KR20170029439A - 집광 방법 및 광 집중기 - Google Patents

집광 방법 및 광 집중기 Download PDF

Info

Publication number
KR20170029439A
KR20170029439A KR1020167037102A KR20167037102A KR20170029439A KR 20170029439 A KR20170029439 A KR 20170029439A KR 1020167037102 A KR1020167037102 A KR 1020167037102A KR 20167037102 A KR20167037102 A KR 20167037102A KR 20170029439 A KR20170029439 A KR 20170029439A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
waveguide
layer
light
nanopatterned
Prior art date
Application number
KR1020167037102A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102218658B1 (ko
Inventor
패트릭 괴른
Original Assignee
베르기쉐 유니버시태트 부퍼탈
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 베르기쉐 유니버시태트 부퍼탈 filed Critical 베르기쉐 유니버시태트 부퍼탈
Publication of KR20170029439A publication Critical patent/KR20170029439A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102218658B1 publication Critical patent/KR102218658B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0038—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light
    • G02B19/0042—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light for use with direct solar radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/20—Optical components
    • H02S40/22—Light-reflecting or light-concentrating means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12107—Grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12119—Bend
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/101—Nanooptics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

본 발명은 기판(1) 상에 형성된 박막 도파관(2,4) 내부로 특히, 박막 도파관(2,4)의 적어도 하나의 평행 표면들을 통해 빛을 커플링함으써 빛을 집광하는 방법으로서, 상기 방법은, 나노패턴화된 불연속 여기층(3) 물질과 입사광과의 상호작용 특히, 산란, 회절 혹은 표면 플라즈몬 여기에 의해서, 적어도 하나의 노드(6), 바람직하게는 정확히 하나의 노드(6)를 갖는 적어도 하나의 래터럴 유도 모드(5)를 상기 박막 도파관(2,4)에서 여기시키는 단계를 더 포함하며, 상기 물질은 특히 금속, 바람직하게는 실버이며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 유도 래터럴 모드(5)의 적어도 하나의 노드(6)의 위치에서 상기 박막 도파관(2,4) 내에 형성된다. 또한, 본 발명은 기판(1) 상에 형성된 박막 도파관(2,4)을 포함하는 집광기에 관한 것으로, 상기 박막 도파관(2,4)은 적어도 2개의 평행한 표면들을 가지며, 상기 표면들 중 적어도 하나를 통해 빛이 상기 박막 도파관(2,4) 내부로 커플링되며, 상기 박막 도파관(2,4)은 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4) 내에서 여기될 유도 모드(5)의 노드 위치(6)에 상응하는 위치에 나노패턴화된 불연속 여기층(3) 물질을 배치함으로써, 빛을 모으기 위한 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4)으로서 설치되며, 상기 물질은 특히 금속, 바람직하게는 실버이다. 또한, 본 발명은 이러한 집광기를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

집광 방법 및 광 집중기{METHOD FOR CONCENTRATING LIGHT AND LIGHT CONCENTRATOR}
본 발명은 특히, 적어도 하나의 그것의 평행 표면들을 통해, 빛을 박막 도파관(thin film waveguide)에 결합(coupling)함으로써 빛을 집광하는 방법에 관한 발명이다. 또한, 본 발명은 집광기, 이러한 집광기를 제조하는 방법 및 이러한 집광기의 이용에 관한 발명이다.
앞서 언급된 평행 표면들은 박막 도파관이 구성되는 기판의 표면에 평행한 도파관의 표면들로 이해된다. 박막 도파관의 이들 평행한 표면들은 도파관과 공기 또는 캡핑 사이의 인터페이스 혹은 도파관과 기판 사이의 인터페이스를 형성한다.
본 발명에서 빛을 집광하는 것(concentrating light)은 박막 도파관을 이용하여 적어도 빛을 모음으로써 발생하게 되는데, 상기 박막 도파관은 이러한 표면들 중 적어도 하나를 통해 박막 도파관 내부로 빛을 커플링하기 위한 2개의 평행 표면들을 갖는다.
해당 기술분야에 공지된 유전체 박막 도파관은, 전체 두께가 300 nm 에서 1 pm 혹은 수 피코미터(pm)인 투명한 박막의 적층으로서 물질을 지지 기판 상에 증착함에 의해서 구성되는 것이 일반적이다. 박막 도파관의 일 표면은 기판과 접촉한다. 박막 도파관의 다른 일 표면은 주변의 공기 혹은 캡핑과 접촉한다. 이들 2개의 평행한 표면들 중 적어도 하나는 입사 표면을 형성하며, 상기 입사 표면을 통하여 빛이 박막 도파관 내부로 커플링될 수 있다.
수백 나노미터에서 수 마이크로미터 범위에 박막 도파관 두께와 동일한 오더(same order)인 전파 모드의 직경(diameter of a propagating mode)의 경우, 박막 도파관의 표면에서의 수집 영역(collecting area)은 여기된 도파관 모드들(exited waveguide modes)의 단면을 일반적으로 초과할 것이다.
이러한 의미에서, 유도 모드들(또는, 도파 모드들)(guided modes)로 빛을 모드는 것은 빛을 집중시키는 것 특히 제 1 단계에서 빛을 집중시키는 것을 의미한다.
가능한 제 2 단계에서, 예를 들어, 도파관 단면을 감소시키거나 특히 폭을 및/또는 이것을 스트라이프 도파관으로 좁힘(tapering)으로써, 평면 집중(planar concentration)이라하는 유도 모드들이 더 집중될 수 있는바, 이것은 모달 단면(modal cross section)을 더 감소시킨다.
박막 도파관에서 유도 모드의 전파(propagation of a guided mode)는, 박막 도파관의 표면에 평행하고 그리고 기판 표면의 법선 벡터에 수직인 모든 방향들에서 발생한다(다른 수단들에 의해서 하나의 특정 방향으로 제한되지 않거나 혹은 여러 특정 방향들로 제한되지 않는다면). 이들 방향들은 래터럴(lateral)로 이해된다. 따라서, 여기된 유도 모드들은 또한 래터럴 모드들(lateral modes)이라 지칭될 수 있다.
박막 도파관의 표면을 통해 빛을 모으는 것은, 박막 도파관의 체적 내부로 향하도록 표면으로 입사하는 빛의 굴절을 야기하는 모든 방향들에서 발생할 수 있다.
스무스한 평행 표면들을 구비한 완벽하게 평면인 패시브 유전체 박막 도파관에서는, 외부로부터 이들 표면들 중 하나를 통한 유도 래터럴 모드들의 여기(excitation of guided lateral modes)는, 불가능하다(스넬의 법치). 사실, 이것은, 굴절률 변동들, 후면 스캐터링(backside scattering) 또는 회절 소자들(diffractive elements)을 이용하여 평면성(planarity)을 브레이킹함으로써 성취될 수 있다. 하지만, 이러한 개념들은 유도 도파관 모드들의 여기와 추출 사이의 대칭성으로 인해 어려움을 겪는다. 달리 말하면, 최신의(state-of-the-art) 패시브 평면 박막 도파관에서, 그것의 표면들 중 적어도 하나를 통하여 도파관 내부로 빛을 커플링하기 위하여 취해진 모든 조치들은 또한, 동일한 표면을 통한 포획된 빛의 개선된 추출을 야기한다. 따라서, 포획된 빛의 오직 적은 일부분만이 박막 도파관 내로 유도되는바, 예를 들면, 도파관 내에서 여기된 필름 모드에서의 전반사(total refelction) 원리에 의해서 유도된다.
특히, 이러한 방법 및 집광기 빛을 박막 도파관 내부로 커플링시키는 원리를 이용해야만 하는데, 이는 래터럴 방향으로 도파관 내를 진행하는 여기된 모드들의 전파에 거의 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 전술한 방법에 의해서 성취되며, 전술한 방법은 입사광과 나노패턴화된 불연속 여기층과의 상호작용에 의해서 적어도 하나의 노드(바람직하게는 정확히 하나의 노드)를 갖는 적어도 하나의 유도(필름-) 모드를 박막 도파관 내에서 여기시키는 단계를 더 포함하는바, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층은 유도 래터럴 모드(guided lateral mode)의 적어도 하나의 노드의 위치에서 박막 도파관 내에 구성된다. 이러한 통합된 나노패턴화된 불연속 여기층을 갖는 박막 도파관은 콜렉팅 박막 도파관이라 지칭된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 바람직하게는, 유도 모드의 노드(들) 위치에만 배치된다.
"노드(node)"라는 용어는 도파관 내의 여기된 모드의 강도 프로파일에서 최소 강도(minimum of intensity)로 이해된다. 본 일례에서 노드 위치를 결정하기 위한 강도 프로파일은, 모드 한정(mode confinement)의 방향(들)에서 평가된다(regarded). 2개의 래터럴 치수들(lateral dimensions) 둘다에서 연장되는 박막 도파관의 경우, 이것은 오직 광 수집 표면의 법선 벡터의 방향을 의미한다. 스트라이프 형상의(stripe shaped) 박막 도파관의 경우, 이것은 한정된 래터럴 방향(confined lateral direction)을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 노드의 위치는 이들 표면들의 법선 벡터의 방향들에서 평가되는 도파관의 2개의 평행한 표면들 사이의 어딘가에 적어도 존재한다. 전술한 나노패턴화된 여기층은, 적어도 여기된 모드의 전파 방향에서 불연속이며, 특히 모든 래터럴 방향들에서 불연속일 수 있다.
두께가 수 밀리미터인 평탄한 도파관 대신에, 빛을 콜렉팅하기 위한 박막 도파관이 본 발명에 따른 집광기에서 이용된다.
이러한 콜렉팅 박막 도파관은 기판 보다 더 높은 굴절률을 갖는 하나 이상의 투명한, 특히 유전체 층들, 나노패턴화된 불연속 여기층 및 캡핑(예컨대, 공기층)으로 구성된다. 도파관 모드들은 콜렉팅 박막 도파관에 국한(confine)되거나 또는 각각의 두께가 약 300nm에서 1 마이크로미터인 여러 개(적어도 2개)의 콜렉팅 박막 도파관들의 스택에 국한된다. 얇은 두께로 인하여, 물질 소모가 매우 작으며 그리고, 보다 중요하게는 플렉서블한 집광기가 예상될 수 있다.
본 발명에 의해서 이해되는 나노패턴화된 불연속 여기층은, 콜렉팅 박막 도파관의 평면성(planarity)을 브레이킹하며 그리고 입사광의 전파 방향의 변화을 가능케하는바, 특히 산란, 회절 혹은 플라스몬 여기(plasmon excitation)에 의해서 가능하다. 이러한 방식으로 공간들을 한정하는 불연속 여기층의 나노 패턴, 특히 파장의 일부분의 치수를 갖는 나노 패턴은 입사광으로부터 측면적으로(laterally) 전파하는 (필름-) 모드를 생성 할 수있다. 결과적으로, 이러한 콜렉팅 박막 도파관의 나노패턴화된 불연속 여기층은 집광기 내로의 빛의 커플링을 가능케하는 수단이다.
적어도 하나의 노드를 갖는 필름 모드의 노드 위치에서의 나노패턴화된 불연속 여기층의 배치 때문에, 높은 전파 손실들이 기본 모드(fundamental mode)에 대해서 존재한다. 이것은 기본 모드가 나노패턴화된 불연속 여기층과 상당히 많이 반응하기 때문이다. 다음과 같은 점이 잘 알려져 있는바, 저 손실(low loss) 및 손실성 도파관 모드들을 포함하는 도파관들에서의 전파 손실들은 저 손실 모드들에 의해서 주로 결정된다. 따라서, 기본 모드의 높은 손실들은 집광기 성능에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다.
나노패턴화된 불연속 여기층의 위치(들)에 그들의 노드(들)을 갖는 더 높은 모드들만이 집광기 성능을 결정한다. 나노패턴화된 불연속 여기층에 의해서 여기되는 더 높은 모드들(TEn, TMn, n >= 1)은, 도파관 내에서 진행할 때 상기 나노패턴과 거의 상호작용하지 않는데, 왜냐하면 상당한 강도의 빛이 상기 나노패턴의 위치에 존재하지 않기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따르면 콜렉팅 박막 도파관에서 여기된 모드가 커플링 매커니즘에 의해서 영향을 받지 않으며, 상기 커플링 매커니즘은 빛을 콜렉팅 박막 도파관 내부로 커플링시키는 역할을 한다. 이것은 다음과 같이 요약될 수 있는바, LSCs 가 입사광 및 유도 모드들의 에너제틱 분리(energetic separation)를 제공하는 것와 유사한 방식으로, 본 발명의 방법은 공간적인 분리(spatial separation)를 제공한다. 달리 말하면, 입사광은 나노패턴화된 불연속 여기층과 상호작용하며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층은 유도 모드들에 대해서는 "안보이게(invisible)" 유지된다(stay).
나노패턴화된 불연속 여기층을 둘러싸는 콜렉팅 박막 도파관의 투명한 연속 층들의 물질은, 빛을 유도하기에 적합한 임의의 투명한 물질(특히, 기판에 비하여 큰 굴절률을 갖는 투명한 유전체 물질)로부터 선택될 수 있다. 노드의 위치에서(특히, 제 1 고차 가로 모드(first higher transvers mode)(TE-i, TM-i)의 노드) 콜렉팅 박막 도파관 내에 배치되는 나노패턴화된 불연속 여기층은 또한, 전형적으로 20nm 이하인 나노패턴화된 불연속 여기층의 매우 낮은 매스 두께(mass thickness)에서 가시 광선과의 강력한 상호작용을 보여주는 임의의 적절한 물질로부터 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 여기층은 노드에 들어맞게(fit into)되며 그리고 입사광과의 상호작용에 의해서 특히, SPPs 를 여기시킴으로써, 적어도 하나의 저 손실 래터럴 모드를 여기시키도록 작용한다. 이러한 물질은 금속, 바람직하게는 은(silver; 이하, '은' 혹은 '실버' 라 함)이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 전술한 목적은 박막 도파관 2개의 평행한 표면들을 갖는집광기에 의해서 성취되며, 여기서 이들 표면들 중 적어도 하나를 통해서 빛이 박막 도파관 내부로 커플링가능하며, 상기 박막 도파관은 나노패턴화된 불연속 여기 물질층을 구성함으로써 빛을 모으기 위한 광 콜렉팅 박막 도파관으로서 확립되며, 상기 물질은 특히 금속 및 바람직하게는 은이며, 나노패턴화된 불연속 여기 물질층은 콜렉팅 박막 도파관 내에서 여기되는 유도 모드의 노드 위치에 대응하는 위치에 구성되고, 상기 모드는 적어도 하나의 노드를 갖는다. 집광기의 콜렉팅 박막 도파관은 평탄한 포면 혹은 구부러진 표면 둘다를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 나노패턴화된 불연속 여기층은 연속적으로 폐쇄된 물질 영역(continuously closed area of material)을 구성하지 않으며, 물질 사이에서 특히 100nm 이하, 바람직하게는 10nm 이하인 수 나노미터들의 범위의 간격을 갖는 불연속 영역만을 형성한다.
집광기의 적어도 일부를 형성할 수 있는 콜렉팅 박막 도파관에서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 수집 표면의 법선 벡터에 평행한 방향에서 노드 위치로 적어도 제한되며 그리고 특히 콜렉팅 박막 도파관의 전체 영역(수집 영역)에 대해 연장될 수 있다. 따라서, 나노패턴화된 여기층은 수집 영역에 평행한 평면에서 불연속 물질의 영역을 형성한다. 상기 수집 영역은 집광기의 전체 영역일 필요는 없지만, 적어도 일부분일 수는 있는데, 왜냐하면 집광기가 적어도 하나의 콜렉팅 박막 도파관 이외에도 도파관 구조(waveguiding structure)를 포함할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 집광기는, 서로 다른 나노패턴화된 불연속 여기층들을 구비한 서로 다른 콜렉팅 박막 도파관들, 또는 서로 다른 유전체 층들 혹은 특히 나노패턴화된 불연속 여기층을 전혀 갖지 않는 박막 도파관들을 포함할 수 있다. 이들 도파관들은 오직 광 모드(light mode)를 유도하기만 할 뿐, 이들의 연속적인 구조로 인하여 이러한 도파관들 내에서 수집 뿐만 아니라 추출도 발생하지 않도록 작용할 수 있다.
나노패턴화된 불연속 여기층의 물질은 상기 표면들에 평행한 평면에서 필름/층으로서 배열될 수 있으며, 특히, 상기 필름은 표면(들)의 법선 벡터의 방향에서 20nm 이하의 매스 두께를 갖는다. 이러한 두께 제한으로 인하여, 상당한 강도를 갖는 유도 필름 모드의 위치들 내부로 나노패턴화된 불연속 여기층이 연장되지 않음이 보장된다. 상기 여기층은 연장되지 않는 것이 바람직한바, 특히, 상기 표면들의 법선 벡터의 방향에서 lmax/100 의 위치들 너머로 연장되지 않는 것이 바람직하며 여기서, lmax 는 전체 강도 프로파일의 강도 최대치(intensity maximum)이다.
집광기의 콜렉팅 박막 도파관 내의 자기-조직화된(self-organized) 나노패턴화된 불연속 여기층의 일례는 실버 아일랜드 필름(silver island film)이며, 이것은 특히, 여과 한계(percolation limit) 이하의 매스 두께(mass thickness)에서 실버가 증착될 때 형성된다. 특히, 실버 아일랜드 필름은 5 ~ 15 nm 의 매스 두께 및/또는 10 ~ 100 nm 의 입자 사이즈를 나타낼 수 있다. 이러한 두께 혹은 사이즈는 필름 물질이 불연속(아일랜드화)임을 제공하며 그리고 입사광과의 강력한 상호작용을 야기하며 그리고 연속적인 필름에 비하여 매우 낮은 반사를 야기한다.
최근의 실험들은, 입사광의 강력한 산란을 나타내는 불연속 실버 아일랜드 필름(SIF)이, 그것의 노드 위치에 정렬되는 때에 래터럴 모드에 대하여 1 cm-1 보다 훨씬 아래의 전파 손실들이 가능함을 보여주고 있다. 다음을 유의해야 하는바, 실버는 대략 700.000 cm-1 인 흡수(absorption)를 보여주며 그리고 12nm 의 매스 두께를 갖는 실버 아일랜드 필름이 유전체 도파관의 중앙에 배치되었다. 이러한 실험에서 발견되는 이들 극도로 낮은 전파 손실들은, SIF에서 완전하게 정렬된 노드를 구비한 유전체 노드 모드(dielectric node mode)(TE1)와 실버 아일랜드의 존재하에서 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons: SPPs)과의 하이브리화(hybridization)에 대한 힌트를 준다. 정확한 기저의 매커니즘(underlying mechanism)은 아직까지 완벽히 이해되지 않는다. 중요한 것은, 나노패턴화된 불연속 여기층, 예컨대, SIF 가 유전체 박막 도파관의 소정 위치에 배치되고, 따라서 본 발명에 따른 콜렉팅 박막 도파관을 형성한다. 불연속 여기층이 금속(예컨대, 실버)을 포함하는 경우, 결과적인 콜렉팅 박막 도파관은 더 이상 순수한 유전체가 아니다. 동시에 이것은 플라즈모닉(plasmonic) 도파관이 되는바, 이는 SPPs를 위한 도파관을 의미한다. 2 종류의 모드들 모두가 하이브리화될 수 있기에, 상기 콜렉팅 박막 도파관은 또한 하이브리드 박막 도파관으로 간주될 수 있다. 간략함을 위해, 상기 도파관은 3개의 케이스들 모두를 포함하는 박막 도파관으로 지칭될 것이다. 동일한 방식으로, 여기된 래터럴 모드들은 순수한 유전체 모드 또는 SPPs 또는 하이브리드가 될 수 있다. 이들은 3개의 케이스들 모두를 포함하는 박막(thin film) 모드들로 지칭될 것이다.
본 발명에 따른 집광기를 형성하기 위하여, 나노패턴화된 불연속 여기층이 바람직하게는 2개의 투명 층들, 바람직하게는 투명한 유전체 물질 사이에 배치된다. 2개의 투명 층들은 동일한 물질로 만들어질 수도 있으며 또는 2개의 서로 다른 물질들로 만들어질 수도 있는바, 특히 층들을 위해 서로 다른 물질을 이용하는 경우, 2개의 층들은 여기된 가로 모드의 비대칭성을 보상하도록 서로 다른 두께들을 가질 수 있다.
집광기의 콜렉팅 박막 도파관은 노드 위치에 의해서 최적화되는데, 노드 위치는 가능한한 파장들에 대하여 독립적이다. 이러한 방식으로, 매우 낮은 전파 손실들이 전체 가시 광선 스펙트럼에서 획득될 수 있다.
TE1/TM1 모드(또는 다른 홀수 모드들)의 경우 완전한(perfect) 콜렉팅 박막 도파관은 그러한 점에서, 대칭적인 콜렉팅 박막 도파관이며 여기서 노드 위치는 가장 중심(very center)에 있다. 이러한 완전 대칭은, 나노패턴화된 불연속 여기층을 둘러싸는 동일한 상부 및 하부 유전체 층과 상부 유전체 층의 최상부 상에 형성된 캡핑에 의해 성취될 수 있는바, 상기 캡핑은 하부 유전체 층과 접촉하는 기판과 동일한 굴절율을 가지며, 바람직하게는 1㎛ 보다 큰 두께를 갖는다. 일반적으로, 예상되는 노드의 정확한 위치는 미리 계산될 수 있으며 그리고 콜렉팅 박막 도파관은 이에 따라 제조된다.
빛을 집광하기 위한 방법에 따르면, 적어도 하나의 래터럴 유도 모드(laterally guided mode)의 빛은, 나노패턴화된 불연속 여기층에 산란(scattering) 또는 회절(diffracting) 구조를 제공함으로써, 적어도 하나의 특정 래터럴 방향에서 여기될 수 있다. 이러한 구조는 반드시 주기적인 필요는 없지만, 입사광을 상기 적어도 하나의 래터럴 방향에서 대부분 산란 혹은 회절시키도록 작용한다.
예를 들어, 이러한 구조는 상기 적어도 하나의 래터럴 방향으로 주기적일 수도 있는 격자 구조(grating structure)가 될 수 있다.
하나 이상의 특정한 래터럴 전파 방향들이 선택될 수 있다. 결과적으로, 상기 구조는 산란 또는 회절 효과를 야기하는 여러 개의 불연속성들을 가질 수 있으며 또는 서로 다른 래터럴 방향들에서 주기성들(periodicities)을 가질 수 있다. 이러한 것은 소정의 전파 방향을 구비한 파형들을 여기시키는데 도움을 주며, 따라서 도파관 내의 하나 이상의 특정 위치들, 특히 추출 위치들로 상기 모드들을 지향시키는 것을 지원한다.
나노구조, 특히 본 발명에 따른 집광기의 콜렉팅 박막 도파관 내의 상기 격자 구조는 주기적으로 배치된 패턴 요소들을 가질 수 있는데, 각각의 패턴 요소는 고립된 물질 필름(islandized film of material) 바람직하게는 실버로 구성될 수 있다. 또한, 상기 구조의 패턴 요소들은 연속적인 필름들, 바람직하게는 금속, 바람직하게는 실버로 형성될 수 있는데, 회절 혹은 산란 구조 그 자체가 또한 평탄성을 브레이크하며 그리고 산란, 회절 및 표면 플라즈몬 여기를 허용하기 때문이다.
양호한 핸들링 및 제조를 위해, 집광기는 기판, 특히 유연한 포일을 포함하며, 여기에 콜렉팅 박막 도파관이 부착되는바 특히 물질 증착에 의해서 부착된다.
따라서, 이러한 집광기를 제조하는 방법은, 제 1 투명층 특히 기판 상의 유전체 물질을 증착하는 단계, 나노패턴화된 불연속 여기 물질층(특히, 금속, 바람직하게는 실버)을 제 1 투명층 상에 증착하는 단계 그리고 제 2 투명층, 특히 유전체 물질을 나노패턴화된 불연속 여기층 상에 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 추가적인 유전체 클래딩 측이 전술한 꼭대기 상에 증착될 수 있다. 따라서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 적어도 2개의 투명한 물질층들에 의해서 인캡슐레이트된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 도파관의 표면에 평행한 평면에 증착된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 하나의 고차 가로 모드(one higher transverse mode)(TEn, TMn, n ≥ 1)의 노드 위치(들)에 배치된다.
본 발명에 따르면, 여러 개(적어도 2개)의 평행한 나노패턴화된 불연속 여기층들을 갖는 콜렉팅 박막 도파관을 집광기에 제공하는 것도 또한 가능하며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층들은, 여기될 여러 개(적어도 2개)의 모드 노드들의 간격(spacing)에 의해서 정의되는 거리만큼 이격된다. 이러한 경우, 고차 모드들(TEn, TMn, n ≥ 2)이 콜렉팅 박막 도파관 내에서 전파할 수 있다. 따라서, 이러한 콜렉팅 박막 도파관은 3개 이상의 투명 층들을 포함하며, 각각의 여기 층은 2개의 투명 층들 각각 사이에서 인캡슐레이트된다.
본 발명의 더욱 개선된 실시예에서, 집광기는 적어도 2개의 적층된 콜렉팅 박막 도파관들(특히, 공통 기판에 부착된)을 포함할 수 있다. 이들 적층된 콜렉팅 박막 도파관들 각각은 전술한 방법에 따라 제조될 수 있다. 적층된 콜렉팅 박막 도파관들 사이사이에는 투명 물질의 저 굴절률 분리(separating) 버퍼층이 형성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 나노패턴화된 불연속 여기층은 집광기의 적어도 하나의 개별 영역(distinct area)에 형성될 수 있는데, 이러한 개별 영역은 콜렉팅 박막 도파관을 정의하며, 여기서 입사광으로부터 필름 모드가 여기된다. 특히, 불연속 나노패턴은 집광기의 여러 개의 측면적으로 이격된 개별 수집 영역들에 배치될 수 있으며, 따라서 차례차례로 배열된 여러 개의 이격된 콜렉팅 박막 도파관을 형성한다.
본 발명에 따른 집광기는 다른 영역들을 포함할 수 있는데, 이러한 다른 영역들은 개선된 전파(improved propagation), 래터럴 집광(lateral concentration), 광 전력의 분배(distribution) 혹은 추출을 위한 도파관 구조들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 노드 위치에 나노패턴화된 비평탄(non-planar) 여기층이 없거나 혹은 임의의 래터럴 패턴들이 전혀 없는 순수한 유전체 박막 도파관이 극도로 낮은 전파 손실을 나타낼 수 있다. 따라서, 이것은 제한된 사이즈의 콜렉팅 박막 도파관을 연결할 수 있는데, 이는 수집 및 분배 및/또는 추출 영역들로 나뉘어진 집광기의 전체적인 전파 손실들을 감소시키기 위한 것이다.
LSCs 전파 손실들이 전기 와이어링에 의해서 감소되는 것과 유사한 방식으로, 이러한 새로운 개념은 광학 와이어링(optical wiring)으로 지칭된다. 전기 와이어링과 달리, 이것은 동일 기판(예컨대, 포일) 상의 수집 영역들을 연결하며, 따라서 추가적인 비용이 없이도 대형의 효율적인 집광기들을 가능케한다.
집광기의 제한된 수집 영역들에서만 빛을 수집하는 단점은, 집광기의 일 평면에 있는 콜렉팅 박막 도파관이 같은 집광기의 제 2 평면에 있는 분산 도파관 구조(distributing waveguide structure)의 최상면(top) 상에 있는 방식으로, 콜렉팅 박막 도파관들을 적층함으로써 보상될 수 있다. 따라서, 빛에 노출되는 전체 영역이 수집을 위해 이용될 수 있으며 그리고 이와 동시에 전파 손실들이 특히 광학 와이어링에 의해서 감소될 수 있다.
집광기로부터 빛을 추출하는 것은, 전파 방향으로부터 편향된(deviating) 방향, 특히, 콜렉팅 박막 도파관의 표면에 수직인 방향에서 구현될 수 있다.
만일 비-평탄 층, 특히 수집을 위해 이용되는 나노패턴화된 불연속 여기층이 유도 모드의 노드 위치로부터 이동되거나 혹은 벗어나면(moved out or positioned out), 이러한 추출이 가능하다.
상기 일례에서 개선된 산란, 회절 혹은 빛과의 다른 상호작용을 하는 나노패턴은 이제는 노드에서 숨겨지지 않으며, 그리고 집광기 외부로 빛이 추출되게 한다.
노드 위치에 대하여 비평탄(non-planar) 층을 이동시키는 것은 유전체 층들 하나 혹은 둘다의 물질(유전 상수) 혹은 두께를 변경함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 콜렉팅 박막 도파관의 상부 유전체 층은 수집(collection)으로부터 추출(extraction)로 속성들을 변경함으로써 제거될 수 있다. 하지만, 이러한 접근법은 추출 영역에서의 증가된 국부적 온도를 야기할 것이다.
래터럴 추출(lateral extraction)은 소정 방향에서 종료하는 필름 또는 스트라이프(stripe) 도파관들을 이용할 수 있다.
이들은 말단부에서 점점 가늘어지거나(tapered) 또는 렌즈 구조들을 형성할 수 있다. 이러한 추출은 또한, 유도된 광 전력을 외부 핫-스팟(hot-spot)으로 포커싱할 수 있다. 이러한 방식으로, 기판 상의 열 효과(thermal impact)가 가로 추출(transverse extraction)에 비하여 감소될 것이다. 이것은 매우 유용한바, 특히 큰 온도를 견뎌낼 수 없는 유연한 폴리머 기판들에 대해서 특히 유용하다. 또한, 상기 외부 핫-스팟은 특히, 아래에 언급한 바와 같은 에너지 컨버터들을 위해 직접 이용될 수 있다. 또한, 빌딩들 내로의 조명(lighting) 혹은 가열(heating) 어플리케이션들을 위해 빛이 유도될 수 있는바, 전문화된 옵티컬 파이버(특히, 광 전력을 빌딩 내부로 운송하는 글라스 파이버)의 면(face) 상에 외부 추출 스팟을 위치시킴으로써, 빛이 유도될 수 있다.
바람직하게는, 다른 기능의 다른 도파관 구조들의 정의 및 경계(definition and boundary)는 마이크로패턴들에 의해서 수행될 수 있다.
이러한 패턴들은, 하부 유전체 층, 나노패턴화된 불연속 여기층, 및 상부 유전체 층이 어디에 포함되는지를 정의하며 그리고 단일 층들이 어디에서 제거되는지를 정의한다. 마이크로패턴들은 수 미크론들(microns) 보다 큰 피처 사이즈들을 가질 수 있으며, 바람직하게는 수십 미크론들 보다 큰 피처 사이즈를 갖는다. 이러한 마이크로패턴은 끝이 가늘어지는(tapered) 혹은 구부러진(bent) 혹은 스트라이프 도파관 구조들을 포함할 수 있다.
따라서 및 특히, 마이크로패턴들에 의해서, 집광기는 여러 개의 콜렉팅 박막 도파관들을 포함할 수 있는바, 특히, 서로 평행하게 배치되며 그리고 각 스트라이프의 길이방향 연장(lengthwise extension)에 수직하는 방향에서 분리되는 스트라이프-형상의 콜렉팅 박막 도파관들을 포함할 수 있으며, 상기 방향은 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관 각각의 전파 방향에 상응하고 그리고 수집(collection) 표면의 법선 벡터에 수직하는 방향이다.
이들의 매우 큰 피처 사이즈로 인하여, 그리고 나노패턴들과 달리, 마이크로패턴들은 얇은 필름(박막)을 패터닝하기 위한 표준적인 방법들로 정의될 수 있는바, 특히 새도우 마스크를 통한 증착, 포토리소그래피 패터닝 및 프린팅에 의해서 정의될 수 있다.
본 발명에서 마이크로패턴들은, 기능적 층들(하부 유전체, 불연속 여기층, 상부 유전체, 캡핑)이 어디에 배치될지를 정의하는 래터럴 패턴들이다. 이들은 또한, 소정의 유전체 층이 다른 굴절률 혹은 두께를 갖는 유전체 층에 의해서 어디에서 대체될 수 있는지를 정의하며 혹은 불연속 여기층이 다른 종류의 불연속 여기층에 의해서 어디에서 대체될 수 있는지를 정의한다. 마이크로패턴들의 피처 사이즈는 미크론이며, 바람직하게는 수십 미크론이다.
LCSs 와 달리, 마이크로패터닝된 도파관들은, 전술한 래터럴 파형 여기의 제 1 단계(first step of lateral wave excitation)를 넘어서 집중을 가능케한다. 래터럴 모드들이 평면 내에서 유도, 지향 및 집중될 수 있는바, 이는 평면 집중(planar concentration)이라 지칭된다. 도파관들을 테이퍼링하는 것은 평면 집중을 넘어서 훨씬 유리할 수 있다.
사실, 마이크로패턴들을 이용하는 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관들의 정의는, 설명된 노드 개념을 추가적인 차원(further dimension)에서 적용하는 것을 가능케한다. 한 방향만으로 국한된(confined) 박막 도파관들의 경우, 최소 강도의 고정 위치(a fix position of minimum intensity)는 오직 그 방향에서만 존재한다. 하지만, 고차 스트라이프 도파관 모드들은 최소 강도의 위치들을 2개의 국한 방향들 둘다(both directions of confinement)에서 형성한다. 예를 들어, 완전 대칭형 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관(2개의 국한 방향들 둘다에 대한)에서, HE11 혹은 EH11 스트라이프 도파관 모드들의 강도 분포는 도파관의 가장 중심(very center)에서 최소 강도를 나타낸다. 2개의 국한 방향들 둘다에 대한 이러한 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관의 중심에 있는 나노패턴화된 불연속 스트라이프 형상 여기층은, 매우 낮은 전파 손실들을 야기할 수 있다. 나머지 전파 방향에서 불연속적인 경우, 스트라이프 형상의 여기층은, 정의된 하나의 방향만으로 전파되는 스트라이프 모드들을 효율적으로 여기시킬 수 있다.
또한, 마이크로패턴들은 전력 수집, 분배 및 추출 사이의 구별(distinction)을 가능케하는바, 이는 작은 LCSs의 전기 와이어링과 유사하게 전파 손실들을 최소화한다. 이와 달리, 광학 와이어링(optical wiring)이라 지칭되는 새로운 방법은 하나의 기판 상에서 모두 광학적으로(optically) 발생한다.
마이크로패턴들은 비평탄 여기층에만 관련되는 나노패턴들과는 명확하게 구별된다.
투명 물질의 증착은 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)에 의해서 수행될 수 있는데, 원자층 증착법은 층 두께에 대한 완벽한 제어 및 낮은 손실들을 갖는 것으로 알려져 있다. 가령, 열 증착(thermal deposition), 스퍼터링, 졸-겔 증착(sol-gel deposition) 혹은 프린팅 등과 같은 다른 방법들이 사용될 수도 있다. 투명한 2개의 층들 및 바람직하게는 유전체 물질은 각각 200 ~ 400 nm의 두께로 증착될 수 있으며, 특히 동일하거나 혹은 적어도 유사한 두께를 갖는다. 또한, 기판과 동일한 유전 상수를 갖는 캡핑층이 상부 유전체 상에 증착될 수 있는데, 이는 도파관의 대칭성을 개선하기 위한 것이다.
집광기를 제조하는 방법은 다음을 제공할 수 있는바, 나노패턴화된 불연속 여기층은 물질(가령, 실버)의 불연속 고립된 필름(discontinuous islandized film)으로서 증착된다. 이러한 증착은 예컨대, "미러 반응(mirror reaction)"과 함께 열 증발법(thermal evaporation), 스퍼터링, 혹은 무전해 석출법(electro-less deposition)으로 구현될 수 있다. 이 경우, 실버 아일랜드 필름은 하부의 투명한, 특히 유전체 층의 최상면(top) 상에 직접 증착된다. 또한, 불연속 층의 증착은, 액체 부유액(liquid suspensions)으로부터의 나노입자들의 증착에 의해서 예컨대, 프린팅, 딥 코팅(dip coating) 혹은 스핀 코팅에 의해서 구현될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 나노트랜스퍼-프린팅 기법에 의해서 하부 유전체 층에 전사(transfer)되는바, 특히, 탄성 물질(elastomeric material) 바람직하게는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 구성된 스탬프 혹은 롤(roll)을 이용하여 전사된다. 스탬프는 나노 릴리프 패턴(nano relief pattern)의 최상면 상에 탄성 물질을 교차 결합(crosslinking)시킴으로써 형성된다(특히 예컨대, 전자 빔 리소그래피에 의해서 생성되었던). 나노 릴리프 패턴은 고가일 수 있으며 그리고 사이즈가 한정될 수 있다. 하지만, 복제 스탬프들(replicate stamps)이 용이하게 형성될 수 있으며 그리고 많은 스탬프들이 대형 스탬프들(large area stamps)로 결합될 수 있는바 이는 제조 비용을 절감하고 그리고 수집 영역들 내의 복잡한 나노패턴들에도 적용될 수 있으며 그리고 광학 와이어링을 이용하여 많은 수집 영역들을 대규모의 영역 상에 구현할 수 있다.
다음으로, 실버 아일랜드 필름들 또는 연속적인 실버 필름들이, 나노 릴리프 패턴들을 포함하고 있는 이러한 대형 스탬프들의 최상면 상에 증착된다. 이후, 실버 필름들이 스탬프의 최상면 영역들만으로부터 전사되는데, 이는 자기-조직화된 실버 아일랜드 성장 이상의(beyond self-organized silver island growth) 나노-패터닝을 가능케한다. 이러한 방법을 사용하면, 예를 들어, 롤-투-롤 제조(roll-to-roll fabrication)에 의해서 집광기의 대량 생산이 가능하다. 또한, 바람직하게는 1000 nm 이하인 도파관의 매우 얇은 두께로 인하여, 상기 도파관은 유연하며(flexible)/구부러질 수 있다(bendable). 이러한 방법은 고립된(islandized) 층들을 프린팅하는데 이용될 수 있으며 또한 연속적인 층 영역들 사이의 이들의 공간에 의해서 나노패턴을 형성하는 연속적인 층들을 위해서 이용될 수도 있다.
본 발명에 따른 집광기는 빛 특히, 태양광을 모으는데 이용될 수 있으며 그리고 태양 에너지(solar power)를 변환시키는 솔라 디바이스들에 태양광을 집중시키는데 이용될 수 있는바, 특히 전력 발전기를 구비한 열 기관들(heat engines), 태양 전지들(solar cells) 혹은 태양-가스 발전기 혹은 태양-연료 발전기(solar-to-gas or solar-to-fuel generators), 또는 전술한 기술들 중 적어도 2개를 결합한 하이브리드 발전기들을 포함할 수 있다.
최신의 발광성 태양광 집광기들(luminescent solar concentrators: LSC)은 패시브 도파관들의 이러한 단점을 극복하였다. 이러한 "액티브" 집광기에서, 도파관 내에 커플링되는 광자들은 발광형 도파관 매체에 의하여 특정 범위의 주파수들에서 흡수되며 그리고 발광 원리에 의해서 더 긴 파장에서 평탄한 도파관 모드들 내로 방출된다. 따라서, 원칙적으로는, 흡수 및 방출에 의해서 도파관 내부로 빛을 커플링하는 방법은 방출된 도파관 모드들의 진행(the travelling of the emitted waveguide modes)에 영향을 미치지 않는바, 이는 서로 다른 파장 및 사용된 매체의 흡수 및 방출 스펙트럼의 스토크스 이동(stokes-shift) 때문이다.
전형적으로, 이러한 발광형 도파관들은 2개의 평행한 표면들을 갖는 두께가 수 밀리미터인 평판들(plates)이며, 상기 2개의 평행한 표면들은 이들의 각각의 법선 벡터 방향으로 2개의 평행한 표면들을 연결하는 이들의 에지 표면들에 의해서 이격된다. 2개의 평행한 표면들 사이의 이격/거리는 2개의 차원들 모두에서의 콜렉팅 영역의 확장에 비하여, 더 작다(전형적으로는 적어도 1/10 만큼 작음). 집광된 빛의 추출을 위해 이용될 수 있는 모든 에지 표면 영역들의 합계(추출 영역)는, 빛을 도파관 내부로 커플링하기 위해 이용되는 박막 도파관 표면 영역(수집 영역) 보다 작다.
태양 전지들은 가령 LSC의 이러한 에지들에서, 유도된 빛 에너지를 전기로 변환하도록 구성될 수 있다. 추출 영역에 대한 수집 영역의 비율로 정의되는 LSC의 집중 계수(concentration factor)는 통상적으로 대략 10으로 한정된다. 이것은 첫번째로는 도파관의 매우 큰 두께 때문이며, 두번째로는 전형적으로 수십 제곱 센티미터로 제한되는 수집 영역때문이다. 수집 영역들이 커질수록, 광학 효율(입사된 광 전력 대 추출된 집광된 광 전력)의 감소가 야기되는데, 이는 도파관 모드들의 전파 손실들 때문이다. 하나의 LSC의 제한된 면적 때문에, 수 제곱미터 범위의 중요한 영역들의 커버리지는, 대규모의 전기 배선(extensive electrical wiring)을 요구하며, 이는 이러한 시스템의 복잡도 및 비용을 더욱 증가시킨다.
이러한 점들을 감안하면, 공지된 단점들을 극복할 수 있는 집광 방법 및 패시브 집광기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
특히, 이러한 방법 및 집광기 빛을 박막 도파관 내부로 커플링시키는 원리를 이용해야만 하는데, 이는 래터럴 방향으로 도파관 내를 진행하는 여기된 모드들의 전파에 거의 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 전술한 방법에 의해서 성취되며, 전술한 방법은 입사광과 나노패턴화된 불연속 여기층과의 상호작용에 의해서 적어도 하나의 노드(바람직하게는 정확히 하나의 노드)를 갖는 적어도 하나의 유도(필름-) 모드를 박막 도파관 내에서 여기시키는 단계를 더 포함하는바, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층은 유도 래터럴 모드(guided lateral mode)의 적어도 하나의 노드의 위치에서 박막 도파관 내에 구성된다. 이러한 통합된 나노패턴화된 불연속 여기층을 갖는 박막 도파관은 콜렉팅 박막 도파관이라 지칭된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 바람직하게는, 유도 모드의 노드(들) 위치에만 배치된다.
"노드(node)"라는 용어는 도파관 내의 여기된 모드의 강도 프로파일에서 최소 강도(minimum of intensity)로 이해된다. 본 일례에서 노드 위치를 결정하기 위한 강도 프로파일은, 모드 한정(mode confinement)의 방향(들)에서 평가된다(regarded). 2개의 래터럴 치수들(lateral dimensions) 둘다에서 연장되는 박막 도파관의 경우, 이것은 오직 광 수집 표면의 법선 벡터의 방향을 의미한다. 스트라이프 형상의(stripe shaped) 박막 도파관의 경우, 이것은 한정된 래터럴 방향(confined lateral direction)을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 노드의 위치는 이들 표면들의 법선 벡터의 방향들에서 평가되는 도파관의 2개의 평행한 표면들 사이의 어딘가에 적어도 존재한다. 전술한 나노패턴화된 여기층은, 적어도 여기된 모드의 전파 방향에서 불연속이며, 특히 모든 래터럴 방향들에서 불연속일 수 있다.
두께가 수 밀리미터인 평탄한 도파관 대신에, 빛을 콜렉팅하기 위한 박막 도파관이 본 발명에 따른 집광기에서 이용된다.
이러한 콜렉팅 박막 도파관은 기판 보다 더 높은 굴절률을 갖는 하나 이상의 투명한, 특히 유전체 층들, 나노패턴화된 불연속 여기층 및 캡핑(예컨대, 공기층)으로 구성된다. 도파관 모드들은 콜렉팅 박막 도파관에 국한(confine)되거나 또는 각각의 두께가 약 300nm에서 1 마이크로미터인 여러 개(적어도 2개)의 콜렉팅 박막 도파관들의 스택에 국한된다. 얇은 두께로 인하여, 물질 소모가 매우 작으며 그리고, 보다 중요하게는 플렉서블한 집광기가 예상될 수 있다.
본 발명에 의해서 이해되는 나노패턴화된 불연속 여기층은, 콜렉팅 박막 도파관의 평면성(planarity)을 브레이킹하며 그리고 입사광의 전파 방향의 변화을 가능케하는바, 특히 산란, 회절 혹은 플라스몬 여기(plasmon excitation)에 의해서 가능하다. 이러한 방식으로 공간들을 한정하는 불연속 여기층의 나노 패턴, 특히 파장의 일부분의 치수를 갖는 나노 패턴은 입사광으로부터 측면적으로(laterally) 전파하는 (필름-) 모드를 생성 할 수있다. 결과적으로, 이러한 콜렉팅 박막 도파관의 나노패턴화된 불연속 여기층은 집광기 내로의 빛의 커플링을 가능케하는 수단이다.
적어도 하나의 노드를 갖는 필름 모드의 노드 위치에서의 나노패턴화된 불연속 여기층의 배치 때문에, 높은 전파 손실들이 기본 모드(fundamental mode)에 대해서 존재한다. 이것은 기본 모드가 나노패턴화된 불연속 여기층과 상당히 많이 반응하기 때문이다. 다음과 같은 점이 잘 알려져 있는바, 저 손실(low loss) 및 손실성 도파관 모드들을 포함하는 도파관들에서의 전파 손실들은 저 손실 모드들에 의해서 주로 결정된다. 따라서, 기본 모드의 높은 손실들은 집광기 성능에 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다.
나노패턴화된 불연속 여기층의 위치(들)에 그들의 노드(들)을 갖는 더 높은 모드들만이 집광기 성능을 결정한다. 나노패턴화된 불연속 여기층에 의해서 여기되는 더 높은 모드들(TEn, TMn, n >= 1)은, 도파관 내에서 진행할 때 상기 나노패턴과 거의 상호작용하지 않는데, 왜냐하면 상당한 강도의 빛이 상기 나노패턴의 위치에 존재하지 않기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따르면 콜렉팅 박막 도파관에서 여기된 모드가 커플링 매커니즘에 의해서 영향을 받지 않으며, 상기 커플링 매커니즘은 빛을 콜렉팅 박막 도파관 내부로 커플링시키는 역할을 한다. 이것은 다음과 같이 요약될 수 있는바, LSCs 가 입사광 및 유도 모드들의 에너제틱 분리(energetic separation)를 제공하는 것와 유사한 방식으로, 본 발명의 방법은 공간적인 분리(spatial separation)를 제공한다. 달리 말하면, 입사광은 나노패턴화된 불연속 여기층과 상호작용하며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층은 유도 모드들에 대해서는 "안보이게(invisible)" 유지된다(stay).
나노패턴화된 불연속 여기층을 둘러싸는 콜렉팅 박막 도파관의 투명한 연속 층들의 물질은, 빛을 유도하기에 적합한 임의의 투명한 물질(특히, 기판에 비하여 큰 굴절률을 갖는 투명한 유전체 물질)로부터 선택될 수 있다. 노드의 위치에서(특히, 제 1 고차 가로 모드(first higher transvers mode)(TE-i, TM-i)의 노드) 콜렉팅 박막 도파관 내에 배치되는 나노패턴화된 불연속 여기층은 또한, 전형적으로 20nm 이하인 나노패턴화된 불연속 여기층의 매우 낮은 매스 두께(mass thickness)에서 가시 광선과의 강력한 상호작용을 보여주는 임의의 적절한 물질로부터 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 여기층은 노드에 들어맞게(fit into)되며 그리고 입사광과의 상호작용에 의해서 특히, SPPs 를 여기시킴으로써, 적어도 하나의 저 손실 래터럴 모드를 여기시키도록 작용한다. 이러한 물질은 금속, 바람직하게는 은(silver; 이하, '은' 혹은 '실버' 라 함)이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 전술한 목적은 박막 도파관 2개의 평행한 표면들을 갖는집광기에 의해서 성취되며, 여기서 이들 표면들 중 적어도 하나를 통해서 빛이 박막 도파관 내부로 커플링가능하며, 상기 박막 도파관은 나노패턴화된 불연속 여기 물질층을 구성함으로써 빛을 모으기 위한 광 콜렉팅 박막 도파관으로서 확립되며, 상기 물질은 특히 금속 및 바람직하게는 은이며, 나노패턴화된 불연속 여기 물질층은 콜렉팅 박막 도파관 내에서 여기되는 유도 모드의 노드 위치에 대응하는 위치에 구성되고, 상기 모드는 적어도 하나의 노드를 갖는다. 집광기의 콜렉팅 박막 도파관은 평탄한 포면 혹은 구부러진 표면 둘다를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 나노패턴화된 불연속 여기층은 연속적으로 폐쇄된 물질 영역(continuously closed area of material)을 구성하지 않으며, 물질 사이에서 특히 100nm 이하, 바람직하게는 10nm 이하인 수 나노미터들의 범위의 간격을 갖는 불연속 영역만을 형성한다.
집광기의 적어도 일부를 형성할 수 있는 콜렉팅 박막 도파관에서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 수집 표면의 법선 벡터에 평행한 방향에서 노드 위치로 적어도 제한되며 그리고 특히 콜렉팅 박막 도파관의 전체 영역(수집 영역)에 대해 연장될 수 있다. 따라서, 나노패턴화된 여기층은 수집 영역에 평행한 평면에서 불연속 물질의 영역을 형성한다. 상기 수집 영역은 집광기의 전체 영역일 필요는 없지만, 적어도 일부분일 수는 있는데, 왜냐하면 집광기가 적어도 하나의 콜렉팅 박막 도파관 이외에도 도파관 구조(waveguiding structure)를 포함할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 집광기는, 서로 다른 나노패턴화된 불연속 여기층들을 구비한 서로 다른 콜렉팅 박막 도파관들, 또는 서로 다른 유전체 층들 혹은 특히 나노패턴화된 불연속 여기층을 전혀 갖지 않는 박막 도파관들을 포함할 수 있다. 이들 도파관들은 오직 광 모드(light mode)를 유도하기만 할 뿐, 이들의 연속적인 구조로 인하여 이러한 도파관들 내에서 수집 뿐만 아니라 추출도 발생하지 않도록 작용할 수 있다.
나노패턴화된 불연속 여기층의 물질은 상기 표면들에 평행한 평면에서 필름/층으로서 배열될 수 있으며, 특히, 상기 필름은 표면(들)의 법선 벡터의 방향에서 20nm 이하의 매스 두께를 갖는다. 이러한 두께 제한으로 인하여, 상당한 강도를 갖는 유도 필름 모드의 위치들 내부로 나노패턴화된 불연속 여기층이 연장되지 않음이 보장된다. 상기 여기층은 연장되지 않는 것이 바람직한바, 특히, 상기 표면들의 법선 벡터의 방향에서 lmax/100 의 위치들 너머로 연장되지 않는 것이 바람직하며 여기서, lmax 는 전체 강도 프로파일의 강도 최대치(intensity maximum)이다.
집광기의 콜렉팅 박막 도파관 내의 자기-조직화된(self-organized) 나노패턴화된 불연속 여기층의 일례는 실버 아일랜드 필름(silver island film)이며, 이것은 특히, 여과 한계(percolation limit) 이하의 매스 두께(mass thickness)에서 실버가 증착될 때 형성된다. 특히, 실버 아일랜드 필름은 5 ~ 15 nm 의 매스 두께 및/또는 10 ~ 100 nm 의 입자 사이즈를 나타낼 수 있다. 이러한 두께 혹은 사이즈는 필름 물질이 불연속(아일랜드화)임을 제공하며 그리고 입사광과의 강력한 상호작용을 야기하며 그리고 연속적인 필름에 비하여 매우 낮은 반사를 야기한다.
최근의 실험들은, 입사광의 강력한 산란을 나타내는 불연속 실버 아일랜드 필름(SIF)이, 그것의 노드 위치에 정렬되는 때에 래터럴 모드에 대하여 1 cm-1 보다 훨씬 아래의 전파 손실들이 가능함을 보여주고 있다. 다음을 유의해야 하는바, 실버는 대략 700.000 cm-1 인 흡수(absorption)를 보여주며 그리고 12nm 의 매스 두께를 갖는 실버 아일랜드 필름이 유전체 도파관의 중앙에 배치되었다. 이러한 실험에서 발견되는 이들 극도로 낮은 전파 손실들은, SIF에서 완전하게 정렬된 노드를 구비한 유전체 노드 모드(dielectric node mode)(TE1)와 실버 아일랜드의 존재하에서 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons: SPPs)과의 하이브리화(hybridization)에 대한 힌트를 준다. 정확한 기저의 매커니즘(underlying mechanism)은 아직까지 완벽히 이해되지 않는다. 중요한 것은, 나노패턴화된 불연속 여기층, 예컨대, SIF 가 유전체 박막 도파관의 소정 위치에 배치되고, 따라서 본 발명에 따른 콜렉팅 박막 도파관을 형성한다. 불연속 여기층이 금속(예컨대, 실버)을 포함하는 경우, 결과적인 콜렉팅 박막 도파관은 더 이상 순수한 유전체가 아니다. 동시에 이것은 플라즈모닉(plasmonic) 도파관이 되는바, 이는 SPPs를 위한 도파관을 의미한다. 2 종류의 모드들 모두가 하이브리화될 수 있기에, 상기 콜렉팅 박막 도파관은 또한 하이브리드 박막 도파관으로 간주될 수 있다. 간략함을 위해, 상기 도파관은 3개의 케이스들 모두를 포함하는 박막 도파관으로 지칭될 것이다. 동일한 방식으로, 여기된 래터럴 모드들은 순수한 유전체 모드 또는 SPPs 또는 하이브리드가 될 수 있다. 이들은 3개의 케이스들 모두를 포함하는 박막(thin film) 모드들로 지칭될 것이다.
본 발명에 따른 집광기를 형성하기 위하여, 나노패턴화된 불연속 여기층이 바람직하게는 2개의 투명 층들, 바람직하게는 투명한 유전체 물질 사이에 배치된다. 2개의 투명 층들은 동일한 물질로 만들어질 수도 있으며 또는 2개의 서로 다른 물질들로 만들어질 수도 있는바, 특히 층들을 위해 서로 다른 물질을 이용하는 경우, 2개의 층들은 여기된 가로 모드의 비대칭성을 보상하도록 서로 다른 두께들을 가질 수 있다.
집광기의 콜렉팅 박막 도파관은 노드 위치에 의해서 최적화되는데, 노드 위치는 가능한한 파장들에 대하여 독립적이다. 이러한 방식으로, 매우 낮은 전파 손실들이 전체 가시 광선 스펙트럼에서 획득될 수 있다.
TE1/TM1 모드(또는 다른 홀수 모드들)의 경우 완전한(perfect) 콜렉팅 박막 도파관은 그러한 점에서, 대칭적인 콜렉팅 박막 도파관이며 여기서 노드 위치는 가장 중심(very center)에 있다. 이러한 완전 대칭은, 나노패턴화된 불연속 여기층을 둘러싸는 동일한 상부 및 하부 유전체 층과 상부 유전체 층의 최상부 상에 형성된 캡핑에 의해 성취될 수 있는바, 상기 캡핑은 하부 유전체 층과 접촉하는 기판과 동일한 굴절율을 가지며, 바람직하게는 1㎛ 보다 큰 두께를 갖는다. 일반적으로, 예상되는 노드의 정확한 위치는 미리 계산될 수 있으며 그리고 콜렉팅 박막 도파관은 이에 따라 제조된다.
빛을 집광하기 위한 방법에 따르면, 적어도 하나의 래터럴 유도 모드(laterally guided mode)의 빛은, 나노패턴화된 불연속 여기층에 산란(scattering) 또는 회절(diffracting) 구조를 제공함으로써, 적어도 하나의 특정 래터럴 방향에서 여기될 수 있다. 이러한 구조는 반드시 주기적인 필요는 없지만, 입사광을 상기 적어도 하나의 래터럴 방향에서 대부분 산란 혹은 회절시키도록 작용한다.
예를 들어, 이러한 구조는 상기 적어도 하나의 래터럴 방향으로 주기적일 수도 있는 격자 구조(grating structure)가 될 수 있다.
하나 이상의 특정한 래터럴 전파 방향들이 선택될 수 있다. 결과적으로, 상기 구조는 산란 또는 회절 효과를 야기하는 여러 개의 불연속성들을 가질 수 있으며 또는 서로 다른 래터럴 방향들에서 주기성들(periodicities)을 가질 수 있다. 이러한 것은 소정의 전파 방향을 구비한 파형들을 여기시키는데 도움을 주며, 따라서 도파관 내의 하나 이상의 특정 위치들, 특히 추출 위치들로 상기 모드들을 지향시키는 것을 지원한다.
나노구조, 특히 본 발명에 따른 집광기의 콜렉팅 박막 도파관 내의 상기 격자 구조는 주기적으로 배치된 패턴 요소들을 가질 수 있는데, 각각의 패턴 요소는 고립된 물질 필름(islandized film of material) 바람직하게는 실버로 구성될 수 있다. 또한, 상기 구조의 패턴 요소들은 연속적인 필름들, 바람직하게는 금속, 바람직하게는 실버로 형성될 수 있는데, 회절 혹은 산란 구조 그 자체가 또한 평탄성을 브레이크하며 그리고 산란, 회절 및 표면 플라즈몬 여기를 허용하기 때문이다.
양호한 핸들링 및 제조를 위해, 집광기는 기판, 특히 유연한 포일을 포함하며, 여기에 콜렉팅 박막 도파관이 부착되는바 특히 물질 증착에 의해서 부착된다.
따라서, 이러한 집광기를 제조하는 방법은, 제 1 투명층 특히 기판 상의 유전체 물질을 증착하는 단계, 나노패턴화된 불연속 여기 물질층(특히, 금속, 바람직하게는 실버)을 제 1 투명층 상에 증착하는 단계 그리고 제 2 투명층, 특히 유전체 물질을 나노패턴화된 불연속 여기층 상에 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 추가적인 유전체 클래딩 측이 전술한 꼭대기 상에 증착될 수 있다. 따라서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 적어도 2개의 투명한 물질층들에 의해서 인캡슐레이트된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 도파관의 표면에 평행한 평면에 증착된다. 나노패턴화된 불연속 여기층은 하나의 고차 가로 모드(one higher transverse mode)(TEn, TMn, n ≥ 1)의 노드 위치(들)에 배치된다.
본 발명에 따르면, 여러 개(적어도 2개)의 평행한 나노패턴화된 불연속 여기층들을 갖는 콜렉팅 박막 도파관을 집광기에 제공하는 것도 또한 가능하며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층들은, 여기될 여러 개(적어도 2개)의 모드 노드들의 간격(spacing)에 의해서 정의되는 거리만큼 이격된다. 이러한 경우, 고차 모드들(TEn, TMn, n ≥ 2)이 콜렉팅 박막 도파관 내에서 전파할 수 있다. 따라서, 이러한 콜렉팅 박막 도파관은 3개 이상의 투명 층들을 포함하며, 각각의 여기 층은 2개의 투명 층들 각각 사이에서 인캡슐레이트된다.
본 발명의 더욱 개선된 실시예에서, 집광기는 적어도 2개의 적층된 콜렉팅 박막 도파관들(특히, 공통 기판에 부착된)을 포함할 수 있다. 이들 적층된 콜렉팅 박막 도파관들 각각은 전술한 방법에 따라 제조될 수 있다. 적층된 콜렉팅 박막 도파관들 사이사이에는 투명 물질의 저 굴절률 분리(separating) 버퍼층이 형성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 나노패턴화된 불연속 여기층은 집광기의 적어도 하나의 개별 영역(distinct area)에 형성될 수 있는데, 이러한 개별 영역은 콜렉팅 박막 도파관을 정의하며, 여기서 입사광으로부터 필름 모드가 여기된다. 특히, 불연속 나노패턴은 집광기의 여러 개의 측면적으로 이격된 개별 수집 영역들에 배치될 수 있으며, 따라서 차례차례로 배열된 여러 개의 이격된 콜렉팅 박막 도파관을 형성한다.
본 발명에 따른 집광기는 다른 영역들을 포함할 수 있는데, 이러한 다른 영역들은 개선된 전파(improved propagation), 래터럴 집광(lateral concentration), 광 전력의 분배(distribution) 혹은 추출을 위한 도파관 구조들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 노드 위치에 나노패턴화된 비평탄(non-planar) 여기층이 없거나 혹은 임의의 래터럴 패턴들이 전혀 없는 순수한 유전체 박막 도파관이 극도로 낮은 전파 손실을 나타낼 수 있다. 따라서, 이것은 제한된 사이즈의 콜렉팅 박막 도파관을 연결할 수 있는데, 이는 수집 및 분배 및/또는 추출 영역들로 나뉘어진 집광기의 전체적인 전파 손실들을 감소시키기 위한 것이다.
LSCs 전파 손실들이 전기 와이어링에 의해서 감소되는 것과 유사한 방식으로, 이러한 새로운 개념은 광학 와이어링(optical wiring)으로 지칭된다. 전기 와이어링과 달리, 이것은 동일 기판(예컨대, 포일) 상의 수집 영역들을 연결하며, 따라서 추가적인 비용이 없이도 대형의 효율적인 집광기들을 가능케한다.
집광기의 제한된 수집 영역들에서만 빛을 수집하는 단점은, 집광기의 일 평면에 있는 콜렉팅 박막 도파관이 같은 집광기의 제 2 평면에 있는 분산 도파관 구조(distributing waveguide structure)의 최상면(top) 상에 있는 방식으로, 콜렉팅 박막 도파관들을 적층함으로써 보상될 수 있다. 따라서, 빛에 노출되는 전체 영역이 수집을 위해 이용될 수 있으며 그리고 이와 동시에 전파 손실들이 특히 광학 와이어링에 의해서 감소될 수 있다.
집광기로부터 빛을 추출하는 것은, 전파 방향으로부터 편향된(deviating) 방향, 특히, 콜렉팅 박막 도파관의 표면에 수직인 방향에서 구현될 수 있다.
만일 비-평탄 층, 특히 수집을 위해 이용되는 나노패턴화된 불연속 여기층이 유도 모드의 노드 위치로부터 이동되거나 혹은 벗어나면(moved out or positioned out), 이러한 추출이 가능하다.
상기 일례에서 개선된 산란, 회절 혹은 빛과의 다른 상호작용을 하는 나노패턴은 이제는 노드에서 숨겨지지 않으며, 그리고 집광기 외부로 빛이 추출되게 한다.
노드 위치에 대하여 비평탄(non-planar) 층을 이동시키는 것은 유전체 층들 하나 혹은 둘다의 물질(유전 상수) 혹은 두께를 변경함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, 콜렉팅 박막 도파관의 상부 유전체 층은 수집(collection)으로부터 추출(extraction)로 속성들을 변경함으로써 제거될 수 있다. 하지만, 이러한 접근법은 추출 영역에서의 증가된 국부적 온도를 야기할 것이다.
래터럴 추출(lateral extraction)은 소정 방향에서 종료하는 필름 또는 스트라이프(stripe) 도파관들을 이용할 수 있다.
이들은 말단부에서 점점 가늘어지거나(tapered) 또는 렌즈 구조들을 형성할 수 있다. 이러한 추출은 또한, 유도된 광 전력을 외부 핫-스팟(hot-spot)으로 포커싱할 수 있다. 이러한 방식으로, 기판 상의 열 효과(thermal impact)가 가로 추출(transverse extraction)에 비하여 감소될 것이다. 이것은 매우 유용한바, 특히 큰 온도를 견뎌낼 수 없는 유연한 폴리머 기판들에 대해서 특히 유용하다. 또한, 상기 외부 핫-스팟은 특히, 아래에 언급한 바와 같은 에너지 컨버터들을 위해 직접 이용될 수 있다. 또한, 빌딩들 내로의 조명(lighting) 혹은 가열(heating) 어플리케이션들을 위해 빛이 유도될 수 있는바, 전문화된 옵티컬 파이버(특히, 광 전력을 빌딩 내부로 운송하는 글라스 파이버)의 면(face) 상에 외부 추출 스팟을 위치시킴으로써, 빛이 유도될 수 있다.
바람직하게는, 다른 기능의 다른 도파관 구조들의 정의 및 경계(definition and boundary)는 마이크로패턴들에 의해서 수행될 수 있다.
이러한 패턴들은, 하부 유전체 층, 나노패턴화된 불연속 여기층, 및 상부 유전체 층이 어디에 포함되는지를 정의하며 그리고 단일 층들이 어디에서 제거되는지를 정의한다. 마이크로패턴들은 수 미크론들(microns) 보다 큰 피처 사이즈들을 가질 수 있으며, 바람직하게는 수십 미크론들 보다 큰 피처 사이즈를 갖는다. 이러한 마이크로패턴은 끝이 가늘어지는(tapered) 혹은 구부러진(bent) 혹은 스트라이프 도파관 구조들을 포함할 수 있다.
따라서 및 특히, 마이크로패턴들에 의해서, 집광기는 여러 개의 콜렉팅 박막 도파관들을 포함할 수 있는바, 특히, 서로 평행하게 배치되며 그리고 각 스트라이프의 길이방향 연장(lengthwise extension)에 수직하는 방향에서 분리되는 스트라이프-형상의 콜렉팅 박막 도파관들을 포함할 수 있으며, 상기 방향은 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관 각각의 전파 방향에 상응하고 그리고 수집(collection) 표면의 법선 벡터에 수직하는 방향이다.
이들의 매우 큰 피처 사이즈로 인하여, 그리고 나노패턴들과 달리, 마이크로패턴들은 얇은 필름(박막)을 패터닝하기 위한 표준적인 방법들로 정의될 수 있는바, 특히 새도우 마스크를 통한 증착, 포토리소그래피 패터닝 및 프린팅에 의해서 정의될 수 있다.
본 발명에서 마이크로패턴들은, 기능적 층들(하부 유전체, 불연속 여기층, 상부 유전체, 캡핑)이 어디에 배치될지를 정의하는 래터럴 패턴들이다. 이들은 또한, 소정의 유전체 층이 다른 굴절률 혹은 두께를 갖는 유전체 층에 의해서 어디에서 대체될 수 있는지를 정의하며 혹은 불연속 여기층이 다른 종류의 불연속 여기층에 의해서 어디에서 대체될 수 있는지를 정의한다. 마이크로패턴들의 피처 사이즈는 미크론이며, 바람직하게는 수십 미크론이다.
LCSs 와 달리, 마이크로패터닝된 도파관들은, 전술한 래터럴 파형 여기의 제 1 단계(first step of lateral wave excitation)를 넘어서 집중을 가능케한다. 래터럴 모드들이 평면 내에서 유도, 지향 및 집중될 수 있는바, 이는 평면 집중(planar concentration)이라 지칭된다. 도파관들을 테이퍼링하는 것은 평면 집중을 넘어서 훨씬 유리할 수 있다.
사실, 마이크로패턴들을 이용하는 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관들의 정의는, 설명된 노드 개념을 추가적인 차원(further dimension)에서 적용하는 것을 가능케한다. 한 방향만으로 국한된(confined) 박막 도파관들의 경우, 최소 강도의 고정 위치(a fix position of minimum intensity)는 오직 그 방향에서만 존재한다. 하지만, 고차 스트라이프 도파관 모드들은 최소 강도의 위치들을 2개의 국한 방향들 둘다(both directions of confinement)에서 형성한다. 예를 들어, 완전 대칭형 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관(2개의 국한 방향들 둘다에 대한)에서, HE11 혹은 EH11 스트라이프 도파관 모드들의 강도 분포는 도파관의 가장 중심(very center)에서 최소 강도를 나타낸다. 2개의 국한 방향들 둘다에 대한 이러한 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관의 중심에 있는 나노패턴화된 불연속 스트라이프 형상 여기층은, 매우 낮은 전파 손실들을 야기할 수 있다. 나머지 전파 방향에서 불연속적인 경우, 스트라이프 형상의 여기층은, 정의된 하나의 방향만으로 전파되는 스트라이프 모드들을 효율적으로 여기시킬 수 있다.
또한, 마이크로패턴들은 전력 수집, 분배 및 추출 사이의 구별(distinction)을 가능케하는바, 이는 작은 LCSs의 전기 와이어링과 유사하게 전파 손실들을 최소화한다. 이와 달리, 광학 와이어링(optical wiring)이라 지칭되는 새로운 방법은 하나의 기판 상에서 모두 광학적으로(optically) 발생한다.
마이크로패턴들은 비평탄 여기층에만 관련되는 나노패턴들과는 명확하게 구별된다.
투명 물질의 증착은 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD)에 의해서 수행될 수 있는데, 원자층 증착법은 층 두께에 대한 완벽한 제어 및 낮은 손실들을 갖는 것으로 알려져 있다. 가령, 열 증착(thermal deposition), 스퍼터링, 졸-겔 증착(sol-gel deposition) 혹은 프린팅 등과 같은 다른 방법들이 사용될 수도 있다. 투명한 2개의 층들 및 바람직하게는 유전체 물질은 각각 200 ~ 400 nm의 두께로 증착될 수 있으며, 특히 동일하거나 혹은 적어도 유사한 두께를 갖는다. 또한, 기판과 동일한 유전 상수를 갖는 캡핑층이 상부 유전체 상에 증착될 수 있는데, 이는 도파관의 대칭성을 개선하기 위한 것이다.
집광기를 제조하는 방법은 다음을 제공할 수 있는바, 나노패턴화된 불연속 여기층은 물질(가령, 실버)의 불연속 고립된 필름(discontinuous islandized film)으로서 증착된다. 이러한 증착은 예컨대, "미러 반응(mirror reaction)"과 함께 열 증발법(thermal evaporation), 스퍼터링, 혹은 무전해 석출법(electro-less deposition)으로 구현될 수 있다. 이 경우, 실버 아일랜드 필름은 하부의 투명한, 특히 유전체 층의 최상면(top) 상에 직접 증착된다. 또한, 불연속 층의 증착은, 액체 부유액(liquid suspensions)으로부터의 나노입자들의 증착에 의해서 예컨대, 프린팅, 딥 코팅(dip coating) 혹은 스핀 코팅에 의해서 구현될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 나노패턴화된 불연속 여기층은 나노트랜스퍼-프린팅 기법에 의해서 하부 유전체 층에 전사(transfer)되는바, 특히, 탄성 물질(elastomeric material) 바람직하게는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 구성된 스탬프 혹은 롤(roll)을 이용하여 전사된다. 스탬프는 나노 릴리프 패턴(nano relief pattern)의 최상면 상에 탄성 물질을 교차 결합(crosslinking)시킴으로써 형성된다(특히 예컨대, 전자 빔 리소그래피에 의해서 생성되었던). 나노 릴리프 패턴은 고가일 수 있으며 그리고 사이즈가 한정될 수 있다. 하지만, 복제 스탬프들(replicate stamps)이 용이하게 형성될 수 있으며 그리고 많은 스탬프들이 대형 스탬프들(large area stamps)로 결합될 수 있는바 이는 제조 비용을 절감하고 그리고 수집 영역들 내의 복잡한 나노패턴들에도 적용될 수 있으며 그리고 광학 와이어링을 이용하여 많은 수집 영역들을 대규모의 영역 상에 구현할 수 있다.
다음으로, 실버 아일랜드 필름들 또는 연속적인 실버 필름들이, 나노 릴리프 패턴들을 포함하고 있는 이러한 대형 스탬프들의 최상면 상에 증착된다. 이후, 실버 필름들이 스탬프의 최상면 영역들만으로부터 전사되는데, 이는 자기-조직화된 실버 아일랜드 성장 이상의(beyond self-organized silver island growth) 나노-패터닝을 가능케한다. 이러한 방법을 사용하면, 예를 들어, 롤-투-롤 제조(roll-to-roll fabrication)에 의해서 집광기의 대량 생산이 가능하다. 또한, 바람직하게는 1000 nm 이하인 도파관의 매우 얇은 두께로 인하여, 상기 도파관은 유연하며(flexible)/구부러질 수 있다(bendable). 이러한 방법은 고립된(islandized) 층들을 프린팅하는데 이용될 수 있으며 또한 연속적인 층 영역들 사이의 이들의 공간에 의해서 나노패턴을 형성하는 연속적인 층들을 위해서 이용될 수도 있다.
본 발명에 따른 집광기는 빛 특히, 태양광을 모으는데 이용될 수 있으며 그리고 태양 에너지(solar power)를 변환시키는 솔라 디바이스들에 태양광을 집중시키는데 이용될 수 있는바, 특히 전력 발전기를 구비한 열 기관들(heat engines), 태양 전지들(solar cells) 혹은 태양-가스 발전기 혹은 태양-연료 발전기(solar-to-gas or solar-to-fuel generators), 또는 전술한 기술들 중 적어도 2개를 결합한 하이브리드 발전기들을 포함할 수 있다.
도1은 상단부에서 본 발명에 따른 광 집중기의 단면도의 일반적인 구조를 도시하며, 도1의 하단부는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도2는 불연속 여기층(3)에 나노패턴들이 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 실시예를 도시한다.
도3은 수집 영역들을 위한 가능한 나노 패턴들을 도시한다.
도4의 상단부는 서로 다른 도파관 구조들 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 이 본 발명에 따른 광 집중기에서 래터럴 구성으로 확립될 수 있음을 도시하며, 도4의 하단부는 본 발명의 집광기가 서로 적층된 서로 다른 도파관 구조들로 구성될 수 있음을 도시한다.
도5는 본 발명의 개념이 제 2 차원(a second dimension)에 어떻게 적용될 수 있는지를 보여준다.
바람직한 실시예들이 도면들에 도시된다.
도1은 상단부에서 본 발명에 따른 광 집중기(light concentrator)의 단면도의 일반적인 구조를 도시하는데, 상기 단면은 하나의 래터럴 방향(lateral direction)(z)에 수직이다.
광 집중기는 하부 기판(1)(특히, 포일(foil)), 기판 상에 형성된 유전 물질의 층(2), 제 1 유전층(2) 상에 형성된 불연속 여기층(discontinuous excitation layer)(3), 및 상기 제 3 층(3) 상에 형성된 제 2 유전층(4)을 포함한다. 기판(1)과 대향하는 측에서, 제 2 유전층(4)은 공기와 접촉한다. 유전층들(2, 4) 둘다는 동일한 두께를 가지며, 따라서 비대칭 모드 프로파일(asymmetric mode profile)(5)이 야기되는데, 이는 오직 하부층(2)만이 추가 기판과 콘택하기 때문이다.
제 2 유전층(4)의 상부 표면(4a)으로 입사하거나 또는 바닥(1a)으로부터 기판(1)을 통해 오는 빛은, 3개의 층들(2, 3, 4)로 구성된 콜렉팅 박막 도파관 구조(collecting thin film waveguide construction) 내에 커플링되며 그리고 나노패턴화된 불연속 여기층(3)과 상호작용하는바 따라서, 도파관 표면 X의 법선 벡터(normal vector)에 수직하고 그리고 래터럴 방향(예컨대, y-방향)으로 진행하는 강도 프로파일(intensity profile)을 갖는 모드를 여기한다(exciting). 그것의 강도 프로파일(5)로 도시되는, 여기된 모드는 나노패턴화된 불연속 여기층(3)의 위치에서 정확히 최소 강도(6)를 갖는다. 이러한 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 제 1 유전층(2)에 의해 구성되는 콜렉팅 박막 도파관의 y-z 평면에 형성된다. 특히, 상기 모드의 일부분이 기판(1) 내부로 연장되기 때문에, 이러한 기판(1)도 또한, 콜렉팅 박막 도파관의 일부라고 이해될 수 있다. 따라서, 비록 하부 유전층(2)과 상부 유전층(4)이 동일하다하더라도, 상기 유도 모드(guided mode)는 여전히 약간 비대칭일 수 있는데, 이는 공기의 굴절률에 비하여 기판의 굴절률이 더 크기 때문이다.
도1에 도시된 일례에서는, 광 집중기의 콜렉팅 박막 도파관(2, 3, 4) 내에 TEi-모드가 여기 및 유도된다.
여기된 모드의 노드(node)(6)에서의 나노패턴화된 불연속 여기층(3)의 위치로 인하여, 상기 여기층(excitation layer)의 나노패턴은 TEi-모드와 거의 상호작용하지 않는다. 따라서, 상기 모드는 최소 손실을 가지고 래터럴 y-방향(혹은 y-z 평면의 임의의 래터럴 방향)으로 진행할 수 있다. 따라서, 상부 유전층(4)의 공기/층 인터페이스(4a)를 통하여 또는 기판(1)을 통하여 콜렉팅 박막 도파관 내에 포획된 빛은 래터럴 방향(lateral direction)으로 유도될 수 있으며 그리고 매우 작은 추출 영역으로 집중될 수 있는바, 이러한 추출 영역은 상기 도면에 도시되어 있지 않은, 상기 광 집중기 내의 래터럴 위치의 어딘가에 존재한다.
도1에 도시된 전형적인 TEi-모드 강도 프로파일(5)는 치수 x에 대한 함수로서, 상기 모드의 강도 분포(intensity distribution of the mode)를 제공한다.
콜렉팅 박막 도파관 내의 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은, 통계학적으로 분포된(statistically distributed) 나노스케일의 물질(바람직하게는 은(silver))의 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이것은 실버 아일랜드 필름(silver island film: SIF)이 될 수 있다.
도1의 하단부는 본 발명의 실시예를 도시하는데, 이러한 실시예에서 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은, 주기적으로 배치된 구성 요소(7)들을 갖는 회절 격자(diffracting grating) 구조로 형성된다. 구성 요소(7) 각각은, 실버 아일랜드 필름으로 또는 다른 불연속적인 물질로 형성될 수 있으며 또는 심지어 연속적인 층 영역으로 형성될 수도 있는데, 이 경우 2 개의 구성 요소들(7) 사이의 나노스케일의 간격(9)이 연속성을 또한 파괴한다.
또한, 이러한 실시예에서, 나노패턴화된 불연속 여기층(3)을 밀봉하는 상기 층들(2, 4)의 두께는 동일하며 그리고 기판의 굴절률과 동일하거나 혹은 적어도 유사한 굴절률을 갖도록 캡핑(8)이 선택되는바, 따라서 대칭적인 전파 모드(symmetric propagating mode)(5)를 형성할 수 있다. 최적의 대칭 결과들을 위하여, 강도 프로파일(5)의 지수함수적 감소(exponential decay)에 의해서 도시되는 감쇠장(evanescent field)의 침투 깊이에 비하여 캡핑(8)의 두께도 역시 두꺼워야만 한다.
도2의 실시예는 불연속 여기층(3)에 나노패턴들이 어떻게 구현될 수 있는지를 보여준다. 도2의 위쪽 부분에 도시된 바와 같이, 나노 릴리프(nano relief) 패턴(11)을 포함하고 있는 템플릿으로부터 스탬프(10)가 복제될 수 있으며, 이러한 나노 릴리프 패턴(11)은 예를 들어, 전자 빔 리소그래피 및 에칭에 의해서 제작될 수 있다. 스탬프(10)는 도2c에 도시된 바와 같이, 패턴 템플릿으로부터 용이하게 제거될 수 있는 탄성(elastic) 물질로 형성될 수 있다. 도2d에서, 스탬프의 나노 릴리프 표면 상에 은이 형성되며 그리고 하부 유전층(2)의 최상면 상에 전사-프린트(transfer-print)된다(도2e). 따라서, 나노 패턴(12)의 각각의 라인이 투명층(2)에 전사되며 그리고 아일랜드 은 필름을 형성하거나 또는 나노 템플릿에 따라 이격되는 연속적인 은 필름을 형성한다. 이러한 구성에서, 나노 패터닝의 방향에 의해서 정의되는 바람직한 방향 D를 따라 유도 모드가 여기되는바, 여기서 특히 나노 패터닝은 하나 이상의 주기성들(periodicities)를 갖게 제공된다.
또한, 도3의 a 내지 f는 나노 구조가 a)에 도시된 바와 같은 선형 구조(line structure)로 반드시 구성될 필요는 없음을 보여주며, 나노구조는 2차원 패터닝을 가질 수도 있다. 각각의 나노 요소(12)는 2 차원에서의 회전 대칭 패턴 또는 주기적인 또는 비주기적인 반복을 포함할 수 있으며 그리고 고립된 영역들(islandized areas)(도3의 a,c,g)을 형성할 수도 있으며, 연속적인 영역들(도3의 b,d-f)을 형성할 수도 있다.
도3의 g는 전사 프린트된 실제 격자 구조(grating structure)의 상면도를 도시하는데. 이는 그 각각이 고립된 물질(islandized material)로 형성되는 격자 라인들을 포함한다.
도4의 상단부는 서로 다른 도파관 구조들 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 이 본 발명에 따른 광 집중기에서 래터럴 구성(lateral arrangement)으로 확립될 수 있음을 보여준다. 여기서 구조 Ⅰ는 필름 모드들을 여기시키기 위한 도파관, 도1에 도시된 바와 같은 콜렉팅 박막 도파관(2, 3, 4)을 구성한다. la 에 따르면, 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 추가 구조를 갖지 않는 고립된 층(islandized layer)이 될 수 있다. lb 에 따르면, 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 중첩된 나노패턴을 가질 수 있는데, 각각의 패턴 요소는 고립화된다. lc 에 따르면, 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 이격된 연속적인 영역들(spaced continuous areas)로 구성된다.
도파관 구조 Ⅱ에서는, 불연속 여기층이 전혀 존재하지 않는다. 여기된 모드는 방해없이 진행한다.
도파관 구조 Ⅲ에서는, 빛의 추출이 일어난다. 여기서 이것은, 콜렉팅 박막 도파관(2, 3, 4)의 최상부 층(4)을 제거함으로써 수행된다.
도파관 구조 Ⅳ 는 래터럴 국한(lateral confinement)을 위해 이용된다.
도4의 하단부는 본 발명의 집광기가 서로 적층된 서로 다른 도파관 구조들로 구성될 수 있음을 보여준다. 여기서 도파관 구조들은 2개의 평면들에서 적층되며, 각각의 평면은 콜렉팅 박막 도파관 및 빛의 분배를 위한 도파관 구조들이 나란히 있는 구성(side-by-side configuration)을 적어도 포함한다. 이것은 소정 영역들을 위의 도파관 구조들에 상관시키도록 레전드(legend)를 이용한다. 서로 다른 영역들, 특히 수집(collection)과 분배(distribution)를 위한 영역들은, 이러한 적층된 집광기의 2개의 평면들에서 오프셋될 수 있다. 분배 영역들은, 수집된 빛을 추출부(13)의 공통 스팟으로 유도할 수 있다. 추출을 위한 제 2 방법으로서, 외부 핫스팟이 도시된다. 이것은 또한 추출 구조에 대하여 도트 패턴(dotted pattern)으로 심볼화된다(상기 위치에는 그 어떤 도파관도 포함되지 않으므로 이것은 추출을 단지 심볼화한 것에 불과하다).
도5는 본 발명의 개념이 제 2 차원(a second dimension)에 어떻게 적용될 수 있는지를 보여준다. 도5의 a는 콜렉팅 박막 도파관을 도시하며, 여기서 모드는 x 방향만으로 국한된다. 따라서, 최소 강도의 고정 위치는 x 방향에서만 존재한다. 웨이브(wave)은 y 및 z에서 자유롭게 진행한다.
도5의 b에 따라 웨이브를 제 2 차원(y) 내에 국한시키는 경우 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관이 형성된다. 고차 스트라이프 도파관 모드들은, x 및 y에 대한 최소 강도 위치를 보여준다. 예를 들어, 완전 대칭형 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관(x 및 y에 대하여)에서, 유전체 HE11 또는 EH11 스트라이프 도파관 모드들의 강도 분포(5)는, 도파관의 가장 중심(very center)에서 최소 강소를 가지며 따라서 x 및 y에서 최소값을 갖는다.
하나의 차원에 적용된 노드 모드들의 개념이 도파관 손실들을 성공적으로 감소시켰기 때문에, 추가적인 차원에 상기 개념을 적용시키는 것은 z 방향으로 진행하는 스프라이프 모드들에 대한 전파 손실들을 추가적으로 개선시킬 것이라 추정된다. 전파 방향 z에 대하여 불연속이며, x 및 y에 대하여 이러한 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관(14)의 중심에 있는 스트라이프 형상의 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은, 매우 낮은 전파 손실들의 스트라이프 모드들을 여기시킬 수 있다. 대형 영역들 상에서 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관들을 갖는 이러한 집광기들에 대한 가능한 구현예가 도5의 c에 도시된다.

Claims (15)

  1. 기판(1) 상에 형성된 박막 도파관(thin film waveguide)(2,4) 내부로 특히, 상기 박막 도파관의 적어도 하나의 평행 표면들을 통해 빛을 커플링함으써 빛을 집광하는 방법으로서, 상기 방법은, 나노패턴화된 불연속 여기층(3) 물질과 입사광과의 상호작용 특히, 산란, 회절 혹은 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)에 의해서, 적어도 하나의 노드(node)(6), 바람직하게는 정확히 하나의 노드(6)를 갖는 적어도 하나의 래터럴 유도 모드(lateral guided mode)(5)를 상기 박막 도파관(2,4)에서 여기시키는 단계를 더 포함하며, 상기 물질은 특히 금속, 바람직하게는 실버이며, 상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 유도 래터럴 모드(5)의 적어도 하나의 노드(6)의 위치에서 상기 박막 도파관(2,4) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 빛을 집광하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 모드(5)의 빛은, 나노패턴화된 불연속 여기층(3)에 산란 혹은 회절 구조(7,9), 특히 격자 구조(grating structure)를 제공함으로써, 적어도 하나의 특정한 래터럴 방향(lateral direction)에서 여기되며, 상기 회절 구조는 상기 래터럴 방향에서 주기적인 것을 특징으로 하는 빛을 집광하는 방법.
  3. 기판(1) 상에 형성된 박막 도파관(2,4)을 포함하는 집광기(light concentrator)로서, 상기 박막 도파관(2,4)은 적어도 2개의 평행한 표면들을 가지며, 상기 표면들 중 적어도 하나를 통해 빛이 상기 박막 도파관(2,4) 내부로 커플링되며,
    상기 박막 도파관(2,4)은 빛을 모으기 위한 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4)으로서 설치되되, 상기 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4) 내에서 여기될 유도 모드(5)의 노드 위치(6)에 상응하는 위치에 나노패턴화된 불연속 여기층(3) 물질을 배치함으로써, 빛을 모으기 위한 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4)으로서 설치되며, 상기 물질은 특히 금속, 바람직하게는 실버인 것을 특징으로 하는 집광기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 표면들에 평행인 평면에 배치되며, 특히 상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 평면의 법선 벡터의 방향(x)으로 20 nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 집광기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은,
    a. 실버 아일랜드 필름(silver island film), 특히 상기 실버 아일랜드 필름은 5 ~ 15 nm의 매스 두께(mass thickness) 및/또는 10 ~ 100 nm의 입자 사이즈를 가지며,
    b. 액체 부유액(liquid suspension)으로부터 증착되는 나노입자들, 특히 프린팅, 딥 코팅(dip coating) 혹은 스핀 코팅에 의해서 증착되는 나노입자들
    로 형성되는 것을 특징으로 하는 집광기.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 투명한 물질의 2개의 층들(2,4), 특히 투명한 유전체 물질의 2개의 층들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 집광기.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 상기 표면에 평행하게 연장되는 적어도 하나의 산란 혹은 회절 구조(7,9)를 포함하거나 또는 상기 적어도 하나의 산란 혹은 회절 구조(7,9)로 형성되며, 특히 상기 표면에 평행한 방향(y)에서 적어도 하나의 주기성(periodicity)을 갖는 적어도 하나의 회절 구조(7,9)를 포함하거나 또는 상기 적어도 하나의 회절 구조(7,9)로 형성되는 것을 특징으로 하는 집광기.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(1)은 상기 콜렉팅 박막 도파관(2,3,4)이 부착되는 유연한 포일(flexible foil)로 형성되며, 특히 물질 증착에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 집광기.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광기는 적어도 2개의 적층된 콜렉팅 박막 도파관들(2,3,4)을 포함하며, 특히 공통 기판(1)에 부착되는 적어도 2개의 적층된 콜렉팅 박막 도파관들(2,3,4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기.
  10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광기는 여러 개의 콜렉팅 박막 도파관들(2,3,4)을 포함하며, 특히 상기 여러 개의 콜렉팅 박막 도파관들(2,3,4)은 동일한 평면에서 전파 방향(propagation direction)으로 이격되며, 상기 집광기는 빛의 분배 혹은 추출을 위한 도파관들을 더 포함하고, 특히 상기 빛의 분배 혹은 추출을 위한 이들 도파관들은 상기 콜렉팅 박막 도파관들(2,3,4) 사이에 배치되며, 특히 상기 빛의 분배 혹은 추출을 위한 이들 도파관들은, 점점 가늘어지는(tapered) 혹은 구부러진(bent) 혹은 스트라이프(stripe) 도파관 구조들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광기는, 상기 기판(1) 상에서 서로 평행하게 배치되는 여러 개의 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관들(14)을 포함하고, 상기 스트라이프 형상의 콜렉팅 박막 도파관(14) 각각은 전파 방향(z)으로 연장 및 불연속되는 스트라이프 형상의 불연속 여기층(3)을 포함하고, 상기 스트라이프 형상의 불연속 여기층(3)은 2개의 가로 방향들 둘다에 대하여(with respect to both transverse directions) 상기 여기된 모드(5)의 노드(6)에 배치되는 것을 특징으로 하는 집광기.
  12. 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 집광기를 제조하는 방법으로서,
    a. 투명한 제 1 층(2)을 증착하는 단계, 특히 기판(1) 상에 투명한 유전체 물질층을 증착하는 단계
    b. 나노패턴화된 불연속 여기층(3)을 증착하는 단계, 특히 금속, 바람직하게는 실버인 나노패턴화된 불연속 여기층(3)을 상기 제 1 층(2) 상에 증착하는 단계
    c. 투명한 제 2 층(4)을 증착하는 단계, 특히 상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3) 상에 투명한 유전체 물질층을 증착하는 단계
    를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 투명층(2,4)은 각각 200 nm ~ 400 nm의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 집광기를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 바람직하게는 실버인 불연속 고립화된(discontinuous islandized) 필름/층(3) 물질로서 증착되거나 또는 프린트된, 딥 코팅된 또는 스핀 코팅된 나노입자들로서 증착되는 것을 특징으로 하는 집광기를 제조하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 나노패턴화된 불연속 여기층(3)은 트랜스퍼-프린팅(transfer-printing)에 의해서 상기 제 1 층(2)에 전사되고, 특히 탄성 물질(elastomeric material), 바람직하게는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 만들어진 스탬프(10) 혹은 롤(roll)을 이용하여 전사되며, 상기 스탬프(10) 혹은 롤은 나노 릴리프(nano relief)(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광기를 제조하는 방법.
  15. 빛, 특히 태양광을 모으고(collecting) 그리고 조명(lighting), 가열(heating) 혹은 태양 에너지의 변환을 위한 솔라 디바이스들 특히, 전력 발전기를 구비한 열 기관들(heat engines), 또는 태양 전지들(solar cells) 혹은 태양-가스 발전기 혹은 태양-연료 발전기(solar-to-gas or solar-to-fuel generators)에 상기 빛을 집중(concentrating)시키기 위한 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 집광기의 사용.
KR1020167037102A 2014-07-02 2014-07-02 집광 방법 및 광 집중기 KR102218658B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2014/001809 WO2016000728A1 (en) 2014-07-02 2014-07-02 Method for concentrating light and light concentrator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170029439A true KR20170029439A (ko) 2017-03-15
KR102218658B1 KR102218658B1 (ko) 2021-02-22

Family

ID=51263362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167037102A KR102218658B1 (ko) 2014-07-02 2014-07-02 집광 방법 및 광 집중기

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10558027B2 (ko)
EP (1) EP3164744B1 (ko)
KR (1) KR102218658B1 (ko)
CN (1) CN106415332B (ko)
WO (1) WO2016000728A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10558027B2 (en) * 2014-07-02 2020-02-11 Bergische Universitaet Wuppertal Method of concentrating light and light concentrator
CN106168688B (zh) * 2016-09-08 2019-08-09 复旦大学 圆偏光入射下高效率且耦合方向可调的表面等离激元耦合器
DE102016013330A1 (de) * 2016-11-10 2018-05-17 Bergische Universität Wuppertal Wellenleiter, Verfahren zur Auskopplung von Licht aus einem Wellenleiter und Display
CN110703371B (zh) * 2019-10-14 2022-08-26 江西师范大学 半导体超表面电磁波吸收器及其制备方法
DE102020100960A1 (de) * 2019-12-23 2021-06-24 Bergische Universität Wuppertal Lichtkonzentrator
DE102021127637A1 (de) 2021-10-25 2023-04-27 Bergische Universität Wuppertal, Körperschaft des öffentlichen Rechts Wellenleiteranordnung und Verfahren zur Ablenkung wenigstens eines Lichtstrahls bzw. Lichtstrahlpaares

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050006632A (ko) * 2003-07-09 2005-01-17 학교법인고려중앙학원 나노선과 나노튜브 표면에 원자층 증착방법을 사용하여알루미나 박막을 코팅하는 방법
US20080084597A1 (en) * 2006-10-06 2008-04-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical modulator and optical modulation method
KR100838344B1 (ko) * 2007-03-28 2008-06-17 연세대학교 산학협력단 펄스 레이저를 이용한 나노입자 패터닝 방법
JP2009140894A (ja) * 2007-11-14 2009-06-25 Canon Inc 発光素子
US20090253227A1 (en) * 2008-04-08 2009-10-08 Defries Anthony Engineered or structured coatings for light manipulation in solar cells and other materials

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6968096B2 (en) * 2003-07-18 2005-11-22 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Diffraction device using photonic crystal
DE102006010728A1 (de) 2005-12-05 2007-06-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement und Laservorrichtung
US20080236652A1 (en) * 2006-12-19 2008-10-02 Defries Anthony Method or means to use or combine plasmonic, thermal, photovoltaic or optical engineering
US7460238B2 (en) * 2007-04-24 2008-12-02 Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal Plasmon excitation by the gaussian-like core mode of a photonic crystal waveguide
US8009716B2 (en) * 2007-10-29 2011-08-30 The Aerospace Corporation Plasmon stabilized unimodal laser diodes
US20100307553A1 (en) * 2008-08-26 2010-12-09 Defries Anthony Engineering light manipulation in structured films or coatings
US8355604B2 (en) * 2008-11-03 2013-01-15 Wayne State University Integrated optical polarizer for silicon-on-insulator waveguides
US20100108133A1 (en) * 2008-11-03 2010-05-06 Venkata Adiseshaiah Bhagavatula Thin Film Semiconductor Photovoltaic Device
US20100203454A1 (en) * 2009-02-10 2010-08-12 Mark Brongersma Enhanced transparent conductive oxides
US20100236625A1 (en) 2009-02-20 2010-09-23 John Kenney Solar Modules Including Spectral Concentrators and Related Manufacturing Methods
WO2010107796A2 (en) * 2009-03-16 2010-09-23 Lightwave Power, Inc. Asymmetric waveguide
US8149654B2 (en) * 2010-03-23 2012-04-03 Tdk Corporation Wave guide that attenuates evanescent light of higher order TM mode
US9150413B2 (en) * 2011-05-13 2015-10-06 Imec Waveguide-integrated plasmonic resonator for integrated SERS measurements
KR20190092492A (ko) 2011-10-13 2019-08-07 캄브리오스 필름 솔루션스 코포레이션 금속 나노와이어들을 통합한 전극을 갖는 광전기 디바이스들
US9166363B2 (en) * 2012-12-31 2015-10-20 Faquir C. Jain Enhanced optical gain and lasing in indirect gap semiconductor thin films and nanostructures
US9804329B2 (en) * 2013-05-30 2017-10-31 Okhtay MONTAZERI Surface plasmon resonant devices and methods of use thereof
EP2884261B1 (en) * 2013-12-14 2016-09-21 IMEC vzw Integrated fluorescence detection
US10558027B2 (en) * 2014-07-02 2020-02-11 Bergische Universitaet Wuppertal Method of concentrating light and light concentrator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050006632A (ko) * 2003-07-09 2005-01-17 학교법인고려중앙학원 나노선과 나노튜브 표면에 원자층 증착방법을 사용하여알루미나 박막을 코팅하는 방법
US20080084597A1 (en) * 2006-10-06 2008-04-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical modulator and optical modulation method
KR100838344B1 (ko) * 2007-03-28 2008-06-17 연세대학교 산학협력단 펄스 레이저를 이용한 나노입자 패터닝 방법
JP2009140894A (ja) * 2007-11-14 2009-06-25 Canon Inc 発光素子
US20090253227A1 (en) * 2008-04-08 2009-10-08 Defries Anthony Engineered or structured coatings for light manipulation in solar cells and other materials

Also Published As

Publication number Publication date
CN106415332A (zh) 2017-02-15
CN106415332B (zh) 2020-05-22
US20170168277A1 (en) 2017-06-15
EP3164744B1 (en) 2020-09-09
EP3164744A1 (en) 2017-05-10
KR102218658B1 (ko) 2021-02-22
WO2016000728A1 (en) 2016-01-07
US10558027B2 (en) 2020-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102218658B1 (ko) 집광 방법 및 광 집중기
Feng et al. Photonic metamaterial absorbers: morphology engineering and interdisciplinary applications
Xu et al. Enhanced photon collection in luminescent solar concentrators with distributed Bragg reflectors
US20100126567A1 (en) Surface plasmon energy conversion device
WO2013069250A1 (ja) 光取り込みシート、ならびに、それを用いた受光装置および発光装置
US20100288352A1 (en) Integrated solar cell nanoarray layers and light concentrating device
US20130327928A1 (en) Apparatus for Manipulating Plasmons
WO2014199572A1 (ja) 光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器
US20170363789A1 (en) Ir reflective film
KR101902659B1 (ko) 단속된 금속성 층으로 코팅된 표면을 포함하는 태양광 관리를 위한 반투명 건축 요소
US8357980B2 (en) Plasmonic high-speed devices for enhancing the performance of microelectronic devices
US20030029496A1 (en) Back reflector of solar cells
Bora et al. Plasmonic black metals in resonant nanocavities
Liu et al. Planar light concentration in micro-Si solar cells enabled by a metallic grating–photonic crystal architecture
Lu et al. Asymmetric metasurface structures for light absorption enhancement in thin film silicon solar cell
US20100229943A1 (en) Asymmetric Waveguide
CN103367477A (zh) 太阳能电池
CN113517357A (zh) 一种二硫化钼光电探测器及其制备方法
US20110175183A1 (en) Integrated plasmonic lens photodetector
JP6091883B2 (ja) 集光体及び太陽電池
CN100403076C (zh) 一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法
CN100478717C (zh) 一种面向集成光路的长程表面等离激子波导及其制造方法
CN101626140A (zh) 一种垂直谐振腔超窄带红外发射光源
Hahn et al. Nanofabrication of plasmonic structures on insulating substrates by resist-on-metal bilayer lift-off
Sergeev et al. Relief crossed diffraction gratings formed by e-beam recording in As2S3 films

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant