KR20180131175A

KR20180131175A - Subtractive Color Filter Based on a Silicon-Aluminum Metasurface and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR20180131175A
Application number: KR1020170067845A
Authority: KR
Inventors: 이상신; 악문정; 고숭
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-10
Also published as: KR101965218B1

Abstract

Provided is a subtractive color filter based on a silicon-aluminum metasurface which includes: a Si substrate; and a nanodisk pattern arranged in a square lattice pattern with a predetermined period interval of a nanodisk on the Si substrate. The nanodisk comprises a Si nanodisk layer having a second height, an Al nanodisk layer having a first height, and an Al porous mirror layer formed, with a third thickness, in an area of the Si substrate excluding the area where the nanodisk is formed.

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter and a manufacturing method thereof.

본 발명은 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 및 그 제조방법에 관한 기술이다.The present invention relates to a silicon-aluminum meta surface-based subtractive color filter and a method of manufacturing the same.

나노 구조 기반의 컬러 필터는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서, 고해상도 컬러 프린트, 3D 및 멀티 컬러의 홀로그램 디스플레이 및 광전 변환 소자 등과 같은 다양한 응용분야에서 기존의 염료 기반의 착색제에 대한 실용적인 대안으로 크게 주목받고 있다.Nanostructure-based color filters are practical alternatives to existing dye-based colorants in a variety of applications such as complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensors, high-resolution color printing, 3D and multi-color hologram displays and photoelectric conversion devices .

메타물질은 광범위한 의미로, 기존에 존재하는 물질들을 이용하여 적절한 기하학적인 구조를 설계함으로써, 자연 상에 존재하지 않은 인위적인 물성을 지니도록 설계 및 제작된 물질을 일컫는다.Metamaterials are broadly defined and refer to materials designed and constructed to have artificial properties that do not exist in nature, by designing appropriate geometrical structures using existing materials.

이러한 인공의 물질을 설계 및 제작하는 데 있어서 상대적으로 훨씬 큰 파장인 마이크로파 대역에서 구조물을 설계하는 일이 비교적 간단하여, 종래의 메타물질에 대한 연구는 마이크로파 대역에서 시작되었다.In designing and fabricating such artificial materials, it is relatively simple to design structures in the microwave band, which is a much larger wavelength, and research on conventional metamaterials has started in the microwave band.

최근에는 보다 정밀한 수준의 나노 공정 기술들이 확립되어 마이크로파 및 음파 대비 훨씬 짧은 파장인 광파장 대역에 대한 메타물질 설계가 진행되어 왔다.In recent years, more precise levels of nano process technology have been established and the design of meta-materials for light wavelength bands, which are much shorter than microwave and sound waves, has been underway.

광파장 대역에 대한 물질의 물성은 매질의 유전율(permittivity)과 투자율 (permeability)에 의해 결정되므로, 임의의 유전율과 투자율을 가지는 물질을 설계하는 연구가 메타물질 분야에서 많이 이루어졌다.Since the physical properties of the material for the optical wavelength band are determined by the permittivity and permeability of the medium, studies on designing materials with arbitrary permittivity and permeability have been conducted in the field of meta-materials.

최근에는 복잡한 3차원 메타물질 공정의 어려움과 실용성 등을 고려하여 2차원 박막 위에 물리적인 원리를 통해 설계된 단위 구조들을 배열하여 만들어지는 메타표면(metasurface) 구조들에 대한 연구가 이루어지고 있다.In recent years, metasurface structures have been studied in which unit structures designed through physical principles are arranged on a two-dimensional thin film in consideration of the difficulty and practicality of a complicated three-dimensional metamaterial process.

저비용, 기존 CMOS 공정과의 호환성, 가시광 대역에서의 낮은 손실 등의 특징으로 인해 실리콘(Si)은 나노 구조 기반의 컬러 필터 제조를 위한 최적의 후보로 간주된다. 수직 Si 나노와이어의 유도 모드와 입사광의 파장 선택 결합은 특정 컬러를 제공하므로, Si 기판 상에 형성된 Si 나노 와이어는 멀티 컬러 구현에 적합하다는 연구가 보고되고 있다.Silicon (Si) is considered to be the best candidate for nanostructure-based color filter fabrication due to its low cost, compatibility with conventional CMOS processes, and low loss in visible light. Studies have shown that Si nanowires formed on Si substrates are suitable for multicolor implementations, since the induction mode of vertical Si nanowires and wavelength selective coupling of incident light provide a specific color.

높은 굴절률을 갖는 유전체 물질로 만들어진 유전체 메타표면은 가시광 대역에서 금속에 의한 손실이 큰 플라즈모닉 공진 구조에 비해 명확한 이점을 제공한다. 반도체 산업에서 가장 보편적인 재료로 사용되는 n = ~4.0의 높은 굴절률을 갖는 Si은 탁월한 메타표면 플랫폼으로 간주된다. 최근에, Si 을 기반으로 다른 광학/전자 소자에 쉽게 집적될 수 있는 여러 가지 나노 구조 기반의 컬러 필터가 보고되었다. Si 메타표면의 활용은 매우 높은 종횡비를 갖는 종래의 Si 나노와이어 구조와 비교하여 우수한 안정성 및 소형화의 이점을 가질 것으로 예상된다. A dielectric meta surface made of a dielectric material with a high refractive index provides a clear advantage over a plasmonic resonant structure with a large loss of metal in the visible band. Si with a high refractive index of n = ~ 4.0, which is used as the most common material in the semiconductor industry, is considered to be an excellent meta-surface platform. Recently, various nanostructure-based color filters have been reported that can be easily integrated into other optical / electronic devices based on Si. The utilization of the Si meta surface is expected to have the advantages of superior stability and miniaturization compared to conventional Si nanowire structures with very high aspect ratios.

그러나 기존의 Si 기반 메타표면은 상대적으로 낮은 반사율과 함께 일부 손실로 인해 스펙트럼이 넓어져 부정적인 영향을 미치게 된다. 결과적으로 색순도 및 밝기가 저하되며, 누화(crosstalk) 현상 등이 발생할 수 있다.However, existing Si-based meta surfaces have a relatively low reflectance and a negative impact due to wider spectrum due to some loss. As a result, color purity and brightness are lowered, and crosstalk phenomenon may occur.

또한, Si 나노와이어의 경우 높이 및 직경은 각각 수 마이크로미터, 수십 나노미터의 크기로 설계되어, 매우 큰 종횡비를 나타낸다. 따라서, Si 나노와이어 기반의 소자는 구조적으로 불안하며, 주변의 나노 와이어에 의해 성능이 저감될 수 있는 단점이 있다. 또한, 반사스펙트럼은 공진 파장에서 단일 비-제로 공명 딥(non-zero resonance dip) 또는 다중 공진 딥 (multiple resonant dips) 등을 유도하는 경향이 있어, 색순도가 크게 나빠질 수 있다.Also, in the case of Si nanowires, the heights and diameters are designed to be several micrometers and tens of nanometers, respectively, indicating a very large aspect ratio. Therefore, Si nanowire-based devices are structurally unstable, and their performance can be reduced by surrounding nanowires. In addition, the reflection spectrum tends to induce a single non-zero resonance dip or multiple resonant dips at the resonant wavelength, and the color purity can be significantly deteriorated.

본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1510725호에 소개된 바 있다.The background art of the present invention has been disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1510725.

대한민국 등록특허공보 10-1510725호(비등방성 패턴을 포함하는 능동형 표면 플라즈모닉 컬러 필터, 및 능동형 표면 플라즈모닉 컬러필터를 포함하는 디스플레이 소자)Korean Patent Publication No. 10-1510725 (display device including an active surface plasmonic color filter including an anisotropic pattern, and an active surface plasmonic color filter)

본 발명의 목적은 향상된 색순도를 가지며, 반사효율을 높일 수 있는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter having improved color purity and capable of increasing the reflection efficiency.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

본 발명의 일측면에 따르면, Si 기판; 상기 Si 기판 상에 나노디스크의 설정된 주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열된 나노디스크 패턴; 을 포함하며, 상기 나노디스크는 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어지며, 상기 Si 기판에서 상기 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께로 형성된 Al 다공형 미러층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a Si substrate; A nano disk pattern arranged on the Si substrate in a rectangular lattice pattern with a predetermined periodic interval of the nano disk; Wherein the nano disk comprises a Si nano disk layer formed at a second height and an Al nano disk layer formed at a first height, A silicon-aluminum meta surface-based subtractive color filter is provided, which further comprises an Al pourable mirror layer formed to a thickness of 3 mm.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, Si 웨이퍼 상에 미리 설정된 주기 간격에 맞추어 배열되는 나노디스크 패턴이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 레지스트를 패터닝하는 레지스트 패턴 형성 단계; 상기 패터닝된 레지스트 패턴을 마스킹으로 활용하여 상기 Si 웨이퍼 상에 전자빔 증발기에 의한 제1 Al 증착 공정으로 제1 Al 층을 형성하는 단계; 상기 레지스트 패턴을 제거하여 상기 Si 웨이퍼 상에 제1 Al 나노디스크 패턴을 형성시키는 단계; 상기 제1 Al 나노디스크 패턴을 마스크로 활용하여 플라즈마 에칭기에 의한 에칭 공정에 의하여 상기 SI 웨이퍼 상부를 에칭하여 SI 기판 및 설정된 제2 높이의 Si 나노디스크 패턴을 형성시키는 단계; 및 상기 제1 Al 나노디스크 패턴의 상부 및 상기 제1 Al 나노디스크 패턴을 제외한 상기 Si 기판의 나머지 상부 영역에 상기 전자빔 증발기에 의한 제2 Al 증착 공정을 수행하여 Al 나노디스크 미러층 및 Al 다공형 미러층을 형성시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘-알루미늄 메타표면 기반의 감산 컬러 필터 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, the method comprising: forming a resist pattern on a Si wafer, the pattern being formed at a predetermined interval; Forming a first Al layer on the Si wafer by a first Al deposition process using an electron beam evaporator utilizing the patterned resist pattern as a masking; Removing the resist pattern to form a first Al nanodisk pattern on the Si wafer; Etching the upper portion of the SI wafer by an etching process using a plasma etcher using the first Al nano disk pattern as a mask to form an Si substrate and a Si nano disk pattern having a set second height; And a second Al deposition process by the electron beam evaporator is performed on the upper portion of the first Al nano disk pattern and the upper portion of the Si substrate except for the first Al nano disk pattern to form an Al nano disk mirror layer and an Al porous Forming a mirror layer; Wherein the silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter is formed on the silicon-aluminum meta-surface.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 향상된 색순도를 제공할 수 있는 효과를 가진다.The Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention has an effect of providing enhanced color purity.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 하이브리드 나노디스크의 직경을 조절함으로써 가시광 대역 전체에 걸쳐 특정 색상에 해당하는 공진 딥의 파장을 제어할 수 있는 효과를 가진다. In the subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention, the wavelength of the resonance dip corresponding to a specific color can be controlled over the entire visible light band by controlling the diameter of the hybrid nano disk Effect.

본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 CMY의 삼원색 외에도 다양한 나노디스크 직경 및 주기를 갖는 필터 성분의 배열로 구성된 생생한 풀-컬러 팔레트가 구현될 수 있으며, 색순도, 밝기, 시각적 대비 및 색 영역 측면에서 높은 성능을 제공할 수 있는 효과를 가진다.The Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter according to the preferred embodiment of the first embodiment of the present invention has a vivid full-color palette consisting of an array of filter elements having various nano disk diameters and periods in addition to the three primary colors of CMY And it has an effect of providing high performance in terms of color purity, brightness, visual contrast, and color gamut.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 고해상도 및 우수한 색 충실도를 가능하게 하는 효과를 가진다.The high reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention has the effect of enabling high resolution and excellent color fidelity.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 종래의 컬러필터에 비하여 반사율을 높일 수 있는 효과를 가진다.The high-reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to the second embodiment of the present invention has an effect of increasing the reflectance as compared with the conventional color filter.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 조합은 감소된 스펙트럼 대역폭을 바탕으로 Si 나노디스크에서의 자기 쌍극자 모드의 감금을 현저하게 촉진하고, 이탈-공명(off-resonance)에서 반사 효율을 높이는 효과를 가진다.The combination of the Al nanodisk mirror layer and the Al polycrystalline mirror layer according to the second embodiment of the present invention significantly promotes confinement of the magnetic dipole mode in the Si nanodisk based on the reduced spectral bandwidth, off-resonance).

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 완화된 각도 내성과 편광 독립성의 효과를 가진다.The Si-Al hybrid nano-disk meta surface-based highly reflective subtractive color filter according to the second embodiment of the present invention has the effects of relaxed angle tolerance and polarization independence.

도 1 은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 Si 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서 입사 편광에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사 색상을 현미경 이미지로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 형태인 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼의 특성을 Si 나노디스크 메타표면 구조 및 Si 기판과 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크형 구조의 비교를 위한 필드 프로파일을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 Al 나노디스크의 높이에 따른 반사스펙트럼의 등고선 도를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 각 컬러 패턴의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.
도 23은 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조와의 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 26은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 주기 간격에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 27은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크 간의 간격이 100nm 일 때, 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 28은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 입사 편광에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 29는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.
도 30은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 155nm으로 형성된 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 31은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 마젠타 필터에 대한 공진시 정규화된 전기장 및 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.
도 33은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 정규화된 자기장 프로파일을 도시한 것이다.
도 34는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법을 도시한 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a structure of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a SEM image of a top surface of a subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a reflection spectrum response for vertical incident light in a subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a contour diagram of a reflection spectrum according to the diameter of a nano disk in the structure of the surface of a Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a contour diagram of a reflection spectrum according to a diameter of a nano disc in a structure of a Si nano disc meta-surface according to another embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a response of a reflection spectrum according to a diameter change of a nano disk in the structure of a Si-Al hybrid nano disk metal surface according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows the color coordinates corresponding to the spectrum according to the diameter change of the nano disk in the structure of the surface of the Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a response of a reflection spectrum according to a change in period interval in the structure of a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows color coordinates corresponding to a spectrum according to a change in period interval in the structure of the surface of a Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a reflection spectrum of incident polarized light in a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a contour diagram of reflection spectra for different incident angles of a magenta color filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a microscopic image of a reflection color of a Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter manufactured according to the first embodiment of the present invention and a subtractive color filter based on a Si nano disk meta surface.
FIG. 13 is a graph showing a reflection spectrum of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface prepared according to the first embodiment of the present invention.
14 is a graph showing a reflection spectrum of a subtractive color filter based on a Si nano disc meta surface without an Al nanodisk layer according to another embodiment of the present invention.
15 is a graph showing a characteristic of a reflection spectrum for a magenta filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to the first embodiment of the present invention compared with a Si nano disk meta surface structure and a Si substrate.
16 illustrates a field profile for comparison of a Si-Al hybrid nano disk meta-surface-based structure and a Si nano-disk-type structure without an Al nanodisk layer according to the first embodiment of the present invention.
17 is a contour diagram of a reflection spectrum according to height of an Al nano disc of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disc meta surface according to the first embodiment of the present invention.
18 schematically shows the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to a second embodiment of the present invention.
19 shows an SEM image of the top surface of each color pattern in a high reflection subtractive color filter of a Si-Al hybrid nano disc meta surface manufactured according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a graph showing a reflection spectrum response for vertical incident light in a high-reflection subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 21 shows color coordinates corresponding to reflection spectra of normal incident light in a high-reflection subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface prepared according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a graph showing a spectral response according to a change in diameter of a nano disc in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk according to a second embodiment of the present invention.
23 shows the color coordinates corresponding to the spectrum according to the diameter change of the nano disk in the structure of the high reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention .
24 is a graph showing a spectrum of a case where an Al nano disc mirror according to the second embodiment of the present invention is present and a spectrum of a Si meta surface structure without a metal mirror in the past.
FIG. 25 shows an optical microscope image according to the diameter of a nano disk in the case of an Al nano disk mirror according to the second embodiment of the present invention and a conventional Si metal surface structure without a metal mirror.
26 shows a contour diagram of a reflection spectrum according to a periodic interval in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a graph showing the contour lines of reflection spectra according to the diameters of nano discs when the distance between the nano discs is 100 nm in the structure of the high-reflection type subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano discs according to the second embodiment of the present invention FIG.
FIG. 28 is a graph showing a spectrum of incident polarized light in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to a second embodiment of the present invention.
29 is a contour diagram of reflection spectra of different incident angles of a magenta color filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to a second embodiment of the present invention.
30 is a graph showing a reflection spectrum of a magenta filter formed with a diameter of 155 nm of a nano disk in the structure of a high-reflection type subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to a second embodiment of the present invention.
31 illustrates a normalized electric field and a magnetic field profile at resonance for a magenta filter in the structure of a high reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk in accordance with a second embodiment of the present invention.
32 is a graph of spectra of different combinations of Al nano disk mirror and Al pore-type mirror in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano disk according to the second embodiment of the present invention Respectively.
33 is a graph showing a normalized magnetic field profile for different combinations of Al nanodisk mirror and Al polycrystalline mirrors in the structure of a high reflection subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano disk in accordance with a second embodiment of the present invention FIG.
FIG. 34 shows a method of manufacturing a high-reflection type subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disc meta surface according to a second embodiment of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.In the present application, when a component is referred to as "comprising ", it means that it can include other components as well, without excluding other components unless specifically stated otherwise. Also, throughout the specification, the term "on" means to be located above or below the object portion, and does not necessarily mean that the object is located on the upper side with respect to the gravitational direction.

이하 본 발명의 구현에 따른 실리콘-알루미늄 메타표면 기반 감산 컬러 필터에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

견고성 구현에 있어서, 낮은 종횡비(aspect ratio)가 특징인 Si 나노디스크(nanodisk) 격자인 초박형의 컬러 필터는 길게 늘어진 나노와이어 배열보다 우세한 것으로 분석된다. For robustness implementations, an ultra-thin color filter, a Si nanodisk lattice characterized by a low aspect ratio, is considered to be superior to the elongated nanowire array.

또한, 고유 특성을 갖는 종래 물질과는 대조적으로, 유전체 메타표면으로 기능 하는 Si 나노디스크 어레이는 음의 굴절률 및 광학 클러킹(optical cloaking)과 같은 맞춤식 광학 특성을 제공하도록 유연하게 설계될 수 있는 것으로 분석되었다.Also, in contrast to conventional materials with intrinsic properties, Si nanodisk arrays, which function as dielectric meta surfaces, can be flexibly designed to provide tailored optical properties, such as negative refractive index and optical cloaking .

이러한 유전체 메타표면은 금속-유전체 플라즈모닉 나노 구조와는 달리 전도 손실에 거의 노출되지 않는다.These dielectric meta surfaces are hardly exposed to conduction losses unlike metal-dielectric plasmonic nanostructures.

Si 나노디스크 구성요소 각각은 Mie 산란에 의해 유도되는 전기 쌍극자(electrical dipole) 및 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 현상에 의해 동작하며, 이는 나노디스크 직경을 조정함으로써 효과적으로 조정될 수 있다. Each of the Si nanodisk components operates by electrical dipole and magnetic dipole resonance induced by Mie scattering, which can be effectively adjusted by adjusting the nanodisk diameter.

Si 메타표면을 이용한 광대역 반사 방지 코팅이 태양전지의 빛을 포획하기 위해 제안되었고, 입사광이 Si 기판에 공진형으로 흘러서 반사가 충분히 방지될 수 있다.A broadband antireflection coating using a Si meta-surface has been proposed to capture the light of a solar cell, and the incident light can be resonantly flowed to the Si substrate to sufficiently prevent reflection.

높은 색순도를 고려할 때, 반사형 감산 컬러 필터(reflective subtractive color filter)는 높은 이탈-공명(off-resonance) 반사 효율과 함께 좁고, 제로에 가까운 공진 딥(near-zero resonant dip)을 제공할 수 있다.Considering the high color purity, a reflective subtractive color filter can provide a narrow, near-zero resonant dip with high off-resonance reflection efficiency .

본 발명의 일 실시 예에서는 Si 기판 상에 형성된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 이용하여 향상된 색순도 및 견고성을 갖는 고효율의 시안색, 마젠타색 및 노란색(cyan, magenta, and yellow: 이라 본 발명의 명세서에서는 CMY로 정의된다.)의 3색 감산 컬러 필터가 제공될 수 있다.In an embodiment of the present invention, a Si-Al hybrid nano disk surface formed on a Si substrate is used to produce cyan, magenta, and yellow high-efficiency cyan, magenta, and yellow having improved color purity and robustness. Quot; CMY " in the specification) may be provided.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메타표면을 구성하는 각 하이브리드 나노디스크 구성요소는 Mie 산란에 의해 유도되는 자기 쌍극자(magnetic dipole) 기반 공진 모드를 지원하는 중심 역할을 하게 된다. 여기된 자기 쌍극자 (magnetic dipole) 모드는 Si 나노디스크에 의해 효율적으로 제한되고, 상단의 Si 나노디스크 상단에 형성된 Al 나노디스크에 의해 촉진된다. According to one embodiment of the present invention, each hybrid nano disk component constituting the meta surface plays a central role in supporting a magnetic dipole-based resonance mode induced by Mie scattering. The excited magnetic dipole mode is efficiently limited by the Si nanodisk and facilitated by the Al nanodisk formed on top of the top Si nanodisk.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 향상된 색순도를 갖는 3색 컬러 필터를 이용하여 높은 이탈-공명 반사 효율 및 적절한 대역폭을 제공하는 제로에 가까운 공진 반사 딥(near-zero reflection dip)을 얻을 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a nearly zero near-zero reflection dip that provides a high deviation-resonance reflection efficiency and adequate bandwidth can be obtained using a three-color filter with improved color purity.

본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 공진 딥의 경우, 위치는 특히 나노디스크 직경을 조정하여 가시광 대역 전체에 걸쳐 조정이 가능하며, 근본적인 메커니즘은 Si-Al 하이브리드 나노디스크 구성요소와 관련되는 전기장 및 자기장 프로파일을 검사하여 입증될 수 있다.In the case of a reflective resonant dip according to an embodiment of the present invention, the position can be adjusted over the entire visible light band, in particular by adjusting the diameter of the nano disc, and the underlying mechanism is the electric field and magnetic field associated with the Si- Can be verified by examining the profile.

도 1 은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a structure of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to a first embodiment of the present invention.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예인 Si 나노디스크 상부에 Al 나노디스크가 형성된 Si-Al 하이브리드형 나노디스크를 포함하는 사각형 격자의 나노디스크 메타표면을 이용하여, Si 기판 상에 형성된 감산 3색 CMY 컬러 필터를 나타낸다.FIG. 1 is a schematic diagram of a nano-disc meta-surface of a square lattice including an Si-Al hybrid type nano disc on which an Al nano disc is formed on a Si nano disc according to an embodiment of the present invention. Filter.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 Si 기판(10) 위에 형성된 나노디스크가 제1주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열되는 나노디스크 패턴을 포함하며, 상기 나노디스크는 제2 높이(H₂)로 형성되는 Si 나노디스크층 및 제1 높이(H₁)로 형성되는 Al 나노디스크층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The Si-Al meta surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention includes a nanodisc pattern in which nanodiscs formed on a Si substrate 10 are arranged in a rectangular lattice pattern with a first period interval, The nano disk is comprised of a Si nano disk layer formed at a second height H ₂ and an Al nano disk layer formed at a first height H ₁ .

또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터(1)는 Si 기판(10) 위에 형성된 제1 직경(d₁)의 제1 나노디스크가 제1주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(110), 제2 직경(d₂)의 제2 나노디스크가 제2주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(120), 제3 직경(d₃)의 제3 나노디스크가 제3주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(130)을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 나노디스크는 상기 Si 기판(10)의 상부에 제2 높이(H₂)로 형성되는 Si 나노디스크층(12, 22, 32)과 상기 Si 나노디스크층(12, 22, 32) 상부에 제1 높이(H₁)로 형성되는 Al 나노디스크층(11, 21, 31)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter 1 according to the first embodiment of the present invention is characterized in that the first nano disk of the first diameter d ₁ formed on the Si substrate 10 is the first A first nano disk pattern 110 having a periodic interval and arranged in a lattice form of a quadrangle and a second nano disk having a second diameter d ₂ having a second periodic interval and arranged in a lattice form of a quadrangle, The third nano disk having the third diameter d ₃ has a third periodic interval and is arranged in a lattice form of a quadrangle, The disk has Si nano disc layers 12, 22 and 32 formed at a second height H ₂ on the Si substrate 10 and a second height H _{2 on} the Si nano disc layers 12, And an Al nano disc layer 11, 21, 31 formed of a _first layer H ₁ .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 직경(d₁), 제2 직경(d₂) 및 제3 직경(d₃)은 각각 다른 색상의 반사 공명 딥을 생성하기 위하여 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the first diameter (d ₁ ), the second diameter (d ₂ ) and the third diameter (d ₃ ) .

본 발명의 제1 실시 형태의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 직경(d₂)은 상기 제1 직경(d₁)보다 작으며, 상기 제3 직경(d₃)은 상기 제2 직경(d₂)보다 작은 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the first aspect of the present invention the second diameter d ₂ is smaller than the first diameter d ₁ and the third diameter d ₃ is less than the second diameter d 2 ₂ ).

또한, 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H₂) 및 상기 Al 나노디스크층의 제1 높이(H₁)는 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.Furthermore, the first height (H ₁₎ of the Si second height of the nano-layer disc (H ₂₎ and the Al nano-layer disc is characterized in that it has a different size respectively.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H₂)는 상기 Al 나노디스크층의 제1 높이(H₁ )보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the second height (H ₂ ) of the Si nanodisk layer is larger than the first height (H ₁ ) of the Al nanodisk layer.

본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터(1)의 주기간격(P)은 x 및 y 방향을 따라 동일하게 형성된다.The periodic interval P of the subtractive color filter 1 based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the preferred embodiment of the first embodiment of the present invention is formed uniformly along the x and y directions.

도 1을 참조하면, 상기 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터(1)는 시안색의 반사광을 표현하는 제1 나노디스크 패턴(110), 마젠타색의 반사광을 표현하는 제2 나노디스크 패턴(120) 및 노란색의 반사광을 표현하는 제3 나노디스크 패턴(130)이 나란하게 배열된 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1, the subtractive three-color filter 1 based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention includes a first nano disk pattern 110 representing cyan reflected light, A second nano disk pattern 120 representing magenta reflected light, and a third nano disk pattern 130 representing yellow reflected light are arranged in parallel.

수직 입사광(100)의 편광은 x 방향에 대한 전기장(E)의 각도 φ로 표시된다. Si-Al 하이브리드 나노디스크로 구성된 메타표면은 강한 파장 선택 공진의 결과인 반사 공진 딥(reflection dip)을 나타낸다.The polarization of the normal incident light 100 is represented by the angle? Of the electric field E with respect to the x direction. The meta-surface consisting of Si-Al hybrid nano-discs represents a reflection dip that is the result of strong wavelength selection resonance.

본 발명의 제1 실시 형태에서의 반사 공진 딥은 나노디스크 직경을 적절하게 조정하여 3 개의 대표적인 감산 CMY 색상을 생성할 수 있다. The reflection resonance dip in the first embodiment of the present invention can produce three representative subtractive CMY hues by appropriately adjusting the diameter of the nano disc.

본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따라 제조된 CMY 컬러 필터의 경우, P = 240(±5%)nm이고, Al 및 Si 나노디스크의 높이는 각각 H₁ = 50(±5%)nm 및 H₂ = 180(±5%)nm로 형성된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 각 제원은 ±5%의 제조상의 오차를 가진다.In the case of the CMY color filter manufactured according to the preferred embodiment of the first embodiment of the present invention, P = 240 (± 5%) nm and the heights of Al and Si nano discs are H ₁ = 50 And H ₂ = 180 (± 5%) nm. Each of the specifications of the subtractive 3-color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to one embodiment of the present invention has a manufacturing error of ± 5%.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 제조방법은 Al 나노디스크 패턴이 Si 나노디스크에 대한 하드 에칭 마스크로 사용되어 마지막 단계에서 제거할 필요가 없기 때문에, 더 적은 수의 제조 공정에 의하여 제조될 수 있다.The manufacturing method of the subtractive three-color filter based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention is characterized in that the Al nano disk pattern is used as a hard etching mask for the Si nano disk, There can be produced by a smaller number of manufacturing processes.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.FIG. 2 is a SEM image of a top surface of a subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the first embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 여기서 d₁=140(±5%)nm, d₂=115(±5%)nm 및 d₃= 92(±5%)nm의 직경에 해당하는 제1 내지 제3 나노디스크들로 형성된 제1 나노디스크 패턴(110) 내지 제3 나노디스크 패턴(130)의 세 가지 유형이 좌에서 우로 제시된다.2, where _{d 1 = 140 (± 5%} ) nm, d 2 = 115 (± 5%) nm and _{d 3 = 92 (± 5%} ) of the first to third nm corresponding to the nm diameter Three types of the first to nano disc patterns 110 to 130 formed from the discs are presented from left to right.

도 2의 SEM 이미지에서 Inset은 필터로 생성된 30㎛ x 30㎛의 크기를 갖는 개별 광학 현미경 이미지를 나타낸다.In the SEM image of Fig. 2, Inset represents an individual optical microscope image having a size of 30 mu m x 30 mu m produced by a filter.

도 2를 참조하면, d₃ = 92nm의 제3 나노디스크가 240nm 주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(110)에서는 노란색(yellow)의 반사 출력광(53)이 나타난다.Referring to FIG. 2, in the third nano disk pattern 110 in which the third nanodiscs of d ₃ = 92 nm have a periodicity of 240 nm and are arranged in a lattice form of a quadrangle, yellow reflected output light 53 appears .

또한, d₂ = 115(±5%)nm의 제2 나노디스크가 240nm 주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(120)에서는 마젠타색(magenta)의 반사 출력광(52)이 나타난다.In the second nano disc pattern 120 in which the second nanodiscs having d ₂ = 115 (± 5%) nm have periodic intervals of 240 nm and are arranged in a lattice form of a square, reflection output light 52 of magenta (magenta) ) Appears.

d₁= 140(±5%)nm의 제1 나노디스크가 240nm 주기간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(110)에서는 시안색(cyan)의 반사 출력광(51)이 나타난다.In the first nano disk pattern 110 in which the first nanodiscs of d ₁ = 140 (± 5%) nm have periodic intervals of 240 nm and are arranged in a rectangular lattice pattern, the cyan cyan reflection output light 51 appear.

도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 3 is a graph showing a reflection spectrum response for vertical incident light in a subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the first embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 계산된 결과와 측정된 결과 사이의 높은 상관 관계가 얻어졌다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태 중 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터는 제로에 가까운 반사 공진 딥을 나타내는 것으로 분석되며, 입사광을 이탈-공명(off-resonance) 영역에 효율적으로 반사하여 색순도 향상에 바람직하게 기여하는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 3, a high correlation is obtained between the calculated and measured results. Referring to FIG. 3, a subtractive tri-color filter based on a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to a preferred embodiment of the first embodiment of the present invention is analyzed to exhibit a reflection resonance dip close to zero, - It is analyzed that it efficiently reflects to the off-resonance region and contributes favorably to the improvement of color purity.

또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 컬러 필터는 광학적으로 두꺼운 Si 기판(10)을 포함하기 때문에 어떠한 투과도 허용하지 않으며, 거의 완벽한 흡수체로 작용할 수 있다.In addition, the subtractive tri-color filter based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention does not allow any transmission because it includes an optically thick Si substrate 10, .

도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.FIG. 4 is a contour diagram of a reflection spectrum according to the diameter of a nano disk in the structure of the surface of a Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 Si 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a contour diagram of a reflection spectrum according to a diameter of a nano disc in a structure of a Si nano disc meta-surface according to another embodiment of the present invention.

도 4는 각 나노디스크의 주기간격을 100nm로 고정한 상태에서 높이 H₂ = 180(±5%)nm로 형성된 Si 나노디스크층, Si 나노디스크층 상부에 높이 H₁ = 50(±5%)nm로 형성된 Al 나노디스크층으로 이루어진 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the height H ₁ = 50 (± 5%) nm on the upper surface of the Si nano disk layer and the Si nano disk layer formed with the height H ₂ = 180 (± 5% FIG. 2B is a plan view showing a reflection spectrum of a Si-Al hybrid nano disk according to the present invention.

도 5는 도 4의 구조에서 나노디스크 전체를 Si 나노디스크로 형성한 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.FIG. 5 shows a contour diagram of a reflection spectrum according to a diameter change of the nano disk in the structure of FIG. 4 in which the entire nano disk is formed of a Si nano disk.

도 4 및 5를 참조하면, 두 실시 예에서는 모두 흰색 점선으로 표시된 반사 공진 딥의 위치가 직경이 d= 70nm에서 170nm로 증가함에 따라 선형적으로 장파장 대역으로 이동하는 것으로 나타난다.Referring to FIGS. 4 and 5, in both embodiments it appears that the position of the reflective resonant dip, shown in white dashed lines, shifts linearly to the long wavelength band as the diameter increases from d = 70 nm to 170 nm.

도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조와 도 5의 Si 나노디스크 메타표면의 구조를 비교하면, 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서의 반사스펙트럼은 도 5의 Si 나노디스크 메타 표면의 구조에 비하여, 이탈-공명(off-resonance)에서의 넓은 반사 공진 딥의 주파수 이동범위를 가지는 것을 알 수 있다.4, the reflection spectrum in the structure of the Si-Al hybrid nano-disk meta surface of FIG. 4 is similar to that of the Si Compared with the structure of the nano disk meta surface, it can be seen that it has a frequency shift range of wide reflection resonance dip in off-resonance.

또한, 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조는 도 5의 Si 나노디스크 메타표면의 구조에 비하여 높은 반사와 함께 좁고, 제로에 가까운 반사 공진 딥(near-zero reflection dip)을 가지는 것으로 분석된다.In addition, the structure of the Si-Al hybrid nano disk meta surface of FIG. 4 is narrower and has a near-zero reflection dip near zero as compared with the structure of the Si nano disk meta surface of FIG. 5 Is analyzed.

따라서 도 4의 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조는 나노디스크의 직경에 의해 스펙트럼 조율은 풀 컬러 생성으로 변환 될 수 있는 효과를 가진다.Therefore, the structure of the Si-Al hybrid nano disk meta surface of FIG. 4 has an effect that the spectrum tuning can be converted into full color generation by the diameter of the nano disk.

도 4에서 도시된 바와 같이, 100nm의 일정한 갭에 대해 공진 파장과 나노디스크 직경 사이에 선형 관계가 확인될 수 있다.As shown in Fig. 4, a linear relationship between resonance wavelength and nanodisk diameter can be confirmed for a constant gap of 100 nm.

도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.6 is a graph showing a response of a reflection spectrum according to a diameter change of a nano disk in the structure of a Si-Al hybrid nano disk metal surface according to the first embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 주기 간격은 240nm로 고정된 상태에서 직경이 78nm에서 162nm까지 변화될 때 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 필터의 계산된 반사스펙트럼(좌) 및 실제 측정된 반사스펙트럼(우)을 나타낸다.Referring to FIG. 6, the periodic interval is the calculated reflection spectrum (left) and the actual measured reflection spectrum (left) of the filter manufactured according to an embodiment of the present invention when the diameter is changed from 78 nm to 162 nm Right).

도 6에서 빨간색 점선은 반사 공진 딥의 위치를 추적하여 표시한 것이다.In Fig. 6, the red dotted line indicates the location of the reflection resonance dip.

도 6을 참조하면, 주기 간격이 240nm로 고정된 상태에서 직경이 d= 78에서 162nm까지 변화될 때, 빨간색 점선으로 그려진 반사 공진 딥은 λ = 453nm에서 648nm로 이동하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that when the diameter is changed from d = 78 to 162 nm in a state where the periodic interval is fixed at 240 nm, the reflection resonance dip drawn with a red dotted line shifts from? = 453 nm to 648 nm.

따라서 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경을 조정하여 가시 광 대역에서 공진 파장을 제어할 수 있다. Therefore, the Si-Al hybrid nano disk surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention can control the resonant wavelength in the visible light band by adjusting the diameter of the Si-Al hybrid nano disk.

도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.FIG. 7 shows the color coordinates corresponding to the spectrum according to the diameter change of the nano disk in the structure of the surface of the Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, CIE(standard International Commission on Illumination) 1931 색도 다이어그램의 색 좌표 그래프와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 나노디스크 직경의 조정을 통해 생생한 전체 색상의 팔레트가 얻어질 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, as shown in the chromaticity coordinate graph of the CIE standard 1931 chromaticity diagram, the Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter according to an embodiment of the present invention has a nano disc diameter It can be seen that a palette of vivid full colors can be obtained through adjustment.

도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 반사스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.8 is a graph showing a response of a reflection spectrum according to a change in period interval in the structure of a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention.

도 8은 Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경은 120nm로 고정된 상태에서 주기간격이 240nm ~ 300nm 범위로 변화에 대한 반사스펙트럼이며, 빨간색 점선은 반사 점의 위치를 나타낸다.8 is a reflection spectrum for a periodic interval ranging from 240 nm to 300 nm in a state where the diameter of the Si-Al hybrid nano disk is fixed at 120 nm, and a red dotted line indicates the position of the reflection point.

도 8을 참조하면, 빨간색 점선으로 표시된 반사 공진 딥은 주기 간격의 증가와 함께 약간 장파장 대역으로 이동한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the reflection resonance dip indicated by a red dotted line moves to a slightly longer wavelength band with an increase in the periodic interval.

도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면의 구조에서 주기 간격의 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.FIG. 9 shows color coordinates corresponding to a spectrum according to a change in period interval in the structure of the surface of a Si-Al hybrid nano disk according to the first embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 도 7에서 나노디스크 직경이 조정되는 경우와는 달리, 색이 주기 간격에 대해 거의 안정적인 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the color is almost stable with respect to the periodic interval, unlike the case where the diameter of the nano disc is adjusted in FIG.

도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서 입사 편광에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 10 is a graph showing a reflection spectrum of incident polarized light in a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to the first embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, φ= 0˚, 45˚ 및 90˚의 서로 다른 편광 방향에 대해 반사스펙트럼은 각각 λ= 490nm, 546nm 및 600nm에 위치하는 반사 공진 딥과 함께 등가의 반사스펙트럼을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 10, the reflection spectra for different polarization directions of φ = 0 °, 45 ° and 90 ° can be obtained with reflection spectra corresponding to the reflection resonance dips located at λ = 490 nm, 546 nm and 600 nm, respectively .

도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.FIG. 11 is a contour diagram of reflection spectra for different incident angles of a magenta color filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to a first embodiment of the present invention.

도 11에서 마젠타색 필터의 입사각에 따른 등고선도에서 공진 딥은 흰 점선으로 표시된다.In Fig. 11, the resonance dip in the contour diagram according to the incident angle of the magenta filter is indicated by a white dotted line.

마젠타색 필터와 연관된 스펙트럼의 등고선도는 도 11에 도시된 바와 같이 입사각에 따라 표시된다.The contour map of the spectra associated with the magenta filter is displayed according to the angle of incidence as shown in Fig.

도 11을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 26°까지의 서로 다른 입사각 범위에 대해, 흰색 점선으로 표시된 것과 같이 공진 위치가 거의 변하지 않으며, 제로에 가까운 반사를 유도하는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 11, for different incident angle ranges up to 26 degrees in the Si-Al hybrid nano-disk meta-surface based structure according to the first embodiment of the present invention, the resonance position is hardly changed as indicated by the white dotted line, It is analyzed to induce near-zero reflection.

또한, 도 11로부터 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 26°까지의 입사각 범위에 대해 편광 비의존성 및 안정된 광학 성능을 제공할 수 있음을 알 수 있다.11 shows that the Si-Al hybrid nano-disk meta-surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention can provide polarization independence and stable optical performance over a range of incident angles up to 26 degrees. .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 제1 실시 형태에서 나노디스크 직경과 주기 간격의 특성을 이용하여 다양한 풀 컬러 팔레트(full-color palette)를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, various full-color palettes can be implemented using the characteristics of the nanodisk diameter and the periodic interval in the first embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사 색상을 현미경 이미지로 도시한 것이다..FIG. 12 is a microscopic image of a reflection color of a Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter manufactured according to the first embodiment of the present invention and a subtractive color filter based on a Si nano disk meta surface.

도 12를 참조하면, 각 필터는 30㎛ x 30㎛의 크기를 갖는다. Referring to Fig. 12, each filter has a size of 30 mu m x 30 mu m.

최상위 Al 나노디스크를 제거한 후에 찍은 반사스펙트럼의 컬러 이미지를 대비하면, Si-Al 하이브리드 나노디스크를 기반으로 한 컬러 팔레트에서 색순도 및 밝기, 시각적 대비 및 색영역 등의 향상된 성능이 확인된다.By contrasting the color images of the reflection spectra taken after removing the top Al nanodisk, improved performance such as color purity and brightness, visual contrast and color gamut in a color palette based on Si-Al hybrid nanodiscs is observed.

노란색에서부터 녹색에 이르는 연속색은 일정한 주기 간격에서 나노디스크 직경을 d= 70nm에서 170nm로 증가시킴으로써 생성될 수 있다.The continuous color from yellow to green can be generated by increasing the diameter of the nano disc at a constant periodic interval from d = 70 nm to 170 nm.

Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 직경이 고정된 경우, 결과적인 색상이 주기 간격의 변동에 심하게 영향을 받지 않는다는 것으로 분석된다.It is analyzed that when the diameter of the subtractive color filter based on the Si nanodisk meta surface is fixed, the resulting color is not significantly affected by the variation of the period interval.

도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 13 is a graph showing a reflection spectrum of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface prepared according to the first embodiment of the present invention.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시 형태인 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.14 is a graph showing a reflection spectrum of a subtractive color filter based on a Si nano disc meta surface without an Al nanodisk layer according to another embodiment of the present invention.

Si-Al 하이브리드 나노디스크에 속한 최상위 Al 나노디스크층에 대해 생성된 색의 의존성을 조사하기 위해, 도 14에 도시된 바와 같이, 반사스펙트럼은 P= 240nm의 일정한 주기 간격 동안 직경에 대해 분석되었다.In order to investigate the dependence of the color produced on the top Al nanodisk layer in the Si-Al hybrid nanodisk, the reflection spectrum was analyzed for diameter for a constant periodic interval of P = 240 nm, as shown in FIG.

도 13, 14를 참조하면, Al 나노디스크층이 존재하는 경우, 스펙트럼 모양이 뚜렷하게 날카롭게 되고, 이탈-공명 반사가 20%에서 40%로 거의 2배 증가한 것으로 나타난다.Referring to FIGS. 13 and 14, in the presence of an Al nanodisk layer, the spectral shape is clearly sharpened and the deviation-resonance reflection increases nearly 20% to 40%.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 최상위 Al 나노디스크층에 의해 색순도와 밝기가 향상될 수 있음이 입증될 수 있다. Therefore, it can be proved that the color purity and brightness can be improved by the highest Al nano disk layer in the subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Si 기판 상에 형성된 Si 나노디스크의 어레이에 대해, 이탈-공명 반사는 Si의 상대적으로 낮은 반사율에 의해 결정될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, for an array of Si nano-disks formed on a Si substrate, the deviation-resonance reflection can be determined by the relatively low reflectance of Si.

50nm 두께의 금속 Al 필름이 Si의 2배 이상의 반사율을 보이는 것을 고려하면, Si-Al 하이브리드 나노디스크를 기반으로 하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에 있어서, 이탈-공명 반사의 약 2배 증가는 Al 나노디스크층의 존재로 인해 실질적으로 향상된 반사율 때문인 것으로 분석된다.Considering that a metal Al film having a thickness of 50 nm has a reflectance of 2 times or more of that of Si, the Si-Al hybrid nano-disc meta surface-based subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano- , It is analyzed that about two-fold increase in the deviation-resonance reflection is due to the substantially improved reflectivity due to the presence of the Al nanodisk layer.

또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는, Si-Al 하이브리드 나노디스크의 직경이 d= 78(±5%) nm에서 162nm까지 변화할 때, 반사 공진 딥은 넓은 스펙트럼 범위인 λ= 453(±5%) nm에서 648(±5%)nm까지 쉽게 조정되어 넓은 색 내구성을 갖는 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.Further, the subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the first embodiment of the present invention is characterized in that when the diameter of the Si-Al hybrid nano disk changes from d = 78 (± 5%) nm to 162 nm , And the reflection resonance dip can be easily adjusted from λ = 453 (± 5%) nm to 648 (± 5%) nm, which is a broad spectrum range, and has characteristics of wide color durability.

다음은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 파장 선택성 반사 공진 딥을 위한 메커니즘이 설명된다.The following describes a mechanism for wavelength selective reflection resonant dipping of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 높은 굴절률의 나노스캐터(nanoscatterer) 역할을 하는 대역에서 자기 쌍극자(magnetic dipole)와 전기 쌍극자(electrical dipole) 공진을 모두 여기시킬 수 있다. The Si-Al hybrid nano-disk meta-surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention has a magnetic dipole and an electrical dipole resonance in a band that serves as a nanoscatterer with a high refractive index. Can be excited.

자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진은 Si 나노디스크층 내부에서 발생하고 Si 나노디스크층 직경 근방의 파장에서 발생하는 전기 변위 전류 루프(electric displacement current loop)와 관련이 있다. 유전체 메타표면의 전자기 특성은 공진 파장이 주로 나노디스크 직경에 의존한다는 점에 반영하여 Si 나노디스크층과 같은 산란 성분의 구조적 매개 변수에 의해 결정된다.Magnetic dipole resonance is related to the electric displacement current loop that occurs inside the Si nanodisk layer and occurs at the wavelength near the Si nanodisk layer diameter. The electromagnetic properties of the dielectric meta surface are determined by the structural parameters of the scattering component such as the Si nanodisk layer, reflecting the fact that the resonant wavelength is mainly dependent on the nanodisk diameter.

Si 기판 상의 Si 나노디스크 기반의 유전체 메타표면과 함께, 나노디스크 공진기에 저장된 빛을 높은 굴절률의 기판에 결합하는 것이 바람직하며, 이는 반사도가 크게 감소한 결과이다.It is desirable to combine the light stored in the nanodisk resonator with a substrate of high index of refraction, together with a Si nanodisk-based dielectric meta surface on a Si substrate, which is a result of a significant reduction in reflectivity.

자기 쌍극자(magnetic dipole)와 전기 쌍극자(electrical dipole) 공진 모드에 대한 스펙트럼 대역은 결국 하나의 광대역을 형성하기 위해 병합된다.The spectral bands for the magnetic dipole and electrical dipole resonance modes are eventually merged to form a single broadband.

도 15는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에서 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼의 특성을 Si 나노디스크 메타표면 구조 및 Si 기판과 비교한 그래프이다.15 is a graph showing a characteristic of a reflection spectrum for a magenta filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to the first embodiment of the present invention compared with a Si nano disk meta surface structure and a Si substrate.

도 15는 Si-Al 하이브리드 나노디스크 및 기본 Si 기판과 d=100nm의 Si-나노디스크 직경을 가진 구조들을 비교한 결과이다. 동일한 직경을 가진 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면이 결합된 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터의 경우, Si 나노디스크 메타표면의 경우와 유사한 공명 파장에서 반사가 약해지며, 지원된 공진이 두 경우에 대해 기본적으로 동일함을 나타낸다.FIG. 15 shows the results of a comparison between structures having a Si-Al hybrid nano disk and a Si substrate and a Si-nano disk diameter of d = 100 nm. In the case of a filter according to an embodiment of the present invention in which Si-Al hybrid nano disk meta surfaces having the same diameter are combined, the reflection becomes weak at a resonance wavelength similar to that of a Si nano disk meta surface, Is basically the same for the "

도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Al 나노디스크층이 없는 Si 나노디스크형 구조의 비교를 위한 필드 프로파일을 도시한 것이다.16 illustrates a field profile for comparison of a Si-Al hybrid nano disk meta-surface-based structure and a Si nano-disk-type structure without an Al nanodisk layer according to the first embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 공진에서 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조에 대한 D-필드 세기 프로파일 (|D|²) 및 대응 벡터 플롯, H- 필드 세기 프로파일 (|H|²) 정렬을 Si-나노디스크형 구조의 경우와 비교한 것이다.16, the D-field intensity profile (| D | ² ) and the corresponding vector plot, the H-field intensity profile (| D | ² ) for the Si-Al hybrid nano disc meta surface structure according to the first embodiment of the present invention at resonance (| H | ² ) alignment is compared with that of the Si-nano disc structure.

도 16을 참조하면, 원형 D 필드 루프 세트가 생성되며, 두 경우 모두 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드의 아래에 놓이게 된다.Referring to FIG. 16, a circular D-field loop set is created, both of which are under a magnetic dipole resonance mode.

도 16은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반 구조와 Si 나노디스크 구조의 경우와 비교하기 위하여, x축 (φ= 0°)을 따라 정렬된 입사 E-전계를 사용하여 전기 플럭스 변위 D-전계 필드(electric flux displacement D-field) 및 자계 H-필드(magnetic H-field)의 세기 프로파일을 모니터링한 것이다.FIG. 16 is a graph showing the relationship between an incident E-field (x-axis) aligned along the x-axis (? = 0 °) To monitor the intensity profile of the electric flux displacement D-field and the magnetic H-field.

도 16을 참조하면, 두 가지 경우에 대해 유사한 필드 프로파일이 나타났으며, Si 나노디스크 구조의 상단의 Al 나노디스크가 Si 나노디스크 기반 유전체 메타표면에 의해 지지되는 원래의 공진모드에 거의 영향을 미치지 않는다고 분석된다.Referring to FIG. 16, a similar field profile was shown for both cases, and the Al nanodisk at the top of the Si nanodisk structure had little effect on the original resonant mode supported by the Si nanodisk-based dielectric meta surface .

도 16을 참조하면, 관측을 통해, D-전계 세기 프로파일(|D|²) 및 해당 벡터 플롯이 H-자계 세기 프로파일(|H|²)로부터 암시된 면외(out-of-plane) 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진을 나타내는 원형 루프를 형성하는 것으로 분석된다.16, through the observation, D- electric field intensity profile (| D | ²⁾ and the vector plot H- magnetic field intensity profile (| H | ²⁾ an out-of-plane (out-of-plane) magnetic dipole implied from it is analyzed to form a circular loop representing magnetic dipole resonance.

전기 쌍극자(electrical dipole) 공진은 단독 Si 나노디스크와 달리 고굴절률 Si 기판의 경우에는 보이지 않으며, 이는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 작동이 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진에 의해 주로 지배되는 것으로 분석된다.Electrical dipole resonance, unlike a single Si nanodisk, is not visible in the case of a high refractive index Si substrate, which is why the operation of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention It is mainly analyzed by magnetic dipole resonance.

Si 나노디스크 구조 형태의 경우, 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드는 약하게 갇히게 되어, 고굴절률 Si 기판과 비교적 큰 겹침을 나타낸다. 따라서, 도 15에서 나타난 된 바와 같이 넓은 스펙트럼 대역이 얻어질 수 있다.In the case of the Si nanodisk structure, the magnetic dipole resonance mode is weakly confined and exhibits a relatively large overlap with the high refractive index Si substrate. Thus, a broad spectral band as shown in Fig. 15 can be obtained.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터와 관련된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면에 대해, 맨 위의 Al 나노디스크는 Si 나노디스크 내의 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드의 감금을 강화시키는 역할을 하며, 여기된 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진 모드는 기판으로부터 상방으로 떨어지게 한다. For a Si-Al hybrid nano disk meta surface associated with a Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention, the top Al nanodisk is a magnetic dipole in a Si nanodisk dipole resonance mode, and the excited magnetic dipole resonance mode causes the substrate to move upward from the substrate.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 모드 감금이 강할수록 스펙트럼 대역폭이 좁아지게 되며, 맨 위의 Al 나노디스크를 포함함으로써, 원하는 대로 매우 좁은 반사 밴드를 제공할 수 있다. In the Si-Al hybrid nano disk surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention, as the mode confinement increases, the spectral bandwidth becomes narrower. By including the top Al nano disk, a very narrow reflection Band can be provided.

도 17은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 Al 나노디스크의 높이에 따른 반사스펙트럼의 등고선 도를 도시한 것이다.17 is a contour diagram of a reflection spectrum according to height of an Al nano disc of a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disc meta surface according to the first embodiment of the present invention.

도 17에서 Al 나노디스크의 높이 H₁ = 10nm 내지 100nm의 범위이다.In FIG. 17, the height H ₁ of the Al nano disk is in the range of 10 nm to 100 nm.

도 17은 Al 나노디스크층의 높이(H₁)가 반사스펙트럼에 미치는 영향을 나타내며, 청색으로 표시된 공명에서의 반사 공진 딥은 10nm에서 100nm까지 변화하는 높이 H₁에 관계없이 안정하게 유지된다. FIG. 17 shows the influence of the height (H ₁ ) of the Al nanodisk layer on the reflection spectrum, and the reflection resonance dip in the resonance indicated in blue is stably maintained regardless of the height H ₁ varying from 10 nm to 100 nm.

플라즈몬 메타 표면의 경우와는 달리, 금속 격자의 두께에 대한 높은 민감성을 지니고 있다.Unlike the case of the plasmonmetal surface, it has a high sensitivity to the thickness of the metal lattice.

높이 변화에 독립적인 공진은 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 활용한 필터의 작동에서, Si 나노디스크에 의해 수용되는 Mie 산란에 유도된 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진으로 인한 것으로 분석된다.The resonance independent of the height variation is analyzed to be due to magnetic dipole resonance induced in the Mie scattering received by the Si nanodisk in the operation of the filter utilizing the Si-Al hybrid nano disk meta surface.

본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 향상된 색순도 및 견고성을 가능하게 하는 매우 효율적인 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터가 제공된다.According to a first embodiment of the present invention, a highly efficient Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive three-color CMY color filter is provided that enables enhanced color purity and robustness.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터는 Si 기판 상에 형성된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면을 포함한다.The subtractive three-color CMY color filter based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the first embodiment of the present invention includes a Si-Al hybrid nano disk meta surface formed on a Si substrate.

본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 제로에 가까운 딥(near-zero dip)의 원인이 되는 강하게 억제된 반사는 주로 하이브리드 나노디스크 성분에 의해 지지되는 자기 쌍극자(magnetic dipole) 공진에 기인한 것으로 분석된다.According to a first embodiment of the present invention, strongly restrained reflections, which cause a near-zero dip, are mainly due to magnetic dipole resonance supported by the hybrid nano disk component do.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터의 제조방법은 다음과 같다.A method of manufacturing a subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to the first embodiment of the present invention is as follows.

ZEP520A 포지티브 전자빔 레지스트를 사용하여 전자빔 리소그래피(EBL) 시스템(RAITH 150)을 사용하여 홀의 정사각형 격자가 초기에 단일 결정 Si 웨이퍼 상에 레지스트가 패터닝 된다. The square grating of the hole is initially patterned with a resist on a single crystal Si wafer using an electron beam lithography (EBL) system (RAITH 150) using a ZEP520A positive electron beam resist.

상기 레지스트 패턴닝 단계에서는 Si 웨이퍼 상에 미리 설정된 주기 간격에 맞추어 배열되는 나노디스크 패턴이 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 레지스트를 패터닝하여 레지스트 패턴이 형성된다.In the resist patterning step, a resist pattern is formed by patterning a resist on a remaining portion of the Si wafer except a portion where a nanodisk pattern to be formed is arranged at predetermined intervals.

본 발명의 일 실시 예에 따른 감산 컬러 필터는 30㎛ × 30㎛의 면적으로 패터닝되어 제조된다.A subtractive color filter according to an embodiment of the present invention is fabricated by patterning in an area of 30 mu m x 30 mu m.

다음은 60nm 두께의 Al층이 전자빔 증발기(Temescal BJD-2000 E-beam Evaporator system)에 의한 증착 공정으로 증착된다.Next, a 60 nm thick Al layer is deposited by a deposition process with an electron beam evaporator (Temescal BJD-2000 E-beam Evaporator system).

ZEP 제거제(ZDMAC)를 이용한 리프트 오프 공정을 수행하여 원형의 Al 나노디스크 패턴을 형성시킨다.A lift-off process using a ZEP remover (ZDMAC) is performed to form a circular Al nano disk pattern.

다음은 상기 Al 나노디스크 패턴을 마스크로 활용하여 Si 웨이퍼를 플라즈마 에칭기(Oxford의 ICP-RIE Plamalab100)에서 CHF₃ 및 SF₆ 가스의 혼합물을 사용하여 건식 에칭하는 공정에 의하여 설정된 높이의 Si 나노디스크 패턴을 형성시킨다.Next, a Si nano disk (hereinafter, referred to as " Si nano disk ") having a height set by a process of dry-etching a Si wafer using a mixture of CHF ₃ and SF ₆ gases in a plasma etching apparatus (ICP-RIE Plamalab 100 of Oxford) Thereby forming a pattern.

바람직한 실시 예에서는 상기 에칭 공정에서 상기 Al층이 5 ~10nm 만큼 침식되므로 에칭 공정을 통하여 상기 Al 나노디스크 패턴의 높이를 50(±5%)nm로 형성시키고, 상기 Si 나노디스크 패턴의 높이를 180(±5%)nm로 형성시킨다.In a preferred embodiment, since the Al layer is etched by 5 to 10 nm in the etching process, the height of the Al nano disk pattern is formed to be 50 (± 5%) nm through an etching process, and the height of the Si nano disk pattern is 180 (+/- 5%) nm.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는, 최상부에 형성된 Al 나노디스크로 인해 색순도는 높은 이탈-공명 반사와 함께 공진 파장에서 제로에 가까운 공진 딥의 결과로 크게 향상될 수 있는 효과를 가진다.The Si-Al hybrid nano disk surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention is characterized in that the Al nano disc formed at the uppermost portion of the Si-Al hybrid nano disk has a resonance dip close to zero at the resonance wavelength, As a result, the effect can be greatly improved.

또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터에서는 특정 색상에 해당하는 공진 딥에 대해 하이브리드 나노디스크 직경을 조정함으로써 가시 대역 전체에 걸쳐 조정될 수 있다. In addition, in the Si-Al hybrid nano disk-based surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention, the hybrid nano disk diameter can be adjusted for the resonance dip corresponding to a specific color, so that it can be adjusted over the entire visible band.

또한, 본 발명의 본 발명의 제1 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 3색 CMY 컬러 필터 외에도 다양한 나노디스크 직경 및 주기를 갖는 필터 성분의 배열로 구성된 생생한 풀-컬러 팔레트가 구현될 수 있으며, 색순도, 밝기, 시각적 대비 및 색 영역 측면에서 높은 성능을 제공할 수 있다. In addition to the subtractive three-color CMY color filter based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the preferred embodiment of the present invention in the first embodiment of the present invention, a vivid A full-color palette can be implemented and can provide high performance in terms of color purity, brightness, visual contrast, and color gamut.

또한, 본 발명의 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터는 다른 고 굴절률 유전체 재료를 기반으로 하여 쉽게 만들어질 수 있어서, 고해상도 컬러 인쇄 및 홀로그램 디스플레이에 적용될 수 있다.In addition, the Si-Al hybrid nano disk meta surface-based subtractive color filter according to the first embodiment of the present invention of the present invention can be easily made on the basis of another high refractive index dielectric material, so that high resolution color printing and hologram display Can be applied.

도 18은 본 발명의 또 다른 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.18 schematically shows the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to a second embodiment of the present invention.

도 18을 참조하면, 도 18의 제2 실시 형태는 도 1의 제1 실시 형태에서 Si 기판 상부에 다공형 미러(215)를 더 포함한 것을 특징으로 한다.Referring to Fig. 18, the second embodiment of Fig. 18 is characterized in that the first embodiment of Fig. 1 further includes a porous mirror 215 on the upper portion of the Si substrate.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)는 Si 기판(20) 위에 형성된 제1 직경을 가진 나노디스크가 제1주기 간격을 가지고 사각형의 격자 형태로 배열되는 나노디스크 패턴 및 상기 Si 기판(20)에서 상기 나노디스크가 형성된 부분을 제외된 나머지 부분에 제3 두께(H₃)로 형성된 Al 다공형 미러층을 포함하되, 상기 나노디스크는 상기 Si 기판(20)의 상부에 제2 높이(H₂)로 형성되는 Si 나노디스크층(212)과 상기 Si 나노디스크층 상부에 제1 높이(H₁)로 형성되는 Al 나노디스크층으로 형성된 Al 나노디스크 미러층(211) 으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The Si-Al hybrid nano disk meta surface-based highly reflective subtractive color filter 2 according to the second embodiment of the present invention is characterized in that a nanodisk having a first diameter formed on a Si substrate 20 has a first period interval and a square And an Al pore-type mirror layer formed of a third thickness (H ₃ ) on the remaining portion of the Si substrate (20) except for the portion where the nano disk is formed, wherein the nano disk A Si nano disc layer 212 formed at a second height H ₂ on the Si substrate 20 and an Al nano disc layer formed on the Si nano disc layer at a first height H ₁ And an Al nano disc mirror layer 211 formed thereon.

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)의 일 실시 예는, Si 기판(20) 위에 형성된 제1직경(d₁)의 제1 나노디스크가 제1주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제1 나노디스크 패턴(210), 제2직경(d₂)의 제2 나노디스크가 제2 주기간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제2 나노디스크 패턴(220), 제3직경(d₃)의 제3 나노디스크가 제3주기 간격을 가지며 사각형의 격자 형태로 배열된 제3 나노디스크 패턴(230, 231) 및 상기 Si 기판(20)에서 제1 나노디스크, 제2 나노디스크 및 제3 나노디스크가 형성된 부분이 제외된 나머지 부분에 제3 두께(H₃)로 형성된 Al 다공형 미러층(215)을 포함하되, 상기 제1 내지 제3 나노디스크는 상기 Si 기판(20)의 상부에 제2 높이(H₂)로 형성되는 Si 나노디스크층(212)과 상기 Si 나노디스크층 상부에 제1 높이(H₁)로 형성되는 Al 나노디스크층(211)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.An embodiment of the high-reflection subtractive color filter 2 based on the Si-Al hybrid nano disk meta surface according to the second embodiment of the present invention is also characterized in that the first diameter d ₁ formed on the Si substrate 20 The first nano disk has a first periodic interval and is arranged in a lattice form of a quadrangle. The second nano disk of the second diameter d ₂ has a second periodic interval and has a rectangular lattice form A third nano disk pattern 220 having a third diameter d ₃ and a third nano disk pattern 230 and 231 having a third period spacing and arranged in a rectangular lattice pattern; And an Al pore-type mirror layer (215) formed on the Si substrate (20) with a third thickness (H ₃ ) in a remaining portion excluding a portion where the first nano disk, the second nano disk and the third nano disk are formed, the first to third nano discs Si is formed to the second height (H ₂₎ at an upper portion of the Si substrate 20, or Being a disc layer 212 and the Si nano-layer disc upper first height (H ₁₎ Al nano-layer disk 211 is formed of the features.

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)의 일 실시 예는, 상기 제1 나노디스크 패턴(210)과 제2 나노디스크 패턴(220)은 대각선방향으로 마주보도록 점대칭으로 배치되며, 동일한 2개의 상기 제3 나노디스크 패턴이 또 다른 대각선 방향으로 마주보도록 점대칭으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, an embodiment of the high-reflection subtractive color filter 2 based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention is characterized in that the first nano disk pattern 210 and the second nano disk pattern The second nano disk patterns 220 are arranged in point symmetry so as to face diagonally, and the same two third nano disk patterns are formed in point symmetry so as to face another diagonal direction.

본 발명의 제2형태의 일 실시 예에서는, 상기 제1 직경(d₁), 제2 직경(d₂) 및 제3직경(d₃)은 각각 다른 색상의 반사 공진 딥을 생성하기 위하여 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the second aspect of the invention, the first diameter (d ₁ ), the second diameter (d ₂ ) and the third diameter (d ₃ ) are each different .

본 발명의 제2형태의 일 실시 예에서는, 상기 제2 직경(d₂)은 상기 제1 직경(d₁)보다 작으며, 상기 제3직경(d₃)은 상기 제2직경(d₂)보다 작은 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the second aspect of the present invention the second diameter d ₂ is less than the first diameter d ₁ and the third diameter d ₃ is less than the second diameter d ₂ , .

또한, 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H₂) 및 상기 Al 나노디스크 미러층의 제1높이(H₁ )는 각각 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.Furthermore, the first height (H ₁₎ of the second height (H ₂₎ and the Al nano-disk mirror layer of the Si nano-layer disc is characterized in that it has a different size respectively.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 Si 나노디스크층의 제2 높이(H₂)는 상기 Al 나노디스크 미러층의 제1높이(H₁)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the second height H ₂ of the Si nano disc layer is formed to be larger than the first height H ₁ of the Al nano disc mirror layer.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타 표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터(2)에서, 주기간격(P)은 x 및 y 방향을 따라 동일하게 형성된다.In the high-reflection subtractive color filter 2 based on the Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to the preferred embodiment of the present invention, the period interval P is formed uniformly along the x and y directions.

도 18을 참조하면, 각각의 필터 패턴은 상부에 Al 나노디스크 미러층(211) 및 하부에 Al 다공형 미러층(215)과 통합된 결정질-Si(crystalline-silicon) 나노디스크를 포함하는 메타표면을 기반으로 하며, 이는 Si 기판(20) 상에 형성된다.18, each of the filter patterns includes a meta-surface including an Al nano-disk mirror layer 211 on the top and a crystalline-Si (nano-disk) Si disk integrated with the Al pore- , Which is formed on the Si substrate 20. [

도 18에서 수직 입사광에 대해, 편광은 x- 방향에 대해 전기장의 각도 φ에 의해 표시된다. 충돌하는 빛은 Si 메타표면과 관련하여 나노디스크에 공진적으로 결합하여, 반사스펙트럼에서 강한 파장-선택적 억제를 제공한다. 이러한 반사 공진 딥은 나노디스크 직경의 제어를 통해 가시광 대역 전체를 스캔할 수 있으므로 생생한 컬러 출력을 제공할 수 있다. For normal incident light in Fig. 18, the polarization is represented by the angle? Of the electric field with respect to the x-direction. The colliding light resonates with the nanodisk in association with the Si meta surface, providing strong wavelength-selective suppression in the reflection spectrum. Such a reflection resonance dip can scan the entire visible light band through the control of the diameter of the nano disc, thereby providing a vivid color output.

본 발명의 제2 실시 형태에서 바람직한 실시 예에 따라 제조된 고반사형 3색 CMY 컬러 필터(2)의 경우, P = 240nm이고, Al 나노디스크 미러층 및 Si 나노디스크층의 높이는 각각 H₁ = 60(±5%)nm, H₂ = 180(±5%)nm 및 Al 다공형 미러층의 제3 두께(H₃)는 10(±5%)nm로 형성되며, 각 직경 d₁=140(±5%)nm, d₂=115(±5%)nm 및 d₃ = 90(±5%)nm로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the case of the high reflection type three-color CMY color filter 2 manufactured according to the preferred embodiment of the second embodiment of the present invention, P = 240 nm, and the heights of the Al nano disk mirror layer and Si nano disk layer are H ₁ = 60 (± 5%) nm, H 2 = 180 (± 5%) nm and Al is the third thickness of the conformal mirror layer (H ₃₎ is formed of 10 (± 5%) nm, each of diameter d ₁ = 140 ( ± 5%) nm, d ₂ = 115 (± 5%) nm and d ₃ = 90 (± 5%) nm.

도 19는 본 발명의 제2실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 각 컬러 패턴의 상부면에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이다.19 shows an SEM image of the top surface of each color pattern in a high reflection subtractive color filter of a Si-Al hybrid nano disc meta surface manufactured according to a second embodiment of the present invention.

도 19를 참조하면, 제1 내지 제3 나노디스크들로 형성된 제1 나노디스크 패턴(210), 제2 나노디스크 패턴(220) 및 제3 나노디스크 패턴(230)의 세 가지 유형이 좌에서 우로 제시된다. 19, three types of the first nano disc pattern 210, the second nano disc pattern 220, and the third nano disc pattern 230 formed from the first to third nano discs are formed from left to right Are presented.

도 19는 P = 240nm의 주기 동안 각 나노디스크가 직경= 140nm, 115nm 및 90nm의 크기로 제조된 CMY 컬러 필터의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다. Figure 19 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a CMY color filter fabricated with a diameter of 140 nm, 115 nm and 90 nm for each nanodisk during a period of P = 240 nm.

30㎛ × 30㎛ 크기의 시안색, 마젠타색 및 노란색의 생성된 색에 관한 현미경 이미지가 도 19의 일측에 삽입되어 향상된 명암 및 밝기를 제공한다. A microscope image of the resulting color of cyan, magenta and yellow with a size of 30 mu m x 30 mu m is inserted into one side of Fig. 19 to provide enhanced contrast and brightness.

도 20은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼 응답을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 20 is a graph showing a reflection spectrum response for vertical incident light in a high-reflection subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface manufactured according to the second embodiment of the present invention.

도 20의 반사스펙트럼은 분광 반사계(Elli-Rsc, Ellipso Technology)를 사용하여 수직 입사 하에서 검사되고, 도 20에 도시된 바와 같이 시뮬레이션 결과와 비교되었다. 전계 전자기파(Full-field electromagnetic wave) 시뮬레이션은 FDTD (Finite Difference Time Domain) 방법을 기반으로 하는 도구(FDTD Solutions, Lumerical, Canada)를 사용하여 수행되었다. The reflection spectrum of FIG. 20 was inspected under normal incidence using a spectrophotometer (Elli-Rsc, Ellipso Technology) and compared with the simulation results as shown in FIG. Full-field electromagnetic wave simulations were performed using a tool based on the Finite Difference Time Domain (FDTD) method (FDTD Solutions, Lumerical, Canada).

Al 및 Si 재료의 분산 특성은 시뮬레이션 도구에 의해 제공되는 다중 계수 모드로부터 얻어졌다. The dispersion characteristics of the Al and Si materials were obtained from the multiple counting modes provided by the simulation tool.

각 시험에서 광원은 평면파가 광원 역할을 하였다. In each test, the plane wave served as the light source of the light source.

도 20을 참조하면, 효율 및 공진 딥의 위치의 관점에서 측정된 반사스펙트럼과 계산된 반사스펙트럼과의 사이에서 적절한 상관관계가 얻어졌다. 각각 노란색(yellow), 마젠타색(magenta) 및 시안색(cyan)의 원하는 감산 컬러에 해당하는 489nm, 552nm 및 609nm의 공진 파장에서 반사의 급격한 억제를 나타내기 위해 스펙트럼을 모니터링 하였다. Referring to FIG. 20, an appropriate correlation was obtained between the measured reflection spectra and the measured reflection spectra in terms of the efficiency and the position of the resonant dip. Spectra were monitored to show a sharp suppression of reflections at resonant wavelengths of 489 nm, 552 nm and 609 nm, respectively corresponding to the desired subtractive color of yellow, magenta and cyan.

~55nm의 상대적으로 좁은 반치전폭(full-width-at-half maximum) 대역폭과 함께 70%를 초과하는 높은 이탈-공명 반사가 달성되었는데, 이것은 Si 나노 구조에 의존하는 이전의 방법과 비교할 때 주목할 만한 효과를 가지는 것이다.Higher exit-resonance reflections in excess of 70% were achieved with a relatively narrow full-width-at-half maximum bandwidth of ~ 55 nm, which is notable when compared to previous methods that rely on Si nanostructures Effect.

높은 이탈-공명 반사 및 좁은 대역폭은 실현된 CMY 컬러의 명암 및 밝기를 향상시키는데 도움이 된다. High deviation - resonance reflections and narrow bandwidth help to improve the contrast and brightness of the realized CMY colors.

도 21은 본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 3색 컬러 필터에서 수직 입사광에 대한 반사스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.FIG. 21 shows color coordinates corresponding to reflection spectra of normal incident light in a high-reflection subtractive three-color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface prepared according to a second embodiment of the present invention.

도 22는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼의 응답을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 22 is a graph showing a spectral response according to a change in diameter of a nano disc in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2 실시 형태에 따라 제조된 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 나노디스크의 직경을 조절하여 공진 파장을 조절함으로써, 감산 컬러의 넓은 팔레트를 만들 수 있다. The high-reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disc meta surface manufactured according to the second embodiment of the present invention can control the resonance wavelength by controlling the diameter of the nano disc, thereby making a wide pallet of subtractive color.

도 22는 P= 240nm의 고정 주기 간격을 가지며, 나노디스크의 직경을 90nm으로부터 160nm까지 크기의 나노디스크의 직경을 갖는 일련의 장치에 대한 반사스펙트럼의 응답을 도시한 것이다.Figure 22 shows the response of the reflection spectra to a series of devices with a fixed periodic interval of P = 240 nm, the diameter of the nanodisc having a diameter of nanodiscs ranging from 90 nm to 160 nm.

도 22는 점선으로 표시된 바와 같이, 공진 딥이 점선적으로 λ = 489nm에서 660nm로 적색 이동하는 것이 관찰되는 반사스펙트럼을 도시한다.Fig. 22 shows the reflection spectrum in which the resonant dip is observed in a red shift from d = 489 nm to 660 nm in dotted line, as indicated by the dotted line.

도 23은 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 변화에 따른 스펙트럼에 해당하는 색 좌표를 도시한 것이다.23 shows the color coordinates corresponding to the spectrum according to the diameter change of the nano disk in the structure of the high reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention .

도 23을 참조하면, CIE 1931색도 다이어그램의 관련 색 좌표는 나노디스크의 직경이 증가함에 따라 검은 화살표를 따라 전개되는 것으로 관찰된다.Referring to FIG. 23, the associated color coordinates of the CIE 1931 chromaticity diagram are observed to evolve along the black arrow as the diameter of the nanodisk increases.

도 24는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조와의 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.24 is a graph showing a spectrum of a case where an Al nano disc mirror according to the second embodiment of the present invention is present and a spectrum of a Si meta surface structure without a metal mirror in the past.

도 25는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우와 종래에 금속 미러가 없는 Si 메타표면 구조에서 나노디스크의 직경에 따른 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.FIG. 25 shows an optical microscope image according to the diameter of a nano disk in the case of an Al nano disk mirror according to the second embodiment of the present invention and a conventional Si metal surface structure without a metal mirror.

도 24를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Al 나노디스크 미러가 있는 경우에는 이탈-공명 반사가 70%까지 상승하여 종래에 미러가 없는 경우와 비교하여 50% 증가한 것과 같으며 이는 주로 Al 나노디스크 미러-다공형 미러의 기여로 인한 상승된 반사율에 의한 것으로 분석된다.Referring to FIG. 24, in the case of the Al nanodisk mirror according to the second embodiment of the present invention, the deviation-resonance reflection increases up to 70%, which is 50% higher than in the conventional case where there is no mirror, Al nanodispersion mirror is attributed to the increased reflectivity due to the contribution of the polycrystalline mirror.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 나노 구조의 금속 거울이 있는 경우에는, 종래에 미러가 없는 경우와 비해 스펙트럼 대역폭이 실질적으로 감소되어 색순도가 향상되는 효과가 있다.In the case where the metal mirror of the nano structure according to the second embodiment of the present invention is provided, there is an effect that the spectral bandwidth is substantially reduced and the color purity is improved as compared with the case where there is no mirror in the related art.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 나노 구조의 금속 거울이 있는 경우에는 나노디스크의 직경이 90nm에서 160nm까지 증가할 때 λ= 489nm에서 660nm까지의 스펙트럼 대역에서 공진 딥이 스캐닝 되며, 미러층이 없는 경우에는 λ= 489nm에서 594nm 까지만 설정된다.In the case of a nanostructured metal mirror according to the second embodiment of the present invention, the resonant dip is scanned in the spectral band from? = 489 nm to 660 nm when the diameter of the nanodisk increases from 90 nm to 160 nm, Is set only from? = 489 nm to 594 nm.

따라서 색순도와 색 영역의 향상은 도 25에 도시된 현미경 이미지로부터 넓은 색 영역뿐만 아니라 생생한 컬러를 생성 할 수 있음이 입증될 수 있다.Therefore, it can be proved that the improvement in color purity and color gamut can produce vivid colors as well as a wide color gamut from the microscope image shown in Fig.

도 26은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 주기 간격에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.26 shows a contour diagram of a reflection spectrum according to a periodic interval in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to a second embodiment of the present invention.

도 26은 고정된 직경 115nm의 나노디스크 어레이에 대해 주기 간격(P)이 200nm에서 400 nm까지 변할 때 참조하면, 공진 파장의 변화 상태를 나타낸다26 shows a change in the resonance wavelength when the periodic interval P varies from 200 nm to 400 nm for a fixed diameter nano disk array of 115 nm

도 26을 참조하면, 주기 간격이 200nm에서 400nm까지 변할 때 장파장 대역으로 약간 이동을 하였고, 이것은 인접한 나노디스크 사이의 근접장 커플링(near-field coupling)에 기인한 것으로 분석된다.Referring to FIG. 26, when the periodic interval varies from 200 nm to 400 nm, it moves slightly to a long wavelength band, which is analyzed as being caused by near-field coupling between adjacent nanodiscs.

공진 파장의 이동은 주기 간격과 함께 감소하며, 공진에 인접한 나노디스크 사이의 근접장 커플링(near-field coupling)의 영향이 점진적으로 증가함에 따라 점차적으로 약해진다는 것을 의미한다. The shift of the resonant wavelength decreases with the periodic interval, which means that the effect of near-field coupling between the nanodisks adjacent to the resonance gradually weakens as it progressively increases.

도 27은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크 간의 간격이 100nm 일 때, 나노디스크의 직경에 따른 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.FIG. 27 is a graph showing the contour lines of reflection spectra according to the diameters of nano discs when the distance between the nano discs is 100 nm in the structure of the high-reflection type subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano discs according to the second embodiment of the present invention FIG.

도 27은 각 나노디스크 간의 간격이 100nm이고, 나노디스크의 직경이 75nm에서 150nm로 변화할 때의 반사스펙트럼을 보여준다. 27 shows the reflection spectrum when the distance between the nano discs is 100 nm and the diameter of the nano disc varies from 75 nm to 150 nm.

도 27을 참조하면, 공진 파장과, 공진 파장을 제어하기 위해 적용될 수 있는, 나노디스크의 직경 사이에는 선형 관계의 특징을 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 27, it can be seen that there is a linear relationship between the resonance wavelength and the diameter of the nanodisk, which can be applied to control the resonance wavelength.

도 28은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 입사 편광에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 28 is a graph showing a spectrum of incident polarized light in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to a second embodiment of the present invention.

도 29는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 구조에서 마젠타 필터(magenta color filter)의 서로 다른 입사각에 대한 반사스펙트럼의 등고선도를 도시한 것이다.29 is a contour diagram of reflection spectra of different incident angles of a magenta color filter in a Si-Al hybrid nano disk meta surface structure according to a second embodiment of the present invention.

도 28을 참조하면, φ = 0°, 45° 및 90°를 포함하는 서로 다른 편광에 대한 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼은 본 발명의 제2 실시 형태의 CMY 필터에 대해 거의 불변한 것으로 분석되며, 반사 공명 딥은 λ= 609nm, 552nm 및 489nm에서 각각 유지되는 것으로 분석된다. Referring to Fig. 28, spectra for different polarizations including? = 0, 45 and 90 are shown. The spectra were analyzed to be nearly invariant for the CMY filter of the second embodiment of the present invention and the reflected resonance dip was analyzed to be maintained at? = 609 nm, 552 nm and 489 nm, respectively.

도 29를 참조하면, 마젠타색 필터의 경우도 입사각이 25°까지 안정적으로 유지되는 것으로 나타난다.Referring to FIG. 29, in the case of the magenta filter, the incident angle is stably maintained up to 25 degrees.

도 28 및 29를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조는 편광 독립성뿐만 아니라 완화된 각도 허용 오차를 가능하게 할 수 있다.Referring to Figures 28 and 29, the structure of a high-reflection subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano disk meta surface according to a second embodiment of the present invention can enable relaxed angular tolerance as well as polarization independence .

컬러 디스플레이, 이미징 및 컬러 프린팅의 적용에 부응하기 위한 컬러 필터는 입사광의 편광 및 각도에 관계없이 안정적으로 유지되는 컬러를 제공하는 것이 바람직하다.It is desirable that the color filter to respond to the application of color display, imaging and color printing provide color that stays stably regardless of the polarization and angle of the incident light.

따라서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조는 컬러 디스플레이, 이미징, 그리고 컬러 인쇄의 응용분야에 적합하게 이용될 수 있다.Therefore, the structure of the high-reflection subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disc meta surface according to the second embodiment of the present invention can be suitably applied to applications of color display, imaging, and color printing.

도 30은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 나노디스크의 직경 155nm으로 형성된 마젠타 필터에 대한 반사스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.30 is a graph showing a reflection spectrum of a magenta filter formed with a diameter of 155 nm of a nano disk in the structure of a high-reflection type subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to a second embodiment of the present invention.

도 30을 참조하면, 나노디스크의 직경 115nm으로 형성된 마젠타색 필터에 시뮬레이션 된 반사스펙트럼은 λ= 552nm에서 제로에 가까운 반사를 나타내는 공진 딥을 가진다.Referring to FIG. 30, the reflection spectrum simulated in a magenta filter having a diameter of 115 nm of a nano disk has a resonance dip showing a reflection near zero at? = 552 nm.

도 31은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 마젠타 필터에 대한 공진시 정규화된 전기장 및 자기장 프로파일을 도시한 것이다.31 illustrates a normalized electric field and a magnetic field profile at resonance for a magenta filter in the structure of a high reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk in accordance with a second embodiment of the present invention.

도 31을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 공진 파장의 전기장 및 자기장 프로파일을 분석하여 파장-선택적 반사 공진 딥(wavelength-selective reflection dip)의 기본 메커니즘이 설명될 수 있다31, an electric field and a magnetic field profile of a resonant wavelength are analyzed in a structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk in accordance with a second embodiment of the present invention, and a wavelength-selective reflection resonance dip The basic mechanism of wavelength-selective reflection dip can be explained

Si 나노디스크의 배열을 포함하는 메타표면의 경우, 각 나노디스크는 공진기의 역할을 수행하여 가시 스펙트럼 대역에서 자기 쌍극자 및 전기 쌍극자 공진 모드의 여기가 수행된다.In the case of a meta surface including an array of Si nanodiscs, each nanodisk acts as a resonator to excite the magnetic dipole and electric dipole resonance modes in the visible spectrum band.

강한 자기 쌍극자 공진은 Si 나노디스크 내부의 변위 전류 루프에 의해 표시되며, 이는 Si 나노디스크의 경계 부근에 있는 역평행 전기장 극성(antiparallel E-field polarization)에 해당한다. Strong magnetic dipole resonance is indicated by the displacement current loop inside the Si nanodisk, which corresponds to the antiparallel E-field polarization near the boundary of the Si nanodisk.

Si 나노디스크의 유효 파장에 따라 유도됨을 고려하면, 자기 쌍극자 공진은 나노디스크의 직경의 조정을 통해 효율적으로 조정될 수 있는 것으로 분석된다. Si 나노디스크 어레이를 동일한 재질의 고굴절률 기판에 장착함으로써 나노디스크 공진기에 한정된 모드가 고주파 기판에 우선적으로 공진 결합하여, 크게 억제된 반사를 가져올 수 있다. Considering that it is induced according to the effective wavelength of the Si nanodisk, the magnetic dipole resonance can be efficiently adjusted by adjusting the diameter of the nanodisc. By attaching the Si nano disk array to a high refractive index substrate of the same material, a mode confined to the nano disk resonator resonates preferentially with the high frequency substrate, resulting in highly suppressed reflection.

도 30에 도시된 바와 같이 직경 115nm의 나노디스크에 의한 마젠타색 필터에 대해, 시뮬레이션 된 반사스펙트럼은 λ= 552nm에서 제로에 가까운 반사를 나타내는 공진 딥을 가진다.For a magenta filter with a nanodisk of 115 nm in diameter as shown in Fig. 30, the simulated reflection spectrum has a resonant dip exhibiting near zero reflection at? = 552 nm.

도 31을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에 대한 반사 공진 딥을 분석하기 위하여 전기장 및 자기장 프로파일이 x-z 평면에 도시된다.Referring to FIG. 31, in order to analyze the reflection resonance dip of the structure of the high-reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk according to the second embodiment of the present invention, the electric field and the magnetic field profile are plotted on the xz plane do.

흑색 화살표로 표시된 강화된 원형 전자장 궤도가 Si 나노디스크 내에서 전개되어 변위 전류 루프가 형성되는 반면, 강화된 H-장은 평면외 방향으로 동시에 생성된다. 명백하게 자기 쌍극자 공진의 존재가 여기된 것을 알 수 있다. 필드 프로파일(field profile)을 면밀히 조사함으로써, 반사 공진 딥이 Si 나노디스크에 의해 지지되는 자기 쌍극자 공진에 의해 명백하게 지배된다고 결론 지을 수 있다. Enhanced circular field trajectories indicated by black arrows are developed within the Si nanodisk to form a displacement current loop, while enhanced H-fields are generated simultaneously in the out-of-plane direction. Obviously, the presence of magnetic dipole resonance is excited. By closely examining the field profile, it can be concluded that the reflected resonant dip is apparently governed by the magnetic dipole resonance supported by the Si nanodisk.

도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 스펙트럼을 그래프로 도시한 것이다.32 is a graph of spectra of different combinations of Al nano disk mirror and Al pore-type mirror in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano disk according to the second embodiment of the present invention Respectively.

도 32는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 금속성 나노디스크 미러와 다공형 미러의 역할을 분석하기 위한 것이다.32 is a view for analyzing the role of a metallic nano disk mirror and a multi-cavity mirror in the structure of a high-reflection subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to a second embodiment of the present invention.

도 32를 참조하면, Al 나노디스크 미러층(211) 및 Al 다공성 미러층(215)이 없는 경우(ⓐ No Al mirrors), Al 나노디스크 미러층(211)은 있으나, Al 다공형 미러층(215)이 없는 경우(ⓑ Al DM)), Al 다공형 미러층(215)은 있으나, Al 나노디스크 미러층(211)이 없는 경우(ⓒ Al HM) Al 나노디스크 미러층(211) 및 Al 다공성 미러층(215)이 모두 있는 경우(ⓓ Both Al DM and HM)의 조합의 경우를 포함하는 4가지 상이한 구조가 반사 응답의 관점에서 비교 분석된다.32, when there is no Al nano disk mirror layer 211 and Al porous mirror layer 215 (a No Al mirrors), there is an Al nano disk mirror layer 211, but an Al pore mirror layer 215 ) (Al DM)), the Al nano disk mirror layer 211 and the Al porous mirror layer 211 are formed in the case where the Al nano disk mirror layer 211 is not present (c) Four different structures are compared and analyzed in terms of the reflection response, including the case of a combination of both layers 215 (d) both Al DM and HM.

ⓐ의 경우, 도 25에 나타난 바와 같이, 반사스펙트럼은 낮은 이탈-공명 효율(off-resonance efficiency)을 갖는 넓은 대역을 특징으로 하여 순도가 낮은 희미한 색을 나타낸다. 낮은 이탈-공명 반사는 전술한 바와 같이 Si의 낮은 반사율로 귀착될 수 있다. DM 또는 HM 중 하나만 장착된 ⓑ, ⓒ의 경우에는 약 2배의 효율 향상이 실현 될 수 있지만 이탈-공명 효율은 40 %까지 증가하는 것으로 분석된다.In the case of (a), as shown in FIG. 25, the reflection spectrum is characterized by a wide band having a low off-resonance efficiency, thereby exhibiting a pale low-purity color. The low deviation-resonance reflection can result in a low reflectance of Si as described above. In the case of ⓑ and ⓒ equipped with only DM or HM, the efficiency improvement of about 2 times can be realized, but the deviation-resonance efficiency is increased up to 40%.

이는 광학적으로 두꺼운 금속성 기판에 의존하는 경우보다 훨씬 낮다. Which is much lower than when depending on an optically thick metallic substrate.

DM-HM 쌍이 결합하는 본 발명의 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조의 경우(ⓓ), 색순도에 반비례하는 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth)이 현저히 감소되는 반면에, 이탈-공명 반사가 실질적으로 향상된다.In the case of the structure of the high reflection subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention in which DM-HM pairs are combined (ⓓ), spectral bandwidth inversely proportional to color purity (spectral bandwidth ) Is significantly reduced, while the deviation-resonance reflection is substantially improved.

도 33은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조에서 Al 나노디스크 미러 및 Al 다공형 미러의 각각 다른 조합들에 대한 정규화된 자기장 프로파일을 도시한 것이다.33 is a graph showing a normalized magnetic field profile for different combinations of Al nanodisk mirror and Al polycrystalline mirrors in the structure of a high reflection subtractive color filter based on Si-Al hybrid nano disk in accordance with a second embodiment of the present invention FIG.

도 33을 참조하면, 각 조합에 대한 대역폭의 변화를 알 수 있다.Referring to FIG. 33, a change in bandwidth for each combination can be known.

자기 쌍극자 공진 모드의 존재는 Si 나노디스크와 관련하여 구체적으로 입증된다.The presence of the magnetic dipole resonance mode is specifically demonstrated with respect to the Si nanodisk.

Al 나노디스크 미러가 없는 경우에 공진 모드는 나노원기둥에 의해 약하게 제한되는 것으로 밝혀졌고, 관련된 장(field)은 Si 의 고굴절률 기판으로 상당히 퍼져 나갔다. In the absence of an Al nanodisk mirror, the resonant mode was found to be weakly constrained by the nanocrystals, and the associated fields spread considerably to Si high refractive index substrates.

나노 미러가 없는 구조와는 달리, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 구조(Both Al DM and HM)는 나노디스크 내에서 상당히 강화된 모드 감금과 관련하여 눈에 띄는 필드 향상을 가져오고, 이는 고품질 요소로 해석된다.Unlike the structure without the nanomirror, the structure of the high-reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disc meta surface according to the second embodiment of the present invention (both Al DM and HM) This leads to a noticeable field improvement with regard to mode confinement, which is interpreted as a high-quality factor.

도 34는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법을 도시한 것이다.FIG. 34 shows a method of manufacturing a high-reflection type subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disc meta surface according to a second embodiment of the present invention.

도 34를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터의 제조방법은 먼저, Si 웨이퍼(60) 상에 설정된 나노디스크들의 주기 간격 및 설정된 직경에 맞추어 상기 나노디스크 패턴이 형성되는 나머지 부분에 레지스트(61)를 패터닝하는 레지스트 패턴 형성 단계(310)가 수행된다.Referring to FIG. 34, a method of manufacturing a high-reflection type subtractive color filter based on a Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention comprises the steps of: A resist pattern forming step 310 for patterning the resist 61 on the remaining portion where the nano disk pattern is formed is performed in accordance with the set diameter.

본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝 단계(310)에서는 ZEP520A의 포지티브 전자빔 레지스트로 만들어진 다공성 필름은 전자빔 리소그래피(EBL) 시스템 (RAITH 150)을 사용하여 단일 결정 Si 웨이퍼(60) 상에 패터닝된다.In a patterning step 310 according to one embodiment of the present invention, a porous film made of a positive electron beam resist of ZEP 520A is patterned on a single crystal Si wafer 60 using an electron beam lithography (EBL) system (RAITH 150).

레지스트 패터닝 단계(310) 이후에는 상기 패터닝된 레지스트(61)를 마스킹으로 활용하여 Si 웨이퍼(60) 상에 제1 Al층(71)을 형성하는 제1 Al층 증착 단계(320)가 수행된다.After the resist patterning step 310, a first Al layer deposition step 320 is performed in which the patterned resist 61 is used as a masking to form a first Al layer 71 on the Si wafer 60.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다공형 Al 증착단계(320)에서는 55(±5%)nm 두께의 Al 막을 전자빔 증발기 (Temescal BJD-2000 전자빔 증발 시스템)의 Al 증착 공정에 의해 증착시키는 과정이 수행된다.In the polycrystalline Al deposition step 320 according to an embodiment of the present invention, an Al film having a thickness of 55 (± 5%) nm is deposited by an Al deposition process of an electron beam evaporator (Temescal BJD-2000 electron beam evaporation system) do.

제1 Al층 증착 단계(320) 이후에는 상기 마스킹으로 활용된 레지스트(61)를 제거하여 제1 Al 나노디스크 패턴을 형성시키는 제1 Al 나노디스크 패턴 형성 단계(330)가 수행된다.After the first Al layer deposition step 320, a first Al nano disk pattern forming step 330 is performed in which the resist 61 used for masking is removed to form a first Al nano disk pattern.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 Al 디스크 패턴 형성 단계(330)에서는, 레지스트(61)가 ZEP 제거기(ZDMAC)에 의해 리프트-오프 공정을 통해 제거시키는 과정이 수행된다.In the first Al disk pattern forming step 330 according to an embodiment of the present invention, a process of removing the resist 61 through a lift-off process by a ZEP remover (ZDMAC) is performed.

제1 Al 디스크 패턴 형성 단계(330)에서 상기 레지스트(61)가 완전히 제거되면, 정사각형 격자 형태의 제1 Al 나노디스크 패턴(71)이 Si 웨이퍼(60) 상에 형성된다.When the resist 61 is completely removed in the first Al disk pattern forming step 330, a first Al nano disc pattern 71 in the form of a square lattice is formed on the Si wafer 60.

제1 Al 디스크 패턴(71) 형성 단계(330) 이후에는 상기 제1 Al 디스크 패턴(71)을 하드 마스크로 이용하여 상기 Si 웨이퍼(60) 상부를 식각하여 Si 나노디스크 패턴(95) 및 Si 기판(90)을 형성시키는 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)가 수행된다.The upper surface of the Si wafer 60 is etched using the first Al disk pattern 71 as a hard mask to form the Si nano disk pattern 95 and the Si substrate 100. [ A Si nano disk pattern forming step 340 for forming the Si nano disk pattern 90 is performed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)에서는 제1 Al 디스크 패턴을 하드 마스크로 이용하여, Si 웨이퍼(60)를 CHF₃ 및 SF₆ 가스의 혼합물을 사용하는 플라스마 에칭 장치(Oxford의 ICP-RIE Plamalab100)에서 건식 에칭하여, 180(±5%)nm의 높이를 갖는 Si 나노디스크 패턴(95) 및 Si 기판(90)이 제조된다.In the Si nano disk pattern forming step 340 according to an embodiment of the present invention, the Si wafer 60 is etched using a plasma etching apparatus using a mixture of CHF ₃ and SF ₆ gas using the first Al disk pattern as a hard mask (ICP-RIE Plamalab 100 from Oxford) to produce a Si nano disk pattern 95 and a Si substrate 90 having a height of 180 (± 5%) nm.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340)에서 Si 웨이퍼에 대한 플라즈마 에칭 과정에서, 제1 Al 디스크 패턴(71)도 5nm만큼 침식되어 55(±5%)nm 두께의 제1 Al 디스크 패턴(71)은 Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340) 후에는 50(±5%)nm 두께로 제1 Al 디스크 패턴(72)이 형성된다.According to an embodiment of the present invention, in the plasma etching process for the Si wafer in the Si nano disk pattern forming step 340, the first Al disk pattern 71 is also etched by 5 nm to form 55 (5%) nm thick After the Si nano disk pattern forming step 340, the first Al disk pattern 71 is formed to have a thickness of 50 (± 5%) nm.

Si 나노디스크 패턴 형성 단계(340) 이후에는 상기 제1 Al 디스크 패턴(72)의 상부 및 상기 제1 Al 디스크 패턴(72)을 제외한 Si 기판(90)의 나머지 상부 영역에 전자빔 증발기에 의한 Al 증착 공정으로 제2 Al층 증착 단계를 수행하여 Al 나노디스크 미러층(91) 및 Al 다공형 미러층(92)을 형성시키는 미러층 형성 단계(350)가 수행된다.After the Si nano disk pattern formation step 340, the upper portion of the first Al disk pattern 72 and the upper portion of the Si substrate 90 except for the first Al disk pattern 72 are subjected to Al deposition using an electron beam evaporator A mirror layer formation step 350 is performed in which a second Al layer deposition step is performed to form an Al nanodisk mirror layer 91 and an Al polycrystalline mirror layer 92.

본 발명의 일 실시 예에서는 상기 미러층 형성 단계(350)에서 10(±5%)nm 두께의 Al층을 전자빔 증발기로 증착시키는 과정이 수행된다.In an exemplary embodiment of the present invention, a process of depositing an Al layer with a thickness of 10 (± 5%) nm on the electron beam evaporator is performed in the mirror layer forming step 350.

이에 따라 결과적으로 60(±5%)nm의 Al 나노디스크층(91) 및 10(±5%)nm 두께의 Al 다공형 미러층(92)이 형성된다.As a result, an Al nanocrystal layer 91 of 60 (± 5%) nm and an Al polycrystalline mirror layer 92 of 10 (± 5%) nm thickness are formed.

본 발명의 일 실시 예에서는 증착 공정 동안 0.001 Pa의 낮은 진공도에서 Al 원기둥의 긴 평균 자유 경로(long mean-free-path)를 보장함으로써 방향성 박막 증착이 촉진되어 Si 나노디스크의 측벽이 Al 증착에 거의 노출되지 않도록 한다.In one embodiment of the present invention, the directional thin film deposition is promoted by ensuring a long mean-free-path of Al cylinders at a low degree of vacuum of 0.001 Pa during the deposition process, so that the sidewalls of the Si nano- Do not expose.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 30(±5%)㎛ x 30(±5%)㎛ 크기의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터가 제조된다.A Si-Al hybrid nano-disc meta-surface-based high-reflection subtractive color filter (hereinafter, referred to as " high-reflection subtractive color filter ") according to the second embodiment of 30 (+ 5% .

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 Al 디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 한 쌍의 금속 나노 구조와 결합된 단일 결정 Si 나노디스크 기반 유전체 메타표면을 이용하여 향상된 색순도를 허용하는 특징을 가진다.The high-reflection subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano-disc meta-surface according to the second embodiment of the present invention comprises a single crystal Si nano disk combined with a pair of metal nanostructures of an Al disk mirror layer and an Al pore- Based dielectric meta surface to allow improved color purity.

본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는, 효율적인 자기 쌍극자 공진이 나노디스크 요소에 의해 개별적으로 지지되는 특징을 가지며, 반사스펙트럼에서 명백한 공진 딥을 가지는 것을 특징으로 한다.The Si-Al hybrid nano-disc meta-surface-based highly reflective subtractive color filter according to the second embodiment of the present invention is characterized in that efficient magnetic dipole resonance is individually supported by the nano disk element and the resonance dip .

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 간산 컬러 필터에서 반사 공진 딥은 나노디스크의 직경을 조절하여 전체 가시광 대역에 걸쳐 효과적으로 제어될 수 있다.In addition, in the high-reflection secondary color filter of the Si-Al hybrid nano disk surface according to the second embodiment of the present invention, the reflection resonance dip can be effectively controlled over the entire visible light band by controlling the diameter of the nano disk.

또한, 나노 구조의 Al 디스크 미러층과 Al 다공형 미러층의 조합은 감소된 스펙트럼 대역폭을 바탕으로 Si 나노디스크에서의 자기 쌍극자 모드의 감금을 현저하게 촉진하고, 이탈-공명에서 반사 효율을 높이는 이중 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the combination of the nano-structured Al disk mirror layer and the Al pore-type mirror layer significantly reduces the magnetic dipole mode confinement in the Si nanodisk based on the reduced spectral bandwidth, And the like.

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터에서 각각 다른 나노디스크 직경을 가진 필터들은 최대 70%의 이탈-공명 반사, ~55nm의 스펙트럼 대역폭 및 높은 순도 및 확장된 영역을 허용하는 밝은 컬러의 넓은 팔레트를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also, in the Si-Al hybrid nano disk meta surface-based highly reflective subtractive color filter according to the second embodiment of the present invention, each of the filters having different nanodisk diameter diameters has a deviation-resonance reflection of up to 70%, a spectrum bandwidth of ~ 55 nm And a wide palette of bright colors that allows high purity and extended areas.

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 완화된 각도 내성과 편광 독립성의 특징을 가진다.In addition, the high reflection subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano disc meta surface according to the second embodiment of the present invention has characteristics of relaxed angle tolerance and polarization independence.

또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터는 고해상도 및 우수한 색 충실도를 가능하게 하는 효과를 가지며, 초소형 디스플레이/이미징 장치의 개발을 위해 적용될 수 있다.In addition, the high-reflection type subtractive color filter based on the Si-Al hybrid nano-disk meta surface according to the second embodiment of the present invention has the effect of enabling high resolution and excellent color fidelity, and is applicable for the development of ultra-small display / .

1: Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 감산 컬러 필터
2: Si-Al 하이브리드 나노디스크 메타표면 기반의 고반사형 감산 컬러 필터
10, 20: Si 기판
50: 입사광
51, 61: 시안색 반사광
52, 62: 마젠타색 반사광
53, 63: 노란색 반사광
110, 210: 제1 나노디스크 패턴
120, 220: 제2 나노디스크 패턴
130, 230, 231: 제3 나노디스크 패턴
11, 21, 31, 211: 제1 높이로 형성되는 Al 나노디스크층
12, 22, 32, 212: 제2 높이로 형성되는 Si 나노디스크층
215: Al 다공형 미러층1: Si-Al Hybrid Nano Disk Meta Surface-based subtractive color filter
2: Si-Al Hybrid Nanodisc Meta Surface-Based High-Refractive Type Subtraction Color Filter
10, 20: Si substrate
50: incident light
51, 61: Cyan reflected light
52, 62: Magenta reflecting light
53, 63: Yellow reflected light
110, 210: first nano disk pattern
120, 220: second nano disk pattern
130, 230, 231: third nano disk pattern
11, 21, 31, 211: an Al nanodisk layer formed at a first height
12, 22, 32, 212: a Si nano disc layer
215: an Al porous mirror layer

Claims

Si substrate;
A nano disk pattern arranged on the Si substrate in a rectangular lattice pattern with a predetermined periodic interval of the nano disk; / RTI >
The nano disk comprises a Si nano disc layer formed at a second height and an Al nano disc layer formed at a first height,
Further comprising an Al pore-type mirror layer formed on the Si substrate to have a third thickness at a portion of the Si substrate excluding the portion where the nano disc is formed.

The method according to claim 1,
The nano disk pattern
A first nano disk pattern in which a first nano disk of a first diameter has a first periodic interval and is arranged in a square lattice pattern;
A second nano disk pattern having a second periodic interval and having a second diameter arranged in a square lattice pattern; And
A third nano disk pattern having third periodic intervals and arranged in a square lattice pattern; And a silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter.

3. The method of claim 2,
The first height is 60 (+/- 5%) nm and the second height is 180 (+/- 5%) nm. The first periodic interval, the second periodic interval, and the third periodic interval are 240 Wherein the third thickness is 10 (+/- 5%) nm.

3. The method of claim 2,
Characterized in that the first diameter is 140 (± 5%) nm, the second diameter is 115 (± 5%) nm and the third diameter is 90 (± 5%) nm. Subtraction color filter.

3. The method of claim 2,
When the diameter of the nano disc is changed from 90 nm (± 5%) nm to 160 nm in the fixed period, when the white incident light is perpendicularly incident on the subtractive color filter, the reflection resonance dip is λ = 489 (5%) nm to 660 (+/- 5%) nm, wherein the silicon-aluminum meta-surface-based subtractive color filter

A resist pattern forming step of patterning a resist on a remaining portion of the Si wafer except a portion where a nanodisk pattern to be formed is arranged at a predetermined periodic interval;
Forming a first Al layer on the Si wafer by a first Al deposition process using an electron beam evaporator utilizing the patterned resist pattern as a masking;
Removing the resist pattern to form a first Al nanodisk pattern on the Si wafer;
Etching the upper portion of the Si wafer by an etching process using a plasma etcher using the first Al nano disk pattern as a mask to form a Si substrate and a Si nano disk pattern having a set second height; And
A second Al layer deposition process is performed on the upper part of the first Al nano disk pattern and the upper part of the Si substrate except for the first Al nano disk pattern by the electron beam evaporator to form an Al nano disk mirror layer and an Al porous Forming a mirror layer; Wherein the step of forming the silicon-aluminum meta-surface comprises the steps of:

The method according to claim 6,
The first Al layer is formed to a thickness of 55 (± 5%) nm, the second height is formed to be 180 (± 5%) nm, and the second Al layer is deposited to a thickness of 10 (± 5% Lt; RTI ID = 0.0 > of: < / RTI > a silicon-aluminum meta-surface.