KR20180075542A - 광 소자 - Google Patents

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KR20180075542A
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페이만 호세이니
하리쉬 바스카란
벤 브로턴
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옥스포드 유니버시티 이노베이션 리미티드
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Abstract

입사광을 가이딩(guiding)하기 위해 고굴절률을 갖는 캡핑 층(capping layer, 16); 바람직하게는 상 변화 물질인, 광흡수 물질 층(10); 및 반사 층(12)의 스택(stack)을 포함하되, 상기 캡핑 층의 굴절률이 1.6 이상인 광 소자.

Description

광 소자
본 발명은 광 소자에 관한 것이다.
분광 특성이 사용자에 의해 설정되도록 향상된 광 소자, 예를 들어 분광계 컬러 필터(color filter)용 향상된 광 소자, 또는 상기 광 소자가 전환 가능한 경우에, 컬러 디스플레이(color display)용 향상된 광 소자가 요구되어 왔다.
종래의 광 소자는 광투과 층(즉, 에탈론(etalon)과 같은)의 대향면의 반사를 이용하는 간섭의 원리로 작용한다; 이는 반사 또는 투과 시에 스펙트럼 응답(spectral response)(즉, 색상(color))을 제공한다. 스펙트럼(색상)은 광흡수 물질 층을 통합함으로써 설정될 수 있다. 광흡수 물질이 상 변화 물질(phase change material(PCM))인 경우, 상기 PCM의 상을 전환함으로써 상기 광 소자의 광학 특성이 전환될 수 있다.
그러나, 7 nm와 같은, 초-박형 상 변화 물질 층(ultra-thin PCM layer)이 사용되는 경우에만, 색 대비(color contrast)를 관찰하는 것이 가능하다. 이는 광 소자가, 플렉시블 고분자(flexible polymer)와 같은, 거친 기판 상에 제조되는 경우에 문제가 된다.
다른 아이디어(idea)는 디스플레이의 전환 가능한 요소로써 액정 물질을 사용하는 것이다. 그러나, 종래의 광 소자는 (사용된 상기 액정의 복굴절(birefringence)에 따라) 최소 1 내지 2 미크론(micron) 두께의 액정을 필요로 한다. 이러한 두께는 최대 전환 속도를 제한할 뿐만 아니라, 더 많은 물질을 사용하고, 상기 광 소자의 두께를 더 두껍게 만든다. 다른 콘셉트(concept)는 전기-광학 활성 물질을 사용하는 것이지만, 일반적으로 상기 전기-광학 활성 물질을 사용하는 경우, 10 kV와 같은, 고전압이 요구되어, 상기 고전압을 생성하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 고려하여 고안된 것이다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예는 캡핑 층(capping layer); 광흡수 물질 층; 및 반사 층의 스택(stack)을 포함하되, 상기 캡핑 층의 굴절률이 1.6 이상인 광 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예는 캡핑 층; 광흡수 물질 층; 광활성 물질 층; 및 반사 층의 스택을 포함하는 광 소자를 제공한다.
추가의 선택적인 실시 예는 종속 항에서 정의된다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 용어 '광' 및 '빛'이 사용되지만, 상기 용어 '광' 및 '빛'은 전자기 방사선에 관련된 당 업계의 통상적인 용어이기 때문에, 본 명세서의 문맥에서 상기 용어 '광' 및 '빛'은 가시광선에 한정되지 않는다. 본 발명은 적외선 및 자외선과 같은, 가시 스펙트럼 외부의 파장에도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은, 첨부된 도면을 참조하여, 예로써만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 소자의 일부를 보여주는 개략적인 단면도이다;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 소자의 파장에 대한 반사율의 플롯을 보여준다;
도 3(a)는 종래의 광 소자로 수득 가능한 색 영역을 도시한 색도도이고, 도 3(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 광 소자로 수득 가능한 색 영역을 도시한 색도도이다;
도 4는 액정 층을 포함하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 소자의 단면도이다;
도 5는 액정 층을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 소자의 단면도이다;
도 6은 도 4에 도시된 구조를 기반으로 한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 소자의 파장에 대한 반사율의 플롯을 보여준다;
도 7은 전기-광학 활성 물질 층을 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 소자의 단면도이다;
도 8은 전기-광학 활성 물질 층을 포함하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 소자의 단면도이다;
도 9는 도 7에 도시된 구조를 기반으로 한 본 발명의 일 실시 예에 따른 상이한 인가 전압을 갖는 광 소자의 파장에 대한 반사율의 플롯을 보여준다;
도 10은 상이한 인가 전압 및 전기-광학 활성 물질 층의 상이한 두께에 따라, 도 7에 도시된 구조를 기반으로 한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 소자의 파장에 대한 반사율의 플롯을 보여준다; 그리고
도 11은 복수의 캡핑 층(capping layer) 서브-층(sub-layer)으로부터 형성된 캡핑 층 및 복수의 스페이서 층(spacer layer) 서브-층으로부터 형성된 스페이서 층을 포함하는 스택(stack)의 예를 보여준다;
도 12는 캡핑 층 내에 제공된 수동 광흡수 물질 층을 포함하는 스택의 예를 보여준다;
도 13은 스페이서 층 내에 제공된 수동 광흡수 물질 층을 포함하는 스택의 예를 보여준다;
도 14는 캡핑 층 내에 제공된 수동 광흡수 물질 층 및 스페이서 층 내에 제공된 수동 광흡수 물질 층을 포함하는 스택의 예를 보여준다;
도 15는 광학적으로 두꺼운 커버 시트(cover sheet) 상에 형성된 스택의 예를 보여준다; 그리고
도 16은 상이한 스펙트럼 응답(spectral response)을 제공하는 복수의 영역을 갖는 광 소자를 보여준다.
도 1을 참조하여, 일 실시 예에 따른 광 소자의 단면 층의 구조가 설명된다. 고체 상태의 광흡수 물질 층(10)이 제공된다. 상기 광흡수 물질 층(10)은 또한 박막 흡수체로 알려져 있으며, 일반적으로 넓은 파장 범위에 걸쳐 0이 아닌 허수 성분의 굴절률(k)을 갖는다. 복수의 적합한 물질이 사용될 수 있으며, 몇 가지 구체적인 예가 후술된다. 상기 광흡수 물질 층(10)은 일반적으로 10 나노미터(nanometer) 이상의 두께이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 광흡수 물질은 Ge2Sb2Te5(GST)이다.
상기 광흡수 물질 층(10)은 반사 층(12) 상에 제공된다(상기 광 소자가 투과 모드(transmissive mode)에서 사용되는지 여부에 따라, 부분적으로 또는 전체적으로 반사된다).
종래에는, 스페이서 층(spacer layer)이 상기 광흡수 물질 층(10) 및 반사 층(12) 사이에 제공되고, 상기 광 소자의 전방(상부) 측에, 실리카(silica) 또는 ITO(indium tin oxide)의 캡핑 층이 제공될 수 있었다. 통상적으로, 상기 캡핑 층은 색상 성능(color performance)에 기여하지 못했고, 상기 흡수 층은 초박형(ultra-thin)이어야만 했다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따르면, 고굴절률을 갖는 물질(이러한 경우에 굴절률의 실수 성분; 굴절률의 허수 성분은 가능한 작아야 하므로 상기 고굴절률을 갖는 물질은 가능한 투명하다)이 캡핑 층(16)으로써 사용된다. 상기 굴절률은 1.6 이상, 예컨대 1.8 이상이며, 2.0 이상 또는 2.2일 수 있다. 캡핑 층(16)용 물질의 예로 TiO2, ZnO, AgO, 다이아몬드, SiO2, SiN, 및 TaO가 포함된다. 고굴절률 캡핑 층(16)에 입사하는 광은 종래의 광 소자에서보다 상기 캡핑 층에 잔류하는 경향이 있다(광 섬유와 같은 도파관에 빛이 구속될 수 있는 것과 동일한 방식으로). 색상은 '누설(leaky)' 흡수 층 및 하부 계면의 간섭을 통해 생성된다. 초박형 흡수 층에 대한 요구가 제거되었다. 상기 광흡수 물질 층(10)을 포함하는 상 변화 물질(phase change material(PCM))이 GTS인 경우, 상기 GTS가 아몰퍼스(amorphous) 상일 때 흡수가 더 적고 상기 캡핑 층(16) 내부의 상기 빛이 영향을 덜 받는다; 상기 GTS가 결정질(crystalline) 상일 때 흡수가 더 많고(보다 금속성), 이에 따라 간섭에 의해 색상 및 색상 변조를 발생시키는 특정 파장에서 빛이 누출된다.
상기 광흡수 물질 층(10) 및 반사 층(12) 사이에 상술된 바와 같이 여전히 선택적으로 스페이서 층(미도시)이 제공될 수 있다. 상기 광흡수 물질 층(10)이 PCM인 경우, 필요하다면, (전기적으로 또는 열적으로) 상기 층의 상을 전환시키기 위해 전극이 제공될 수 있는데, 즉, 전압원으로부터 적절한 전압 펄스(voltage pulse)를 인가함으로써, 상기 PCM은 유도된 가역적 상이 될 수 있다. 상기 반사 층(12)은 하부 전극으로 작용할 수 있다(또는 ITO와 같이, 도전성이면, 선택적 스페이서 층일 수 있다); 그리고 PCM과 접촉하는 제2 전극(미도시)이 측부 또는 상부(상기 광흡수 물질 층(10) 및 캡핑 층(16) 사이)에 제공될 수 있다. 또는, 예를 들어, WO 2015/097468 A1 또는 EP16000280.4에 개제된 바와 같이, 상기 PCM에 인접한 발열체에 의해 또는 상기 PCM에 대해 거울 층의 반대측에 의해 공급된 열 펄스에 의해 상기 PCM 층이 활성화될 수 있다. 이러한 경우, 상기 스페이서 층은 비도전성일 수 있고 광학 및 열적 특성에 의해서만 선택될 수 있다.
도 2는 TiO2의 캡핑 층(16)이 10, 50, 및 100 나노미터 두께인 광 소자에 대한 스펙트럼 응답의 예를 보여준다; 점선은 상기 GST가 아몰퍼스 상인 경우이고, 실선은 상기 GST가 결정질 상인 경우를 나타낸다. 상기 예를 통해 알 수 있듯이, 전환하는 동안 상기 색상은 엷은 색상에서 밝은 색상으로 전환될 수 있다. 이러한 구조를 사용하면 상태가 엷고(거의 흰색) 상태가 밝은 기본 색상(예를 들어, 밝은 파랑, 빨강 또는 녹색)인 RGB-타입 픽셀(RGB-type pixel)을 제조할 수 있다. 더 얇은 캡핑 층(16)을 사용하는 경우, 상기 광 소자는 매우 평탄한 스펙트럼을 가질 수 있거나, 또는 단순히 픽셀의 밝은 상태와 어두운 상태 사이를 전환하는데 사용될 수 있다. 도 2의 모든 실시 예에서, 상기 반사 층(12)은 100 nm 두께의 Ag 층이다.
상기 광흡수 물질 층(10)의 두께는 그 자체로 독립적으로 색상을 발생시킬 수 있다.
도 1의 구조는 상부 전극을 얇고 투명한 전극 층(예를 들어, 10 nm ITO)의 상부에서 고굴절률 층(16)으로 변화시킴으로써, CMOS 회로 상부의 PCM 메모리 소자로 알려진 구조와 용이하게 통합될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 소자를 이용하여, 색상 영역(색상 공간에서 접근 가능한 색상 범위)이 획기적으로 개선될 수 있다. 도 3(a)의 색도도에 도시 된 점은 ITO 캡핑 층으로 가능한 종래의 색상 영역을 보여 주는 반면에, 도 3(b)의 색도도에 도시 된 점은 고굴절률 캡핑 층(16), 예를 들어, 상기 캡핑 층은 다이아몬드(예를 들어, CVD로 성장된 합성 다이아몬드)로 가능한 더 넓은 영역을 보여준다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 스페이서 층 및 캡핑층 중 어느 하나 또는 상기 스페이서 층 및 캡핑 층 모두는 상이한 굴절률을 갖는 복수의 층의 물질을 포함하는 "복합" 층을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 복수의 층의 계면에서 더 많은 부분적인 내부 반사가 생성되어, 이용 가능한 상태의 반사 스펙트럼의 제어를 증가시킬 수 있는 복잡한 간섭 모드가 제공될 수 있다. 본 발명은 좁은 범위의 파장에서 고반사율의 반사 스펙트럼을 생성하는 기능, 더 선명한 색상을 생성하여 더 넓은 색상 영역을 생성하는 기능, 및 상기 광 소자의 여러 상태에서 원하는 반사 스펙트럼을 더 독립적으로 조정할 수 있는 기능을 모두 포함할 수 있다. 복합 스페이서 층 또는 캡핑 층 내의 서브-층으로써 사용될 수 있는 물질은 ZnO, TiO2, SiO2, Si3N4, TaO 및 ITO를 포함할 수 있다(하지만, 이에 제한된 것은 아니다). 상기 복합 스페이서 층 또는 캡핑 층을 포함하는 예시적인 소자가 도 11 내지 도 15에 도시되어 있다.
도 11은 캡핑 층(16)이 복수의 캡핑 층 서브-층(161 및 162)을 포함하는 예시적인 스택을 보여준다. 복수의 상기 캡핑 층 서브-층(161 및 162)은 서로 상이한 굴절률을 갖는다. 통상적으로, 직접적으로 서로 인접한 캡핑 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 도시된 일 실시 예에 따르면, 상기 캡핑 층(16)은 제1 굴절률과는 다른 제2 굴졀룰의 단일 캡핑 층 서브-층(162)을 사이에 포함하는 제1 굴절률의 2 개의 캡핑 층 서브-층(161)을 포함하지만, 다른 구성도 가능하다. 도시된 일 실시 예에 따르면, 스페이서 층(40)은 반사 층(12) 및 광흡수 물질 층(10) 사이에 추가로 제공된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스페이서 층(40)은 복수의 스페이서 층 서브-층(401 및 402)을 포함한다. 복수의 상기 스페이서 층 서브-층(401 및 402)은 서로 상이한 굴절률을 갖는다. 통상적으로, 직접적으로 서로 인접한 스페이서 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 도 11의 일 실시 예에 따르면, 2 개의 스페이서 층 서브-층만이 제공되지만, 다른 실시 예에서 3 개 이상의 스페이서 층 서브-층을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스택은 상기 반사 층(12) 아래의 기판(50)으로부터 시작하여 형성된다. 도 15를 참조하여 후술되는 바와 같이, 이는 필수적인 것은 아니다. 또한, 상기 스택은 상기 캡핑 층(16) 상의 광학적으로 두꺼운 커버 층(cover layer, 70)으로부터 시작되어 역순으로 형성될 수 있다(이러한 경우, 상기 반사 층 아래의 기판(50)은 선택 사항이다).
도 12 내지 도 14에 도시된 또 다른 실시 예에서, 상기 광 소자는 수동 광흡수 물질 층(60)을 더 포함한다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 광흡수 물질의 얇은 층 또는 박막을 포함할 수 있다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 상기 캡핑 층(16)의 일부분으로써 제공될 수 있고(예를 들어, 2 개의 캡핑 층 서브-층 사이에 제공), 상기 캡핑 층(16)에 직접적으로 인접되어 제공될 수 있고(상기 캡핑 층이 복수의 캡핑 층 서브-층을 포함하거나 포함하지 않는 경우), 상기 스페이서 층(40)의 일부분으로써 제공될 수 있고(예를 들어, 2 개의 스페이서 층 서브-층 사이에 제공), 그리고/또는 상기 스페이서 층(40)에 직접적으로 인접되어 제공될 수 있다(상기 스페이서 층이 복수의 스페이서 층 서브-층을 포함하거나 포함하지 않는 경우).
이론에 한정되지 않는 한, 본 발명자들은 상기 광흡수 물질 층을 첨가하는 것이 상기 광흡수 물질 층의 계면에서 내부 반사 증가에 기여하고, 또한 수동 광흡수 물질 층의 위치에서 광 소자 내의 다른 층에 의해 제공되는 공동 또는 복수의 공동 상에 정재파 파복을 갖는 파장의 광을 우선적으로 흡수하는데 기여한다고 믿는다. 이는 다시 광 소자의 다중 상태의 반사 스펙트럼의 색상 선택성을 증가시켜, 획득 가능한 반사 색상의 범위 및/또는 각각 상태의 반사 색상의 독립성을 확대시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 수동 광흡수 물질 층(60)은 예를 들어 PCM 층과 동일한 방식으로, 상이한 상태들 사이에서 전환될 수 없다는 의미에서 수동적이다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 어떠한 PCM도 함유하지 않는다. 일 실시 예에 따르면, 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 예를 들어, Ag, Au, Al, 및 Pt와 같은 금속 물질로부터 형성된다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 일반적으로 입사광의 큰 비율을 흡수 또는 반사시키기 때문에, 매우 두껍지는 않지만 원하는 광학 효과를 야기하기에 충분할 정도로 두껍게 설계된다. 3 내지 30 nm가 최적의 범위로 확인되었다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)의 산화를 방지하기 위하여(예를 들어, 상기 수동 광흡수 물질 층이 산화되기 쉬운 금속 물질로부터 형성되는 경우), 안정한 물질의 층이 산화되기 쉬운 상기 금속 물질로부터 형성된 층의 일면 또는 양면에 증착될 수 있다. 상기 안정한 물질의 층은 광 소자에 의해 생성된 반사 스펙트럼에 영향을 미치지 않도록 충분히 두껍거나(일반적으로 10 nm 미만), 또는 의도된 반사 스펙트럼에 기여하는 더 두꺼운 층일 수 있다. 또는, 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 비금속 흡수체를 포함한다.
도 12는 수동 광흡수 물질 층(60)을 갖는 예시적인 스택을 보여준다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스택은 복수의 캡핑 층 서브-층(161 및 162)을 포함한다. 상기 수동 광흡수 물질 층(60)은 상기 캡핑 층 내의, 2 개의 상기 캡핑 층 서브-층(161 및 162) 사이에 제공된다.
도 13은 광흡수 물질 층(60)을 갖는 다른 예시적인 스택을 보여준다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스택은 복수의 스페이서 층 서브-층(401 및 402)을 포함한다. 상기 광흡수 물질 층(60)은 상기 스페이서 층 내의, 2 개의 상기 스페이서 층 서브-층(401 및 402) 사이에 제공된다.
도 14는 2 개의 광흡수 물질 층(60)을 갖는 예시적인 스택을 보여준다. 상기 광흡수 물질 층(60)의 제1 층은 상기 캡핑 층 내의, 2 개의 상기 캡핑 층 서브-층(161 및 162) 사이에 제공된다. 상기 광흡수 물질 층(60)의 제2 층은 상기 스페이서 층 내의, 2 개의 상기 스페이서 층 서브-층(401 및 402) 사이에 제공된다.
도 4에 본 발명의 다른 실시 예가 도시되어 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 광 흡수 물질 층(10) 및 반사 층(12)사이에 액정 물질 층이 제공된다. 투명 전극(21, 22)(예를 들어, 10 nm 두께의 ITO로 제조됨)은 LCD(liquid crystal display) 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 액정 공동의 양 측면 상에 제공된다. 상기 광 소자는 예를 들어, ITO, 실리카(silica), 알루미나(alumina), 징크 설파이드(zinc sulfide), 또는 중합체 물질(polymeric material)로 제조된 투명한 상부 층(24) 및 편광 층(26)를 갖는다. 상기 전극(21, 22)에 전압을 인가하는 경우, 상기 액정 분자의 배향이 전환되어 상기 공동의 굴절률을 변화시킴으로써, 상기 광 소자의 색상을 변조시킬 수 있다(상기 광 소자는 박막의 형태일 수 있고, 픽셀화될 수 있다).
종래의 액정 소자는 작동하는 데 1 내지 2 미크론의 특정 최소 두께를 필요로 한다. 상기 두께는 하기 방정식에 의해 결정된다:
d = λ(4 Δn)
여기서 d는 최소 두께, λ는 파장, 그리고 Δn은 액정 소자에 사용 된 특정 액정의 복굴절을 나타낸다.
그러나, 본 발명의 실시 예에서, 나노-공동(액정 물질 층(20))의 굴절률을 변화시킴에 따라 빛이 변조되기 때문에 상기 방정식은 적용할 수 없으며, 종래의 LCD 소자에서와 같이 빛의 상을 조작하는 것이 아니다. 그 결과, 상기 액정 물질 층(20)은 종래보다 약 10 배 얇을 수 있고, 예를 들면 200 nm 정도이다. 이는, 상기 광 소자를 초박형으로 만들 수 있으며, 종래의 광 소자보다 훨씬 더 빠른 속도로 전환 가능하다는 것을 의미한다. 결과적으로, 상기 광 소자는 통신용 애플리케이션(telecommunication application)에 사용되는 경우에 이점이 있다. 하지만, 저전력 소모로 색상 변조를 사용하는 장식용 애플리케이션, 또는 수동형, 반사형 디스플레이에도 사용할 수 있다. 상기 반사 층(12)의 두께를 감소시키는 것은 투과 모드에서 색상 변조를 가능하게 하고, 분광계를 위한 컬러 필터 또는 조정 가능한 광대역 흡수체로써 사용될 수 있다.
도 5는 상기 광흡수 물질 층(10)이 상기 반사층(12)에 인접하여 도 1과 유사한 '누설-유형(leak-type)' 소자를 제공하는 일 실시 예의 변형 예를 도시한다. 상기 상부 층(24)은 필요하지 않다.
도 4 및 도 5의 실시 예에 따른 광 소자에서, GST와 같은 광흡수 물질 층(10)은 전환 가능하거나 상 변화를 나타내지 않아도 되므로, 자체 전극을 구비할 필요가 없다. 하지만, 원하는 단계에서 미리 설정할 수 있다.
도 6은 순서대로, ITO 상부 층(24), GST 흡수체 층(10), ITO 전극(21), TL216의 액정 층(20), ITO 전극(22) 및 Ag 반사 층(12)을 포함하는 도 4에 따른 광 소자의 범위에 대한(반사된) 스펙트럼 응답을 보여준다. 상기 GST 및 TL216의 두께는 도 6의 범례에서 주어진 바와 같다. 각각의 두께 쌍에 대해, 상기 ITO 전극(21, 22)에 의해 인가된 전기장에서 액정을 전환함으로써 얻을 수 있는 통상의 굴절률(no) 또는 특별한 굴절률(ne)을 갖는 상기 액정 TL216에 대한 플롯이 도시되어 있다. 도 6에서 확인할 수 있듯이, 중요한 스펙트럼 변화, 및 그에 따른 색상 변화가 명백하게 관찰된다.
도 7 및 도 8에 본 발명의 다른 실시 예가 도시되었다. 이러한 구조는 상기 액정 물질 층이 EO 층(30)으로 지칭되는 전기-광학 활성 물질 층(30)으로 대체된다는 점을 제외하고는 도 4 및 도 5의 광 소자와 유사하다. 도 7의 광 소자는 예를 들어, ITO, 실리카, 알루미나, 징크 설파이드 또는 중합체 물질로 만들어진 투명한 상부 층(34)을 갖는다.
전기-광학 활성 물질은 인가된 전계 강도에 따라 굴절률을 변화시킨다. EO 물질의 예로 암모늄 디하이드로겐 포스페이트(ammonium dihydrogen phosphate, ADP), 인산 디하이드로젠 칼륨(potassium dihydrogen phosphate, KDP), 리튬 니오베이트(lithium niobate), 리튬 탄탈라이드(lithium tantalite), 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride), 및 DANS, DR, FTC, CLD1, AJL8과 같은 다양한 고분자 발색단이 포함된다. 전극(31, 32)에 적절한 전압을 인가하는 경우, 상기 EO 층(30)의 굴절률이 달라질 수 있고, 이에 따라 상기 광 소자(박막의 형태 일 수 있고 픽셀화될 수 있다)의 색상을 변조할 수 있다.
상기 광 소자는 10 내지 200 nm 범위와 같은, 매우 얇은 EO 층을 사용할 수 있다. 이는 100 V 이하와 같이 비교적 낮은 전압에서도 가시적인 전환을 일으키는 고전계가 생성될 수 있음을 의미한다. 최대 100 V까지 작동하는 표면 실장형 소자 DC-DC 컨버터(surface mount device DC-DC converter)를 쉽게 이용할 수 있다. 상기 EO 물질은 모두 절연성이 강하므로 고전압에서도 전류가 거의 순환하지 않는다. 따라서 고전압에서 작동하는 경우에도 에너지 소비가 매우 낮은 것에 따라, 배터리 작동이 가능하다.
전환 속도도 120 GHz와 같이 매우 빠를 수 있고, 많은 수의 전환 사이클 수명을 얻을 수 있다. 결과적으로, 상기 광 소자는 통신용 애플리케이션에 사용되는 경우에 이점이 있다. 하지만, 저전력 소모로 색상 변조를 사용하는 장식용 애플리케이션, 또는 수동형에도 사용할 수 있다. 상기 반사 층 (12)의 두께를 감소시키는 것은 투과 모드에서 색상 변조를 가능하게 하고, 분광계를 위한 컬러 필터 또는 조정 가능한 광대역 흡수체로써 사용될 수 있다.
도 7 및 도 8의 실시 예에 따른 광 소자에서, GST와 같은 광흡수 물질 층(10)은, 전환이 가능하거나 또는 상 변화를 나타내지 않아도 되므로, 자체 전극을 구비할 필요가 없다.
도 9는 순서대로, 40 nm 두께의 SiO2 상부 층(34), 5 nm 두께의 GST(아몰퍼스) 흡수체 층(10), 10 nm 두께의 ITO 전극(31), 20 nm LiNbO3 EO 층(30), 10 nm ITO 전극(32), 및 100 nm 두께의 Ag 반사 층(12)을 포함하는 도 7에 따른 광 소자의 스펙트럼 응답(반사된)을 보여준다. 상대적으로 평탄한 스펙트럼은 전압이 +100 V에서 -100 V로 감소함에 따라 흑색에서 밝은색으로 전환을 보여준다. 도 10은 상기 GST가 6 nm 두께이고, EO 층(30)이 20 nm의 두께를 갖는 일 실시 예 및 상기 GST가 6 nm 두께이고, EO 층(30)이 120 nm의 두께를 갖는 다른 실시 예에서 CLD1 중합체인 것을 제외하고는, 도 9와 동일한 구조를 갖는 실시 예에 대한 스펙트럼 응답을 도시한다. 도 10에서 확인할 수 있듯이, 중요한 스펙트럼 변화, 및 그에 따른 색상 변화가 + 100 V에서 -100 V로 전환됨에 따라 명백하게 관찰된다.
상술된 실시 예들에서, 상기 액정 물질 및 EO 물질은 모두 '광학 활성 물질'의 총칭으로 포함된다.
물질
많은 응용 분야에서, 광흡수 물질 층(10)은 상 변화 물질일 필요는 없지만, 상 변화 물질일 수 있다. 상기 광흡수 물질 층(10)에 적합한 물질의 예로, 하기에 언급된 임의의 상 변화 물질; 플러스 아몰퍼스 실리콘(plus amorphous silicon), 아몰퍼스 탄소, Ge, GaAs, InAs, InP, CdTe, Ag2S, 유기 반도체; 빛을 흡수하고 수 nm 두께의 필름에 증착될 수 있는 적합한 물질(반도체 물질이 일반적으로 이상적이다)을 포함한다. 원하는 광 흡수 특성을 얻기 위해 화학양론이 변화될 수 있고 도핑(doping)이 사용될 수 있다. 사실, 벌크(bulk) 상태에서 상기 광흡수 물질을 사용할 필요는 없다; 상기 광흡수 물질은 흡수 측면에서 원하는 특성을 갖는 메타물질(metamaterial)을 생성하도록 가공될 수 있다.
GeSbTe, GeTe, GeSb, GaSb, AgInSbTe, InSb, InSbTe, InSe, SbTe, TeGeSbS, AgSbSe, SbSe, GeSbMnSn, AgSbTe, AuSbTe, 및 AlSb 중에서 선택된 원소들 조합의 화합물 또는 합금을 포함하는, 많은 적절한 상 변화 물질이 개별적으로 또는 조합되어 이용 가능하다. 또한 상기 상 변화 물질은 예를 들어 GexSbyTez; 또 다른 예를 들어 Ag3In4Sb76Te17(AIST)와 같이 다양한 화학양론적 형태가 가능하다. 다른 적합한 물질은 "모트 멤리스터(Mott memristor)"(특정 온도에서, 금속-절연체 전이, MIT(metal-to-insulator transitio)를 일으키는 물질), 예를 들어 VOx 또는 NbOx와 같은 금속을 포함한다. 또한, 상기 상 변화 물질은 C 또는 N과 같은 하나 이상의 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다.
이러한 소위 상 변화 물질(PCM)은, 아몰퍼스 상 및 결정질 상 사이에서 전이될 때 실제 굴절률 및 가상 굴절률 모두 급격하게 변화한다. 상기 아몰퍼스 상 및 결정질 상 사이에서 상기 전이는 예를 들어 적절한 전기 펄스(electric pulse)에 의해 유도된 열에 의해 또는 레이저 광원으로부터의 광 펄스에 의해 유도된 열에 의해 일어날 수 있거나, 또는 예를 들어 상기 상 변화 물질과 열 접촉하는 인접한 층의 전기적 저항 열을 이용하는 열에 의해 일어날 수 있다. 물질이 아몰퍼스 상 및 결정질 상 사이에서 전이될 때에 실질적인 변화가 발생한다. 상기 물질은 상기 아몰퍼스 상태 및 결정질 상태에서 모두 안정하다. 상기 아몰퍼스 상 및 결정질 상 사이에서 전이는 횟수의 제한 없이 효과적으로 수행될 수 있다. 그러나, 상기 아몰퍼스 상 및 결정질 상 사이에서 전이는 가역적일 필요는 없다.
모든 실시 예에 적용 가능한 추가의 향상은 광흡수 물질 층(10)의 상기 물질이 완전 결정질 상태 및 완전 아몰퍼스 상태 사이에서 간단하게 전이될 필요가 없다는 것이다. 예를 들어, 20 % 결정질, 40 % 결정질 등과 같이, 상의 혼합물이 얻어질 수 있다. 상기 물질의 결과적인 유효 굴절률은 부분 결정화도의 정도에 따라 완전 결정질 및 완전 아몰퍼스의 양 극단 사이의 어딘가에 있다. 4 내지 8 개의 상이한 검출 가능한 반사율의 수를 갖는, 4 내지 8 개의 상이한 혼합 상이 얻어질 수 있지만, 적절한 제어를 통해, 4 내지 8 개는 예를 들어 128과 같이 더 많아질 수 있다.
본 명세서에 기술된 일부 실시 예에서 상기 물질 층이 결정질 상 및 아몰퍼스 상과 같은 2 개의 상태에서 전이 가능하다는 것을 언급하고 있지만, 임의의 2 개의 고체 상 사이에서 변형될 수 있고, 이에 제한되지 않는다: 결정질에서 또 다른 결정질 또는 결정질에서 준-결정질 상, 또는 역으로; 아몰퍼스 에서 결정질 또는 아몰퍼스에서 준-결정질/반-결정질, 또는 역으로, 그리고 그 사이의 모든 형태를 포함한다. 실시 예들은 또한 상술된 2 개의 상태에 제한되지 않는다.
바람직한 실시 예에서, 상기 광흡수 물질 층(10)은 두께가 200 nm 미만인 Ge2Sb2Te5(GST)로 구성된다.
상기 반사 층(12)은 일반적으로 Au, Ag, Al, 또는 Pt로 구성된 얇은 금속 막이다. 상기 반사 층이 부분적으로 반사되는 경우, 5부터 15 nm까지의 범위의 두께가 선택될 수 있고, 반면에 상기 반사 층이 부분적으로 반사되지 않는 경우, 실질적으로 완전히 반사되도록 상기 반사 층은 100 nm와 같이 더 두껍게 만들어진다.
도 1, 4, 5, 7, 8, 11, 12, 13, 14에 도시된 전체 구조는, 제조 편의성 또는 구조적 견고성을 위해, 유리, 석영, 또는 플라스틱 물질, 폴리카보네이트(polycarbonate), PET 등과 같은, 기판(50)(예를 들어, 도 11 내지 14에 도시됨) 상에 제공될 수 있다. 상기 기판(50)은 반사 스펙트럼에 영향을 미치지 않도록, 광학적으로 두껍거나, 또는 완전히 불투명한 반사 층(12) 후면에 제공될 수 있다. 100 ℃ 또는 70 ℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 사용될 수 있는 무기 물질 층의 경우, 예를 들어, 광흡수 물질 층(10), ITO, SiO2 등, 스퍼터링(sputtering)을 이용해 증착된다. 고분자 층은 스핀 코팅(spin-coating) 및 경화에 의해 형성될 수 있다. 필요한 경우 추가적인 레이저가 제공될 수도 있다. 저온 공정은 상기 광 소자가 상기 기판을 포함하는 물품(예를 들어, 창 글레이징(window glazing))과 동시에 제조될 필요가 없다는 것을 의미하고; 상기 광 소자는 예를 들어, 기존 창 또는 패널(panel)과 같이 나중에 적용되는 표면 코팅으로써 장착될 수 있다. 또는, 광학적으로 중요한 층은 투명하고, 광학적으로 두꺼운, 수퍼스트레이트(superstrate)(광학적으로 두꺼운 커버 층(cover layer)(70)로도 지칭됨) 상에 역순으로 증착된 후에, 추가의 견고성 또는 캡슐화(encapsulation)를 위해 선택적 기판(50)에 선택적으로 적층되거나 부착될 수 있다. 상술된 구성의 실시 예가 도 15에 도시되어 있다. 상술된 실시 예에서 상기 스택은 캡핑 층(16), 광흡수 물질 층(10), 스페이서 층(40) 및 반사 층(12)을 포함하지만, 본 명세서에 개시된 스택 구성들(다중 캡핑 층 서브-층 및/또는 다중 스페이서 층 서브-층 및/또는 하나 이상의 수동 광흡수 물질 층을 갖는 스택을 포함하는) 중 임의의 것이 광학적으로 두꺼운 커버 층(70) 상에 대응하는 방식(추가적인 기판(50)이 있거나 또는 없거나)으로 형성 될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 기판(50) 및/또는 수퍼스트레이트(70)는 유리 또는 실리콘과 같이 강성(rigid)이거나, 또는 중합체 시트(polymer sheet) 또는 플렉시블 유리(flexible glass)와 같이 플렉시블할 수 있다. 상기 수퍼스트레이트는 선택적으로 상기 광 소자에 의해 생성된 색상 반사의 가시성을 향상시키기 위해 상부 면(보이는 면) 상이 반사 방지 막으로 코팅될 수 있다.
응용
본 명세서에서 임의의 실시 예에 따른 광 소자는 LCD/OLED 디스플레이 및 프로젝터(projector)용 초박형 컬러 필터와 같은, 투과형 컬러(스펙트럼) 필터(전환 가능하거나 고정되거나)로 사용될 수 있다. 또한 상기 광 소자는 헤드-업 디스플레이(head-up display (HUD))와 같은 시스루 디스플레이(see-through display)에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 임의의 실시 예에 따른 광 소자는 물품, 포장, ID 배지/패스(ID badge/pass), 지폐 등에 적용되는 투과 보안 마크(transmissive security mark)로써 사용될 수 있다. 패턴은 상이한 영역의 결정학적 상태를 설정함으로써 상기 상 변화 물질 층에 저장될 수 있다. 상기 패턴은 단순히 인식할 수 있는 이미지이거나, 또는 바 코드(bar code), QR 코드, 또는 기타 적합한 코드의 형태와 같은 특정 정보를 부호화할 수 있다. 상기 PCM 기반 광 변조기의 장점 중 하나는 고해상도 패턴이 상기 광 소자에 기록될 가능성이 있다는 것이다(Nature 511, 206-211 (10 July 2014)와 비교). 이는 홀로그램 패턴(holographic pattern)의 사용 가능성을 허용한다. 홀로그램 패턴은 임의의 거리에서 또는 상기 광 소자로부터 설정된 거리에서 입사 광을 회절시켜, 추가 렌즈 또는 다른 광학 요소, 실제 이미지, 다중 실제 이미지, 또는 3 차원 체적 이미지의 도움을 받거나 받지 않고 형성되도록 사용될 수 있다. 또한 홀로그램 패턴은 입력 빔(input beam)에 빔 조종, 포커싱(focusing), 다중화(multiplexing) 또는 다른 광학 효과를 부여하기 위해 상기 광 소자에 사용될 수 있다.
도 16에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 스택은 대응하는 복수의 상이한 영역(80)에서 입사 광에 대한 복수의 상이한 스펙트럼 응답을 제공하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 상기 상이한 스펙트럼 응답은 적어도 부분적으로는 상이한 순서의 층(보다 많거나 적은 층 및/또는 층 구성 및/또는 두께의 상이한 순서) 및/또는 하나 이상의 대응하는 층의 상이한 두께(예를 들어, 층의 동일한 조성 순서이지만, 상기 순서 내의 하나 이상의 층은 상이한 영역에서 상이한 두께를 갖는다). 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 상이한 스펙트럼 응답은 상기 광흡수 물질 층이 다른 상태, 예를 들어 상이한 상으로 전환되도록 상기 영역(80)의 적어도 서브 세트(subset)를 구성함으로써 적어도 부분적으로 제공된다. 각각의 영역은 본 명세서에 개시된 임의의 스택을 개별적으로 포함할 수 있다. 복수의 영역(80)은 더 큰 복수의 영역(픽셀로도 지칭 될 수 있음)의 서브 세트를 형성할 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 광 소자는 상이한 영역에 제공된 복수의 상이한 스펙트럼 응답을 사용하여 홀로그램 효과, 예를 들어 상술된 바와 같은 홀로그램 패턴을 제공하도록 구성된다.
홀로그램 응용을 위한 광 소자의 성능을 최적화하기 위해, 스페이서, 능동 및 수동 박막 흡수체, 및 캡핑 층으로 이루어진 구성은, 홀로그램 효과를 재현하는 상기 광 소자의 조명을 위한 협대역 파장에서 고콘트라스트 변조(high contrast modulation)를 제공하도록 조정될 수 있다. 상기 고콘트라스트 변조는 진폭 기반(즉, 특정 파장 대역에서 반사율의 강한 변화)일 수 있거나, 또는 다중 상태에서 반사 시 빛의 상에서 큰 변화(이상적으로 π 또는 2ð 라디안(radian))일 수 있다. 또는, 광학 층의 구성은 파장 범위에 걸쳐 홀로그램 효과가 가능하도록 충분히 넓은 파장 범위에 걸쳐 충분한 변조를 제공하도록 특정될 수 있다.
하나의 패턴은 복제가 어려운 광 소자 고유의 사전에 결정된 색상 변화 또는 스펙트럼 응답에 의존할 수 있기 때문에 필수적인 것은 아니다.
일 실시 예에 따르면, 보안 마크는 색상의 알려진 변화를 나타내거나 또는 보안 요원에게 패턴을 나타내기 위해 구부릴 수 있는 스마트 라벨(smart label) 또는 ID 필름과 같은 플렉시블 기판 상에 존재한다. 상기 광 소자가 구부러지는 것이 상기 층, 특히 상기 스페이서 층의 두께를 변경하여, 상기 광 소자의 스펙트럼 전송 응답을 변경하기 때문에 상기 색상 변화 및/또는 패턴이 나타난다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 색상 변화 및/또는 패턴은 상기 보안 마크가 상 변화 물질로써 VOx 또는 NbOx와 같은 모트 멤리스터의 패턴을 사용할 때 나타난다. 색상 대비의 변화는 상기 보안 마크가 전이 온도 이상으로 가열될 때 발생하므로, 상기 광 소자를 가열하면 상기 보안 마크가 나타나고, 다시 식을 때 상기 보안 마크가 사라진다.
간단한 분광계가 포함된 소자 판독기는 상이한 각도(구부러짐이 있거나 또는 없음)에서 마크의 색상 변화를 평가할 수 있고 이전에 저장된 응답과 비교하여 매우 높은 신뢰도로 상기 마크의 신뢰성을 검증할 수 있다.
다른 소자 판독기는 하나 이상의 저전력 레이저 다이오드를 사용하여 각도의 함수로써 고정 파장에서의 투과율을 측정하고, 알려진 응답과 비교한다.
마크에 기록 된 패턴의 경우, 소자 판독기는 특정 조명 파장 또는 각도 하에서 상기 마크의 하나 이상의 이미지를 캡처(capture)하는 카메라를 포함 할 수 있으며, 상기 마크를 검증하기 위해 콘트라스트 비교 및/또는 이미지 인식을 사용할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 보안 마크는 상술된 바와 같은 적절한 전환 수단(예를 들어, 레이저, 전기 또는 열과 같은) 지워질 수 있고/또는 다시 기록될 수 있다. 이는 소자 판독기가 두 번째 정보를 상기 마크에 기록하는 첫 번째 체크포인트(checkpoint)에서 사용자의 카드가 검증되는 경우와 같이, 다양한 보안 계층을 사용 가능하게 한다. 그 다음 두 번째 체크포인트는 두 번째 정보가 존재하는지 확인한 후에 추가 정보를 지우고/또는 쓴다. 이러한 방법으로, 상기 체크포인트들은 순서대로 전달될 수 있다; 그리고 체크포인트를 우회하면 후속 체크포인트가 거부될 수 있다. 또한 상기 소자에 부과된 상기 패턴을 쓰고 다시 쓰는 기능은 직접 보기 위해 또는 프로젝트 또는 홀로그램 프로젝트 시스템의 일부로써 상기 소자 자체로부터 거리를 둔 이미지를 형성하기 위해, 디스플레이 또는 공간 광 변조기로써 상기 소자의 사용을 가능하게 한다. 디스플레이 시스템에서 광 변조 요소로 사용될 때, 상기 소자는 풀-컬러 능력(full-colour capability)을 제공하기 위해 상이한 파장 대역 세트를 변조하도록 구성될 수 있다. 이는 상이한 파장 대역(즉, 상이한 유형의 디스플레이 내 서브-픽셀(sub-pixel))의 변조를 위한 상기 스페이서, 능동 및 수동 박막 흡수체, 및 캡핑 층의 상이한 구성을 갖는 상기 디스플레이의 다중 영역을 제공함으로써 얻을 수 있거나, 또는 상 변화 물질 기반 소자의 빠른 전환 능력(일반적으로 서브-마이크로 초(sub-microsecond))은 입력 색상 순서를 시간 순차적으로 변조하는 데 이용될 수 있다.
도 2, 6, 9, 및 10의 스펙트럼은 주로 전자기 스펙트럼의 가시적인 부분과 관련되며, 투과형 필름 또한 적외선(IR) 빛과 같은, 스펙트럼의 다른 부분을 변조하는데 사용될 수 있다. 따라서, 특정 밴드(band)의 전송 또는 감소를 위한 IR 필터가 제조될 수 있다. 전환 가능한 흡수체 물질 층(10)이 사용되는 경우, 상기 광 소자는 예를 들어, 빌딩(building)과 같이 열 관리를 위한 글레이징(glazing)으로 코팅된 표면 코팅이 적용될 수 있다. 상기 흡수체 물질 층의 아몰퍼스 상태 및 결정질 상태 사이에서, 상기 스펙트럼의 상기 적외선 부분에서 투과율의 큰 변화가 생길 수 있는 것에 따라, 상기 광 소자를 통해 전달되는 총 적외선 에너지 변화가 25 % 이상 전환될 수 있다. 따라서 태양광의 적외선 에너지는 상기 글레이징을 통해 전달되어 상기 빌딩 내부의 난방을 제공하거나, 또는 상기 빌딩 내부의 불필요한 난방을 줄이기 위해 더 많은 적외선을 반사하도록 상기 광 소자를 전환할 수 있다.
물질 및 층의 두께를 적절히 선택함으로써, 가시광선에 상대적으로 더 적은 영향을 주면서, 상기 스펙트럼의 상기 적외선 부분에 걸쳐 큰 변화를 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 가시광선 파장에서 전송되는 총 에너지는 20 % 미만으로 영향을 받을 수 있다. 이러한 방법으로, 상기 글레이징을 통해 상기 빌딩으로 들어오는 가시광선의 밝기를 유지하면서, 전송된 상기 열 에너지(적외선)를 드러나지 않게 조절할 수 있다. 다시 말해, 상기 적외선 전송이 변경될 때에도, 상기 가시적인 외관이 반드시 변화되거나 또는 색조가 나타나는 것은 아니다.
분광기
광대역 필터 기반 분광기로 알려진 유형의 분광기가 있다. 분석될 스펙트럼을 나타내는 빛은 파장의 함수로써 알려진 전송 특성을 갖는 광대역 필터를 통과한다. 상이한 밴드는 상이한 양에 의해 감쇠되고 결과적인 빛은 하나의 결과적인 총 강도 값을 제공하는 단일 검출기에 도달한다. 이러한 과정은 다중 광대역 필터로 반복되며, 각 필터는 상이한 방식으로 상기 스펙트럼을 수정한다. 모든 광대역 필터의 알려진 전송 스펙트럼, 및 강도 측정치로부터, 원래의 스펙트럼이 계산으로 재구성될 수 있다.
상기 분광계는 강도 세트를 동시에 측정하여, 보다 효율적으로 만들 수 있다. 이를 수행하기 위한 일 실시 예로 전하 결합 소자(CCD)와 같은, 검출기의 2 차원 어레이(array)가 제공된 기판을 사용한다. 상기 검출기 어레이 앞에는, 상술된 바와 같이, 부분 반사 층을 갖는 투과 필터를 각각 포함하는 1 세트의 스펙트럼 필터가 있다. 상기 층들의 조성 및/또는 두께를 조절함으로써, 각각 필터의 스펙트럼 투과가 상이할 수 있다.
검출기 당 하나의 필터는 필요가 없으며, 대신에 하나의 필터가 복수의 검출기에 제공될 수 있다. 또한, 상기 필터는 각각 별개로 제조될 필요가 없다.
이러한 구조 및 기술은 CCD 어레이에서 저렴하고 신속하게 제조될 수 있는 소자를 간단하게 만들어 스펙트로미터-온-칩(spectrometer-on-a-chip)을 제공한다. 상기 소자는 적외선 및 자외선뿐만 아니라, 가시광선 분광기로 사용될 수 있으며, 스펙트럼에서 전자기 복사에 대한 노출 시 안정적이다. 상기 어레이 내의 상이한 필터(34) 및 검출기(32)의 수는 수 백, 또는 심지어 훨씬 더 많을 수 있으며, 이러한 수는 분광 해상도를 결정할 것이다. +/- 1 nm의 분광 해상도를 얻을 수 있다.
상기 광 소자는 장식 층에 추가로 적용될 수 있다. 예를 들어, 선글라스(sunglasses)의 렌즈는 광 소자로 코팅되어 제공될 수 있다. 색상 및 패턴은 사전에 결정될 수 있고/또는 후에 변경될 수 있다.

Claims (28)

  1. 캡핑 층(capping layer);
    광흡수 물질 층; 및
    반사 층의 스택(stack)을 포함하되,
    상기 캡핑 층의 굴절률이 1.6 이상인 광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 굴절률은 1.8 이상, 바람직하게는 2.0 이상, 더욱 바람직하게는 2.2 이상인 것을 포함하는 광 소자.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 캡핑 층은 TiO2, ZnO, 다이아몬드, SiO2, Si3N4, 및 TaO 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 광 소자.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 캡핑 층 및 반사 층 사이에 스페이서 층(spacer layer)을 더 포함하는 광 소자.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 광흡수 물질 층의 두께는 10 nm 이상인 것을 포함하는 광 소자.
  6. 캡핑 층;
    광흡수 물질 층;
    광활성 물질 층; 및
    반사 층의 스택을 포함하는 광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    전극이 제공되어, 전압이 인가됨에 따라 상기 광활성 물질의 굴절률이 달라지는 것을 포함하는 광 소자.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 광활성 물질은 액정 물질이고, 상기 스택은 편광 층을 더 포함하는 광 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 액정 물질 층은 300 nm 미만의 두께를 갖는 것을 포함하는 광 소자.
  10. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 광활성 물질은 전기-광학 활성 물질인 것을 포함하는 광 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전기-광학 활성 물질 층은 100 nm 미만의 두께를 갖는 것을 포함하는 광 소자.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 캡핑 층은 복수의 캡핑 층 서브-층(sub-layer)을 포함하되,
    복수의 상기 캡핑 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 갖는 것을 포함하는 광 소자.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 반사 층 및 광흡수 물질 층 사이에 스페이서 층이 제공되는 것을 포함하는 광 소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 스페이서 층은 복수의 스페이서 층 서브-층을 포함하되,
    복수의 상기 스페이서 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 갖는 것을 포함하는 광 소자.
  15. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 광흡수 물질은 GeSbTe, VOx, NbOx, GeTe, GeSb, GaSb, AgInSbTe, InSb, InSbTe, InSe, SbTe, TeGeSbS, AgSbSe, SbSe, GeSbMnSn, AgSbTe, AuSbTe, 및 AlSb 중에서 선택된 원소들 조합의 화합물 또는 합금을 포함하는 광 소자.
  16. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    수동 광흡수 물질 층을 더 포함하는 광 소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 수동 광흡수 물질 층은 금속인 것을 포함하는 광 소자.
  18. 청구항 16 또는 17에 있어서,
    상기 수동 광흡수 물질 층은 상-변화 물질을 포함하지 않는 광 소자.
  19. 청구항 16 내지 18에 있어서,
    상기 캡핑 층은 복수의 캡핑 층 서브-층을 포함하고, 복수의 상기 캡핑 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 갖고, 상기 수동 광흡수 물질 층은 상기 캡핑 층 내의, 2 개의 상기 캡핑 층 서브-층 사이에 제공되거나, 또는 상기 광흡수 물질 층은 상기 캡핑 층에 직접 인접하여 제공되는 것을 포함하는 광 소자.
  20. 청구항 16 내지 19에 있어서,
    상기 스페이서 층은 복수의 스페이서 층 서브-층을 포함하고, 복수의 상기 스페이서 층 서브-층은 서로 상이한 굴절률을 갖고, 상기 수동 광흡수 물질 층은 상기 스페이서 층 내의, 2 개의 상기 스페이서 층 서브-층 사이에 제공되거나, 또는 상기 수동 광흡수 물질 층은 상기 스페이서 층에 직접 인접하여 제공되는 것을 포함하는 광 소자.
  21. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 광흡수 물질은, 상기 광 소자에 상이한 광학 특성을 부여하는, 복수의 값으로 설정 가능한, 복소 굴절 지수(complex refractive index)를 갖는 상-변화 물질인 것을 포함하는 광 소자.
  22. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 반사 층은 부분적으로 반사성을 갖고 상기 광 소자는 투과성을 갖거나, 또는 상기 반사 층은 완전히 반사성을 갖는 것을 포함하는 광 소자.
  23. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 층들 중 하나 이상은 입사광에 대한 상기 광 소자의 스펙트럼 응답(spectral response)을 결정하는 광학 공동(optical cavity)을 포함하는 광 소자.
  24. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 스택은 대응하는 복수의 상이한 영역에서 입사광에 대해 복수의 상이한 스펙트럼 응답을 제공하도록 구성되는 것을 포함하는 광 소자.
  25. 청구항 24에 있어서,
    적어도 상기 영역의 서브 세트(subset)는 상이한 순서의 층 및/또는 하나 이상의 상기 층의 상이한 두께를 갖도록 구성됨으로써, 적어도 부분적으로 상기 상이한 스펙트럼 응답이 제공되는 것을 포함하는 광 소자.
  26. 청구항 24 또는 25에 있어서,
    상기 광흡수 물질 층이 상이한 상으로 전환되도록 적어도 상기 영역의 서브 세트가 구성됨으로써, 적어도 부분적으로 상기 상이한 스펙트럼 응답이 제공되는 것을 포함하는 광 소자.
  27. 청구항 24 내지 26에 있어서,
    상기 광 소자는 복수의 상기 상이한 스펙트럼 응답을 이용하여 홀로그램 효과(holographic effect)를 제공하도록 구성되는 것을 포함하는 광 소자.
  28. 선행하는 청구항들 중 어느 하나에 따른 광 소자를 포함하는 디스플레이, 컬러 디스플레이(color display), 보안 마크(security mark), 컬러 필터(color filter), 장식 층, 분광기 또는 윈도우(window).
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