KR20170013147A - 게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자 - Google Patents

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Abstract

광 변조 소자는 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및 상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함한다. 외부 신호에 따라 유전율 변화층에 형성되는 활성 영역이 게이트 역할을 하며 광 변조 및 발광 성능을 제어할 수 있다.

Description

게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자{Optical modulating device having gate structure}
본 개시는 광을 변조하는 광학 소자에 대한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되고 있다.
이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 널리 사용되고 있다. 이러한 이러한 광변조기들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느리다.
최근에는 금속층과 유전체층의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노안테나를 광학 소자에 활용하는 시도가 있다.
본 개시는 광을 변조하는 광학 소자에 대한 것이다.
일 유형에 따르면, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및 상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함하는 광 변조 소자가 제공된다.
상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 절연 물질층을 더 포함하며, 상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드될 수 있다.
상기 발광 구조체는 반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 금속층을 더 포함하며, 상기 금속층 상에 순서대로, 상기 발광 구조체, 상기 유전율 변화층, 상기 유전체층, 상기 나노안테나가 배치될 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층과 상기 나노안테나 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
상기 유전율 변화층은 상기 나노 안테나층과 상기 유전율 변화층 간에 인가되는 전압에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역을 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나; 상기 복수의 나노안테나 상에 배치된 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층; 및 상기 복수의 나노안테나 사이의, 상기 유전율 변화층 상에 배치된 발광 구조체;를 포함하는, 광 변조 소자가 제공된다.
상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층 상에 배치된 절연 물질층;을 더 포함하며, 상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드될 수 있다.
상기 발광 구조체는 반도체 양자 우물층 또는 PN 접합 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 유전율 변화층과 상기 발광 구조체를 덮는 절연물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 복수의 나노안테나 각각과 상기 유전율 변화층 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 상술한 어느 하나의 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 광학 장치는 상기 광 변조 소자에 광을 제공하는 백라이트 유닛;을 더 포함할 수 있다.
상기 광학 장치는 상기 복수의 나노안테나 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부를 더 포함할 수 있다.
상술한 광 변조 소자는 나노안테나, 유전율 변화층, 발광구조체를 포함하며, 유전율 변화층에서 캐리어 농도가 변하는 영역을 게이트로 활용하여 입사광을 다양한 형태로 변조할 수 있다.
또한, 입사광의 에너지는 광 변조 소자의 발광구조체에 흡수되어 다른 파장의 광이 발광될 수 있고, 발광 에너지는 유전율 변화층의 유전율 제어로 조절될 수 있다.
상술한 광 변조 소자는 소형, 구속 구동이 가능하여 다양한 광학 장치에 적용되어 광학 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 광 변조 소자는 백라이트 유닛과 함께, 디스플레이 장치를 구현할 수 있으며, 픽셀이 소형화되고, 콘트라스트가 향상된 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1의 광 변조 소자의 A-A' 단면도이다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층의 캐리어 농도에 따른 유전율 변화를 전산 모사한 그래프이다.
도 4는 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 반사율을 전산 모사한 그래프이다.
도 5는 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 위상 변화를 파장 별로 전산 모사한 그래프이다.
도 6은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 비교예와 비교하여 전산 모사한 그래프이다.
도 7은 도 1의 광 변조 소자에서 유전율 변화층에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 전산 모사한 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 16은 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자(100)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이고, 도 2는 도 1의 광 변조 소자(100)의 A-A' 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광 변조 소자(100)는 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층(140), 유전율 변화층(140) 상에 배치된 유전체층(150), 유전체층(150) 상에 배치된 나노 안테나(NA) 및 유전율 변화층(140)에 인접 배치된 발광 구조체(120)를 포함한다.
광 변조 소자(100)는 절연물질층(130)을 더 포함할 수 있고, 발광 구조체(120)는 절연물질층(130) 내에 임베드된 형태로, 유전율 변화층(140) 하부에 배치될 수 있다.
광 변조 소자(100)는 또한, 유전율 변화층(140) 하부에 배치된 금속층(110)을 더 포함할 수 있고, 금속층(110) 상에 순서대로, 발광 구조체(120)가 임베드된 절연물질층(130), 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)가 배치될 수 있다.
유전율 변화층(140)은 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 외부 신호는 전기 신호일 수 있다. 유전율 변화층(140)은 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어질 수 있다. 또한, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice)도 사용 가능하다. 이외에도, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질), 즉, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate)이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
유전율 변화층(140)과 나노안테나(NA) 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단(190)이 구비될 수 있다. 이하에서는 유전율 변화층(140)이 전기 신호에 따라 유전율이 변하는 물질로 설명할 것이나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열을 인가하면 소정 온도 이상에서 상전이가 일어나 유전율이 변하는 물질, 예를 들어, VO2, VO2O3, EuO, MnO, CoO, CoO2, LiCoO2, 또는, Ca2RuO4 등이 유전율 변화층(140)에 채용될 수 있다.
나노안테나(NA)는 전도성 물질로 이루어지고, 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가지는 인공 구조(artificial structure)이며, 소정 파장 대역의 빛을 강하게 모으는 역할을 한다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)은 나노안테나(NA)의 동작 파장, 즉, 상기 소정 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(NA)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예를 들어, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나(NA) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다.
나노안테나(NA)의 상기한 기능은 금속물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 것으로 알려져 있으며, 나노안테나(NA)의 세부적인 형상에 따라 공진 파장이 달라진다. 이하에서는 나노안테나(NA), 유전체층(150), 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 경계면(interface)를 통칭하여 '메타표면'으로도 지칭할 것이다.
나노안테나(NA)의 단면 형상은 십자 형으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 원형, 별형, 다각형의 형상을 가질 수도 있다.
나노안테나(NA)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.
유전체층(150)에는 Al2O3, HfO2, MgO, 또는 SiO2 과 같은 물질이 사용될 수 있다.
발광 구조체(120)로는 광발광(photoluminescence)이 가능한 다양한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광 입자로서, 희토류 이온(rare earth ion), 양자점, 플라즈모닉 나노입자, 유전체 나노입자, 반도체 나노입자 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 예를 들어, Si계 나노결정, II-VI족계 화합물 반도체 나노결정, III-V족계 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족계 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나의 나노결정을 포함할 수 있다. II-VI족계 화합물 반도체 나노결정은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HggZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. III-V족계 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs, 및 InAlPAs로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. IV-VI족계 화합물 반도체 나노결정은 SbTe일 수 있다.
도 2에서는 발광 구조체(120)를 발광 입자로 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, PN 접합 구조나 양자 우물 구조가 채용될 수도 있다.
금속층(110)은 광을 반사하는 미러층으로 기능할 수 있다. 금속층(110)의 구비에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 입사광(Li), 변조광(Lm)의 방향이 형성된다. 금속층(110)의 재질은 이러한 기능을 수행할 수 있는 다양한 금속 재질, 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
금속층(110)이 구비되는 경우, 필요에 따라, 나노안테나(NA)와 금속층(110) 사이에 전압이 인가될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 유전율 변화층(140)은 나노안테나(NA)와의 사이에 인가되는 전압 여하에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역(145)을 포함할 수 있다. 활성 영역(145)은 유전율 변화층(140) 내에서 유전체층(150)과 인접한 영역 쪽에 형성되며, 캐리어 농도는 인가 전압에 따라 변한다. 활성 영역(145)에 형성된 캐리어 농도에 따라 광 변조 소자(100)에 입사되는 광이 변조되는 형태가 조절될 수 있다. 이러한 점에서, 활성 영역(145)은 나노안테나(NA)의 광 변조 성능을 조절, 제어하는 게이트로 볼 수 있다.
유전율 변화층(140)의 유전율(permittivity)은 파장에 따라 변하는 값을 갖는다. 진공의 유전율(ε0)에 대한 상대 유전율(relative permittivity, εr)을 유전 상수(dielectric constant)라고 하며, 유전율 변화층(140)의 유전 상수의 실수부는 소정 파장 대역에서 0의 값을 나타낸다.
유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 갖게 되는 파장 대역을 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역이라고 한다. 대부분의 물질의 유전 상수는 파장의 함수로 나타나며, 복소수(complex number)로 나타낼 수 있다. 진공의 유전 상수는 1이 되며, 일반적인 유전체(dielectric material)의 경우, 유전 상수의 실수부(real part)는 1보다 큰 양수이다. 금속(metal)의 경우, 유전 상수의 실수부는 음수가 될 수도 있다. 대부분의 파장 대역에서, 대부분의 물질의 유전 상수는 1보다 큰 값을 가지지만, 또한, 특정 파장에서, 유전 상수의 실수부는 0의 값을 가질 수 있다.
유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가질 때, 특이한 광학적 성질을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 실시예의 광 변조 소자(100)는 동작 파장 대역을 유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역을 포함하는 영역으로 설정할 수 있다. 즉, 나노안테나(NA)의 공진 파장 대역과, 유전율 변화층(140)의 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역을 유사하게 설정함으로써, 인가 전압에 의한 광 변조 성능이 조절되는 범위를 더욱 크게 할 수 있다.
유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역은 활성 영역(145)에 형성되는 캐리어 농도에 따라 다르게 나타난다. 유전율 변화층(140)의 ENZ 파장 대역을 활용하기 위해, 전압 인가 수단(190)이 유전율 변화층(140)과 나노안테나(NA) 사이에 인가하는 전압 범위는, 상기 전압 범위 내에서, 플라즈모닉 나노안테나층(170)의 공진 파장과 유전율 변화층(130)이 ENZ(epsilon near zero) 성질을 나타내는 파장이 일치하는 범위일 수 있다.
발광 구조체(120)는 입사광에 의해 여기되어 입사광의 파장보다 긴 파장의 광을 방출할 수 있다. 여기광에 의해 발광 구조체(120)에 형성되는 다이폴 이미터(dipole emitter)는 메타표면의 공진 파장 대역에서 갭 플라즈몬 모드(gap plasmon mode)와 결합한다. 즉, 다이폴 이미터에 의해 방사된 전자기 에너지는 나노안테나(NA)의 공진모드를 통하여 far-field까지 전달되며 방사 파워는 LDOS(local density of optical state)와 관련된다. LDOS(local density of optical state)는 다이폴 이미터의 소멸율(decay rate)와 관련되고, 또한, 단위시간당 방출되는 광자 개수로 표현될 수 있다. LDOS가 큰 값을 가질수록 방사 파워는 높아진다. LDOS는 유전율 변화층(140)의 유전율 변화에 의해 제어될 수 있다. 유전율 변화층(140)에서 국소적으로 일어나는 복소 굴절률 변화가 LDOS의 제어에 기여하며, 즉, 유전율 변화층(140) 내에 형성된 활성 영역(145)에 전하가 축적(accumulateion) 또는 고갈(depletion)되는 정도에 따라 다이폴 이미터와 플라즈몬이 커플링 되는 정도가 조절되는 것으로 분석될 수 있다. 이러한 커플링 효율(coupling efficiency)은 인가 전압에 의해 조절될 수 있다. 또한 이를 통해, 다이폴 이미터와 나노안테나의 상대적인 커플링 효율도 조절될 수 있다. 또한, 나노안테나가 방향성이 있는 경우 광이 원하는 방향으로 출사되도록 조절될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 광 변조 소자(100)에의 입사광(Li)은 변조광(Lm)으로 출사되며, 변조광(Lm)의 파장, 세기, 위상, 방향 등이 상술한 요소들에 의해 제어될 수 있다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)의 캐리어 농도에 따른 유전율 변화를 전산 모사한 그래프이다.
그래프에서 가로축은 유전율 변화층(140) 내의 위치를 유전체층(150)과의 경계면으로부터의 거리로 표시하고 있다. 세로축은 유전율의 실수값을 나타낸다.
캐리어 농도의 단위는 cm- 3 이고, 세가지 캐리어 농도에 대한 유전율 실수부의 변화를 나타내고 있다.
도 4는 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 반사율을 전산 모사한 그래프이다.
반사율이 최소가 되는 파장 대역이 공진 파장 대역이며, 인가전압에 따라 반사율이 변하며 공진 파장 대역이 조절되는 것을 볼 수 있다.
도 5는 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 위상 변화를 파장 별로 전산 모사한 그래프이다.
그래프로부터, 인가 전압의 조절로 위상 변화가 조절되며, 약 2π 에 근접한 범위의 위상 변화가 가능함을 볼 수 있다.
도 6은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 비교예와 비교하여 전산 모사한 그래프이다.
그래프에서 실시예(1V)는 인가 전압을 1V로 한 경우이고, 실시예(5V)는 인가 전압을 5V로 한 경우이다. 비교예 1은 나노안테나(NA)와 발광 구조체(120) 만이 구비된 구조이고, 비교예 2는 하부 금속층(11)과 발광 구조체(120)만이 구비된 경우이며, 비교예 3은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)이 구비되지 않은 구조이다.
그래프에서 세로축은 LDOS를 나타내며, 첨자 z은 다이폴 방향을 z 방향으로 하여 전산 모사한 것임을 의미한다.
그래프를 참조하면, 메타표면 구조가 구비될 때 공진 파장 대역이 형성되고 LDOS의 수준이 높아짐을 알 수 있다. 또한, 유전율 변화층이 구비되는 실시예에서 인가 전압으로 국소 굴절률 변화를 조절함에 따라 LDOS를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 도 1의 광 변조 소자(100)에서 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압 및 입사광의 파장에 따른 LDOS의 변화를 전산 모사한 그래프이다.
그래프는 유전율 변화층(140)에 인가되는 전압을 세분화하여 LDOS가 조절될 수 있음을 보이고 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(101)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(101)는 발광 구조체(121)로 PN 접합 구조를 채용하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(101)와 차이가 있다.
광 변조 소자(101)는 금속층(110), 발광 구조체(121), 절연물질층(130), 활성 영역(145)이 구비되는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함할 수 있다.
발광 구조체(121)는 p형 반도체층(121a)과 n형 반도체층(121b)이 접합된 반도체 PN 접합 구조를 포함한다. 입사된 광에너지에 의해 PN 접합의 계면에서 일어나는 전자, 정공의 결합에 의해 이미터(emitter)가 형성된다. 이미터와 표면 플라즈몬과의 커플링이 유전율 변화층(140)의 복소 유전율 변화에 의해 제어되며 LDOS가 조절된다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(102)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(103)는 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조를 채용하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(101)와 차이가 있다.
광 변조 소자(103)는 금속층(110), 발광 구조체(122), 절연물질층(130), 활성 영역(145)이 구비되는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함할 수 있다.
발광 구조체(122)는 두께, 조성이 다른 복수층의 반도체층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 장벽층(122a)(122c) 사이에 우물층(122b)이 게재된 구조를 포함할 수 있다. 도면에서는 두 장벽층(122a)(122c) 사이에 우물층(122b)이 게재된 단일 양자 우물(SQW, single quantum well) 구조로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다. 발광 구조체(122)는 장벽층과 우물층이 반복 적층된 다중 양자 우물(MQW, multi-quantum well) 구조를 포함할 수 있다. 우물층(122b), 장벽층(122a)(122c)은 3족 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 장벽층(122a)(122c)에는 InGaN 또는 GaN이, 우물층(122b)에는 InGaN이 채용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 우물층(122b)은 장벽층(122a)(122c) 보다 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어진다. 장벽층(122a)(122c)은 n형 또는 p형으로 도칭될 수 있고, 우물층(122b), 장벽층(122a)(122c) 이 모두 도핑되는 것도 가능하다.
입사된 광에너지가 장벽층(122a)(122c)에 흡수되어 전자, 정공이 생성된다. 생성된 전자, 정공은 우물층(122b)으로 이동하여 우물층(122b)에 가두어진(confined) 다음 서로 결합한다. 우물층(122b)에서 일어난 전자, 정공의 결합이 이미터의 역할을 한다. 이미터와 표면 플라즈몬과의 커플링이 유전체 변화층(140)의 복소 유전율 변화에 의해 제어되며 LDOS가 조절된다. LDOS가 높을 때, 발광량이 많고, LDOS가 낮을 때, 발광량은 감소한다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(103)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(103)는 투과형 구조로서, 즉, 입사광(Li)이 광 변조 소자(103)를 투과하며 변조광(Lm)으로 출사한다.
광 변조 소자(103)는 발광 구조체(120), 발광 구조체(120)가 임베드된 절연물질층(130), 활성 영역(145)을 구비하는 유전율 변화층(140), 유전체층(150) 및 나노안테나(NA)를 포함한다. 도 1의 금속층(110)이 구비되지 않는 점에서 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(104)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(103)는 도 10의 광 변조 소자(103)와 마찬가지로, 투과형이며, 발광 구조체(121)로 반도체 PN 접합 구조가 채용되는 점에서 도 10의 광 변조 소자(104)와 차이가 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(105의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(105)는 도 10의 광 변조 소자(103)와 마찬가지로 투과형이며, 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조가 채용되는 점에서 도 10의 광 변조 소자(103)와 차이가 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(106)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(106)는 기판(105), 기판(105) 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나(NA1)(NA2), 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 상에 배치된 유전체층(151), 유전체층(151) 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층(141), 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 사이의, 유전율 변화층(141) 상에 배치된 발광 구조체(120)를 포함한다.
발광 구조체(120)는 도시된 바와 같이, 발광 입자로 이루어질 수 있고, 유전율 변화층(141) 상에 배치된 절연 물질층(130) 내에 임베드될 수 있다.
광 변조 소자(106)는 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 각각과 유전율 변화층(141)간에 독립적으로 전압을 인가할 수 있는 전압 인가 수단(191)(192)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전율 변화층(141)을 접지로 하고, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 각각에 서로 다른 전압을 인가할 수 있다.
복수의 나노안테나(NA1)(NA2) 사이에 배치된 발광 구조체(120)는 인접한 나노안테나(NA1)(NA2)에 의한 표면 플라즈몬과 서로 다른 정도로 커플링할 수 있고, 커플링 상태의 조합으로 발광 구조체(120) 위치에서의 LDOS가 정해질 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(107)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(106)는, 발광 구조체(121)로 반도체 PN 접합 구조가 채용되는 점에서 도 13의 광 변조 소자(106)와 차이가 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(108)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(108)는 발광 구조체(122)로 반도체 양자우물 구조가 채용되는 점에서 도 13의 광 변조 소자(106)와 차이가 있다.
도 16은 실시예에 따른 광학 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
광학 장치(1000)는 백라이트 유닛(1100)과 광 변조 소자(1700)를 포함한다.
광 변조 소자(1700)은 기판(1105) 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나 (NA1)(NA2)(NA3)(NA4)를 포함한다. 기판(1105)은 투명 기판일 수 있고, 또는 적어도, 백라이트 유닛(1100)에서 제공되는 파장 대역의 광에 대해 투명한 성질을 가질 수 있다.
복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 상에는 유전체층(1500), 유전율 변화층(1400)이 배치된다. 유전체층(1500), 유전율 변화층(1400)은 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각의 표면을 따라 형성되어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 사이에 인입 영역이 형성될 수 있다. 이 위치에 발광 구조체(1211)(1212)(1213)가 배치될 수 있다. 광 변조 소자(1700)는 유전율 변화층(150)을 덮는 절연물질층(1300)을 더 포함할 수 있고, 절연물질층(1300) 내에 발광 구조체(1211)(1212)(1213)가 임베드 될 수 있다. 기판(1105) 상에는 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부(1110)가 더 배치될 수 있다.
백라이트 유닛(1100)은 광 변조 소자(1700)에서 변조될 광을 제공한다. 백라이트 유닛(1100)에서 제공되는 광은 광 변조 소자(1700)에 구비된 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에 광에너지를 공급하고 이미터를 생성할 수 있다. 백라이트 유닛(1100)은 자외선광(UV) 또는 청색광을 제공할 수 있다. 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에서의 발광 파장은 백라이트 유닛(1100)에서 제공된 광의 파장보다 긴 파장을 갖는다. 각 발광 구조체(1211)(1212)(1213)에서 생성된 이미터에 의해 발광 파워는 광 변조 소자(1700)의 유전율 변화층(1400)의 유전율 변화에 의해 형성되는 LDOS에 의해 결정된다. 유전율 변화는 인가 전압에 의해 제어될 수 있다.
제어부가 더 구비되어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각과 유전율 변화층(1400) 간의 전압을 독립적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 나노안테나(NA1)(NA2) 사이의 발광구조체(1211), 나노안테나(NA2)(NA3) 사이의 발광구조체(1212), 나노안테나(NA3)(NA4) 사이의 발광구조체(1213)는 각각 서로 다른 LDOS를 나타낼 수 있고 독립적으로 제어되는 별개의 화소의 역할을 할 수 있다.
광학 장치(1000)는 디스플레이 장치의 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 발광 구조체(1211)(1212)(1213)는 서로 다른 파장의 광을 방출하도록, 발광 입자의 크기나 재질이 조절될 수 있다. 형성하고자 하는 영상 정보에 따라 제어부가 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4) 각각과 유전율 변화층(1400) 사이의 전압을 제어하여 개개의 화소를 온/오프 함으로써 영상이 표시될 수 있다. 이와 같이 형성된 영상은 색순도가 높아 개선된 색 재현율(color gamut)을 나타낼 수 있으며, 높은 대비비(contrast)를 나타내 수 있다.
광학 장치(1000)가 디스플레이 장치 뿐 아니라, 다른 장치로 적용될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 나노안테나(NA1)(NA2)(NA3)(NA4)에 서로 다른 지향성을 갖는 형상으로 하거나, 인가 전압에 소정 규칙을 부여함으로써 빔 디플렉터나 빔 정형기로 적용될 수도 있다.
발광 구조체(1211)(1212)(1213)는 발광 입자로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 도 14, 도 15에서 각각 예시한, 반도체 PN 접합 구조나 반도체 양자 우물 구조가 채용될 수 있다. 이외에도, 광발광(photoluminescence)이 가능한 다양한 물질 및 구조가 채용될 수 있다.
광학 장치(1000)는 도 13의 구조가 어레이되어 광 변조 소자(1700)를 구현하는 것으로 예시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 도 1의 구조가 반복 어레이되어 광 변조 소자를 구현할 수도 있다. 이 경우, 백라이트 유닛의 형태는 발광구조체(1211)(1212)(1213)에 광을 제공하기에 보다 적절한 형태로 변경될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 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, 106, 107, 108, 1700 ..광 변조 소자
110.. 금속층
120, 121, 122..발광 구조체
130, 1300..절연물질층
140, 141, 1400.. 유전율 변화층
145.. 활성 영역
150, 151, 1500. 유전체층
NA, NA1, NA2.. 나노안테나
190, 191, 192.. 전압 인가 수단
1100..백라이트 유닛
1105..기판
1110..구동회로부

Claims (20)

  1. 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층;
    상기 유전율 변화층 상에 배치된 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치된 나노안테나; 및
    상기 유전율 변화층과 인접 배치된 발광 구조체;를 포함하는 광 변조 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출하는, 광 변조 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함하는, 광 변조 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    절연 물질층을 더 포함하며,
    상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드되는, 광 변조 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 발광 구조체는
    반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함하는, 광 변조 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    금속층을 더 포함하며,
    상기 금속층 상에 순서대로, 상기 발광 구조체, 상기 유전율 변화층, 상기 유전체층, 상기 나노안테나가 배치된, 광 변조 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전율 변화층과 상기 나노안테나 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함하는, 광 변조 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 유전율 변화층은
    상기 나노 안테나층과 상기 유전율 변화층 간에 인가되는 전압에 따라 캐리어 농도가 변하는 활성 영역을 포함하는, 광 변조 소자.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 서로 이격 배치된 복수의 나노안테나;
    상기 복수의 나노안테나 상에 배치된 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치되고, 가변 유전율을 가지는 유전율 변화층;
    상기 복수의 나노안테나 사이의, 상기 유전율 변화층 상에 배치된 발광 구조체;를 포함하는, 광 변조 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발광 구조체는 입사광을 여기원으로 하여 상기 입사광보다 긴 파장의 광을 방출하는, 광 변조 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발광 구조체는 복수의 발광 입자를 포함하는, 광 변조 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유전율 변화층 상에 배치된 절연 물질층;을 더 포함하며,
    상기 복수의 발광 입자는 상기 절연 물질층 내에 임베드되는, 광 변조 소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 발광 구조체는
    반도체 양자 우물 구조 또는 반도체 PN 접합 구조를 포함하는, 광 변조 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유전율 변화층과 상기 발광 구조체를 덮는 절연물질층을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노안테나 각각과 상기 유전율 변화층 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유전율 변화층은 투명 전도성 산화물을 포함하는, 광 변조 소자.
  18. 제1항의 광 변조 소자;를 포함하는 광학 장치.
  19. 제10항의 광 변조 소자;
    상기 광 변조 소자에 광을 제공하는 백라이트 유닛;을 포함하는 광학 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 기판 상에는 상기 복수의 나노안테나 각각에 인가되는 전압을 제어하기 위한 구동회로부가 더 배치된, 광학 장치.
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