KR20180015067A - 광학필터, 광학 디바이스, 및 광학필터의 제조방법 - Google Patents
광학필터, 광학 디바이스, 및 광학필터의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역과 제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 포함하되, 상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이한 광학 필터를 제공한다.
Description
본 발명은 광학필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다수의 금속나노구조체를 이용하여 단위 필터를 구성하는 광학필터, 광학디바이스, 및 광학필터 제조방법에 관한 것이다.
광학필터는 다양한 파장을 가지는 빛을 임의의 파장대역으로 필터링하기 위해서 필요한 구성이다. 광학필터에는 선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)가 알려져 있다.
선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)는 일종의 파브리-페롯 공진기 구조의 광학필터로서 길이방향으로 유전체 공진층의 두께가 선형적으로 가변되는 구조로 이루어진다. 선형가변필터에는 유전체 공진층을 사이에 두고 하부 거울층과 상부 거울층이 각기 위치된다.
이러한 선형가변필터는, 길이방향으로 두께가 가변되는 선형구조로 인해 공정 재현성에 한계가 있었다. 또한, 종래의 선형가변필터를 이용한 분광계의 해상도는 선형가변필터의 높이 대 길이비로 결정되기에 분광계 소자를 소형화하는데 어려움이 있었다. 특히, 선형구조로 인해 2차원 이미징 센서기술과의 공정적합성이 부족하여 생산성 측면에서 불리하였다.
형가변필터 위치별 투과스펙트럼이 연속적인 스펙트럼의 중첩으로 이루어지고, 선형가변필터와 광검출기 간의 집적화가 모놀리식(monolithic)하지 못하기 때문에 필터와 광 검출기들 어레이 사이에 거리가 존재하였으며, 이에 따른 미광(stray light) 효과로 인해, 필터성능이 저하되는 단점이 존재하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 시도가 있었다. 그 일예로 미국특허공개번호 2014/0061486호에는 양자점을 이용한 분광기가 개시되어 있고, 미국공개특허번호 제 2015/0350540호에는 나노파티클을 이용하여 컬러필터를 구현한 이미지 센서에 대해 개시하고 있다.
그러나, 공정이 복잡하고 필터를 구현하기 위해서는 분광기로 이용하기 위해서는 필요한 필터 개수만큼의 다양한 종류의 나노 구조체를 필요로 하는 등 여러 가지 제약 사항이 있어 왔으므로 여전히 새로운 광학필터 제작에 대한 요구가 지속되고 있는 실정이다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 다양한 파장대역을 갖는 광학필터를 제작함에 있어, 굴절률이 서로 다른 매질을 사용함으로써 금속나노구조체의 공명파장을 바꾸어, 같은 금속나노구조체를 이용하여 추가적인 필터를 구현하도록 하였다. 이에 다양한 파장대역을 갖는 광학필터를 제작함에 있어, 필요한 금속나노구조체의 종류를 줄여 보다 단순하고 저렴하게 제작 가능하도록 하였다.
한편, 본 발명의 다른 목적은 높은 분해능을 가지는 광학필터를 제작하는 것이다. 이를 위해서는 금속나노구조체의 플라즈모닉 공명에 의한 투과 또는 차단 스펙트럼의 중심파장을 미세하게 조절해야 하나, 금속나노구조체의 금속 종류, 형상, 크기 등의 조절만으로는 미세한 조절이 쉽지 않다. 반면, 매질의 굴절률 변화를 이용하면, 보다 미세한 조절이 가능하여, 높은 분해능을 갖도록 다양한 필터를 설계할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은 광학 필터에 있어서, 제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역과, 제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 포함하되, 상기 제1필터 영역과 제2필터 영역은 투과 또는 차단시키는 빛의 중심 파장이 서로 다르다. 이를 구현하기 위한 방법으로서, i) 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이하고 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체의 형상과 물질이 같은 광학 필터를 제공한다. ii) 제1 굴절률과 제2 굴절률이 서로 같을 시, 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체의 형상 또는 물질이 상이한 광학 필터를 제공한다. iii) 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이하고 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체의 형상 또는 물질도 상이한 광학 필터를 제공한다.
바람직하게는, 제1층과 상기 제2층은 서로 굴절률이 상이하도록 하기 위해 동일 물질에 추가되는 구성물질을 상이하게 하거나 추가되는 구성물질의 농도를 변화시킬 수 있다.
한편, 제1 필터영역 및/또는 상기 제2 필터영역은 유전물질 내부에 복수의 금속나노구조체가 임베디드된 형태가 바람직하나, 금속 나노구조체 위에 유전물질이 도포된 형태도 가능하다.
제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체는 서로 동일한 형상이거나 서로 상이한 형상인 것이 바람직하다. 또한 구성 물질이 동일하거나 서로 상이한 것도 가능하다.
바람직하게는, 본 발명의 광학 필터는 평면적으로 2차원 필터영역들을 구비하여 형성되고, 예를 들어 일방향을 가로축, 타방향을 세로축으로 정의하면, 가로축으로는 서로 다른 금속 나노구조체가 배열되고, 세로축으로는 서로 굴절률이 다른 매질을 도포해서 바둑판 형태로 구성하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 측면은 상술한 광학필터; 및 제1필터영역과 상기 제2필터영역 각각에 대응하여 광검출기가 구비되는 광학디바이스를 제공하는 것이다. 상기 광학디바이스는 분광기, CMOS 이미지 센서, 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 투과성 기판과 상술한 광학필터를 구비하는 광학필터 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 평판형 광학 필터의 제조방법에 있어서, 구조물을 준비하는 단계; 상기 구조물 상부에, 제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역을 형성하는 단계; 및 상기 구조물 상부에, 제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이한 광학 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
바람직하게는, 제1필터영역을 형성하는 단계는 제1 굴절률의 용액에 복수의 제1 금속나노구조체를 혼합하여 선택적으로 도포하고, 상기 제2필터영역을 형성하는 단계는 제2굴절률의 용액에 복수의 제2 금속나노구조체를 혼합하여 선택적으로 도포할 수 있다. 하지만 금속나노구조체를 먼저 선택적으로 도포한후, 굴절율이 다른 매질을 선택적으로 추후 도포하는 방법도 가능하다.
바람직하게는, 상기 제1필터영역을 형성하는 단계는 제1 굴절률의 용액에 복수의 제1 금속나노구조체를 혼합하고 도포하여 층을 형성하고 포토리소그라피 공정을 이용하여 제1 필터영역에 잔류시키고, 상기 제2필터영역을 형성하는 단계는 제2굴절률의 용액에 복수의 제2 금속나노구조체를 혼합하고 도포하여 층을 형성하고 포토리소그라피 공정을 이용하여 제2 필터영역에 잔류시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 광학디바이스에 있어서, 입사되는 광을 적어도 R, G, B 로 필터링하기 위한 컬러필터층과, 대상체의 스펙트럼을 측정하기 위한 분광필터 어레이와, 상기 컬러필터층과 상기 분광필터 어레이를 투과한 광신호를 검출하기 위한 다수의 광검출영역들을 포함하는 광학디바이스를 제공한다.
바람직하게는, 상기 분광필터 어레이는 회절격자 방식 필터, 프리즘 방식 필터, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 공진도파로 공진모드형 필터, 또는 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터를 이용한 어레이 필터이다.
바람직하게는, 상기 분광필터 어레이는 본 발명의 제1 측면에 의한 광학필터들을 모두 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광검출영역들의 광검출 픽셀들 각각은 광신호가 입사되는 면적이 서로 동일하다.
바람직하게는, 상기 컬러필터와 상기 분광필터 어레이의 상부에 마이크로 렌즈를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 분광필터 어레이의 단위분광필터는 컬러필터층 사이에 일정한 주기로 배치된다.
바람직하게는, 상기 광검출영역들은 CMOS 이미지 센서의 광검출 픽셀로 구성된다.
바람직하게는, 상기 컬러필터에 대응하는 상기 광검출영역들의 광검출 픽셀의 사이즈와 상기 분광필터에 대응하는 상기 광검출영역들의 광검출 픽셀의 사이즈가 서로 다르다.
이상에서 설명한 바와 같은 발명에 의하면, 제작된 광학 필터를 이용하여 분광기 제작 시 기존의 분광기에서 사용되는 필수 요소 중 하나인 그레이팅과 같은 광부품을 사용하지 않음으로써, 광경로 단순화로 소형화가 가능하고 그레이팅을 사용하는 것에 비해 경량화가 가능하고, 외부 환경에 덜 민감한 제품을 구성할 수 있다.
또한, 금속나노구조체의 종류와 매질의 굴절률을 용이하게 손쉽게 변경함으로써 다양한 파장대역을 갖는 광학필터를 보다 적은 종류의 금속나노구조체를 사용하여 단순하고 저렴한 비용으로 제작 가능한 효과가 있다. 기존에는 n 종류의 금속나노구조체로는 n 개의 광학필터만 제작 가능하나, 이 방법은 n 종류의 금속나노구조체와 m 종류의 굴절률이 서로 다른 매질을 사용하여 n X m 개의 광학 필터를 제작 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 평면도와 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학필터의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속나노구조체들의 예를 도시하고 있는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스를 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 금속나노구조체의 사이즈 변화, 매질의 굴절률 변화에 따른 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 금속나노구조체의 물질의 종류를 바꾼 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라서 광학필터의 제조하는 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 10의 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 분광기의 개념도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 분광기의 개념도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서들의 개념도들이다.
도 17 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따라서, 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 도면들이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 하이퍼 스펙트럴 이미지센서의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학필터의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속나노구조체들의 예를 도시하고 있는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스를 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 금속나노구조체의 사이즈 변화, 매질의 굴절률 변화에 따른 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 금속나노구조체의 물질의 종류를 바꾼 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라서 광학필터의 제조하는 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 10의 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 분광기의 개념도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 분광기의 개념도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서들의 개념도들이다.
도 17 내지 도 23은 본 발명의 실시예에 따라서, 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 도면들이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 하이퍼 스펙트럴 이미지센서의 개념도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 평면도와 단면도이다.
광학필터(1)는 다수개의 필터영역을 포함하여 구성되는데 도 1a에서는 9개를 예시로 도시하고 있으나 그 개수는 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하다. 이 경우, 적어도 2개의 필터영역은 서로 다른 파장의 광을 차단(반사, 흡수, 산란) 또는 통과시킬 수 있도록 구성된다. 이하에서는 서로 다른 2개의 필터영역의 예로 제1필터영역(1201)과 제2 필터영역(1202)을 중심으로 설명한다.
광학필터(1)는 제1필터영역(1201)과 제2 필터영역(1202)을 포함하여 구성된다. 제1필터영역(1201)은 제1 굴절률의 제1층(1201a)과, 상기 제1층(1201a) 내부에 복수의 제1 금속나노구조체(1201b)를 구비하고, 제2필터영역(1202)은 제2 굴절률의 제2층(1202a)과, 제2층(1202a) 내부에 복수의 제2 금속나노구조체(1202b)를 구비한다. 또한, 바람직하게는, 제1 필터영역(1201)과 제2 필터영역(1202)은 유전물질 내부에 복수의 금속나노구조체가 임베디드된 형태로 구현되는 것이 가능하다.
여기서 i) 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이하게 구성되고, 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체는 같은 종류로 구성할 수도 있고, ii) 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 같고, 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체가 상이하게 구성할 수도 있고, iii) 제1 굴절률과 제2 굴절률도 상이하고, 제1 금속나노구조체와 제2 금속나노구조체도 상이하게 구성할 수도 있다.
각 필터영역들(1201,1202,...,1209)은 구조물(110) 상부에 제작되는 것이 가능하다. "구조물"이라 함은 본 발명의 광학필터가 제조될 수 있는 하부의 지지체를 통칭하여 의미하는 것으로 가장 일반적인 예로는 투과성 기판, 투과성 필름 등이 가능할 수 있다. 그러나, CMOS 이미지센서 등의 광학 디바이스, 반도체물질과 유전체, 금속 등의 적어도 일부를 포함하여 구성된 구조물 등 어떠한 종류에 한정되지 않는다. 한편, 구조물은 일반적인 기판 형태로 편평한 평면을 가지는 것이 가능하고, 광학필터영역만 웰 형태로 패터닝을 하는 것도 가능하다. 이 경우, 용액을 이용하여 필터영역을 형성하는 경우 정확한 위치 선정과 정확한 크기 구현이 가능한 장점이 있을 수 있다.
금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanoparticles, nanotripods, nanotetrapods를 포함한 특별히 한정되지 않은 금속나노 입자(or 구조체)이다.
제1층과 제2층이 서로 굴절률이 다르게 구성되는 경우, 굴절률이 다른 서로 근본적으로 다른 물질들일 수도 있고, 서로 굴절률이 상이하도록 하기 위해 동일물질에 추가되는 구성물질을 상이하게 하는 것도 가능하다. 또한, 동일물질에 추가되는 구성물질을 첨가하되 그 농도를 변화시킴으로써 굴절률이 상이하도록 구성하는 것도 가능하다. 바람직하게는, 제1층과 제2층은 서로 다른 폴리머 물질일 수 있다. 예시로는, Poly(dimethyl siloxane), polycarbonate, poly(vinyl phenyl sulfide), poly (methyl metharcylate) poly(vinyl alcohol), poly(vinyl butyral), poly(methyl acrylate)를 포함한 고분자 물질과 공중합체들을 포함한 특별히 한정되지 않는 고분자 물질이다. 또한 SiOx, Al2O3, ZnO, ZnSe을 포함한 특별히 한정되지 않는 다양한 유전물질이 가능하다.
본 발명의 이론적 배경에 대해서 설명한다.
LSP (localized surface plasmon)에 의한 금속나노구조체의 고유의 흡수 파장은, 금속의 유전상수, 매질의 유전상수, 금속나노구조체의 형상에 의해 결정된다. 물질의 유전상수(ε)는 굴절률(n)과 흡광계수(κ) 식(1)의 관계를 가진다.
여기서 i는 허수 단위이다. 물질의 유전상수(또는 굴절률)는 빛의 파장, λ에 따라 변화하는 함수이다.
일반적인 모양의 나노구조체에 의한 빛의 산란에 관한 분석적인 해(analytical solution)는 존재하지 않으나, Gustav Mie에 의해 임의의 굴절률을 갖는 구형 또는 타원형의 나노구조체의 빛의 산란에 대한 관계는 밝혀져 있다. Mie 이론의 quasistatic 근사에 의하면, dipole resonant에 의해 구형일 때, polarizablity α는,
이고, 
만족하는 파장 λ에서 공명파장 (=최대값(peak))을 갖는다. 고차의 multipole l 에 대해서는,
을 만족하는 파장 λ에서 각각 최대값을 갖는다.
구형이 아닐 경우, l=1인 상황에서 shape factor Ai에 대해
을 만족시킬 때, 공명파장을 갖게 된다. Ai는 형상에 따라 다양하게 정의될 수 있다. Spheroid 형상을 예로 들면, x,y,z 축의 각각의 직경이 2a, 2b, 2c인 럭비공 모양의 나노구조체의 경우 shape facter Ax, Ay, Az 는 다음과 같이 구해진다.
완전한 구형일 때, shape factor는 각각 1/3이 되므로 구형일 때와 같은 조건(
)이 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면도이다. 설명의 편의를 위해 도 1b와의 차이점을 위주로 설명하면, 도 1c는 각 필터영역들(1201,1202,...,1209)을 보호하기 위한 보호막(190)이 추가되어 있는 구조이다.
보호막(190)은 빛의 투과성이 우수하고 안정적이며 공정이 간편한 물질이 선호된다. 대표적인 예로 고분자 계열의 PMMA, PVA, PDMS, PC 등과 산화물 계열인 Al2O3, SiOx, ZnO, spin-on-glass (SOG) 등이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학필터의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 광학필터는 λ1 ~ λn 의 파장대역을 가지는 광이 입사하는 경우 각 필터영역들(1204,1205,1206)은 서로 다른 파장 대역의 광을 통과시킨다. 이 경우, 필터영역(1204)은 λ1 ~ λn 의 파장대역을 가지는 광 중에서 λ1 의 광을 투과시키고 필터영역(1205)은 λ1 ~ λn 의 파장대역을 가지는 광 중에서 λ2 의 광을 투과시키고, 필터영역(1206)은 λ1 ~ λn 의 파장대역을 가지는 광 중에서 λ3 의 광을 투과시킨다. 도 2의 도시에서는 투과형 필터를 도시하고 있지만 차단형 필터(band-stop filter)로 구현하는 것도 가능함을 밝혀둔다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속나노구조체들의 예를 도시하고 있는 도면이다. 도 4를 참조하면, 금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanodisk, nanoparticles, nanotripods, nanotetrapods 등이 가능하다. 한편, 각 필터영역들의 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체는 서로 동일한 형상이거나 서로 상이한 형상일 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학디바이스를 도시하고 있다.
본 광학디바이스는 각 필터영역들(1204,1205,1206)과 이에 각각 대응하여 광검출기들(1304,1305,1306)이 구비된다. 도 5는 각 필터영역들(1204,1205,1206)과 광검출기들(1304,1305,1306) 사이에 투과성 기판 등의 구조물(110) 이 삽입되는 형태이고 도 6은 투과성 기판 등의 구조물(110)이 형성되지 않는 경우를 도시하고 있다. 광검출기들은 각 필터영역들로부터 파장대역에 해당하는 광을 검출하는 기능을 수행하는 것으로 각종 전기회로부, 전극 등을 통해서 검출한 광의 양을 전기신호로 변화시키는 등 일반적으로 공지된 기능들을 수행한다.
한편, 본 발명의 광학필터는 투과성 기판 상부에 형성하여 별도의 광학필터 모듈로 제작하는 것이 가능하다(도 1b 및 도 2를 참조). 투과성 기판은 유리 또는 고분자와 같은 유연한(flexible) 기판일 수 있다. 일례로 투광성 필름은 적절한 점착력과 충격흡수성을 가지는 투명 또는 반투명한 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 고분자의 구체적인 예는 비제한적으로, 폴리스티렌 (PS: Polystyrene), 발포폴리스티렌 (EPS : Expandable Polystyrene) 폴리염화비닐 (PVC: Polyvinyl Chloride), 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN: Styrene Acrylonitrile Copolymer), 폴리우레탄 (PU: Polyurethane), 폴리아마이드 (PA: Polyamide), 폴리카보네이트 (PC: Polycarbonate) 변성 폴리카보네이트 (Modified Polycarbonate), 폴리비닐부티랄 (Poly(vinyl butyral)), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinyl acetate), 아크릴 수지(Acrylic Resin), 에폭시 수지 (EP: Epoxy Resin), 실리콘 수지(Silicone Resin), 불포화폴리에스테르 (UP: Unsaturated Polyester), polyimide, polyethylene naphtalate, polyethylene terephtalate 등일 수 있으며 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 광학필터 모듈은 광검출기가 집적되지 않은 형태로 제작되어 실제 사용시 광검출기에 부착하여 사용하거나 완성품 제작 시 광학필터 모듈을 광검출기에 부착하는 형태로 활용하는 것이 가능하다. 광학필터 모듈을 실제 사용 시 광검출기에 부착하여 사용하는 경우는 예를 들어, 카메라의 렌즈 앞에 본 광학필터 모듈을 결합하여 활용하는 방식도 가능하다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조방법을 설명한다. 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다.
도 7a를 참조하면, 투과성 기판 등의 구조물(110)이 준비된다. 그리고, 각 필터영역은 서로 다른 굴절률을 가지는 물질, 예컨대 폴리머 물질 1,2,3,...,n과 서로 다른 금속나노구조체 1,2,...,m을 섞어 n X m 개의 혼합용액을 제조한다. 필요한 경우 적절한 용매를 섞는다. 용매의 구체적인 종류로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 부탄올 등을 포함한 알코올 류, 헥산, 헵탄, 및 옥탄 등을 포함한 탄화수소류 용매, 벤젠 및 톨루엔을 포함한 방향족 용매, 에스터류, 아세톤, DMSO, THF, TCE, 또는 클로로폼 등일 수 있다.
도 7b 내지 도 7d를 참조하면, 준비된 혼합용액들을 잉크젯 방식으로 구조물 상부 표면에 각각 투여함으로서 필터영역을 형성한다. 필터영역이 9개 있는 경우는 9번을 반복하여 수행하는 것이 가능하고 이 때 각 필터영역의 파장 대역이 서로 상이한 경우는 굴절률이 다른 폴리머 용액을 이용한다. 이 경우, 선택적으로 금속나노구조체의 종류도 달리할 수 있다.
상술한 방식은 잉크젯 방식으로 표현되었지만 이에 한정되지 않고 혼합용액을 인쇄하는 공정이나 자동화 시스템(예를 들어 automatated pippeting system), 또한 어레이 스팟터(array spotter)를 이용하는 것도 가능하다. 어레이 스팟터를 이용하여 복수개의 필터영역을 한꺼번에 제작할 수 있는 강점이 있다. 다음으로, 필요한 경우 상술한 혼합용액을 건조하는 과정을 거치는 것도 가능하다.
다른 방식에 의하면, 폴리머를 이용하는 대신 산화물을 포함하는 무기물 박막을 이용하는 방식이다. 이 방식에 의하면, 투과성 기판 등의 구조물(110)이 준비되면, 정해진 위치에 필요한 금속나노구조체를 함유한 용액을 필터영역에 투여한다. 각 필터영역은 서로 동일한 금속나노체를 투여할 수도 있고 서로 다른 금속나노구조체를 투여하는 것도 가능하다. 필요한 경우 건조공정을 거친 후, 원하는 무기물 박막을 필요한 위치에 증착시킨다. 이 때, 각 필터영역에 증착되는 무기물 박막은 서로 다른 굴절률을 가지도록 구현된다. 무기물 박막의 종류는 특별히 한정되지 않지만, HfO2, ZrO2, ZnO, ZnSe, TiO2, Al2O3, SiOx, SOG 등에서 적어도 하나 이상이 선택된 것일 수 있다.
한편, 또 다른 본 발명의 다른 광학 필터는 평면적으로 2차원 필터영역들을 구비하여 형성되고, 일방향을 X축으로 규정하고 X축과 실질적으로 수직인 방향을 Y축으로 규정하면 X축으로는 서로 다른 금속나노구조체가 배열되고, Y축으로는 서로 굴절률이 다른 매질을 도포해서 바둑판 형태로 구성하는 것이 가능하다. 물론 X,Y는 서로 바뀔 수 있음은 물론이다. 이러한 구성은 공정상 유리한 점이 있을 수 있다. 예를 들어, X축방향으로 일정한 서로 다른 금속 나노구조체를 각각 일열씩 배치한 다음, Y축 방향으로 일열씩 서로 다른 굴절률을 가지는 매질을 도포한다. 이 방식에 의해 각 필터영역은 서로 파장을 투과하는 필터영역을 가질 수 있고 비교적 적은 단위 공정으로 본 광학필터를 제조할 수 있으므로 공정상 유리한 효과를 가져올 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다. 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 유전매질의 굴절률 (n)이 각각 n=1.00, 1.4035, 1.4893, 1.6568으로 변화함에 따라 직경(d)이 10nm, 40nm, 60nm, 100nm 크기의 은(Ag) nanospheres의 파장에 따른 빛의 차단 효율(extinction coefficient)을 나타낸 것이다. 본 시뮬레이션 결과들은 4가지 매질을 사용하여 총 16 (4 x 4) 종류의 필터 제작이 가능하다는 것을 보여주고 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따라서 제작된 다른 물질을 사용한 필터의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다. 도 8a 내지 도 8d와의 차이점을 보면, 물질을 은(Ag)에서 금(Au)로 바꾸고 굴절률 (n)의 변화에 따라 20, 100 nm 크기의 nanospheres의 파장에 따른 빛의 차단 효율(extinction coefficient)을 나타낸 것이다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터를 제조방법을 설명한다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라서 광학필터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 평면도이다. 본 제조공정은 포토리소그라피 공정을 이용하는 것이다. 포토리소그라피 공정을 이용하면 기존의 반도체 공정을 적용할 수 있어서 잉크젯 장치 등 별도의 장치가 불필요하고 저비용, 높은 신뢰성 등을 확보할 수 있어 대량양산이 가능해진다.
도 10을 참조하면, 9개의 필터영역을 달리 구성하기 위해 2개의 다른 방식을 적용하고 있는데 필요에 따라서는 1개의 방식만 분리하여 사용하는 것도 가능하다.
도 11a 내지 도 1c는 도 10의 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터를 제조하는 일예의 흐름도이다. 먼저, 구조물(310) 상부 전체에 제1 물질과 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1층(2201,2204,2207)을 형성한다. 예를 들어 제1 굴절률을 가지는 폴리머 물질에 금속나노구조체를 투입하여 제조한 제1층(2201,2204,2207)을 스핀코팅 등의 방식으로 구조물 상부 전면에 도포한다. 그런 다음 포토리소그라피 방식을 이용하여 일부 필터영역들만 제1층(2201,2204,2207)을 남기고 나머지 영역에는 제1층을 제거한다(도 11a 참조).
다음으로, 동일한 방식에 의해, 구조물(310) 상부 전체에 제2 물질과 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2층(2202,2205,2208)을 형성한다. 그런 다음 포토리소그라피 방식을 이용하여 일부 필터영역들만 제2층(2202,2205,2208)을 남기고 나머지 영역에는 제2층(2202,2205,2208)을 제거한다(도 11b 참조).
다음으로, 동일한 방식에 의해 먼저, 구조물(310) 상부 전체에 제3 물질과 제3 금속나노구조체를 구비하는 제3층(2203,2206,2209)을 형성한다. 그런 다음 포토리소그라피 방식을 이용하여 일부 필터영역들만 제3층(2203,2206,2209)을 남기고 나머지 영역에는 제3층(2203,2206,2209)을 제거한다(도 11c 참조).
이러한 방식은 가시광 영역에서 R,G,B 3개의 광학필터만 필요한 경우 더욱 효과적으로 활용될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 도 10의 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 제조하는 일예의 흐름도이다. 도 12a 내지 도 12c는 도 10의 II-II' 단면을 도시하고 있다.
도 11a 내지 도 11c 공정에 의해 제1층(2201,2204,2207), 제2층(2202,2205,2208), 제3층(2203,2206,2209)이 각각 형성되어 있다. 이런 상황에서 도 10의 y방향으로 서로 다른 량의 물질을 추가함으로써 y방향 각각의 3그룹의 필터영역들의 굴절률을 다르게 구성할 수 있다. 예컨대, 임의의 이온을 매질에 주입하면 굴절률이 다소 변하게 되는데 이러한 원리를 이용하여 방향 각각의 3그룹의 필터영역들에 서로 다른 양의 이온을 주입하는 방식을 채택하는 것이 가능하다.
먼저, 이온 주입용 마스크를 이용하여 y방향 첫 번째 그룹의 필터영역들(2207,2208,2209)을 오픈한다. 그리고 임의의 m1 양의 이온을 주입한다. 그리고 다음으로 이온 주입용 마스크를 이용하여 y방향 두번째 그룹의 필터영역들(2204,2205,2206)을 오픈한다. 그리고 임의의 m2 양의 이온을 주입한다. 그리고 다음으로 이온 주입용 마스크를 이용하여 y방향 세번째 그룹의 필터영역들(2201,2202,2203)을 오픈한다. 그리고 임의의 m3 양의 이온을 주입한다.
이미 전술한 바와 같이 도 9는 임의의 다른 2개의 방식의 공정을 이용하여 9개의 서로 다른 파장대역을 가지는 필터영역들을 제조하는 것을 예로 들어 설명하기 위한 것으로 실제 구현에 있어서는 도 11a 내지 도 11d 공정을 이용하여 9개의 서로 다른 필터영역을 가지도록 구현하는 것도 가능하고, 도 12a 내지 도 12c 공정을 이용하여 9개의 다른 필터영역들을 구현하는 것도 가능하다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 분광기의 개념도이다.
필터 어레이(1000a)와 광검출기(2000a) 간의 1차원 선형 배열 결합을 통해 분광장치(10000a)를 구성하는 예시를 보여준다. 모식도에서는 M개의 필터영역들(100)로 구성된 필터 어레이(1000a)와 M개의 광 검출 유닛(500)으로 구성된 광검출기(2000a)를 포함하는 분광장치(10000a)를 도시한다. 각각의 광학필터의 주기는 결합되는 1차원 선형 배열 광검출기의 광 검출 유닛(500)의 주기에 맞추거나 혹은 복수개의 광 검출 유닛(500) 군의 크기와 일치시키도록 결정될 수 있다. 즉, 필터와 광검출기 픽셀간의 결합은 1:1 혹은 1:다 결합일수 있다.
도 14는 본 발명의 2차원 분광기를 도시한 개념도이다. 필터 어레이(1000b)와 광검출기(2000b) 간의 2차원으로 배열되는 결합을 통해서 분광기(10000b)를 구성되는 일례가 도시된다. 1차원 결합의 분광기(10000a)에 비해 집적화에 유리하며, 기존의 CMOS 이미지 센서등과의 결합에 유리하다. 분광기(10000a, 10000b)는 빛을 통과시켜서 필터의 일 방향 위치별로 중심파장이 조금씩 이동된 특정 파장대 빛에 대한 세기정보의 출력을 가능하게 한다.
이로 인해, 빛의 파장에 따른 세기분포로 전환 가능하게 하는 분광계 역할을 하게 되고, 필터 어레이 기반의 분광기의 구현이 가능해진다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서들의 개념도들이다. 도 15와 도 16는 각각 FIS방식, BIS 방식의 CMOS 이미지센서의 제작 구조에 해당한다. 이러한 이미지 센서의 구조들에는 R,G,B 등의 컬러필터가 필수적으로 추가되어 있다. 본 발명의 광학필터는 이와 같은 CMOS 이미지 센서의 R,G,B에 적용될 수 있다. CMOS 이미지센서에 응용하기 위해서는 도 7a 내지 도 7d의 방식, 도 11a 내지 도 11d, 도 12a 내지 도 12c 방식 모두가 적용가능 하지만, 반도체 공정에 용이하게 적용하기 위하여 도 11a 내지 도 11d, 및/또는 도 12a 내지 도 12c 방식을 적용하는 것이 효과적일 수 있다.
도 15를 참조하면, 광검출영역들(350) 사이에 분리영역(360)이 존재하고 중간 유전체 영역(340) 내에는 각종 전극라인들(345)이 형성된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(320)이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(330)가 각 R,G,B 필터영역(320)에 대응하여 형성된다.
도 16을 참조하면, 유전체 영역(340) 내에는 각종 전극라인들(345)이 형성된다. 그 상부에 광검출영역들(450) 사이에 분리영역(460)이 존재한다. 그리고 각 광검출영역들(450) 상부에 R,G,B 필터영역(420)이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(430)가 각 R,G,B 필터영역(420)에 대응하여 형성된다.
도 17 은 본 발명의 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위한 개념도이다.
도 17을 참조하면, CMOS 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)이 동일한 기판 상에 함께 집적되어 형성되는데 공간적으로 별도의 영역으로 분리되어 제작되는 예를 도시하고 있는 도면이다. 도 18은 도 17의 I-I' 단면도이다.
CMOS 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)을 각각 분리하여 설명한다. CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 광검출영역들(550) 사이에 분리영역(560)이 존재하고 중간 유전체 영역(540) 내에는 각종 전극라인들(545)이 형성된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(520)이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(530)들이 각 R,G,B 필터영역(520)에 대응하여 형성된다. 분광센서 영역(B)을 설명하면, 광검출영역들(580) 사이에 분리영역(590)이 존재하고 중간 유전체 영역(540) 내에는 각종 전극라인들(545)이 형성된다. 그리고, 분광센서 영역(B)에는 중간 유전체 영역(540) 상부에 분광센서 필터들(F1, F2, ...)이 배치된다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)는 CMOS 이미지센서의 R G B 컬러필터와는 다른 파장 또는 다른 구조를 가지는 특별히 한정되지 않은 다양한 필터가 적용가능하다. 예를 들어, 도 1a의 분광센서필터가 도 18에는 도시되어 있지만 이에 한정되지 않는다. 다른 가능한 필터의 예로서는 회절격자 방식, 프리즘 방식, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 공진도파로 공진모드형 필터, 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터등 구분없이 사용가능하다. 동출원인에 의해 출원 중인 2016-0106416, 2016-0106422, 2016-0110789, 2016-0110799에 개시된 어떠한 형태의 분광필터들도 분광이미지센서 영역(B)의 필터들로 적용될 수 있다. 각 분광필터들은 해당 파장 대역의 정보를 얻기 위하여 고안되어 있다.
한편, 각 분광필터와 RGB 필터의 차이점을 정의하면, R, G, B 필터는 가시광선 중에서 각 색깔에 해당하는 파장 영역의 정보를 확보하기 위해 구현되어 있는데 비해, 각 분광필터는 가시광선 내 또는 가시광선 이외 적외선 자외선등의 파장 대역의 정보들을 확보할 수 있도록 구성될 수 있는데, 가시광선의 경우 각 분광필터에서 확보할 수 있는 정보의 파장대역이 다양하게 구현하는 것이 가능하다. 예를 들어, R 필터의 경우 붉은색의 파장 영역(약 625~750nm)의 정보를 획득하기 위한 필터이지만, 분광이미지센서 영역(B)의 각 분광필터들은 수nm부터 수십 nm 단위로 파장 대역을 구분하여 해당 정보를 확보하는 것이 가능하다. 또한, RGB 필터가 커버하는 가시광선 영역 이외의 적외선 또는 자외선 영역의 파장 정보를 필터링 하는 기능을 수행하는 것도 가능하다.
한편, 분광센서 영역(B)에 형성된 분광센서 필터들(F1, F2, ...) 상부에는 별도의 마이크로렌즈(530)들이 형성되지 않을 수도 있고 형성되는 것도 가능하다. 다만, 도 18의 도시에 있어서는 마이크로렌즈들이 형성되지 않은 경우를 도시하고 있다,
또한, 분광센서 필터들(F1, F2, ...)과 중간 유전체 영역(540) 사이, 또는 분광센서 필터들(F1, F2, ...) 상부에는 추가적인 막이 형성되는 것이 가능하다. 예를 들어, 분광센서 필터들(F1, F2, ...)과 중간유전체영역(540) 사이에는 평탄화막, 보호막, 자연산화막 등의 별도의 층이 부가될 수 있고, 분광센서 필터들(F1, F2, ...) 상부에는 실리콘이산화막, 실리콘질화막, 유전체막 등의 패시베이션막이 추가되는 것이 가능하다.
구현예들을 설명한다. 일 구현예에 의하면, 분광센서 영역(B)에 광검출영역들인 광검출다이오드(PDB)들이 검출가능한 파장 영역을 약 300nm 내지 1000nm 로 가정하고, 이 전체 영역을 수nm 또는 수십 nm 단위로 필터링할 수 있도록 분광필터들을 구성한다. 10nm 단위로 각 분광필터들을 구성하면, 300nm~310nm, 310nm~320nm, .... , 990nm~1000nm 로 각기 다른 파장을 필터링하는 70개의 분광필터들을 구성할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 분광센서 영역(B)의 분광필터들은 적외선 영역의 파장을 필터링하도록 구성할 수 있는데, 700nm 내지 1000nm에서 수nm 단위로 필터링할 수 있는 분광필터들을 구성할 수 있다. 이 경우, 5nm 단위로 각 분광필터들을 구성하면, 700nm~705nm, 705nm~710nm, ... , 995nm ~ 1000nm 로 각기 다른 파장을 필터링하는 60개의 분광필터들을 구성할 수 있다.
도 19는 도 18의 다른 변형예를 도시한 단면도이다.
도 18과의 차이점을 설명하면, 분광센서 영역(B)에 형성된 분광센서 필터들(F1, F2, ...) 상부에 별도의 마이크로렌즈(530)들이 형성된 상황을 도시하고 있다. 이 경우, 분광센서 필터들(F1, F2, ...)과 마이크로렌즈(530)들은 직접 접촉되어 있는 것으로 도시되어 있지만 실제 구현에 있어서는 중간에 절연층, 평탄화막, 패시베이션막, 보호막 등이 부가되는 것도 가능하다.
도 20는 도 17의 다른 변형의 단면도를 도시한 것이다. 도 18과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 20에서는 분광센서 영역(B)에 형성된 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 픽셀 사이즈가 R,G,B 필터영역(520)의 픽셀사이즈와 다른 상황을 도시하고 있다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)이 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(PDAA)과 다른 크기로 제작될 수 있음을 의미한다. 다른 크기라함은 광이 입사되는 면적의 크기를 달리 구성하는 것을 의미한다.
도 20의 도시에서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)의 너비(D2)가 이미지센서 영역(A)의 각 광검출영역(PDA)의 너비(D1) 보다 넓게 도시되어 있다. 이는 광검출영역(PDB)에서 광이 입사되는 면적이 광검출영역(PDA)의 광 입사 면적 보다 크게 설계되는 상황의 일예를 도시한 것으로 이해해야 한다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 경우는 R,G,B 필터 보다 세분화된 파장 영역을 필터링하므로 상대적인 광량이 적을 수 있는데 도 20과 같은 구성으로 상당부분 이를 보상할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 20의 도시에서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)의 광입사 면적의 사이즈가 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(A)의 광입사 면적의 사이즈 보다 큰 경우를 예로 들어 도시하고 있지만, 필요에 따라서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)의 사이즈가 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(A)의 사이즈 보다 작게 구성하는 것도 가능하다.
도 21은 도 17의 다른 변형의 단면도를 도시한 것이다. 도 18과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 21에서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)이 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(A)과 다른 크기로 제작되는 다른 예에 해당한다. 도 21에서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)의 단면 두께(L2)가 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(PDA)의 단면 두께(L1) 보다 큰 경우를 도시하고 있다. 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 경우는 R,G,B 필터 보다 세분화된 파장 영역을 필터링하므로 상대적인 광량이 적을 수 있는데 도 20와 같은 구성으로 상당부분 이를 보상할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 21의 도시에서는 분광센서 필터들(F1, F2, ...)의 각 광검출영역(PDB)의 단면 두께(L2)가 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(PDA)의 단면 두께(L1) 보다 큰 경우를 예로 들어 도시하고 있지만, 필요에 따라서는 분광검출영역(PDB)의 단면 두께(D2)가 R,G,B 필터영역(520)의 광검출영역(PDA)의 단면 두께(D1) 보다 작게 구성하는 것도 가능하다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따라서, CMOS 이미지센서와 분광센서와 함께 집적되는 상황을 설명하기 위하여 일부를 발췌한 개념도이고, 도 23는 도 22의 I-I' 단면도이다.
도 17과의 차이점을 위주로 설명하면, 분광센서의 단위 픽셀들이 CMOS 이미지센서의 해당 픽셀들과 함께 배치되어 있는 점이다. 도 22의 도시에서는 RGB 각 픽셀에 연속하여 F1 단위 분광필터, 다음 RGB 각 픽셀에 연속하여 F2 단위분광필터 순으로 배치된 상황을 도시하고 있다.
CMOS 이미지센서 영역(A)과 분광센서 영역(B)을 각각 분리하여 설명한다. CMOS 이미지센서 영역(A)을 설명하면, 광검출영역(6550) 사이에 분리영역(660)이 존재하고 중간 유전체 영역(640) 내에는 각종 전극라인들(645)이 형성된다. 그리고 그 상부에 R,G,B 필터영역(620)이 형성되고 그 위에 마이크로렌즈(630)들이 각 R,G,B 필터영역(620)에 대응하여 형성된다. 분광센서 영역(B)을 설명하면, 광검출영역(680) 사이에 분리영역(690)이 존재하고 중간 유전체 영역(640) 내에는 각종 전극라인들(645)이 형성된다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위픽셀과 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서의 단위 픽셀의 일부를 발췌한 도면이다.
하이퍼-스펙트럴 이미지 센서는 대상물에서 방출 또는 흡수된 전체 하이퍼-스펙트럼 중의 여러개의 (비교적 좁은) 파장 부분이나 파장 대역을 센싱하는 소자이다. 일반적인 분광기의 원리를 이용하는 것으로 측정하거나 관찰하고자 하는 파장 대역이 협소하다고 알려져 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 하나의 실시형태에 의하면, 하이퍼-스펙트럴 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서와 결합된 형태로 사용할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, R,G,B로 명명된 영역은 CMOS 이미지 센서의 R,G,B를 필터링하는 컬러 필터들 의미하는 것이고 H로 명명된 영역은 하이퍼 스펙트럴 이미지를 센싱하기 위한 필터영역이다. H 필터영역에서는 예를 들어 적외선 영역 중 일부 협소한 영역을 지정하여 이 필터 영역에서는 R,G,B 와는 다른 하이퍼 스펙트럴 데이터를 확보하는 것이 가능하게 된다.
전술한 본 발명에 따른 광학필터에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
Claims (25)
- 광학 필터에 있어서,
제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역; 및
제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 포함하되,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이한 광학 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1층과 상기 제2층은 서로 굴절률이 상이하도록 하기 위해 동일물질에 추가되는 구성물질을 상이하게 하거나 추가되는 구성물질의 농도를 변화시킨 광학 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 필터영역 및/또는 상기 제2 필터영역은 유전물질 내부에 복수의 금속나노구조체가 임베디드된 형태인 광학 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체는 서로 동일한 재료 또는 형상인 광학 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체는 서로 상이한 재료 또는 형상인 광학 필터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanoparticles, nanotripods 또는 nanotetrapods이고, 상기 제2 금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanoparticles, nanotripods 또는 nanotetrapods인 광학 필터. - 광학 필터에 있어서,
제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역; 및
제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 포함하되,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률이 서로 동일하고, 상기 제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체가 상이한 것을 특징으로 하는 광학 필터. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 평판형 광학필터; 및
상기 제1필터영역과 상기 제2필터영역 각각에 대응하여 광검출영역들이 구비되는 광학디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 광학디바이스는 분광기, CMOS 이미지 센서, 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서 중 어느 하나인 광학디바이스. - 투과성 기판; 및
상기 투과성 기판의 상부에 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광학필터를 구비하여 별도의 모듈형태로 조립된 광학디바이스. - 평판형 광학 필터의 제조방법에 있어서,
구조물을 준비하는 단계;
상기 구조물 상부에, 제1 굴절률의 제1층과 상기 제1층 내부에 복수의 제1 금속나노구조체를 구비하는 제1필터영역을 형성하는 단계; 및
상기 구조물 상부에, 제2 굴절률의 제2층과 상기 제2층 내부에 복수의 제2 금속나노구조체를 구비하는 제2필터영역을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 상이한 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1필터영역을 형성하는 단계는 제1 굴절률의 용액에 복수의 제1 금속나노구조체를 혼합하여 선택적으로 도포하고, 상기 제2필터영역을 형성하는 단계는 제2굴절률의 용액에 복수의 제2 금속나노구조체를 혼합하여 선택적으로 도포하는 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1필터영역을 형성하는 단계는 제1 굴절률의 용액에 복수의 제1 금속나노구조체를 혼합하고 도포하여 층을 형성하고 포토리소그라피 공정을 이용하여 제1 필터영역에 잔류시키고, 상기 제2필터영역을 형성하는 단계는 제2굴절률의 용액에 복수의 제2 금속나노구조체를 혼합하고 도포하여 층을 형성하고 포토리소그라피 공정을 이용하여 제2 필터영역에 잔류시키는 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1층과 상기 제2층은 서로 굴절률이 상이하도록 하기 위해 동일물질에 추가되는 구성물질을 상이하게 하거나 추가되는 구성물질의 농도를 변화시킨 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체를 서로 동일한 형상이거나 서로 상이한 형상인 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체와 상기 제2 금속나노구조체는 서로 상이한 재료 또는 형상인 광학 필터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanoparticles, nanotripods 또는 nanotetrapods이고, 상기 제2 금속나노구조체는 Nanospheres, nanorods, nanoplates, nanoplatelets, nanoparticles, nanotripods 또는 nanotetrapods인 광학 필터의 제조방법. - 광학디바이스에 있어서,
입사되는 광을 적어도 R, G, B 로 필터링하기 위한 컬러필터층;
대상체의 스펙트럼을 측정하기 위한 분광필터 어레이;
상기 컬러필터층과 상기 분광필터 어레이를 투과한 광신호를 검출하기 위한 다수의 광검출영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 분광필터 어레이는 회절격자 방식 필터, 프리즘 방식 필터, 파브리-페롯형 공진필터, 금속 나노구조체 배열 또는 금속 나노홀 어레이를 포함한 플라즈모닉 필터, 실리콘 나노와이어 기반 필터, 흡수형 필터, 공진도파로 공진모드형 필터, 또는 집적광학을 이용한 광간섭형 분광필터를 이용한 어레이 필터인 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 분광필터 어레이는 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 기재된 광학필터인 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 광검출영역들의 광검출 픽셀들 각각은 광신호가 입사되는 면적이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 컬러필터와 상기 분광필터 어레이의 상부에 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 분광필터 어레이의 단위분광필터는 컬러필터층 사이에 일정한 주기로 배치되는 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 광검출영역들은 CMOS 이미지 센서의 광검출 픽셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 컬러필터에 대응하는 상기 광검출영역들의 광검출 픽셀의 사이즈와 상기 분광필터에 대응하는 상기 광검출영역들의 광검출 픽셀의 사이즈가 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학디바이스.
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