압을 인가함으로써 정공이 발생되면, 이 그래핀의 캐리어 밀도, 즉, 축적 전하량이 증가하여, 화학적 도핑을 행하지 않을 경우에 비해 광 변조를 행할 수 있는 광의 파장 영역을 넓힐 수 있다. 전자 공여형의 도펀트층을 형성한 그래핀에 이 그래핀 측이 양 전위 측이 되는 전압을 인가하면, 이 그래핀에는 정공이 발생하여, 캐리어 밀도, 즉, 축적 전하량이 감소해서 전압 인가 시에 투과율이 작아진다.
유전체층을 구성하는 유전체는 필요에 따라서 선택되지만, 전압 인가에 의해 그래핀에 축적되는 전하량을 크게 하기 위해서는, 적합하게는, 비유전율이 큰 유전체(상유전체(paraelectric substance) 혹은 고유전체), 예를 들면 비유전율이 2.0 이상의 유전체, 보다 적합하게는 비유전율이 4.0 이상의 유전체, 더욱 적합하게는 비유전율이 8.0 이상의 상유전체를 이용할 수 있다. 유전체층을 구성하는 유전체로서는, 자발 분극을 가지는 강유전체를 이용할 수도 있다. 유전체층을 구성하는 유전체로서 강유전체를 이용할 경우에는, 접합에 양 및 음의 전압을 인가함으로써 그 강유전체의 분극을 반전시켜, 예를 들면 8μC/㎝2의 전하를 축적함으로써, 가시광 영역의 파장의 광의 광 변조가 행해질 수 있다. 유전체층은 전형적으로는 고체이지만, 액정 분자, 특히 비유전율이 높은 액정 분자로 이루어지는 액정층이 이용되어도 되고, 적합하게는, 전압 인가 시에 투과율이 향상되는 액정 분자로 이루어지는 액정층이 이용된다. 유전체층으로서 액정층을 이용할 경우에는, 광 변조기는 액정 필터이며, 그래핀을 이 액정 필터의 구동 전극으로 이용할 수 있다. 이러한 액정 필터에서는, 액정층 및 그래핀에 의해 광 변조를 행할 수 있다. 유전체층을 구성하는 유전체로서는 이온 액체 혹은 고체 전해질을 이용할 수도 있다.
필요에 따라서, 유전체층 및 그 양면에 마련되는 전극의 전체의 두께를, 광 변조를 행하기 위한 파장을 가지는 광이 그 내부에서 다중 반사되도록 조절하여도 된다. 이렇게 함에 따라, 그래핀 한 층 당의 투과율 변조 폭을, 예를 들면 2.3% 이상으로 크게 할 수 있다.
필요에 따라서, 그래핀 위에 금속 나노 입자나 금속 나노 와이어를 형성하고, 그의 표면 플라즈몬 폴라리톤을 이용하여 그래핀 한 층 당의 투과율 변조 폭을, 예를 들면 2.3% 이상으로 크게 할 수 있다.
필요에 따라서, 광 변조량을 개선하기 위해서 발생되는 광 변조량의 파장 의존성을 광학 조정층을 적층함으로써 해소하는 것도 가능하다.
필요에 따라서, 복수의 광 변조기를 광의 입사 방향에 배치함으로써 투과율 변조 폭을 크게 할 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 본 발명은 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 및 제2 전극의 사이에 제공되는 유전체층을 포함하는 광 변조기를 제공한다. 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함한다.
일 실시 형태에 따르면, 본 발명은 수광부를 포함하는 촬상 소자를 제공한다. 수광부는 수광부에 입사하는 광의 광량을 제어하는 광 변조기를 포함한다. 광 변조기는 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 및 제2 전극의 사이에 제공되는 유전체층을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함한다.
일 실시 형태에 따르면, 본 발명은 발광부를 포함하는 표시 장치를 제공한다. 발광부는 표시를 행하기 위해 발광부로부터 방사되는 광량을 제어하는 광 변조기를 포함한다. 광 변조기는 제1 전극과, 제2 전극과, 제1 및 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 원하는 파장 영역의 광의 투과 광량을 전기적으로 고속 제어할 수가 있고, 크기가 감소된 광 변조기를 얻을 수 있다. 그리고, 예를 들면, 촬상 소자에서는, 이 우수한 광 변조기를 수광부에 이용하여 다이나믹 레인지를 용이하게 확대할 수가 있어, 우수한 촬상 소자를 실현할 수 있다. 또한, 표시 장치에서는, 이 우수한 광 변조기를 발광부에 이용하여 계조 표현을 용이하게 행할 수 있어, 우수한 표시 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타내는 개략도.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제1 구성예를 나타내는 개략도.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제2 구성예를 나타내는 개략도.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제3 구성예를 나타내는 개략도.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기에서 전극을 구성하는 그래핀의 축적 전하량과 임계 파장의 관계를 나타내는 개략도.
도 6는 합성 직후의 그래핀 및 화학적 도핑을 행한 그래핀의 투과 스펙트럼의 측정 결과를 나타내는 개략도.
도 7은 진성 그래핀의 밴드 구조를 나타내는 개략도.
도 8은 정공 도핑을 행한 그래핀의 밴드 구조를 나타내는 개략도.
도 9는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기에서 전극을 구성하는 그래핀에 1×1014/㎝2의 농도의 화학적 도핑을 행한 경우에 광 변조기에 인가되는 전압 V와 그래핀에 축적되는 캐리어 밀도 n의 관계를 나타내는 개략도.
도 10은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기에서 전극을 구성하는 그래핀에 2.5×1013/㎝2의 농도의 화학적 도핑을 행한 경우에 광 변조기에 인가되는 전압 V와 그래핀에 축적되는 캐리어 밀도 n의 관계를 나타내는 개략도.
도 11은 도핑량과 축적 전하 변화량 ΔQ의 관계를 나타내는 개략도.
도 12는 도핑량과 축적 전하 변화량 ΔQ의 관계를 나타내는 개략도.
도 13은 도핑량과 축적 전하 변화량ΔQ의 관계를 나타내는 개략도.
도 14는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제4 구성예를 나타내는 개략도.
도 15는 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제4 구성예에서 유전체층으로서 이용되는 PZT층의 히스테리시스 곡선을 나타내는 도면.
도 16은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제4 구성예에서 인가되는 전압 V와 캐리어 밀도 n의 관계를 나타내는 개략도.
도 17은 실시예 1에 따른 광 변조기의 구성을 도시하는 단면도.
도 18은 실시예 1에 따른 광 변조기의 구성을 도시하는 평면도.
도 19는 실시예 1에 따른 광 변조기에 인가되는 전압을 변화시켜서 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내는 개략도.
도 20은 실시예 1에 따른 광 변조기에 인가되는 전압을 변화시켜서 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내는 개략도.
도 21은 도 20에 나타내는 투과 스펙트럼의 일부를 확대해서 나타내는 개략도.
도 22는 실시예 2에 따른 광 변조기에 인가되는 전압을 변화시켜서 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타내는 개략도.
도 23은 제5 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타내는 개략도.
도 24는 제5 실시 형태에 따른 광 변조기의 구성예를 나타내는 개략도.
도 25은 제6 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타내는 개략도.
도 26은 제6 실시 형태에 따른 광 변조기의 구성예를 나타내는 개략도.
도 27은 제7 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타내는 개략도.
도 28은 제7 실시 형태에 따른 광 변조기의 구성예를 나타내는 개략도.
도 29은 제8 실시 형태에 따른 이미지 센서 모듈을 나타내는 개략도.
도 30은 제9 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자를 나타내는 개략도.
도 31은 제9 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자에서의 화소 배치의 일례를 나타내는 개략도.
도 32는 제10 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자를 나타내는 개략도.
이하, 본 발명의 실시 형태(이하 "실시 형태"라고 한다.)에 대해서 설명한다. 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제1 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
2. 제2 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
3. 제3 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
4. 제4 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
5. 제5 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
6. 제6 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
7. 제7 실시 형태(광 변조기, 광 변조기의 제조 방법 및 광 변조기의 동작 방법)
8. 제8 실시 형태(이미지 센서 모듈, 이미지 센서 모듈의 제조 방법 및 이미지 센서 모듈의 동작 방법)
9. 제9 실시 형태(고체 촬상 소자 및 그 동작 방법)
10. 제10 실시 형태(고체 촬상 소자 및 그 동작 방법)
1. 제1 실시 형태
광 변조기
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타낸다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기는, 유전체층(11)과, 이 유전체층(11)의 양면(표면 및 하면)에 마련되어진 전극(12, 13)을 포함한다. 유전체층(11)과 전극(12, 13)에 의해 각각 접합이 형성된다.
전극(12, 13)은 광 변조를 행하는 파장 영역의 광에 대하여 투명한 재료로 이루어지고, 전극의 한쪽 또는 양쪽이 한 층의 그래핀 또는 복수 층의 그래핀으로 구성되는 적층 그래핀으로 이루어진다. 전극(12, 13) 중 한 층의 그래핀 또는 복수 층의 그래핀으로 이루어지는 것은 투과율 변조층을 구성한다. 전극(12, 13) 중 한 층의 그래핀 또는 복수 층의 그래핀으로 이루어지는 것에는, 필요에 따라서 화학적 도핑을 행함으로써 캐리어 도핑이 행하여진다. 전극(12, 13) 중 그래핀을 포함하지 않는 다른 것은, 예를 들면, 주석 도핑된 산화 인듐(ITO), 아연 도핑된 산화 인듐(IZO), 인듐 갈륨 도핑된 산화 아연(IGZO), 알루미늄 도핑된 산화 아연(AZO), 이산화티타늄(TiO2) 등의 투명 전기전도성 금속 산화물의 1종 또는 2종 이상의 조합에 의해 형성될 수 있다. 전극(12, 13)은, 필요에 따라서, 광 변조를 행하는 파장 영역의 광에 대하여 투명한 재료로 이루어지는 기판 상에 마련되어진다.
유전체층(11)은 광 변조를 행하는 파장 영역의 광에 대하여 투명한 유전체에 의해 구성된다. 유전체층(11)을 구성하는 유전체는 특별히 한정되는 것이 아니라, 이 유전체는 필요에 따라서 선택될 수 있으며, 상유전체 또는 강유전체이어도 된다. 유전체층(11)을 구성하는 유전체는, 적합하게는, 전극(12, 13)의 사이에 전압을 인가함으로써, 절연 파괴를 일으키지 않고서 유전체층(11)의 양면에 유기될 수 있는 분극 전하의 전하 밀도가 높은 유전체를 이용할 수 있다. 이하에 무기계의 유전체(상유전체, 고유전체 및 강유전체)의 예를 나타낸다.
유전체 비유전율 절연 내압(MV/㎝) 전하 밀도(μC/㎝2)
SiO2 4 10 3.5
Al2O3 8.2 8.2 6.0
h-BN 4 20 7.1
HfO2 18.5 7.4 12.0
ZrO2 29 6 15.4
ZnO 7.9
TiO2 8.5
IGZO 10
SiN 7 40 2.5
GaN 9.5
STO 140 2 24.8
STO 200 2 35.4
BTO 200 0.4 7.1
PZT 700 0.5 30.9
PTO 100 내지 200 0.675 6.1 내지 11.9
PLZT 900 1.4 111
CaF2 6.6 0.3 1.1
여기서, h-BN은 육방정 질화 붕소, STO는 티탄산 스트론튬, BTO는 티탄산 바륨, PZT는 티탄산 지르콘산 납, PTO는 티탄산 납, PLZT는 티탄산 지르콘산 란탄 납을 나타낸다. 일반적으로 무기 산화물은 높은 유전성과 절연성을 가지는 한편, 원적외선 영역의 투과성은 낮다. 원적외선 영역의 광 변조를 행할 경우에는, 유전체층(11)을 구성하는 유전체로서, 예를 들면, 원적외선 영역의 투과성이 높은 CaF2 등을 이용할 수 있다.
유전체층(11)을 구성하는 유전체로서는, 폴리불화비닐리덴(PVDF)(비유전율 약 10), 아몰퍼스 불소 수지 등의 유기물, 이온 액체, 액정 등을 이용해도 된다. 유기계 절연막은 막 내구성에서 뒤지지만, 도포 형성이 가능해서, 기초 기판에의 손상이 적다는 프로세스 상의 이점이 있다. 액정으로서는, 적합하게는, 전압 인가 시에 난반사를 억제할 수 있어, 투과성이 향상되는 노멀리 블랙 재료(normally black material)를 이용할 수 있다. 노멀리 블랙의 액정을 유전체층(11)을 구성하는 유전체로서 이용함으로써, 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 그래핀의 투과율이 전압 인가 시에 향상되고, 광 변조의 상승 효과를 얻을 수 있다.
도 2에는, 전극(12)이 한 층의 그래핀 G로 이루어지고, 전극(13)이 그래핀을 포함하지 않는 광 변조기를 나타낸다. 한 층의 그래핀 G 당의 투과율 변조 폭 a는 2%정도이므로, 이 광 변조기의 투과율 변조 폭 ΔT는 2%정도이다.
도 3에는, 전극(12, 13)의 양쪽이 한 층의 그래핀 G로 이루어지는 광 변조기를 나타낸다. 이 광 변조기의 투과율 변조 폭 ΔT는 a×2=4%정도이다.
도 4에, 보다 일반적으로, 전극(12)이 M층(M은 1 이상의 정수)의 그래핀 G로 이루어지고, 전극(13)이 N층(N은 1 이상의 정수, N=M 또는 N≠M)의 그래핀 G로 이루어지는 광 변조기를 나타낸다. 이 광 변조기는 합계 (M+N) 층의 그래핀 G를 가지기 때문에, 투과율 변조 폭은 ΔT=a×(M+N)이다.
전극(12, 13)에 축적되는 전하량의 절대값을 Q, 전극(12, 13) 사이에 인가되는 전압을 V, 전극(12, 13) 사이에 유전체층(11)이 개재되는 구조의 캐패시터의 단위 면적 당의 정전용량을 C라고 하면,
Q=CV
C=ε/d(단, d는 전극(12, 13) 사이의 거리, 즉 유전체층(11)의 두께, ε은 유전체층(11)을 구성하는 유전체의 유전율) 및
Q=ne(단, e는 전자 전하의 절대값, n은 전자의 수)의 등식을 만족한다.
그래핀의 페르미 준위를 EF라고 하면, 등식 EF=(n/7.77×1013)0. 5을 만족한다.
또한, Eth=2EF, λth=hc/Eth(=1240/Eth)이다. 단,λth는 임계 파장이며, λth보다 짧은 파장의 광의 투과율은 변조할 수 없고, λth 이상의 파장의 광의 투과율은 변조할 수 있다.
도 5는 그래핀의 축적 전하량과 임계 파장 λth의 관계를 그래핀의 층수를 1 내지 5의 범위에서 바꾸어서 나타낸 것이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 그래핀이 한 층인 경우에는, 축적 전하량이 8μC/㎝2 이상이면, 파장이 780㎚ 이상의 광, 즉, 적외광의 투과율을 제어할 수가 있고, 축적 전하량이 33μC/㎝2 이상이면, 파장이 380㎚ 이상의 광, 즉, 가시광 또는 적외광의 투과율을 제어할 수 있다. 또한, 그래핀의 층수가 증가함에 따라서, 동일한 축적 전하량에 대하여 임계 파장 λth는 장파장화된다.
가시광 전역에서의 투과율 변조 조건은 다음과 같다.
λth<380㎚ (Δn>2.1×1014/㎝2) 및
ΔQ>33μC/㎝2 (한쪽의 그래핀 한 층 당).
적외광 전역에서의 투과율 변조 조건(가시광은 상시 투과)은 다음과 같다.
λth ~ 780㎚ (Δn ~ 5.0×1013/㎝2) 및
ΔQ>8μC/㎝2 (한쪽의 그래핀 한 층 당).
전극(12, 13)을 구성하는 그래핀에는 필요에 따라 화학적 도핑을 행할 수 있다. 이 화학적 도핑에 의한 그래핀의 투과율 변조의 일례에 대해서 설명한다. 도 6은 합성 직후의 그래핀, 산소 도핑된 그래핀, AuCl3 도핑된 그래핀의 투과 스펙트럼을 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, 이 예에서는, 산소 도핑을 행한 그래핀의 투과율은, 약 830㎚ 이상의 임계 파장 λth의 파장 영역에서, 합성 직후의 그래핀의 투과율에 비해서 크고, 약 1800㎚ 이상의 임계 파장의 파장 영역에서는 ΔT는 약 2.0%이다. 또한, AuCl3 도핑을 행한 그래핀의 투과율은, 약 700㎚ 이상의 임계 파장 λth의 파장 영역에서, 합성 직후의 그래핀의 투과율에 비해서 크고, 약 1000㎚ 이상의 임계 파장의 파장 영역에서는 ΔT는 약 2.0%이다.
화학적 도핑에 의한 그래핀의 밴드 구조의 변화에 대해서 설명한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 진성 그래핀의 밴드 구조(E-k 곡선)에서는, 어떤 파수 k에 대해서도 가전자대에서 전도대로의 전자의 천이가 가능하다. 이에 반하여, 도 8에 도시한 바와 같이, 정공 도핑을 행한 그래핀의 밴드 구조에서는, 페르미 준위 EF가 저하하기 때문에, 일정 범위의 파수 k에 대하여 가전자대에서 전도대로의 전자의 천이가 금지된다.
도 9는 그래핀의 캐리어 밀도 n과 전압 V의 관계를 나타낸다. 그래핀에 화학적 도핑을 행함으로써 캐리어 도핑을 행할 수 있고, 그것에 의해서 전하를 축적할 수 있기 때문에, 광 변조를 행하기 위해 전기적으로 변화시킬 필요가 있는 전하량을 작게 할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 전극(12, 13)의 양쪽이 한 층의 그래핀으로 구성되고, 전극(12)을 구성하는 그래핀에 1×1014/㎝2의 화학적 도핑을 행한 경우에는, 전압 V의 제어에 의해 캐리어 밀도를 0 내지 2×1014/㎝2의 범위에서 변조할 수가 있고, 전극(13)을 구성하는 그래핀에 대하여 한 층 당 1×1014/㎝2의 화학적 도핑을 행한 경우에는 전압 V의 제어에 의해 캐리어 밀도를 0 내지 -2×1014/㎝2(음의 부호는 상기 그래핀에 도핑을 행한 캐리어와 반대 극성의 캐리어가 도핑되는 것을 의미한다)의 범위에서 변조할 수 있다. 도 9에서는, 도 3의 상측의 전극(12)을 구성하는 그래핀 G를 상부 그래핀, 하측의 전극(13)을 구성하는 그래핀 G를 하부 그래핀이라고 칭하고 있다(이하 같음). 이 경우의 가시광 전역에서의 투과율 변조 조건은 다음과 같다.
Δn>1.0×1014/㎝2 및
ΔQ>16.5μC/㎝2 (한쪽의 그래핀 한 층 당).
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 상부 그래핀에 화학적 도핑에 의해 2.5×1013/㎝2의 캐리어 도핑을 행한 경우에는, 전압 V의 제어에 의해 캐리어 밀도 n을 0 내지 5×1013/㎝2의 범위에서 변조할 수 있고, 하부 그래핀에 화학적 도핑에 의해 -2.5×1013/㎝2의 캐리어 도핑을 행한 경우에는, 전압 V의 제어에 의해 캐리어 밀도 n을 0 내지 2.5×1013/㎝2의 범위에서 변조할 수 있다. 이 경우에 그래핀막의 투과율 변조를 행할 경우, 화학적 도핑을 시행할 경우의 가시광 전역의 투과율 변조 조건은 다음과 같다.
Δn ~ 2.5×1013/㎝2 및
ΔQ ~ 4μC/㎝2 (한 쪽의 그래핀 한 층 당).
여기서, 도핑량과 축적 전하 변화량 ΔQ의 관계에 대해서 설명한다. 단, 상부 그래핀 또는 하부 그래핀의 정공의 수와 전자의 수는 동일하다. 또한, 양자 캐패시턴스는 고려하지 않는다. 도 11에 도시한 바와 같이, 상부 그래핀에 관해서는, 도핑량이 0인 경우에는, 캐리어 밀도 n과 전압 V의 관계를 나타내는 직선은 원점을 지나는 직선 A이고, 전압 V=0이면 어둡고(투과율이 낮음), V를 양의 전압으로 설정하면 밝아진다(투과율이 높음). 도핑량을 증가시키면, 캐리어 밀도 n과 전압 V의 관계를 나타내는 직선은 전압 V의 음의 측으로 직선 B, C, D와 같이 평행 이동한다. 직선 D의 경우, 즉 도핑량이 3.75×1013/㎝2인 경우에는, 전압 인가에 의해 캐리어 밀도 n을 변화시킬 수 있는 범위가 대폭 과도하게 좁아지기 때문에, 도핑이 과도하게 행해진다. 직선 C의 경우, 즉 도핑량이 2.5×1013/㎝2인 경우에는, 전압 V를 V=0을 중심으로 양의 측과 음의 측으로 변화시킴으로써, 캐리어 밀도를 0 내지 5×1013/㎝2의 범위에서 변화시킬 수 있기 때문에, 이 도핑량이 최적이다. 또한, 하부 그래핀에 관해서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 도핑량이 0인 경우에는, 캐리어 밀도 n과 전압 V의 관계를 나타내는 직선은 원점을 지나는 직선 E이고, 전압 V=0이면 어둡고(투과율이 낮음), V를 양의 전압으로 설정하면 밝아진다(투과율이 높음). 도핑량을 증가시키면, 캐리어 밀도 n과 전압 V의 관계를 나타내는 직선은 전압 V의 음의 측으로 직선 F, G, H와 같이 평행 이동한다. 직선 H의 경우, 즉 도핑량이 -3.75×1013/㎝2인 경우에는, 전압 인가에 의해 캐리어 밀도 n을 변화시킬 수 있는 범위가 대폭 과도하게 좁아지기 때문에, 도핑이 과도하게 행해진다. 직선 G의 경우, 즉 도핑량이 -2.5×1013/㎝2인 경우에는, 전압 V를 V=0을 중심으로 양의 측 및 음의 측으로 변화시킴으로써, 캐리어 밀도를 0 내지 -5×1013/㎝2의 범위에서 변화시킬 수 있기 때문에, 이 도핑량이 최적이다. 이상과 같이, 도핑은 동작 전압 범위를 시프트시키는 효과가 있어, 궁극적으로는 직선 C, G의 경우와 같이, 도핑을 행하지 않을 경우의 전압의 반까지 동작 전압을 감소시킬 수 있다.
도 12는, 상부 그래핀 및 하부 그래핀 모두에 정공을 도핑했을 경우의 전압 V와 캐리어 밀도 n의 관계를 나타낸다. 도 12에서, 일점 쇄선으로 둘러싼 영역은 가시광 영역의 캐리어 밀도 범위를 나타낸다. 도 12에 도시한 바와 같이, 이 경우에는, 상부 그래핀 및 하부 그래핀이 모두 어두운(투과율이 낮아짐) 영역이 없어지는 점에서 유리하다. 상부 그래핀 및 하부 그래핀 모두에 전자를 도핑했을 경우도 마찬가지로 적용된다.
도 13은, 상부 그래핀에 정공을, 하부 그래핀에 전자를 도핑했을 경우의 전압 V와 캐리어 밀도 n의 관계를 나타낸다. 도 13에 도시한 바와 같이, 이 경우에는, 도핑량이 적어도 동작 전압을 저감하는 효과를 얻을 수 있지만, 저전압화의 효과는 전자 또는 정공의 수가 적은 쪽으로 제한된다. 상부 그래핀에 전자를, 하부 그래핀에 정공을 도핑했을 경우도 마찬가지로 적용된다.
유전체층(11)을 구성하는 유전체로서 강유전체를 이용한 광 변조기의 일례에 대해서 설명한다. 여기에서는, 강유전체로서 PZT를 이용할 경우에 대해서 설명한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 전극(12, 13)의 양쪽 모두가 3층의 그래핀 G로 이루어지는 적층 그래핀으로 이루어진다. 유전체층(11)은 PZT층으로 이루어진다.
도 15에 PZT층의 히스테리시스 곡선을 나타낸다(비특허문헌 4 참조).
도 16은 전압 V와 적층 그래핀에 축적되는 캐리어 밀도 n의 관계를 나타낸다. 각 그래핀 G에 한 층 당 1×1014/㎝2의 화학적 도핑이 행해지는 경우, 전압 V가 -2V 내지 +2V의 범위에서, 캐리어 밀도 n이 0 내지 1×1014/㎝2의 범위에서 제어될 수 있다.
PZT층의 분극 반전에 의해, 밝은 상태(투과율이 높은 상태)와 어두운 상태(투과율이 낮은 상태)를 불연속적으로 스위칭할 수 있다. 이 경우,±60μC/㎝2의 분극 반전이라면, 한쪽의 그래핀 3층, 총 6층으로 6×a=12% 정도의 투과율 변조가 행해질 수 있다. ±100μC/㎝2의 분극 반전이라면, 한쪽의 그래핀 6층, 총 12층으로 12×a=24% 정도의 투과율 변조가 행해질 수 있다.
유전체층(11)을 구성하는 유전체로서 강유전체를 이용한 광 변조기에서 적외선 영역의 파장의 광이 제어되는 경우, 그래핀 한 층 당의 축적 전하량은 4μC/㎝2 이하로 될 수 있다. ±60μC/㎝2의 분극 반전이라면, 한쪽의 그래핀 15층, 총30 층으로 30×a=60% 정도의 투과율 변조가 행해질 수 있다. ±100μC/㎝2의 분극 반전이라면, 한쪽의 그래핀 25층, 총 50층으로 100%의 투과율 변조가 행해질 수 있다.
한쪽만으로도, PZT를 이용해서 용이하게 얻을 수 있는 ±30μC/㎝2 이상의 축적 전하량으로 15% 이상의 투과율 변조가 행해질 수 있다. 임계 파장 λth를 780㎚보다도 긴 파장으로 하면, 투과율 변조 폭은 더욱 증가한다.
광 변조기의 제조 방법
광 변조기의 제조 시에, 제1 기판(도시하지 않음) 위에 유전체층(11)을 형성한 후, 제2 기판(도시하지 않음) 위에 형성된 전극(12)을 이 유전체층(11)의 상면에 접합한다. 예를 들면, 전극(12)이 형성된 제2 기판은, 전극(12)이 그래핀으로 이루어지는 경우에는, CVD 법 등을 이용하여 그래핀이 합성(성장)된 동박 등이어도 되고, 동박 등의 기판 상에 합성된 그래핀을 다른 기판에 전사한 기판이어도 된다. 그래핀에 화학적 도핑을 행할 경우에는, 도펀트층을 그래핀 위에 형성한다.
다음으로, 먼저, 유전체층(11)이 형성된 제1 기판을 유전체층(11)으로부터 박리하거나, 제거함으로써 유전체층(11)의 하면을 노출시킨다.
다음으로, 제3 기판(도시하지 않음) 위에 형성된 전극(13)을 이 유전체층(11)의 하면에 접합한다. 전극(13)이 형성된 기판은, 전극(13)이 그래핀으로 이루어지는 경우에는, CVD 법 등을 이용하여 그래핀이 합성된 동박 등이어도 되고, 동박 등의 기판 상에 합성된 그래핀을 다른 기판에 전사한 기판이어도 된다. 그래핀에 화학적 도핑을 행할 경우에는, 도펀트층을 그래핀 위에 형성한다.
그 다음, 필요에 따라서, 상기의 제3 기판을 제거한다. 이렇게 해서, 원하는 광 변조기가 제조된다.
광 변조기의 동작 방법
도 1에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기에서는, 유전체층(11)의 양면에 마련되어진 전극(12, 13)의 사이에 직류 전원(14)에 의해 전압 V를 인가하고, 그 전압 V에 따라서, 이 광 변조기에의 입사광의 투과 광량을 제어해서, 광 변조를 행한다. 보다 구체적으로는, 전극(12, 13)의 사이에 전압을 인가하면, 전극(12, 13) 중 한 층 또는 복수 층의 그래핀으로 이루어지는 하나의 투과율이, 전극(12, 13)의 사이에 전압 V를 인가하지 않을 경우, 즉 V=0인 경우에 비해서 증가하기 때문에, 광 변조기에 대한 입사광의 투과 광량이 증가한다. 구체적인 예로서, 도 3에 나타내는 광 변조기에서는, 전압 V를 인가하지 않을 때의 투과율 T가 86%이고, 전압 V를 인가할 때의 투과율 T가 90%로, 투과율 변조 폭 ΔT는 4% 정도이다. 또한, 도 4에 나타내는 광 변조기에서, 전극(12, 13)이 모두 2층의 그래핀 G로 이루어지고, 전극(12)을 구성하는 그래핀 G에는 전자 도핑이 행해지고, 전극(13)을 구성하는 그래핀 G에는 정공 도핑이 행해진 경우에는, 음의 전압 V를 인가할 때의 투과율 T가 82%, 양의 전압 V를 인가할 때의 투과율 T가 90%로, 투과율 변조 폭ΔT는 8% 정도이다.
실시예 1
이하와 같이, 도 17 및 도 18에 나타내는 구성을 가지는 광 변조기를 제작했다. 여기서, 도 17은 단면도, 도 18은 평면도이다.
25㎜×25㎜로 절단된 두께 1㎜의 석영 웨이퍼(21) 위에, 23㎜×17㎜의 크기의 직사각형의 개구를 가지는 금속 마스크(도시하지 않음)를 배치하고, Sn의 함유량이 5%인 인듐-주석 산화물(ITO)의 타깃을 이용하여, RF 스퍼터링 법을 이용하여 두께 90㎚의 ITO 전극(22)을 형성했다. 그 후, 금속 마스크를 제거했다.
이렇게 해서, ITO 전극(22)이 형성된 석영 웨이퍼(21) 위에, ITO 전극(22)의 형성에 이용된 금속 마스크와 같은 형상의 금속 마스크를 전체적으로 L자 형상으로 배치하고, 지르코니아(ZrO2)의 타깃을 이용하여, RF 스퍼터링 법을 이용하여 두께 250㎚의 ZrO2층(23)을 형성했다. 그 후, 금속 마스크를 제거했다.
압연한 두께 36㎛의 동박을 전기로 내에서 수소 분위기(수소 유량 20sccm) 하에서 1000℃에서 소성하고, 금속 가스를 30sccm의 유량으로 30분 공급함으로써, 그래핀을 동박 위에 형성했다.
이렇게 동박 위에 형성된 그래핀 위에 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 아세톤 희석 용액을 스핀 코팅에 의해 도포한 후, 용액을 건조시켜서 PMMA막을 형성했다.
이렇게 PMMA막이 형성된 동박을 질산 철 수용액에 40분 정도 침지시켜 동박을 제거했다. 이것에 의해, 그래핀 위에 PMMA막이 접합된 기판이 얻어졌다.
PMMA막에 접합된 그래핀을 상기의 석영 웨이퍼(21)의 ZrO2층(23) 위로 전사했다.
다음으로, 이렇게 그래핀을 전사한 석영 웨이퍼(21)를 아세톤 용매에 3분 동안 침지시켜서 PMMA막을 제거했다. 도 17 및 도 18에서, 그래핀을 부호 24로 나타낸다.
그 다음, ITO 전극(22) 및 그래핀(24)에 와이어 본딩에 의해 전극 배선(도시하지 않음)을 형성했다.
이상과 같이, 광 변조기가 제작되었다. 이 광 변조기의 각 부의 치수를 도 18에 나타낸다.
광 변조기의 ITO 전극(22)과 그래핀(24)의 사이에, ITO 전극(22)에 대하여 그래핀(24)이 고전위로 되도록 전압을 인가해서 투과율 변조를 측정했다.
도 19는 이 광 변조기의 투과 스펙트럼(차분)의 측정 결과를 나타낸다. 여기서, 투과 스펙트럼(차분)은, ITO 전극(22)과 그래핀(24)의 사이에 20V, -20V, 5V, -5V, 0V의 순서로 전압을 인가했을 때의 투과 스펙트럼으로부터, ITO 전극(22)과 그래핀(24)의 사이의 전압이 0V인 때의 투과 스펙트럼을 감산하여 얻어진다. 도 20은 광 변조기의 투과 스펙트럼, 도 21은 투과 스펙트럼의 일부를 확대한 도면이다.
실시예 2
25㎜×25㎜로 절단된 두께 1㎜의 석영 웨이퍼 위에, 23㎜×17㎜의 크기의 직사각형의 개구를 가지는 금속 마스크(도시하지 않음)를 배치하고, Sn의 함유량이 5%인 인듐-주석 산화물(ITO)의 타깃을 이용하여, RF 스퍼터링 법을 이용해서 두께 90㎚의 ITO 전극을 형성했다. 그 후, 금속 마스크를 제거했다.
이렇게 해서 ITO 전극이 형성된 석영 웨이퍼 위에, ITO 전극의 형성에 이용된 금속 마스크와 같은 형상의 금속 마스크를 전체적으로 L자 형상으로 배치하고, 알루미나(Al2O3)의 타깃을 이용하여, RF 스퍼터링 법을 이용해서 두께 250㎚의 Al2O3층을 형성했다.
압연한 두께 36㎛의 동박을 전기로 내에서 수소 분위기(수소 유량 40 sccm) 하에서 1000℃에서 소성하고, 금속 가스를 30sccm의 유량으로 30분 공급함으로써, 그래핀을 동박 위에 형성했다.
이렇게 동박 위에 형성된 그래핀 위에 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 아세톤 희석 용액을 스핀 코팅에 의해 도포한 후, 용액을 건조시켜서 PMMA막을 형성했다.
이렇게 PMMA막을 형성한 동박을 질산 철 수용액에 40분 정도 침지시켜, 동박을 제거했다. 이것에 의해, 그래핀 위에 PMMA막이 접합된 기판이 얻어졌다.
PMMA막에 접합된 그래핀을 상기의 석영 웨이퍼의 Al2O3층 상에 전사했다.
다음으로, 이렇게 그래핀을 전사한 석영 웨이퍼(21)를 아세톤 용매에 3분 침지시켜서 PMMA막을 제거했다.
그 다음, ITO 전극 및 그래핀에 와이어 본딩에 의해 전극 배선(도시하지 않음)을 형성했다.
이상과 같이 광 변조기가 제작되었다. 이 광 변조기의 각 부의 치수는 도 18에 도시한 바와 같다.
광 변조기의 ITO 전극과 그래핀의 사이에 직류 전원을 접속하고, ITO 전극과 그래핀의 사이에서 그래핀 측이 고전위가 되도록 +70V 내지 -70V 범위의 전압을 인가함으로써 적외선 영역의 투과율 변조를 측정했다.
도 22는 광 변조기의 투과 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸다. 도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외선 영역에서 전압에 의해 투과율을 제어할 수가 있어, 양호한 투과율 변조 특성을 얻을 수 있다.
실시예 3
8인치의 투명 글래스 웨이퍼의 전면 상에 실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 그래핀을 전사했다.
포토리소그래피에 의해, 평행 평판형의 콘덴서의 전극과 이미지 센서의 화소 형상에 대응한 레지스트 패턴을 상기 그래핀 위에 형성했다.
이렇게 투명 글래스 웨이퍼 위에 형성된 그래핀에 5W의 출력의 질소 플라즈마 처리를 실시하고, 그래핀 위에 n형 도펀트층을 형성하여, 전자 도핑을 행하였다.
이렇게 전자 도핑을 행한 그래핀 위에 알루미나(Al2O3)의 타깃을 이용해서 두께 5㎚의 Al2O3층을 형성했다.
이렇게 Al2O3층을 형성한 웨이퍼에 PZT의 타깃을 이용해서 두께 30㎚의 PZT층을 형성했다.
웨이퍼의 전면 위에 그래핀을 전사했다.
포토리소그래피에 의해, 평행 평판형의 콘덴서의 전극과 이미지 센서의 화소 형상에 대응한 레지스트 패턴을 상기 그래핀 위에 형성했다.
그래핀 위에 AuCl3의 니트로메탄 용액을 스프레이 성막하고, 그래핀 위에 p형 도펀트층을 형성하여, 정공 도핑을 행하였다.
그 다음, 상하부의 그래핀 전극에 구리의 배선을 형성했다.
실시예 4
노멀리 블랙인 네가티브형 액정으로서 4-메톡시 벤질리덴-4'-부틸아닐린(MBBA)을 셀에 봉입했다.
셀의 양단의 전면에 그래핀을 전사했다.
포토리소그래피에 의해, 평행 평판형의 콘덴서의 전극과 이미지 센서의 화소 형상에 대응한 레지스트 패턴을 상기 그래핀 위에 형성했다.
이렇게 그래핀을 형성한 셀에 5W의 출력의 질소 플라즈마 처리를 실시하고, 그래핀 위에 n형 도펀트층을 형성하여, n형 도핑을 행하였다.
그래핀 위에 AuCl3의 니트로메탄 용액을 스프레이 성막하고, 그래핀 위에 p형 도펀트층을 형성하여, 정공 도핑을 행하였다.
그 다음, 상하부의 그래핀 전극에 구리의 배선을 형성했다.
제1 실시 형태에 따른 광 변조기에서는, 이하와 같은 여러가지 이점을 얻을 수 있다. 즉, 광 변조기는 전극(12, 13) 사이에 전압을 인가함으로써 광 변조를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 전극(12, 13) 중의 적어도 한쪽이 한 층의 그래핀 또는 적층 그래핀으로 이루어지므로, 그래핀이 높은 흡수 계수를 가져서 광 변조가능한 광량 영역을 폭넓게 설계가능하다. 또한, 전극(12, 13)을 구성하는 그래핀의 층수의 선택이나 그래핀에의 화학적 도핑의 병용 등에 의해, 적외광으로부터 가시광에 걸쳐서 광 변조가 가능하다. 그래핀은 2차원의 고이동성의 재료이므로, 이 광 변조기는 고속 동작이 가능해서, 예를 들면 전극(12, 13)의 저항이 1kΩ 이하이면 응답 속도는 1GHz 이상이 된다. 또한, 이 광 변조기는 기계식 셔터 등의 대규모의 구동부를 제공할 필요가 없다. 또한, 이 광 변조기는 투과 스펙트럼이 평탄하기 때문에, 색상이 중립이다. 이 광 변조기에 백색광이 입사했을 경우, 투과광의 손실이 액정에 비하여 적다. 이것은, 액정을 이용했을 경우에 발생하는 액정 분자에 의한 난반사 등이 없기 때문이다. 이 광 변조기는 전압 구동 모드를 채용하기 때문에, 소비 전력이 적다. 단지 낮은 구동 전압이 필요할 뿐이다. 이 광 변조기는 유전체층(11)의 양면에 전극(12, 13)이 형성된 구조를 가지기 때문에, 박막화 및 소형화가 용이하게 얻어진다. 또한, 이 광 변조기는 평행 평판형의 콘덴서 구조를 가지기 때문에, 제조 프로세스가 간편하다. 또한, 이 광 변조기는, 전극(12, 13) 중 적어도 하나를 구성하는 그래핀이 원자층의 두께를 가지기 때문에, 반사에 의한 투과광의 손실이 적다.
2. 제2 실시 형태
광 변조기
제2 실시 형태에 따른 광 변조기는, 전극(12, 13) 중의 하나가 한 층의 그래핀 또는 적층 그래핀으로 이루어지고, 그 그래핀 위에 금속 나노 입자 또는 금속 나노 와이어가 형성된다. 그리고, 이들 금속 나노 입자 또는 금속 나노 와이어의 표면 플라즈몬 폴라리톤을 이용함으로써, 그래핀 한 층 당의 투과율 변조 폭 ΔT를 2.3% 이상으로 증가시킨다. 금속 나노 입자 또는 금속 나노 와이어로부터 얻을 수 있는 효과에 대해서는 종래 기술에 공지되어 있다. 이 광 변조기의 상기 설명 이외의 점은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기의 제조 방법은, 그래핀 위에 금속 나노 입자 또는 금속 나노 와이어를 형성하는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제조 방법과 마찬가지이다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기의 동작 방법은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
제2 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지의 이점을 얻을 수 있다.
3. 제3 실시 형태
광 변조기
제3 실시 형태에 따른 광 변조기에서는, 유전체층(11) 및 전극(12, 13)의 전체의 두께를, 광 변조하는 파장의 광이 그 내부에서 다중 반사되도록 설정함으로써, 그래핀 한 층 당의 투과율 변조 폭 ΔT를, 예를 들면 2.3% 이상으로 증가시킨다. 이 광 변조기의 상기 설명 이외의 점은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기의 제조 방법은, 유전체층(11) 및 전극(12, 13)의 전체의 두께를 상기한 바와 같이 설정하는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제조 방법과 마찬가지이다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기의 동작 방법은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
제3 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지의 이점을 얻을 수 있다.
4. 제4 실시 형태
광 변조기
제4 실시 형태에 따른 광 변조기에서는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기에서 광 변조량을 개선하기 위해서 생성되는 광 변조량의 파장 의존성을 해소하기 위해서 광학 조정층을 적층한다. 구체적으로는, 예를 들면, 유전체층(11) 위에 광학 조정층을 개재하여 그래핀을 형성한다. 이러한 광학 조정층은, 광 변조량의 파장 의존성을 해소하도록 굴절률, 두께 등이 선택될 수 있다. 광학 조정층으로서는, 예를 들면 SiO2막을 이용할 수 있다. 이 광 변조기의 상기 설명 이외의 점은 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기의 제조 방법은, 광학 조정층이 적층되는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기의 제조 방법과 마찬가지이다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기의 동작 방법은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
제4 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태와 마찬가지의 이점을 얻을 수 있다.
5. 제5 실시 형태
광 변조기
도 23은 제5 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타낸다. 도 23에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기가 광의 입사 방향으로 복수의 단(stage)으로 배치되도록 구성된다. 즉, 입사광은 제1 단의 광 변조기에 입사하고, 제1 단의 광 변조기로부터 최종 단의 광 변조기까지 순서대로 투과하여, 최종 단의 광 변조기로부터 출사된다. 각각의 광 변조기는 서로 직접 접속되어도 되고, 서로 떨어져 있어도 된다. 도 23에서는 광 변조기를 2단 배치한 예가 도시되어 있지만, 배치되는 광 변조기의 단의 수는 3단 이상의 임의의 단 수이어도 된다.
도 24에 광 변조기의 구체예를 나타낸다. 도 24에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기에서는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13)의 양쪽이 2층의 그래핀으로 이루어지는 적층 그래핀으로 이루어진다. 따라서, 이 광 변조기에서의 그래핀의 총 수는 8층이 되고, 투과율 변조 폭 ΔT는 a×8=16% 정도이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 복수 단 배치함으로써 제조할 수 있다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13) 사이에 인가하는 전압을 독립적으로 또는 동시에 제어함으로써, 각각의 광 변조기의 투과율을 변조시켜 광 변조를 행하는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
제5 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태의 이점 외에, 광 변조기의 단 수에 따라서 투과율 변조 폭을 증가시킬 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.
6. 제6 실시 형태
광 변조기
도 25는 제6 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타낸다. 도 25에 도시한 바와 같이, 제6 실시 형태에 따른 광 변조기는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 유전체층(31)을 개재해서 광의 입사 방향으로 복수 단 직렬 접속하여 구성된다. 즉, 입사광은, 제1 단의 광 변조기에 입사하고, 제1 단의 광 변조기로부터 유전체층(31)을 개재해서 최종 단의 광 변조기까지 순서대로 투과하여, 최종 단의 광 변조기로부터 출사된다. 도 25에서는 광 변조기를 2단 배치한 예가 나타나 있지만, 배치되는 광 변조기의 단 수는 3단 이상의 임의의 단 수이어도 된다. 즉, 광 변조기의 사이에 유전체층(31)이 개재된 구조가 복수이거나, 되풀이된 구조가 채용되어도 된다.
예를 들면, 각각의 광 변조기의 유전체층(11)은 고유전체 또는 강유전체로 이루어지고, 유전체층(60)은 저유전체로 이루어진다.
도 26에 광 변조기의 구체예를 나타낸다. 도 26에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기에서는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13)의 양쪽이 2층의 그래핀으로 이루어지는 적층 그래핀으로 이루어진다. 따라서, 이 광 변조기에서의 그래핀의 총 수는 8층이고, 투과율 변조 폭 ΔT는 a×8=16%정도이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 유전체층(31)을 개재해서 복수 단 배치함으로써 제조될 수 있다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13) 사이에 인가하는 전압을 독립적으로 또는 동시에 제어함으로써, 각각의 광 변조기의 투과율을 변조시켜 광 변조를 행하는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
제6 실시 형태에 따르면, 제5 실시 형태와 마찬가지의 이점을 얻을 수 있다.
7. 제7 실시 형태
광 변조기
도 27은 제7 실시 형태에 따른 광 변조기를 나타낸다. 도 27에 도시한 바와 같이, 제7 실시 형태에 따른 광 변조기는, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 광의 입사 방향으로 복수 단 직렬 접속하여 구성된다. 즉, 입사광은 제1 단의 광 변조기에 입사하고, 제1 단의 광 변조기로부터 최종 단의 광 변조기까지 순서대로 투과되고, 최종 단의 광 변조기로부터 출사된다. 서로 인접하는 2개의 광 변조기의 사이에서는, 전극(13) 또는 전극(12)이 병용된다. 도 27에서는 광 변조기를 3단 배치한 예가 나타나 있지만, 배치되는 광 변조기의 단의 수는 4단 이상의 임의의 단 수이어도 된다.
도 28에 광 변조기의 구체예를 나타낸다. 도 28에 도시한 바와 같이, 이 광 변조기에서는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13)의 양쪽이 2층의 그래핀으로 이루어지는 적층 그래핀으로 이루어진다. 따라서, 이 광 변조기에서의 그래핀의 총 수는 8층이 되고, 투과율 변조 폭 ΔT는 a×8=16%정도이다.
광 변조기의 제조 방법
이 광 변조기는, 전극(12) 또는 전극(13)을 병용하여 제1 실시 형태에 따른 광 변조기를 복수 단 직렬 접속함으로써 제조될 수 있다.
광 변조기의 동작 방법
이 광 변조기는, 각각의 광 변조기의 전극(12, 13) 사이에 인가하는 전압을 독립적으로 또는 동시에 제어함으로써, 각각의 광 변조기의 투과율을 변조시켜 광 변조를 행하는 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 광 변조기와 마찬가지이다.
제7 실시 형태에 따르면, 제5 실시 형태와 마찬가지의 이점을 얻을 수 있다.
8. 제8 실시 형태
이미지 센서 모듈
제8 실시 형태에 따른 이미지 센서 모듈에 대해서 설명한다.
도 29는 이미지 센서 모듈을 나타낸다. 도 29에 도시한 바와 같이, 이 이미지 센서 모듈에서는, Si 기판 등의 반도체 기판(61) 위에 수광부로서 포토다이오드(62)가 마련되어진 고체 촬상 소자 위에 광 변조기(63)가 탑재되고, 그 위에 집광 렌즈(64)가 마련되어져 있다. 이 고체 촬상 소자에서는, 실제로는 각각의 화소마다 포토다이오드가 형성되어 있지만, 도 29에서는, 이들의 포토다이오드가 모아져서 하나의 포토다이오드(62)로 도시되어 있다. 광 변조기(63)로서는, 제1 내지 제7 실시 형태에 따른 광 변조기 중 어느 하나를 이용할 수 있지만, 도 29에는 일례로서 도 4의 광 변조기가 나타나 있다.
이미지 센서 모듈의 제조 방법
이 이미지 센서 모듈은, 반도체 기판(61) 위에 포토다이오드(62)를 형성해서 고체 촬상 소자를 형성한 후, 이 고체 촬상 소자 위에 미리 제작된 광 변조기(63)를 탑재하여, 이 광 변조기(63)의 상방에 집광 렌즈(64)를 마련하도록 제조될 수 있다.
이미지 센서 모듈의 동작 방법
이미지 센서 모듈의 집광 렌즈(64)를 개재해서 광 변조기(63)에 광이 입사한다. 이때, 입사광량에 따른 전압을 광 변조기(63)의 전극(12, 13)의 사이에 인가함으로써 투과율 변조를 행하여, 포토다이오드(62)에 입사하는 광량을 제어한다.
제8 실시 형태에 따르면, 입사광량을 최적 광량으로 전기적으로 고속 제어할 수 있는 이미지 센서 모듈을 실현할 수 있다.
9. 제9 실시 형태
고체 촬상 소자
도 30은 제9 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자를 나타낸다. 도 30에 도시한 바와 같이, 이 고체 촬상 소자에서는, Si 기판과 같은 반도체 기판(71) 위에 포토다이오드(72)가 마련되어져 있다. 실제로는 각각의 화소마다 포토다이오드가 형성되어 있지만, 도 30에서는, 이들의 포토다이오드가 모아져서 포토다이오드(72)로서 나타나 있다. 이 포토다이오드(72) 위에, 매트릭스 형상으로 배치된 각각의 복수의 화소에 컬러 필터가 형성된다. 예를 들면, 레드(R)용의 화소, 그린(G)용의 화소, 블루(B)용의 화소 및 적외광(IR)용의 화소의 네 개의 화소가 하나의 구획을 형성하고 있다. 컬러 필터에서는, 각각의 화소마다, R용의 필터(F1), G용의 필터(F2), B용의 필터(F3) 및 IR용의 필터(F4)(도 30에서는 도시하지 않음)가 소정의 배치로 형성된다. 각 화소의 배치의 예를 도 31에 나타낸다. 또한, 필터(F1 내지 F4)의 각각의 위에는, 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 각각의 집광 렌즈(73)가 형성된다. 마이크로렌즈 어레이 상에는 저굴절률의 절연막으로 이루어지는 평탄화막(74)이 형성된다. 이 평탄화막(74) 상에는 배선(75)이 형성된다. 이 배선(75)은 광 변조를 행하는 파장의 광에 대하여 투명한 재료로 형성된다. 이 배선(75) 위에 광 변조기(76)가 형성되고, 그 위에 글래스판(77)이 형성된다. 광 변조기(76)는 고체 촬상 소자의 수광면 전면에 형성된다. 이 광 변조기(76)로서는, 제1 내지 제7 실시 형태에 따른 광 변조기 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 이 광 변조기(76)의 한쪽의 전극, 예를 들면 전극(13)이 배선(75)과 전기적으로 접속된다.
고체 촬상 소자의 동작 방법
고체 촬상 소자의 글래스판(77)을 개재해서 광 변조기(76)에 광이 입사한다. 이때, 입사광량에 따른 전압을 광 변조기(76)의 전극(12, 13)의 사이에 인가함으로써 투과율 변조를 행하여, 화소부에 입사하는 광량을 제어한다. 이 경우는, 모든 화소가 동일한 투과율 변조 폭을 가진다.
제9 실시 형태에 따르면, 입사광량을 최적 광량으로 전기적으로 고속 제어할 수 있는 고체 촬상 소자를 실현할 수 있다. 이 고체 촬상 소자는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등에 적절히 이용될 수 있다.
10. 제10 실시 형태
고체 촬상 소자
도 32는 제10 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자를 나타낸다. 도 32에 도시한 바와 같이, 이 고체 촬상 소자에서는, Si 기판과 같은 반도체 기판(81)의 필터(F1 내지 F4)의 각각의 바로 아래의 부분에 포토다이오드(82)가 형성된다. 각 포토다이오드(82) 상에는, SiO2막으로 이루어지는 층간 절연막(83), 보호막(84) 및 평탄화막(85)이 순차 형성된다. 평탄화막(85) 위에, 유전체층(11)의 양면에 전극(12, 13)이 마련되어진 광 변조기가 형성된다. 이 광 변조기로서, 제1 내지 제7 실시 형태에 따른 광 변조기 중 어느 하나를 이용할 수 있다. R용의 화소의 광 변조기 상에는 필터(F1)가 형성되고, G용의 화소의 광 변조기 상에는 필터(F2)가 형성되고, B용의 화소의 광 변조기 상에는 필터(F3)가 형성되고, IR용의 화소의 광 변조기 상에는 필터(F4)가 형성된다. 각각의 필터(F1 내지 F4) 상에는 집광 렌즈(86)가 형성된다. 여기서, 광 변조기는, R용의 화소, G용의 화소, B용의 화소 및 IR용의 화소의 네 개의 화소로 이루어지는 각각의 구획에 설치하여도 된다.
고체 촬상 소자의 동작 방법
고체 촬상 소자에 광이 입사한다. 이때, 각각의 화소에 혹은 각각의 구획에 마련되어진 광 변조기에서, 입사광량에 따른 전압을 전극(12, 13)의 사이에 인가함으로써 투과율 변조를 행하여, 각 화소 혹은 각 구획에 입사하는 광량을 제어한다.
제10 실시 형태에 따르면, 입사광량을 각각의 화소에 혹은 각각의 구획에 최적 광량으로 전기적으로 고속 제어할 수 있는 고체 촬상 소자를 실현할 수 있다. 이 고체 촬상 소자는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등으로서 이용하기에 적합하다.
이상, 실시 형태 및 실시예에 대해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 상술한 실시 형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상술한 실시 형태 또는 실시예에서 예시한 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등은 어디까지나 예에 지나치지 않고, 필요에 따라 다른 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등을 이용해도 된다.
본 기술은 이하와 같은 구성을 취할 수 있다.
(1) 전극 및 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀과 유전체층에 의해 형성된 접합을 가지고, 상기 접합에 전압을 인가해서 상기 그래핀에 축적되는 전하량이 제어되어 투과 광량을 제어하는 광 변조기.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀은 상기 유전체층의 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 제공되는 광 변조기.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀은 한 층의 그래핀 또는 복수 층의 그래핀이 적층된 적층 그래핀인 광 변조기.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀에 화학적 도핑이 행해지는 광 변조기.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀에 n 형 도펀트 또는 p 형 도펀트가 도핑되는 광 변조기.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 유전체층을 구성하는 유전체는, 무기계의 유전체, 유기계의 유전체, 액정 및 이온 액체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 유전체인 광 변조기.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 유전체층을 구성하는 유전체의 비유전율이 2.0 이상인 광 변조기.
(8) 상기(1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀에 축적되는 전하량이 1μC/㎝2 이상인 광 변조기.
(9) 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전극 및 상기 투과율 변조층을 구성하는 적어도 한 층의 그래핀에 축적되는 전하량이 33μC/㎝2 이상인 광 변조기.
(10) 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는 광 변조기.
(11) 상기 (10)에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 그래핀층을 포함하는 광 변조기.
(12) 상기 (10)에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는 광 변조기.
(13) 상기 (10)에 있어서, 적어도 한 층의 상기 그래핀에 화학적 도핑이 행해져서 상기 그래핀의 페르미 준위를 제어하는 광 변조기.
(14) 상기 (10)에 있어서, 상기 유전체층은 비유전율이 2.0 이상인 유전체를 포함하는 광 변조기.
(15) 상기 (10)에 있어서, 상기 유전체층은 자발 분극을 가지는 강유전체를 포함하는 광 변조기.
(16) 상기 (10)에 있어서, 금속 나노 입자 및 금속 나노 와이어 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 상기 그래핀 상에 형성되는 광 변조기.
(17) 상기 (10)에 있어서, 상기 유전체층은 SiO2, Al2O3, 육방정 질화 붕소, HfO2, ZrO2, ZnO, TiO2, 인듐 갈륨 도핑된 산화 아연, SiN, GaN, 티탄산 스트론튬, 티탄산 바륨, 티탄산 지르콘산 납, 티탄산 납, 티탄산 지르콘산 란탄 납, CaF2, 폴리불화비닐리덴, 아몰퍼스 불소 수지, 이온 액체 및 액정으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 광 변조기.
(18) 상기 (10)에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 광 변조를 행하는 파장 영역에서 광에 투명한 재료로 이루어지는 기판 상에 제공되는 광 변조기.
(19) 상기 (10)에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 유전체층 및 상기 제2 전극은 접합을 형성하고, 상기 접합의 전체 두께는, 광 변조를 행하는 파장의 광이 접합 내부에서 다중 반사되도록 설정되는 광 변조기.
(20) 상기 (10)에 있어서, 상기 유전체층과 적어도 한 층의 상기 그래핀 사이에 광학 조정층이 제공되는 광 변조기.
(21) 상기 (10)에 있어서, 적어도 한 층의 상기 그래핀 상에 1μC/㎝2 이상의 전하가 축적되는 광 변조기.
(22) 수광부를 포함하는 촬상 소자이며,
상기 수광부는, 상기 수광부에 입사하는 광량을 제어하는 광 변조기를 포함하고, 상기 광 변조기는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는 촬상 소자.
(23) 상기 (22)에 있어서, 상기 수광부는 복수의 광 변조기를 포함하고, 복수의 상기 광 변조기 각각은 공유된 유전체층을 통해 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되는 촬상 소자.
(24) 상기 (22)에 있어서, 상기 수광부는 복수의 광 변조기를 포함하고, 복수의 상기 광 변조기 각각은 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되고, 복수의 상기 광 변조기 각각에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 상기 광 변조기 중 인접하는 하나와 공유되는 촬상 소자.
(25) 발광부를 포함하는 표시 장치이며,
상기 발광부는 표시를 행하기 위해 상기 발광부로부터 방사되는 광량을 제어하는 광 변조기를 포함하고, 상기 광 변조기는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는 표시 장치.
(26) 상기 (25)에 있어서, 상기 발광부는 복수의 광 변조기를 포함하고, 복수의 상기 광 변조기 각각은 공유되는 유전체층을 통해 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되는 표시 장치.
(27) 상기 (25)에 있어서, 상기 발광부는 복수의 광 변조기를 포함하고, 복수의 상기 광 변조기 각각은 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되고, 복수의 상기 광 변조기 각각에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 상기 광 변조기 중 인접하는 하나와 공유되는 표시 장치.
본 발명은, 2012년 6월 14일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2012-134456호에 개시된 것과 관련된 주제를 포함하고 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 원용된다.
본 기술 분야의 당업자는 첨부된 특허청구범위 또는 그 등가물의 범위 내에 속하는 한, 설계 요건 및 기타 요인에 따라 다양한 변경, 조합, 하위 조합 및 변형이 가능함을 이해하여야 한다.
11 유전체층
12, 13 전극
14 직류 전원
G 그래핀

Claims (18)

  1. 광 변조기로서,
    제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는, 광 변조기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 그래핀층을 포함하는, 광 변조기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는, 광 변조기.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 한 층의 상기 그래핀에 화학적 도핑이 행해져서 상기 그래핀의 페르미 준위를 제어하는, 광 변조기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유전체층은 비유전율이 2.0 이상인 유전체를 포함하는, 광 변조기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전체층은 자발 분극을 가지는 강유전체를 포함하는, 광 변조기.
  7. 제1항에 있어서, 금속 나노 입자 및 금속 나노 와이어 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 상기 그래핀 상에 형성되는, 광 변조기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유전체층은 SiO2, Al2O3, 육방정 질화 붕소, HfO2, ZrO2, ZnO, TiO2, 인듐 갈륨 도핑된 산화 아연(indium gallium-doped zinc oxide), SiN, GaN, 티탄산 스트론튬, 티탄산 바륨, 티탄산 지르콘산 납, 티탄산 납, 티탄산 지르콘산 란탄 납, CaF2, 폴리불화비닐리덴, 아몰퍼스 불소 수지, 이온 액체 및 액정으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는, 광 변조기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 광 변조를 행하는 파장 영역에서 광에 투명한 재료로 이루어지는 기판 상에 제공되는, 광 변조기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 유전체층 및 상기 제2 전극은 접합을 형성하고, 상기 접합의 전체 두께는, 광 변조를 행하는 파장의 광이 접합 내부에서 다중 반사되도록 설정되는, 광 변조기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유전체층과 적어도 한 층의 상기 그래핀 사이에 광학 조정층이 제공되는, 광 변조기.
  12. 제1항에 있어서, 적어도 한 층의 상기 그래핀 상에 1μC/㎝2 이상의 전하가 축적되는, 광 변조기.
  13. 촬상 소자로서,
    수광부를 포함하고,
    상기 수광부는, 상기 수광부에 입사하는 광량을 제어하는 광 변조기를 포함하고, 상기 광 변조기는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는, 촬상 소자.
  14. 제13항에 있어서, 상기 수광부는 복수의 광 변조기를 포함하고, 복수의 상기 광 변조기 각각은 공유된 유전체층을 통해 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되는, 촬상 소자.
  15. 제13항에 있어서, 상기 수광부는 복수의 광 변조기를 포함하고,
    복수의 상기 광 변조기 각각은 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되고,
    복수의 상기 광 변조기 각각에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 상기 광 변조기 중 인접하는 하나와 공유되는, 촬상 소자.
  16. 표시 장치로서,
    발광부를 포함하고,
    상기 발광부는 표시를 행하기 위해 상기 발광부로부터 방사되는 광량을 제어하는 광 변조기를 포함하고,
    상기 광 변조기는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제공되는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 한 층의 그래핀을 포함하는, 표시 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 발광부는 복수의 광 변조기를 포함하고,
    복수의 상기 광 변조기 각각은 공유되는 유전체층을 통해 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되는, 표시 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 발광부는 복수의 광 변조기를 포함하고,
    복수의 상기 광 변조기 각각은 복수의 상기 광 변조기 중 다른 하나에 직렬 접속되고,
    복수의 상기 광 변조기 각각에 대하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 상기 광 변조기 중 인접하는 하나와 공유되는, 표시 장치.
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