KR20190063385A - 공간 광 변조기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 공간 광 변조기는 기판, 상기 기판 상의 도전층, 상기 도전층 상의 제1 강유전체층, 상기 제1 강유전체층 상에 배치되어 상기 제1 강유전체층의 상면 일부를 노출하는 도전성 나노 패턴 및 상기 도전성 나노 패턴과 연결된 배선을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 공간 광 변조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 광학기술을 이용한 공간 광 변조기에 관한 것이다.
공간 광 변조기란, 빛의 진폭이나 위상 정보를 입사되는 위치에 따라 변화시킬 수 있는 장치이다. 공간 광 변조기는 디지털 홀로그래픽 디스플레이의 핵심 부품으로 이용될 수 있다.
현재 상용화된 공간 광 변조기는 LCOS(Liquid Cristal on Silicon) type이 대부분이다. LCOS type의 공간 광 변조기는 액정에 전압을 걸어 투과 또는 반사하는 빛의 위상을 변조한다. 최근 나노 광학기술을 이용한 공간 광 변조기가 연구되고 있다. 나노 광학기술을 이용한 공간 광 변조기는 빛의 파장보다 작은 선폭을 갖는 초소형 구조체를 이용하여 빛을 제어 한다. 나노 광학기술을 이용한 공간 광 변조기를 이용하여 높은 시야각을 갖는 홀로그램 디스플레이의 구현이 가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 응답속도가 빠르고, 높은 집적도를 갖는 공간 광 변조기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기는 기판; 상기 기판 상의 도전층; 상기 도전층 상의 제1 강유전체층; 상기 제1 강유전체층 상에 배치되어 상기 제1 강유전체층의 상면 일부를 노출하는 도전성 나노 패턴; 및 상기 도전성 나노 패턴과 연결된 배선을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 항에 있어서, 상기 도전층 및 상기 도전성 나노 패턴은 서로 다른 전위 레벨을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 도전층은 접지되고, 상기 도전성 나노 패턴은 상기 배선을 통하여 동작 전압을 수신하도록 구성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴은 상기 제1 강유전체층을 노출하는 개구부를 갖고, 상기 개구부는, 평면적 관점에서, 직사각형의 형상을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 도전층과 상기 제1 강유전체층 사이의 제2 강유전체층; 및 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층 사이의 내부 도전층을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 내부 도전층의 두께는 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 두께보다 얇을 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 내부 도전층은 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층과 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기는 도전층; 상기 도전층 상에 2차원적으로 배열된 도전성의 슈퍼셀들; 상기 도전층 및 상기 슈퍼셀들의 사이에 배치된 제1 강유전체층; 및 상기 슈퍼셀들에 각각 연결된 배선들을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 배선들과 연결되어 상기 슈퍼셀들의 각각에 독립적으로 전압을 인가하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 강유전체층 및 상기 슈퍼셀들을 덮는 층간 절연층을 더 포함하되, 상기 배선들은 상기 층간 절연층을 관통하여 상기 슈퍼셀들의 상면에 접속될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 슈퍼셀들의 각각은 상기 제1 강유전체층의 상면의 일부를 노출하는 복수의 개구부들을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 복수의 개구부들은 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 도전층과 상기 제1 강유전체층 사이의 제2 강유전체층; 및 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층 사이의 내부 도전층을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 내부 도전층의 두께는 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 두께보다 얇을 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 내부 도전층은 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층과 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시들예 따르면 광 변조 속도가 향상되고, 출력광의 위상의 능동적인 제어가 가능한 공간 광 변조기가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 강유전체층의 분극과 표면플라즈몬의 커플링을 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험예 1의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 도전성 나노 패턴에 인가되는 동작전압에 따른 출력광의 위상변화를 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험에 2의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 도 6의 I~I’ 선에 따른 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 슈퍼셀을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 단면도로, 도 6의 I~I'선에 대응된다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 강유전체층의 분극과 표면플라즈몬의 커플링을 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험예 1의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 도전성 나노 패턴에 인가되는 동작전압에 따른 출력광의 위상변화를 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험에 2의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 도 6의 I~I’ 선에 따른 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 슈퍼셀을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 단면도로, 도 6의 I~I'선에 대응된다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께 및 형태는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
이하 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기는 기판(100), 기판(100) 상의 도전층(110), 도전층(110) 상의 제1 강유전체층(122), 제1 강유전체층(122) 상의 도전성 나노 패턴(130) 및 도전성 나노 패턴(130)에 동작전압을 전달하는 배선(142)을 포함할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 제1 강유전체층(122)의 상면의 일부를 노출할 수 있다.
공간 광 변조기는 외부로부터 입사광(Lin)을 수신하여, 위상이 변조된 출력광(Lo1, Lo2)을 출력할 수 있다. 출력광(Lo1, Lo2)의 위상은 도전성 나노 패턴(130)에 인가되는 동작전압에 의해 제어될 수 있다.
상세하게, 도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 도전층(110)이 제공될 수 있다. 기판(100)은 절연기판일 수 있다. 기판(100)은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다.
도전층(110)은 평판의 형상을 가질 수 있으며, 전체적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 도전층(110)의 두께는, 예컨대, 1nm 내지 300nm의 범위를 가질 수 있다. 도전층(110)은 입사광(Lin)의 입사방향을 기준으로 도전성 나노 패턴(130)의 아래에 배치될 수 있다. 도전층(110)의 상면은 도전성 나노 패턴(130)의 하면과 마주보도록 배치될 수 있다. 이로써, 도전층(110)은 도전성 나노 패턴(130)과 함께 입사광(Lin)을 공진시킬 수 있다.
도전층(110)은 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 공간 광 변조기는 입사광(Lin)을 수신하여 반사광(Lo1)을 출력하는 반사형이거나 투과광(Lo2)을 출력하는 투과형일 수 있다. 반사형 공간 광 변조기의 경우, 도전층(110)은 금속을 포함할 수 있다. 도전층(110)은, 예컨대, 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 투과형 공간 광 변조기의경우, 도전층(110)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 도전층(110)은, 예컨대, ITO(indium thin oxide)를 포함할 수 있다.
제1 강유전체층(122)이 도전층(110) 상에 배치될 수 있다. 제1 강유전체층(122)은 도전층(110)과 도전성 나노 패턴(130)의 사이에 배치되며, 도전층(110)과 도전성 나노 패턴(130)을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 제1 강유전체층(122)은 도전층(110)의 상면과 도전성 나노 패턴(130)의 하면을 전체적으로 균일한 거리만큼 이격시키기 위한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 강유전체층(122)은 평판의 형상을 가질 수 있으며, 전체적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 제1 강유전체층(122)의 두께는, 예컨대, 1nm 내지 2000nm의 범위를 가질 수 있다. 제1 강유전체층(122)은 외부 전기장의 도움 없이 자발 분극(Spontaneous polarization)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 제1 강유전체층(122)은, 예컨대, PVDF-TrFE(Polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene), 베릴륨 티탄 옥사이드(BaTiO3), 리튬 니오븀 옥사이드(LINbO3) 또는 PLZT(lead lanthanum zirconate titanate)를 포함할 수 있다. 제1 강유전체층(122)은 분극은 도전층(110)과 도전성 나노 패턴(130)에 인가되는 전압에 따라 조절될 수 있다. 제1 강유전체층(122)의 분극이 변화되는 경우, 제1 강유전체층(122)의 유효 굴절률이 변할 수 있다. 제1 강유전체층(122)의 분극 및 유효굴절률이 변화됨에 따라, 그의 내부에서 공진되는 광의 위상 변조 특성이 달라질 수 있다.
도전성 나노 패턴(130)이 제1 강유전체층(122) 상에 배치될 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 입사광(Lin)이 입사하는 공간 광 변조기의 입사면에 배치되어, 제1 강유전체층(122)의 상면의 일부를 노출할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 메타 물질(meta material)일 수 있다. 즉, 도전성 나노 패턴(130)은 구조 및 형상에 따라 다른 물성을 갖도록 나노광학적으로 설계된 구조체일 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 입사광(Lin)의 변조를 위하여 입사광(Lin)의 파장보다 작은 선폭을 갖는 부분을 포함할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)의 최소 선폭은 수nm 내지 수십nm일 수 있다.
실시예들에 따르면, 도전성 나노 패턴(130)은 속이 빈 사각 기둥의 형상을 가질 수 있다. 평면적 관점에서, 도전성 나노 패턴(130)의 제1 방향(DR1)의 길이(l1)는 제2 방향(DR2)의 길이(l2)와 동일할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)의 제1 방향(DR1)의 길이(l1) 및 제2 방향(DR2)의 길이(l2)는 200nm 내지 500nm의 범위를 가질 수 있다. 평면적 관점에서, 도전성 나노 패턴(130)은 정사각형 또는 마름모의 형상을 가질 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 두께는, 예컨대, 20nm 내지 200nm의 범위를 가질 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)은 제1 강유전체층(122)의 상면의 일부를 노출하는 개구부(132)를 가질 수 있다. 개구부(132)는 서로 다른 제1 방향(DR2)의 길이(d1) 및 제2 방향(DR2)의 길이(d2)를 가질 수 있다. 평면적 관점에서, 개구부(132)는 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 개구부(132)가 서로 다른 제1 방향(DR1)의 길이(d1) 및 제2 방향(DR2)의 길이(d2)를 가짐에 따라, 공간 광 변조기의 광 변조 특성이 입사광의 입사방향에 따라 달라질 수 있다.
도전성 나노 패턴(130)은 입사광을 수신하여 표면플라즈몬(Surface Plasmon Polarition)을 생성하는 나노 안테나로 기능할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)의 표면으로 입사된 입사광(Lin)은 표면플라즈몬의 형태로 도전층(110)과 도전성 나노 패턴(130)의 사이에서 공진될 수 있다. 공진된 입사광(Lin)은 위상이 변조되어 출력광(Lo1, Lo2)으로 출력된다. 이때, 제1 강유전체층(122)은 표면플라즈몬과 상호작용하여 입사광(Lin)의 위상 변조에 관여할 수 있다. 입사광(Lin)으로부터 생성된 표면플라즈몬은 제1 강유전체층(122)의 분극과 커플링될 수 있다.
도 3은 강유전체층의 분극과 표면플라즈몬의 커플링을 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험예 1의 결과를 나타낸 그래프이다.
<실험예 1>
기판 상에 랭뮈어-블로젯 방법(Langmuir-Blodgett method)을 수행하여 강유전체층을 형성하였다. 강유전체층은 PVDF-Trfe를 포함하며, 단일분자층으로 형성되었다. 강유전체층 상에 금(Au)을 포함하는 도전막을 형성하였다. 도전막을 패터닝하여 강유전체층의 상면의 일부를 노출하는 도전성 나노 패턴을 형성하였다. 이어서, 632.8nm의 파장을 갖는 입사광을 도전성 나노 패턴에 조사하고, 크레츠만 ATR(Attenuated Total Reflectance) 측정계를 이용하여 입사광의 입사각에 따른 반사도를 측정하였다.
강유전체층의 분극을 조절하면서 입사각에 따른 반사도를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 강유전체층의 분극은 랭뮈어-블로젯 방법의 수행 횟수를 조절하여 분극이 형성된 단일분자층의 수를 변화시킴으로써 조절하였다.
도 3을 참조하면, 강유전체층의 분극에 따라 반사도의 피크 포지션이 달라지는 것을 알 수 있다. 이로써, 표면플라즈몬이 강유전체의 분극에 커플링 될 수 있음을 알 수 있다
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 공간 광 변조기는 도전성 나노 패턴(130)과 연결된 배선(142)을 포함할 수 있다. 배선(142)은 도전성 나노 패턴(130)에 동작전압을 전달할 수 있다. 도전층(110)은 접지될 수 있다.
도전층(110)과 도전성 나노 패턴(130)은 제1 강유전체층(122)에 전광효과(electrophotonic effect)효과를 발생시키는 전극들로 기능할 수 있다. 구체적으로, 도전성 나노 패턴(130) 및 도전층(110)은 제1 강유전체층(122)의 상면 및 하면의 각각과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)에 동작전압이 인가됨에 따라, 도전층(110) 및 도전성 나노 패턴(130)은 서로 다른 전위 레벨을 가질 수 있다. 도전층(110) 및 도전성 나노 패턴(130) 사이의 전위 레벨의 차이는 제1 강유전체층(122)에 전광효과를 발생시켜 제1 강유전체층(122) 분극 및 유효굴절률을 변화시킬 수 있다. 제1 강유전체층(122)의 분극 및 유효굴절률을 변화에 의해 표면플라즈몬의 공진특성이 변화되며, 이로써 공간 광 변조기의 위상 변조 특성이 변화될 수 있다. 즉, 도전성 나노 패턴(130)에 인가되는 동작전압을 조절하여 출력광(Lo1, Lo2)의 위상을 능동적으로 제어할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도전성 나노 패턴에 인가되는 동작전압에 따른 출력광의 위상변화를 설명하기 위한 도면으로, 본 발명의 실험에 2의 결과를 나타낸 그래프이다.
<실험예 2>
도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 공간 광 변조기를 제조하였다. 구체적으로, 실리콘 기판 상에 알루미늄(Al)을 포함하는 도전층을 형성하였다. 도전층의 두께는 300nm로 형성되었다. 도전층 상에 PVDF-TrFE을 포함하는 강유전체층을 형성하였다. 강유전체층의 두께는 50nm로 형성되었다. 강유전체층 상에 금(Au)을 포함하는 도전성 나노 패턴을 형성하였다. 도전성 나노 패턴의 두께는 70nm로 형성되었다. 또한, 도전성 나노 패턴의 한 변의 길이는 300nm로 형성되었다.
도전층을 접지시키고, 도전성 나노 패턴에 동작전압을 인가하였다. 이어서, 입사광을 도전성 나노 패턴에 조사하고, 반사되는 반사광의 위상을 측정하였다. 동작전압을 조절하여 강유전체층의 유효유전율을 변화시키면서, 반사광의 위상을 측정하여 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 도전성 나노 패턴에 인가되는 동작전압을 조절함으로써, 공간 광 변조기의 광 변조 특성을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 공간 광 변조기는 내부 도전층(154) 및 제2 강유전체층(124)을 더 포함할 수 있다.
제2 강유전체층(124)은 도전층(110)과 제1 강유전체층(122)의 사이에 배치될 수 있다. 제2 강유전체층(124)은 제1 강유전체층(122)과 동일한 물질을 포함할 수 있고, 제1 강유전체층(122)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 제1 강유전체층(122) 및 제2 강유전체층(124)은 동일한 두께를 가질 수 있다. 이때, 제2 강유전체층(124) 내의 분극을 이루는 쌍극자(Dipole)는 제1 강유전체층(122) 내의 쌍극자와 동일한 방향으로 배향될 수 있다.
내부 도전층(154)이 제1 강유전체층(122)과 제2 강유전체층(124) 사이에 배치될 수 있다. 내부 도전층(154)은 금속, 그래핀 또는 그래핀 이외의 도전성 2차원 물질을 포함할 수 있다. 내부 도전층(154)은 제1 강유전체층(122) 및 제2 강유전체층(124)에 비해 얇은 두께를 가질 수 있다. 내부 도전층(154)은, 예컨대, 단일 분자층과 유사한 두께를 가질 수 있다.
내부 도전층(154)의 상면 및 하면은 제1 강유전체층(122)의 하면 및 제2 강유전체층(124) 상면과 각각 접할 수 있다. 내부 도전층(154)과 제1 강유전체층(122)의 계면 및 내부 도전층(154)과 제2 강유전체층(124) 계면에서, 표면플라즈몬 결합이 발생될 수 있다. 내부 도전층(154)은 제1 강유전체층(122) 및 제2 강유전체층(124)의 분극과 표면플라즈몬의 결합을 용이하게 함으로써, 공간 광 변조기의 위상 변조 특성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 평면도이다. 도 7은 도 6의 I~I' 선에 따른 단면도이다. 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 슈퍼셀을 설명하기 위한 평면도들이다. 설명의 간소화를 위하여, 앞서 설명된 구성과 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조기는 기판(200), 도전층(210), 제1 강유전체층(222), 슈퍼셀들(230) 및 제어부(250)를 포함할 수 있다.
기판(200) 상에 도전층(210) 및 제1 강유전체층(222)이 순차적으로 배치될 수 있다. 도전층(210)은 접지될 수 있다. 기판(200), 도전층(210) 및 제1 강유전체층(222)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 동일/유사할 수 있다.
도전성의 슈퍼셀들(230)이 제1 강유전체층(222) 상에 2차원적으로 배열될 수 있다. 슈퍼셀들(230)은 금속을 포함할 수 있다. 슈퍼셀들은, 예컨대, 금(Au)을 포함할 수 있다. 슈퍼셀들(230)의 각각은 서로 이격되어 전기적으로 분리될 수 있다. 슈퍼셀들(230)의 각각은 배선들(242)을 통하여 개별적으로 제어부(250)와 연결될 수 있다.
구체적으로, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 슈퍼셀들(230)은 제1 방향(DR1) 및 제2 방향(DR2)으로 배열된 도전성 나노 패턴(130)들을 포함할 수 있다. 슈퍼셀들(230)의 내에서, 도전성 나노 패턴들(130)은 서로 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써, 슈퍼셀들(230) 내의 도전성 나노 패턴들(130)은 동일한 전압을 인가받을 수 있다. 도전성 나노 패턴들(130)은 입사광의 위상 변조를 위한 최소 단위일 수 있으며, 슈퍼셀들(230)은 홀로그램 이미지의 공간적 위상 정보가 저장되는 최소 단위일 수 있다.
슈퍼셀들(230)은 제1 강유전체층(222)을 노출하는 복수의 개구부들(132)을 가질 수 있다. 일 예 따르면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 슈퍼셀들(230)은 동일한 형상 및 동일한 크기의 개구부들(132)을 갖는 도전성 나노 패턴들(130)을 포함할 수 있다. 다른 예에 따르면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 슈퍼셀들(230)은 서로 다른 크기의 개구부들(132)을 갖는 도전성 나노 패턴들(130)을 포함할 수 있다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, 공간 광 변조기는 제1 강유전체층(222) 및 슈퍼셀들(230) 상의 층간 절연층(235)을 포함할 수 있다. 층간 절연층(235)은, 입사광이 슈퍼셀들(230)에 손실 없이 도달할 수 있도록, 낮은 굴절률을 갖는 절연체를 포함할 수 있다. 또한, 층간 절연층(235)은 입사광이 난반사되지 않도록 평탄한 상면을 가질 수 있다. 배선들(242)은 층간 절연층(235) 상에 배치될 수 있다. 배선들(242)의 각각은 층간 절연층(235)을 관통하여 슈퍼셀들(230)의 각각에 접속될 수 있다. 배선들(242)은 슈퍼셀들(230)의 상면에 접속될 수 있다.
슈퍼셀들(230)은 배선들(242)을 통하여 제어부(250)로부터 동작 전압을 수신할 수 있다. 동작전압이 인가된 슈퍼셀들(230)은 그 아래에 위치한 제1 강유전체층(222)의 분극을 변화시켜 광 변조 특성을 제어할 수 있다. 동시에, 슈퍼셀들(230)은 입사광을 수신하여 표면플라즈몬을 생성하는 나노 안테나로 기능할 수 있다.
슈퍼셀들(230)의 각각은 제어부(250)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 서로 다른 슈퍼셀들(230)은 제어부(250)로부터 서로 다른 레벨의 동작전압을 인가받을 수 있다. 이로써, 공간 광 변조기가 디스플레이 장치에 적용되는 경우, 하나의 슈퍼셀(230)이 배치된 영역은 하나의 픽셀로서 기능할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기를 설명하기 위한 단면도로, 도 6의 I~I'선에 대응된다. 설명의 간소화를 위하여, 앞서 설명된 구성과 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 9를 참조하면, 공간 광 변조기는 내부 도전층(254) 및 제2 강유전체층(224)을 더 포함할 수 있다.
제2 강유전체층(224)은 도전층(210)과 제1 강유전체층(222)의 사이에 배치될 수 있다. 제2 강유전체층(224)은 제1 강유전체층(222)과 동일한 물질을 포함할 수 있고, 제1 강유전체층(222)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 제1 강유전체층(222) 및 제2 강유전체층(224)은 동일한 두께를 가질 수 있다. 이때, 제2 강유전체층(224)의 분극은 제1 강유전체층(222)의 분극과 동일한 방향으로 배향될 수 있다.
내부 도전층(254)이 제1 강유전체층(222)과 제2 강유전체층(224) 사이에 배치될 수 있다. 내부 도전층(254)은 금속, 그래핀 또는 그래핀 이외의 도전성 2차원 물질을 포함할 수 있다. 내부 도전층(254)은 제1 강유전체층(222) 및 제2 강유전체층(224)에 비해 얇은 두께를 가질 수 있다. 내부 도전층(254)은, 예컨대, 단일 분자층과 유사한 두께를 가질 수 있다.
내부 도전층(254)의 상면 및 하면은 제1 강유전체층(222)의 하면 및 제2 강유전체층(224) 상면과 각각 접할 수 있다. 내부 도전층(254)과 제1 강유전체층(222)의 경계 및 내부 도전층(254)과 제2 강유전체층(224) 경계에서, 표면플라즈몬 결합이 발생될 수 있다. 내부 도전층(254)은 제1 강유전체층(222) 및 제2 강유전체층(224)의 분극과 표면플라즈몬의 결합을 용이하게 함으로써, 공간 광 변조기의 위상 변조 특성을 향상시킬 수 있다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 공간 광 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10를 참조하면, 기판(200) 상에 도전층(210)을 형성할 수 있다. 도전층(210)을 형성하는 것은 기판(200) 상에 전자빔증착, 스퍼터링, 스프레이 증착 공정 또는 화학기상증착을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
도전층(210) 상에 제1 강유전체층(222)이 형성될 수 있다. 제1 강유전체층(222)을 형성하는 것은 도전층(210) 상에 스핀 코팅 공정 또는 랭뮈어-블로젯(Langmuir-Blogett) 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 강유전체층(222) 상에 도전성 나노 패턴(130)을 형성할 수 있다. 도전성 나노 패턴(130)을 형성하는 것은, 제1 강유전체층(222) 상에 도전성 박막(미도시)을 형성한 후, 그를 패터닝 하여 제1 강유전체층(222)의 상면의 일부를 노출시키는 것을 포함할 수 있다.
도 12을 참조하면, 제1 강유전체층(222)에 폴링(electrical poling) 공정을 수행할 수 있다. 폴링 공정은 제1 강유전체층(222)의 양단에 전압을 인가하여 전기적으로 분극되어 있는 쌍극자(dipole)들의 집합(domain)을 일정한 방향으로 정렬하는 공정일 수 있다. 제1 강유전체층(222)이 랭뮈어-블로젯(Langmuir-Blogett) 공정에 의해 증착 된 경우, 폴링 공정은 생략될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 상의 도전층;
상기 도전층 상의 제1 강유전체층;
상기 제1 강유전체층 상에 배치되어 상기 제1 강유전체층의 상면 일부를 노출하는 도전성 나노 패턴; 및
상기 도전성 나노 패턴과 연결된 배선을 포함하는 공간 광 변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 도전층 및 상기 도전성 나노 패턴은 서로 다른 전위 레벨을 갖는 공간 광 변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 도전층은 접지되고,
상기 도전성 나노 패턴은 상기 배선을 통하여 동작전압을 수신하도록 구성되는 공간 광 변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 도전성 나노 패턴은 상기 제1 강유전체층을 노출하는 개구부를 갖고,
상기 개구부는, 평면적 관점에서, 직사각형의 형상을 갖는 공간 광 변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 도전층과 상기 제1 강유전체층 사이의 제2 강유전체층; 및
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층 사이의 내부 도전층을 더 포함하는 공간 광 변조기. - 제5 항에 있어서,
상기 내부 도전층의 두께는 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 두께보다 얇은 공간 광 변조기. - 제5 항에 있어서,
상기 내부 도전층은 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층과 직접 접촉하는 공간 광 변조기. - 도전층;
상기 도전층 상에 2차원적으로 배열된 도전성의 슈퍼셀들;
상기 도전층 및 상기 슈퍼셀들의 사이에 배치된 제1 강유전체층; 및
상기 슈퍼셀들과 각각 연결된 배선들을 포함하는 공간 광 변조기. - 제8 항에 있어서,
상기 배선들과 연결되어 상기 슈퍼셀들의 각각에 독립적으로 전압을 인가하는 제어부를 더 포함하는 공간 광 변조기. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 강유전체층 및 상기 슈퍼셀들을 덮는 층간 절연층을 더 포함하되,
상기 배선들은 상기 층간 절연층을 관통하여 상기 슈퍼셀들의 상면에 접속되는 공간 광 변조기. - 제8 항에 있어서,
상기 슈퍼셀들의 각각은 상기 제1 강유전체층의 상면의 일부를 노출하는 복수의 개구부들을 갖는 공간 광 변조기. - 제11 항에 있어서,
상기 복수의 개구부들은 서로 다른 크기를 갖는 공간 광 변조기. - 제8 항에 있어서,
상기 도전층과 상기 제1 강유전체층 사이의 제2 강유전체층; 및
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층 사이의 내부 도전층을 더 포함하는 공간 광 변조기. - 제13 항에 있어서,
상기 내부 도전층의 두께는 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 두께보다 얇은 공간 광 변조기. - 제13 항에 있어서,
상기 내부 도전층은 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층과 직접 접촉하는 공간 광 변조기.
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2018
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