KR20200137641A - 복합 구조체, 광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치 - Google Patents

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김형준
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Abstract

근적외선 파장보다 작은 크기(dimension)를 가진 복수의 나노 구조물이 반복적으로 배열되어 있는 나노 구조물 어레이, 그리고 상기 나노 구조물 어레이에 인접하게 위치하고 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부를 포함하는 복합 구조체, 광학 필터, 이를 포함하는 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치에 관한 것이다.

Description

복합 구조체, 광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치{COMBINATION STRUCTURE AND OPTICAL FILTER AND IMAGE SENSOR AND CAMERA MODUEL AND ELECTRONIC DEVICE}
복합 구조체, 광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치에 관한 것이다.
근래, 영상을 전기적 신호로 저장하는 촬상 소자를 포함한 디지털 카메라, 캠코더 및 카메라가 내장된 휴대전화와 같은 전자 장치가 널리 사용되고 있다.
이러한 전자 장치는 가시광선 영역 이외의 광에 의한 광학적 왜곡을 줄이거나 방지하기 위한 광학 필터를 포함할 수 있다.
일 구현예는 얇은 두께로 가시광선 영역 이외의 광에 대하여 원하는 광학 특성을 구현할 수 있는 복합 구조체를 제공한다.
다른 구현예는 상기 복합 구조체를 포함하는 광학 필터를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 복합 구조체 또는 상기 광학 필터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 복합 구조체 또는 상기 광학 필터를 포함하는 카메라 모듈을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 복합 구조체, 상기 광학 필터, 상기 이미지 센서 또는 상기 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 근적외선 파장보다 작은 크기(dimension)를 가진 복수의 나노 구조물이 반복적으로 배열되어 있는 나노 구조물 어레이, 그리고 상기 나노 구조물 어레이에 인접하게 위치하고 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부를 포함하는 복합 구조체를 제공한다.
상기 흡광부는 상기 복수의 나노 구조물의 하부, 상부 및 측부 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물과 상기 흡광부는 맞닿아 있을 수 있다.
상기 근적외선 파장은 약 700nm 초과 1200nm 이하에 속할 수 있다.
상기 근적외선 파장은 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
상기 나노 구조물의 폭은 약 100nm 내지 500nm일 수 있고, 상기 나노 구조물의 두께는 약 50nm 내지 500nm일 수 있다.
상기 나노 구조물은 940nm에서의 굴절률 약 2.4 이상의 고굴절 물질을 포함할 수 있다.
상기 나노 구조물은 티타늄 산화물, 실리콘, 알루미늄, III-V 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 근적외선 흡수 물질은 약 700nm 초과 1200nm 이하의 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수할 수 있다.
상기 근적외선 흡수 물질의 최대 흡수 파장은 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
상기 흡광부의 굴절률은 상기 나노 구조물의 굴절률보다 낮을 수 있다.
940nm에서의 상기 흡광부의 굴절률은 약 1.8 이하일 수 있다.
상기 근적외선 흡수 물질은 퀀텀닷, 퀴노이드 금속 착화합물, 폴리메틴 화합물, 시아닌 화합물, 프탈로시아닌 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프탈로시아닌 화합물, 임모늄 화합물, 디임모늄 화합물, 트리아릴메탄 화합물, 디피로메텐 화합물, 안트라퀴논 화합물, 디퀴논 화합물, 나프토퀴논 화합물, 스쿠아릴륨 화합물, 릴렌 화합물, 퍼릴렌 화합물, 피릴륨 화합물, 스쿠아레인 화합물, 티오피릴륨 화합물, 디케토피롤로피롤 화합물, 보론 디피로메텐 화합물, 니켈-디티올 착화합물, 크로코늄 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 복합 구조체의 광학 스펙트럼은 약 700nm 초과 1200nm 파장 영역에 속하는 최대 흡수 파장을 가질 수 있고, 상기 최대 흡수 파장에서의 흡광율은 약 50% 이상일 수 있다.
상기 최대 흡수 파장은 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
상기 복합 구조체의 광학 스펙트럼은 약 700nm 초과 1200nm 파장 영역에 속하는 최소 투과 파장을 가질 수 있고, 상기 최소 투과 파장에서의 투광도는 약 35% 이하일 수 있다.
상기 최소 투과 파장은 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
상기 복합 구조체는 기재층을 더 포함할 수 있고, 상기 기재층의 굴절률은 상기 나노 구조물의 굴절률보다 낮을 수 있다.
상기 복합 구조체의 두께는 약 1㎛ 이하일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 복합 구조체를 포함하는 광학 필터를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 복수의 광 다이오드를 포함하는 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판 위에 위치하고 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 차단하는 광학 필터를 포함하고, 상기 광학 필터는 상기 복합 구조체를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판 위에 위치하고 상기 광학 필터의 하부 또는 상부에 위치하는 색 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 가시광선 파장 영역의 전부와 근적외선 파장 영역의 일부를 투과시키는 듀얼 밴드 패스 필터를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광학 필터 또는 상기 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈을 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 복합 구조체, 상기 광학 필터, 상기 이미지 센서 또는 상기 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공한다.
얇은 두께로 가시광선 영역 이외의 광에 대하여 원하는 광학 특성을 효과적으로 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고,
도 2는 도 1의 복합 구조체의 단면도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 복합 구조체의 흡광 원리를 보여주는 시뮬레이션 사진이고,
도 4는 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고,
도 5는 도 4의 복합 구조체의 단면도이고,
도 6은 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 흡광 원리를 보여주는 시뮬레이션 사진이고,
도 7은 또 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고,
도 8은 도 7의 복합 구조체의 단면도이고,
도 9는 또 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고,
도 10은 도 9의 복합 구조체의 단면도이고,
도 11은 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 다른 예를 도시한 개략도이고
도 13은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 도시한 단면도이고,
도 14는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 15는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 16은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 17은 실시예 1에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 18은 비교예 1에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 19는 비교예 2에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 20은 실시예 3에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 21은 비교예 3에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 22는 비교예 4에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 23은 실시예 4에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 24는 비교예 5에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고,
도 25는 비교예 6에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이다.
이하, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 복합 구조체에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고, 도 2는 도 1의 복합 구조체의 단면도이다.
일 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 나노 구조물 어레이(11), 흡광부(12) 및 기재층(13)을 포함한다.
나노 구조물 어레이(11)는 일명 메타물질(metamaterial) 또는 메타구조(metastructure)라 불리는 광학 특성을 가진 구조체일 수 있다. 나노 구조물 어레이(11)는 반복적으로 또는 주기적으로 배열되어 있는 복수의 나노 구조물(11a)을 포함하고, 복수의 나노 구조물(11a)은 예컨대 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 또는 주기적으로 배열되어 있을 수 있다. 복수의 나노 구조물(11a)은 규칙적으로 배열되어 있을 수도 있고 랜덤하게 배열되어 있을 수도 있다. 복수의 나노 구조물(11a)은 서로 분리되어 있을 수도 있고 서로 연결되어 있을 수도 있다.
나노 구조물(11a)은 소정의 폭(width, w) 및 두께(thickness, t)를 가진 3차원 구조물일 수 있으며, 예컨대 직육면체 모양, 정육면체 모양, 실린더 모양 또는 디스크 모양일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 나노 구조물(11a)의 단면 모양은 예컨대 직사각형 또는 정사각형일 수 있다.
복수의 나노 구조물(11a)은 소정의 주기(period, p) 및/또는 간격(gap, g)으로 배열될 수 있으며, 여기서 주기(p)는 인접한 나노 구조물(11a)의 중심 사이의 길이이고 간격(g)은 인접한 나노 구조물(11a)의 대향면 사이의 길이일 수 있다.
나노 구조물 어레이(11) 및/또는 나노 구조물(11a)은 소정 파장의 빛을 반사 또는 흡수하여 광학 특성을 나타낼 수 있으며, 예컨대 나노 구조물(11a)의 모양(shape), 기하(geometry), 크기(dimension), 방향(orientation) 및/또는 나노 구조물 어레이(11)의 배열(arrangement)을 조절하여 원하는 파장의 빛을 반사 또는 흡수할 수 있다. 일 예로, 나노 구조물(11a)의 크기는 반사 또는 흡수하고자 하는 빛의 파장보다 작은 서브파장(subwavelength)일 수 있다. 여기서 나노 구조물(11a)의 크기는 폭, 두께, 간격 및/또는 주기일 수 있으며, 나노 구조물(11a)이 실린더 또는 디스크 모양인 경우 폭은 직경(diameter)일 수 있다. 일 예로, 나노 구조물(11a)의 크기는 폭 및 두께일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물 어레이(11)는 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장의 광을 반사 또는 흡수할 수 있으며, 이때 나노 구조물(11a)의 크기는 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장보다 작을 수 있다. 여기서 근적외선 파장 영역은 약 700nm 초과 1200nm 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물(11a)의 폭(w)은 수 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 100nm 내지 800nm, 약 100nm 내지 500nm, 약 200nm 내지 500nm 또는 약 300nm 내지 500nm일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물(11a)의 두께(t)는 수 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 50nm 내지 800nm, 약 50nm 내지 700nm, 약 50nm 내지 600nm, 약 50nm 내지 500nm, 약 100nm 내지 500nm, 약 200nm 내지 500nm 또는 약 250nm 내지 500nm 일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물(11a)의 주기(p)는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 200nm 내지 800nm, 약 200nm 내지 700nm, 약 200nm 내지 600nm 또는 약 200nm 내지 500nm일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물(11a)의 간격(g)은 수십 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 50nm 내지 500nm, 약 50nm 내지 400nm, 약 70nm 내지 400nm, 약 70nm 내지 300nm 또는 약 80nm 내지 250nm 일 수 있다.
일 예로, 나노 구조물 어레이(11)는 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장의 광을 반사시킬 수 있으며, 예컨대 약 700nm 내지 1100nm의 파장 영역에서의 반사율은 약 80% 이상, 약 82% 이상, 약 85% 이상, 약 88% 이상, 약 90% 이상, 약 92% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 99% 이상 또는 약 100%일 수 있다. 일 예로, 나노 구조물 어레이(11)는 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장의 광을 실질적으로 흡수하지 않을 수 있으며, 예컨대 약 700nm 내지 1100nm의 파장 영역에서의 흡수율은 약 5% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하, 약 1% 이하, 약 0.5% 이하 또는 약 0%일 수 있다.
나노 구조물(11a)은 높은 굴절률을 가진 고굴절 물질을 포함할 수 있다. 굴절율은 파장별 분포를 가지며 약 900nm 내지 1000nm(예컨대 940nm)에서, 예컨대 약 2.0 이상, 약 2.3 이상, 약 2.4 이상, 약 2.5 이상, 약 3.0 이상, 약 3.5 이상 또는 약 4.0 이상의 굴절률을 가진 고굴절 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 나노 구조물(11a)의 굴절률은 약 2.0 내지 5.0, 약 2.3 내지 5.0, 약 2.4 내지 5.0, 약 2.5 내지 5.0, 약 3.0 내지 5.0, 약 2.0 내지 4.0, 약 2.3 내지 4.0, 약 2.4 내지 4.0, 약 2.5 내지 4.0, 약 3.0 내지 4.0 또는 약 2.0 내지 3.0 일 수 있다. 일 예로, 나노 구조물(11a)은 상기 굴절률을 가진 절연체, 도전체, 반도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물, 황화물, 금속, 반도체, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 티타늄 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 지르코늄 산화물, 실리콘, 알루미늄, III-V 반도체 화합물 또는 이들의 조합일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
흡광부(12)는 소정 파장 영역의 광을 흡수하는 영역으로, 나노 구조물 어레이(11)에 인접하게 위치하고 있으며 예컨대 나노 구조물 어레이(11)와 맞닿아 있을 수 있다. 흡광부(12)는 복수의 나노 구조물(11a)의 하부에 위치된 흡광층일 수 있으며 복수의 나노 구조물(11a)의 하부면과 맞닿아 있을 수 있다.
흡광부(12)는 소정 파장 영역의 빛을 흡수하는 흡광 물질을 포함한다. 흡광 물질은 1종 또는 2종 이상일 수 있으며 예컨대 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합일 수 있다.
일 예로, 흡광부(12)는 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함할 수 있다. 근적외선 흡수 물질은 약 700nm 초과 1200nm 이하의 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수할 수 있으며, 근적외선 흡수 물질의 최대 흡수 파장(maximum absorption wavelength, λmax,A)은 예컨대 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
근적외선 흡수 물질은 1종 또는 2종 이상일 수 있고, 근적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있는 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 유기물, 무기물, 유무기물 및/또는 이들의 조합일 수 있다.
근적외선 흡수 물질은 예컨대 퀀텀닷, 퀴노이드 금속 착화합물(quinoid metal complex), 폴리메틴(polymethine) 화합물, 시아닌(cyanine) 화합물, 프탈로시아닌(phthalocyanine) 화합물, 메로시아닌(merocyanine) 화합물, 나프탈로시아닌(naphthalocyanine) 화합물, 임모늄(immonium) 화합물, 디임모늄(diimmonium) 화합물, 트리아릴메탄(triarylmethane) 화합물, 디피로메텐(dipyrromethene) 화합물, 안트라퀴논(anthraquinone) 화합물, 디퀴논(diquinone) 화합물, 나프토퀴논(naphthoquinone) 화합물, 스쿠아릴륨(squarylium) 화합물, 릴렌(rylene) 화합물, 퍼릴렌(perylene) 화합물, 피릴륨(pyrylium) 화합물, 스쿠아레인(squaraine) 화합물, 티오피릴륨(thiopyrylium) 화합물, 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole) 화합물, 보론 디피로메텐(boron-dipyrromethene) 화합물, 니켈-디티올 착화합물(nickel-dithiol complex), 크로코늄(croconium) 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 근적외선 흡수 물질을 포함한 흡광부(12)의 근적외선 파장 영역에서의 굴절률은 약 2.0 이하 또는 약 1.8 이하일 수 있고 예컨대 약 1.1 내지 2.0 또는 약 1.1 내지 1.8일 수 있고, 예컨대 약 900nm 내지 1000nm 파장 영역(예컨대 940nm)에서의 굴절률은 약 2.0 이하 또는 약 1.8 이하일 수 있고 예컨대 약 1.1 내지 2.0 또는 약 1.1 내지 1.8일 수 있다. 일 예로, 근적외선 흡수 물질을 포함한 흡광부(12)의 근적외선 파장 영역에서의 흡광계수는 약 0.01 내지 0.5일 수 있고, 예컨대 약 900nm 내지 1000nm 파장 영역(예컨대 940nm)에서의 흡광계수는 약 0.01 내지 0.5일 수 있다.
흡광부(12)는 전술한 근적외선 흡수 물질을 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있으며 예컨대 조성물의 경화물을 포함할 수 있다.
조성물은 전술한 근적외선 흡수 물질 외에, 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 바인더는 예컨대 유기 바인더, 무기 바인더, 유무기 바인더 또는 이들의 조합일 수 있으며, 근적외선 흡수 물질과 혼합되거나 근적외선 흡수 물질을 분산시키거나 근적외선 흡수 물질을 결착시킬 수 있는 물질이면 특별히 한정되지 않는다. 바인더는 예컨대 경화성 바인더일 수 있으며, 예컨대 열경화성 바인더, 광경화성 바인더 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
바인더는 예컨대 (메타)아크릴((meth)acryl) 바인더, 메틸셀룰로오즈(methyl cellulose), 에틸셀룰로오즈(ethyl cellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로오즈(hydroxypropyl methyl cellulose, HPMC), 히드록시프로필셀룰로오즈(hydroxylpropyl cellulose, HPC), 잔탄검(xanthan gum), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 사이클릭 올레핀 고분자(cyclic olefin polymer, COP), 카르복시메틸셀룰로오즈(carboxy methyl cellulose), 히드록시에틸셀룰로오즈(hydroxyl ethyl cellulose), 실리콘(silicone), 유-무기 혼합 물질(Organic-inorganic hybrid materials), 이들의 공중합체 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
근적외선 흡수 물질은 바인더 100 중량부에 대하여 예컨대 약 0.01 내지 50 중량부로 포함될 수 있고, 예컨대 약 0.01 내지 30 중량부로 포함될 수 있고, 예컨대 약 0.01 내지 20 중량부로 포함될 수 있고, 예컨대 약 0.01 내지 15 중량부로 포함될 수 있고, 예컨대 약 0.01 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
조성물은 전술한 근적외선 흡수 물질과 바인더 외에, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다.
조성물은 후술하는 기재층(13) 위에 코팅 및 건조될 수 있고 선택적으로 경화될 수 있다. 코팅은 예컨대 스핀 코팅(spin coating), 슬릿 코팅(slit coating), 바 코팅(bar coating), 블래이드 코팅(blade coating), 슬롯 다이 코팅(slot die coating) 및/또는 잉크젯 코팅(inkjet coating)일 수 있다. 건조는 예컨대 자연 건조, 열풍 건조 또는 상술한 용매의 비점 이상의 온도로 열처리하여 수행될 수 있다. 경화는 열 경화, 광 경화 또는 이들의 조합일 수 있다.
흡광부(12)의 두께는 약 1nm 내지 1000nm일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 10nm 내지 1000nm, 약 10nm 내지 700nm, 약 10nm 내지 500nm 또는 약 10nm 내지 300nm일 수 있다.
기재층(13)은 나노 구조물 어레이(11)와 흡광부(12)의 하부에 위치하여 나노 구조물 어레이(11)와 흡광부(12)를 지지한다. 기재층(13)은 투명 기재층일 수 있으며 예컨대 약 400nm 내지 1000nm의 파장 영역에서 약 85% 이상 또는 약 90% 이상의 투광율을 가질 수 있다.
기재층(13)은 나노 구조물(11a)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 예컨대 900nm 내지 1000nm(예컨대 940nm)에서 약 1.7 이하의 굴절률을 가질 수 있고, 예컨대 약 1.4 내지 1.7의 굴절률을 가질 수 있다. 기재층(13)은 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물, 황화물, 불화물, 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 유리, 산화규소, 산화알루미늄, 불화마그네슘, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트 또는 이들의 조합일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
복합 구조체(10)의 두께는 약 10㎛ 이하, 약 5㎛ 이하, 약 3㎛ 이하, 약 2㎛ 이하, 약 1㎛ 이하, 약 900nm 이하, 약 800nm 이하, 약 700nm 이하, 약 600nm 이하 또는 약 500nm 이하일 수 있다. 예컨대 복합 구조체(10)의 두께는 약 100nm 내지 10㎛, 약 100nm 내지 5㎛, 약 100nm 내지 3㎛, 약 100nm 내지 2㎛, 약 100nm 내지 1㎛, 약 100nm 내지 900nm, 약 100nm 내지 800nm, 약 100nm 내지 700nm, 약 100nm 내지 600nm 또는 약 100nm 내지 500nm 일 수 있다.
복합 구조체(10)는 나노 구조물 어레이(11)와 흡광부(12)의 조합에 의해 얇은 두께에서 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있다. 이는 메타물질 또는 메타구조라 불리는 나노 구조물 어레이(11)의 특이한 광학 특성에 기인한 것으로, 나노 구조물 어레이(11) 및/또는 나노 구조물(11a)은 입사된 소정 파장의 빛을 가둘 수 있고 나노 구조물 어레이(11) 및/또는 나노 구조물(11a)에 갇힌 빛이 인접한 흡광부(12)에서 다중 흡수되면서 높은 흡광 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 다중 흡수에 의한 흡광량은 나노 구조물 어레이(11)가 없는 구조, 즉 평면 구조에서 입사된 빛이 흡광부(12)를 한번 통과하면서 흡수되는 흡광량과 비교하여 현저히 높을 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 복합 구조체의 흡광 원리를 보여주는 시뮬레이션 사진이다.
도 3을 참고하면, 서브파장의 크기를 가진 나노 구조물(11a)의 상부에서 입사된 빛은 나노 구조물(11a) 내에 가두어지고 나노 구조물(11a)에 갇힌 빛은 에바네센트 파(evanescent wave)에 의해 흡광부(12)로 유입되어 다중 흡수되면서 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있다.
일 예로, 나노 구조물 어레이(11)는 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장의 광을 반사 또는 흡수할 수 있도록 설계되고 흡광부(12)는 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함할 수 있으며, 이에 따라 복합 구조체(10)는 가시광선 파장 영역의 광을 효과적으로 투과시킬 수 있고 근적외선 파장 영역의 광을 효과적으로 흡수할 수 있다.
이때, 복합 구조체(10)의 광학 스펙트럼은 약 700nm 초과 1200nm 파장 영역에서 최대 흡수 파장(λmax,A) 및 최소 투과 파장(λmin,T)을 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에서 최대 흡수 파장(λmax,A) 및 최소 투과 파장(λmin,T)을 가질 수 있다. 복합 구조체(10)의 최대 흡수 파장(λmax,A)에서의 흡광율은 약 50% 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 55% 이상, 약 60% 이상, 약 65% 이상 또는 약 70% 이상일 수 있다. 복합 구조체(10)의 최소 투과 파장(λmin,T)에서의 투광도는 약 35% 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 32% 이하, 약 30% 이하, 약 28% 이하, 약 25% 이하, 약 22% 이하, 약 20% 이하, 약 18% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하 또는 약 5% 이하일 수 있다.
이하 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체에 대하여 설명한다.
도 4는 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고, 도 5는 도 4의 복합 구조체의 단면도이다.
본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 복수의 나노 구조물(11a)을 포함하는 나노 구조물 어레이(11); 흡광부(12); 및 기재층(13)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 달리, 나노 구조물 어레이(11)와 흡광부(12)가 같은 층에 위치되어 있다. 예컨대 흡광부(12)는 복수의 나노 구조물(11a)의 측부에 위치될 수 있으며, 흡광부(12)는 나노 구조물(11a)의 측부에 맞닿아 있을 수 있다.
또한, 본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 달리, 나노 구조물 어레이(11)와 흡광부(12)의 상부에 위치하는 보호층(14)을 더 포함한다. 보호층(14)은 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물, 불화물, 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 유리, 산화규소, 불화마그네슘, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트 또는 이들의 조합일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 보호층(14)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
도 6은 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 흡광 원리를 보여주는 시뮬레이션 사진이다.
도 6을 참고하면, 서브파장의 크기를 가진 나노 구조물(11a)의 상부에서 입사된 빛은 나노 구조물(11a) 중심으로 가두어지고 나노 구조물(11a)에 갇힌 빛은 에바네센트 파에 의해 측부에 위치한 흡광부(12)로 유입되어 다중 흡수되면서 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있다.
이하 또 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체에 대하여 설명한다.
도 7은 또 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고, 도 8은 도 7의 복합 구조체의 단면도이다.
본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 복수의 나노 구조물(11a)을 포함하는 나노 구조물 어레이(11); 흡광부(12); 기재층(13); 및 선택적으로 보호층(14)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 달리, 흡광부(12)가 나노 구조물 어레이(11)의 하부 및 나노 구조물 어레이(11)와 같은 층에 위치되어 있다. 예컨대 흡광부(12)는 복수의 나노 구조물(11a)의 측부 및 하부에 위치할 수 있으며 흡광부(12)는 나노 구조물(11a)의 측부와 하부에서 각각 맞닿아 있을 수 있다.
이하 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체에 대하여 설명한다.
도 9는 또 다른 일 구현예에 따른 복합 구조체의 일 예를 보여주는 모식도이고, 도 10은 도 9의 복합 구조체의 단면도이다.
본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 복수의 나노 구조물(11a)을 포함하는 나노 구조물 어레이(11); 흡광부(12); 및 기재층(13)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 복합 구조체(10)는 전술한 구현예와 달리, 흡광부(12)가 나노 구조체 어레이(11)의 상부 및 측부에 위치되어 있다. 예컨대 흡광부(12)는 나노 구조물(11a)의 상부 및 측부에 각각 맞닿아 있을 수 있다.
전술한 복합 구조체(10)는 원하는 파장의 빛의 흡수를 높임으로써 얇은 두께에서 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있고, 이에 따라 얇은 두께의 광학 필터를 구현할 수 있다. 일 예로, 근적외선 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있도록 설계된 복합 구조체(10)는 가시광선 파장 영역의 광을 효과적으로 투과시키고 근적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있어서 이미지 센서와 같이 광을 센싱하는 센서에서 근적외선 파장 영역의 광을 차단하는 광학 필터로 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 복합 구조체(10)는 전술한 바와 같이 얇은 두께에서 충분한 흡광 특성을 나타냄으로써 이미지 센서와 같은 센서 내에 일체화되어 내부 광학 필터를 구현할 수 있다.
복합 구조체(10)는 광학 필터로서 소정 파장 영역의 광을 필터하기 위한 모든 용도에 적용될 수 있으며, 예컨대 근적외선 파장 영역의 광을 필터하기 위한 근적외선 차단 필터로 효과적으로 적용될 수 있다. 광학 필터는 예컨대 이미지 센서, 카메라 모듈 및 이를 포함하는 전자 장치에 유용하게 적용될 수 있다. 전자 장치는 디지털 카메라, 캠코더, CCTV와 같은 감시용 카메라, 자동차용 카메라, 의료기기용 카메라, 카메라가 내장 또는 외장된 휴대전화, 카메라가 내장 또는 외장된 컴퓨터, 카메라가 내장 또는 외장된 랩탑 컴퓨터 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 전술한 복합 구조체(10)가 구비된 카메라 모듈의 일 예를 설명한다.
도 11은 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 11을 참고하면, 카메라 모듈(20)은 렌지 배럴(21), 하우징(22), 광학 필터(10A) 및 이미지 센서(23)를 포함한다.
렌즈 배럴(21)은 피사체를 촬상하는 하나 이상의 렌즈를 포함하며, 렌즈는 광축 방향을 따라 배치되어 있을 수 있다. 여기서 광축 방향은 렌즈 배럴(21)의 상하 방향일 수 있다. 렌즈 배럴(21)은 하우징(22) 내부에 수용되어 있으며, 하우징(22)과 결합되어 있을 수 있다. 렌즈 배럴(21)은 하우징(22) 내에서 오토 포커싱을 위하여 광축 방향으로 이동될 수 있다.
하우징(22)은 렌즈 배럴(21)을 지지하고 수용하기 위한 것으로, 하우징(22)은 광축 방향으로 개방된 형상일 수 있다. 따라서 하우징(22)의 일면에서 입사된 광은 렌즈 배럴(21) 및 광학 필터(10A)를 통해 이미지 센서(21)에 도달할 수 있다.
하우징(22)은 렌즈 배럴(21)을 광축 방향으로 이동시키기 위한 액추에이터가 구비될 수 있다. 액추에이터는 마그네트와 코일을 포함하는 보이스 코일 모터(VCM)를 포함할 수 있다. 그러나 액추에이터 외에 기계적 구동 방식이나 압전 소자를 이용한 압전 구동 방식 등 다양한 방식이 채용될 수 있다.
광학 필터(10A)는 전술한 복합 구조체(10)를 포함할 수 있으며, 전술한 바와 같다.
이미지 센서(23)는 피사체의 이미지를 집광시켜 데이터로 저장시킬 수 있으며, 저장된 데이터는 디스플레이 매체를 통하여 영상으로 표시될 수 있다.
이미지 센서(23)는 기판(도시하지 않음)에 실장되어 있을 수 있으며, 기판과 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 기판은 예컨대 인쇄회로기판(PCB)이거나 인쇄회로기판에 전기적으로 연결되어 있을 수 있으며, 인쇄회로기판은 예컨대 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있다.
이미지 센서(23)는 렌즈 배럴(21) 및 광학 필터(10A)를 통과한 광을 집광하여 영상신호를 생성하는 것으로, 상보성 금속 산화물 반도체(completementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 이미지 센서 및/또는 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 이미지 센서일 수 있다.
도 12는 다른 구현예에 따른 카메라 모듈의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 12를 참고하면, 본 구현예에 따른 카메라 모듈(20)은 전술한 구현예와 마찬가지로, 렌지 배럴(21), 하우징(22), 광학 필터(10A) 및 이미지 센서(23)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 카메라 모듈(20)은 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(10A)와 이미지 센서(23)가 맞닿아 있으며, 예컨대 광학 필터(10A)와 이미지 센서(23)가 일체형으로 구비되어 있을 수 있다.
이하 광학 필터 일체형 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서를 설명한다.
도 13은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70) 및 상부 절연층(80)을 포함하는 이미지 센서(23); 그리고 광학 필터(10A)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50a, 50b, 50c) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다. 예컨대 광 감지 소자(50a)는 후술하는 청색 필터(70a)를 통과한 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50a)일 수 있고 광 감지 소자(50b)는 후술하는 녹색 필터(70b)를 통과한 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 녹색 광 감지 소자(50b)일 수 있고 광 감지 소자(50c)는 후술하는 적색 필터(70c)를 통과한 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50c)일 수 있다. 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)와 전송 트랜지스터는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a), 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70b) 및 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70c)를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 청색 필터(70a), 녹색 필터(70b) 및 적색 필터(70c) 중 적어도 하나는 옐로우 필터(yellow filter), 시안 필터(cyan filter) 또는 마젠타 필터(magenta filter)로 대체될 수도 있다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 줄여 편평한 표면을 제공할 수 있다. 상부 절연층(80)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 유기 절연 물질로 만들어질 수 있다. 상부 절연층(80)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
상부 절연층(80) 위에는 광학 필터(10A)가 형성되어 있다. 광학 필터(10A)는 전술한 복합 구조체(10)일 수 있으며, 전술한 바와 같이 복수의 나노 구조물(11a)을 포함하는 나노 구조물 어레이(11); 흡광부(12); 및 기재층(13)을 포함하고, 예컨대 근적외선 파장 영역과 같이 가시광선 이외의 파장 영역의 광을 효과적으로 차단할 수 있다. 전술한 상부 절연층(80)이 복합 구조체(10)의 기재층(13)과 동일한 경우, 상부 절연층(80)과 기재층(13) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 복합 구조체(10)에 관한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광학 필터(10A) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 배치되어 있을 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 광학 필터(10A)가 집광 렌즈 위에 배치되어 있을 수도 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
집광 렌즈 위에는 듀얼 밴드패스 필터(dual bandpass filter)(도시하지 않음)가 배치되어 있을 수 있다. 듀얼 밴드패스 필터는 입사 광 중 적어도 두 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있으며, 예컨대 가시광선 파장 영역 및 근적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 광학 필터(10A)는 가시광선 영역의 광을 효과적으로 투과시키고 근적외선 영역과 같은 가시광선 이외의 영역의 광을 효과적으로 흡수 및 차단함으로써 이미지 센서에 순수한 가시광선 영역의 광을 전달할 수 있고 이에 따라 가시광선 영역의 광에 의한 신호와 비가시광선 영역, 특히 근적외선 파장 영역의 광에 의한 신호가 교차되거나 혼입되어 발생하는 크로스토크(crosstalk)를 줄이거나 방지할 수 있다.
특히 광학 필터(10A)는 약 10㎛ 이하, 약 5㎛ 이하, 약 3㎛ 이하, 약 2㎛ 이하 또는 약 1㎛ 이하의 얇은 두께를 가짐으로써 광학 필터(10A)와 이미지 센서(23)가 일체화된 일체형 이미지 센서(23A)로 구현될 수 있고 이에 따라 이미지 센서, 카메라 모듈 및 이를 구비한 전자 장치의 박형화를 실현할 수 있다.
도 14는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60) 및 색 필터 층(70)을 포함하는 이미지 센서(23); 그리고 광학 필터(10A)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(10A)가 색 필터 층(70)의 하부에 위치되어 있다. 도면에서는 광학 필터(10A)가 하부 절연층(60)과 색 필터 층(70) 사이에 위치되는 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 반도체 기판(110)과 하부 절연층(60) 사이에 위치되어 있을 수도 있다.
도 15는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 광 감지 소자(50a, 50b, 50c)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70) 및 상부 절연층(80)을 포함하는 이미지 센서(23), 그리고 광학 필터(10A)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 달리, 반도체 기판(110)에 적외선 파장 영역에 속하는 빛을 센싱하기 위한 광 감지 소자(50d)가 추가로 집적되어 있다. 색 필터 층(70)은 광 감지 소자(50d)에 대응하는 위치에 투명 필터 또는 백색 필터(도시하지 않음)를 포함하거나 별도의 필터 없이 빈 공간으로 둘 수 있다.
광학 필터(10A)는 청색 필터(70a), 녹색 필터(70b) 및 적색 필터(70c)의 상부 또는 하부에만 배치될 수 있으며 투명 필터 또는 백색 필터(70d)의 상부 또는 하부에는 배치되지 않을 수 있다.
듀얼 밴드패스 필터는 예컨대 가시광선 파장 영역 및 근적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
일 예로, 광 감지 소자(50d)는 이미지 센서의 저조도 환경에서의 감도를 개선하기 위한 보조 소자로 사용될 수 있다.
일 예로, 광 감지 소자(50d)는 근적외선 파장 영역의 광을 감지하는 적외선 센서로 사용될 수 있다. 적외선 센서는 흑백 명암을 단계적으로 상세 구분을 하는 정도인 동적 범위(dynamic range)를 넓힘으로써 가시광 화질 향상 및 원거리 정보 이미지의 감지 능력을 높일 수 있다. 적외선 센서는 예컨대 생체 인식 센서일 수 있으며 예컨대 홍채 센서, 거리 센서, 지문 센서, 혈관 분포 센서 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 16은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 광 감지 소자(50a, 50b, 50c, 50d)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60) 및 색 필터 층(70)을 포함하는 이미지 센서(23); 그리고 광학 필터(10A)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(10A)가 색 필터 층(70)의 하부에 위치되어 있다. 도면에서는 광학 필터(10A)가 하부 절연층(60)과 색 필터 층(70) 사이에 위치되는 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 반도체 기판(110)과 하부 절연층(60) 사이에 위치되어 있을 수도 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
근적외선 흡수필름의 제조 및 물성평가
근적외선 흡수 화합물 (Epolin, EpolightTM 1178) 0.1g, 사이클로 올레핀 고분자(poly[[octahydro-5-(methoxycarbonyl)-5-methyl-4,7-methano-1H-indene-1,3-diyl]-1,2-ethanediyl], Sigma-Aldrich, CAS No. 123322-60-1) 1g 및 클로로포름 25g을 혼합하여 조성물을 제조하고 SiO2 기재 위에 상기 조성물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 800nm 두께의 근적외선 흡수필름을 형성한다.
얻어진 근적외선 흡수필름의 물성을 확인한다.
투광도 및 흡광도는 UV-VIS-NIR spectrophotometer (Shimadzu Solid Spec-3700 DUV)를 사용하여 측정하고, 필름 두께는 Alpha-Step (KLA사, D-500 Stylus Profiler)를 사용하여 측정한다. 투광도와 필름 두께를 활용하여 아래의 관계식에 의해 흡광계수를 도출할 수 있다.
[관계식]
T(λ) = exp(-α(λ)d) = exp(-4π/λ x k(λ)d)
상기 관계식에서, T(λ)는 파장별 투과도, λ는 파장 (단위 nm), k(λ)는 파장별 흡광계수, d는 필름 두께 (단위 nm)를 나타낸다.
굴절률 및 흡광계수는 Ellipsometry 장비(J.A.Woollam 사)를 사용하여 편광 특성의 변화(Delta, Psi)로부터 측정한다. 이때, Ellipsometry로부터 얻은 흡광 계수는 관계식 1로부터 얻은 흡광계수와 일치함을 확인한다.
그 결과, 430nm 내지 680nm 가시광선 파장 영역에서의 평균 투광도는 94.5%, 890nm 내지 990nm 근적외선 파장 영역에서의 평균 투광도는 29.8%, 최소투과파장(λmin,T)은 960nm, 최소투과파장(λmin,T)에서의 투광도는 27.9%, 평균 굴절률(n)은 1.5 (@900nm-1000nm) 및 평균 흡광도(k)는 0.11(@900nm-1000nm)로 확인한다.
복합 구조체의 설계 및 평가 I
상기 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로, FDTD (Finite-different time domain, Lumerical 사) 소프트웨어로 나노 구조물 어레이와 흡광부를 포함하는 복합 구조체에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
실시예 1
하부로부터 SiO2 기재층/흡광층(두께: 200nm)/TiO2 나노 구조물 어레이가 적층된 구조체를 설정한다. 흡광층은 전술한 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로 한다.
TiO2 나노 구조물 어레이는 다음과 같은 TiO2 나노 구조물(굴절률: 2.5 @940nm)의 주기적 패턴을 설정한다.
- 모양: 직육면체
- 단면 모양: 정사각형
- 폭(w): 350nm,
- 두께(t): 425nm,
- 주기(p): 600nm,
- 간격(g): 250nm
비교예 1
흡광층 없이 SiO2 기재층/TiO2 나노 구조물 어레이의 적층 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 구조체를 설정한다.
비교예 2
TiO2 나노 구조물 어레이 없이 SiO2 기재층/흡광층(두께: 200nm)의 적층 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 구조체를 설정한다.
평가
실시예 1과 비교예 1, 2에 따른 구조체의 광학 특성을 평가한다.
그 결과는 표 1 및 도 17 내지 도 19와 같다.
도 17은 실시예 1에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 18은 비교예 1에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 19는 비교예 2에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
흡광율(@937nm)(%) 71 0 22
투과율(@937nm)(%) 5 < 1 75
반사율(@937nm)(%) 24 > 99 3
표 1과 도 17 내지 도 19를 참고하면, 실시예 1에 따른 구조체는 나노 구조물 어레이와 흡광층의 상보적 결합에 의하여 비교예 1, 2에 따른 구조체와 비교하여 흡광 특성이 현저히 높은 것을 확인할 수 있다. 실시예 1에 따른 구조체의 흡광율 71%는 비교예 1에 따른 구조체 및 비교예 2에 따른 구조체의 흡광율의 합인 22%보다 현저히 높은 값으로 단순히 두 물질의 조합이 아닌 메타 구조라 불리는 나노 구조물 어레이와 흡광층의 상보적 결합에 의한 새로운 광학 현상이 발생되었음을 확인할 수 있다.
복합 구조체의 설계 및 평가 II
상기 근적외선 흡수필름의 물성에서 TiO2 나노 구조물의 두께를 275nm로 변경한 것을 제외하고 전술한 실시예와 동일한 구조체를 설정하고, FDTD (Finite-different time domain, Lumerical 사) 소프트웨어로 나노 구조물 어레이와 흡광부를 포함하는 복합 구조체에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
실시예 1에 따른 구조체와 같이 TiO2 나노 구조물 어레이의 두께가 400nm 이상인 경우 TiO2 나노 구조물 어레이의 형성 단계에서 높은 종횡비(high aspect ratio)의 에칭 기술이 요구되므로, 높은 종횡비의 에칭 기술이 요구되지 않는 275nm 두께의 TiO2 나노 구조물 어레이를 사용할 때의 광학 특성을 평가한다.
실시예 2
하부로부터 SiO2 기재층/흡광층(두께: 200nm)/TiO2 나노 구조물 어레이(두께: 275nm)가 적층된 구조체를 설정한다. 흡광층은 전술한 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로 한다.
TiO2 나노 구조물 어레이는 다음과 같은 TiO2 나노 구조물의 주기적 패턴을 설정한다.
- 모양: 직육면체 (혹은 정사각형 기둥)
- 단면 모양: 정사각형
- 폭(w): 350nm,
- 두께(t): 275nm,
- 주기(p): 600nm,
- 간격(g): 250nm
비교예 3
흡광층 없이 SiO2 기재층/TiO2 나노 구조물 어레이의 적층 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 구조체를 설정한다.
비교예 4
TiO2 나노 구조물 어레이 없이 SiO2 기재층/흡광층(두께: 275nm)의 적층 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 구조체를 설정한다.
평가
실시예 2와 비교예 3, 4에 따른 구조체의 광학 특성을 평가한다.
그 결과는 표 2와 같다.
실시예 2 비교예 3 비교예 4
흡광율(@937nm)(%) 73 0 25
투과율(@937nm)(%) 11 < 2 72
반사율(@937nm)(%) 16 > 98 3
λmin,T (nm) 896 890 937
표 2를 참고하면, 실시예 2에 따른 구조체는 나노 구조물 어레이와 흡광층의 상보적 결합에 의하여 비교예 3, 4에 따른 구조체와 비교하여 흡광 특성이 현저히 높은 것을 확인할 수 있다.
복합 구조체의 설계 및 평가 III
상기 근적외선 흡수필름의 물성에서 평균 굴절률(n)은 1.5 (@900nm-1000nm) 및 평균 흡광도(k)는 0.08(@900nm-1000nm)로 변경한 것을 제외하고, FDTD (Finite-different time domain, Lumerical 사) 소프트웨어로 나노 구조물 어레이와 흡광부를 포함하는 복합 구조체에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
실시예 3
TiO2 나노 구조물 어레이와 흡광부(두께: 275nm)가 단일층에 위치하고 TiO2 나노 구조물 어레이의 측면과 흡광부가 맞닿아 있는 구조를 설정한다. 즉, SiO2 기재층 위에 TiO2 나노 구조물 어레이와 동일한 두께를 가지는 측면 흡광부(두께: 275nm)가 적층된 구조를 설정한다. 흡광부는 전술한 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로 한다.
TiO2 나노 구조물 어레이는 다음과 같은 TiO2 나노 구조물의 주기적 패턴을 설정한다.
- 모양: 직육면체
- 단면모양: 정사각형
- 폭(w): 350nm,
- 두께(t): 275nm,
- 주기(p): 600nm,
- 간격(g): 250nm
평가
실시예 3과 비교예 3, 4에 따른 구조체의 광학 특성을 평가한다.
그 결과는 표 3 및 도 20 내지 도 22와 같다.
도 20은 실시예 3에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 21은 비교예 3에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 22는 비교예 4에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이다.
실시예 3 비교예 3 비교예 4
흡광율(@λmax,A)(%) 82 0 25
투과율(@λmin,T)(%) 16 < 2 72
반사율(@λmax,A)(%) 2 > 98 3
λmax,A , λmin,T (nm) 934 890 937
표 3과 도 20 내지 도 22를 참고하면, 실시예 3에 따른 구조체는 나노 구조물 어레이와 흡광층의 상보적 결합에 의하여 비교예 3, 4에 따른 구조체와 비교하여 흡광 특성이 현저히 높은 것을 확인할 수 있다.
복합 구조체의 설계 및 평가 IV
상기 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로, FDTD (Finite-different time domain, Lumerical 사) 소프트웨어로 나노 구조물 어레이와 흡광부를 포함하는 복합 구조체에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
실시예 4
Si 나노 구조물 어레이와 흡광부(두께: 175nm)가 단일층에 위치하고 Si 나노 구조물 어레이의 측면과 흡광부가 맞닿아 있는 구조를 설정한다. 즉, SiO2 기재층/Si 나노 구조물 어레이와 흡광부(두께: 175nm)/SiO2 (두께:100nm)가 적층된 구조를 설정한다. 흡광부는 전술한 근적외선 흡수필름의 물성을 기초로 한다.
Si 나노 구조물 어레이는 다음과 같은 Si 나노 구조물(굴절률: 4.09 @940nm)의 주기적 패턴을 설정한다.
- 모양: 직육면체
- 단면모양: 정사각형
- 폭(w): 225nm,
- 두께(t): 175nm,
- 주기(p): 600nm,
- 간격(g): 375nm
비교예 5
흡광부 없이 SiO2 기재층의 전면에 Si 나노 구조물 어레이가 형성된 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 구조체를 설정한다.
비교예 6
Si 나노 구조물 어레이 없이 SiO2 기재층의 전면에 흡광부(두께: 175nm)가 형성된 구조로 설계한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 구조체를 설정한다.
평가
실시예 4와 비교예 5, 6에 따른 구조체의 광학 특성을 평가한다.
그 결과는 표 4 및 도 23 내지 도 25와 같다.
도 23은 실시예 4에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 24는 비교예 5에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이고, 도 25는 비교예 6에 따른 구조체의 광학 스펙트럼이다.
실시예 4 비교예 5 비교예 6
흡광율(@λmax,A)(%) 98 8 21
투과율(@λmin,T)(%) 1 23 76
반사율(@λmax,A)(%) 1 69 3
λmax,A , λmin,T (nm) 947 937 960
표 4와 도 23 내지 도 25를 참고하면, 실시예 4에 따른 구조체는 나노 구조물 어레이와 흡광층의 상보적 결합에 의하여 비교예 5, 6에 따른 구조체와 비교하여 흡광 특성이 현저히 높은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 복합 구조체 10A: 광학 필터
11: 나노 구조물 어레이 11a: 나노 구조물
12: 흡광부 13: 기재층
14: 보호층 20: 카메라 모듈
21: 렌지 배럴 22: 하우징
23: 이미지 센서 23A: 광학 필터 일체형 이미지 센서
50a, 50b, 50c, 50d: 광 감지 소자
60: 절연층 70: 색 필터 층
70a, 70b, 70c: 색 필터 70d: 투명 필터
110: 반도체 기판

Claims (28)

  1. 근적외선 파장보다 작은 크기(dimension)를 가진 복수의 나노 구조물이 반복적으로 배열되어 있는 나노 구조물 어레이, 그리고
    상기 나노 구조물 어레이에 인접하게 위치하고 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부
    를 포함하는 복합 구조체.
  2. 제1항에서,
    상기 흡광부는 상기 복수의 나노 구조물의 하부, 상부 및 측부 중 적어도 하나에 위치하는 복합 구조체.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 나노 구조물과 상기 흡광부는 맞닿아 있는 복합 구조체.
  4. 제1항에서,
    상기 근적외선 파장은 700nm 초과 1200nm 이하에 속하는 복합 구조체.
  5. 제4항에서,
    상기 근적외선 파장은 890nm 내지 990nm에 속하는 복합 구조체.
  6. 제1항에서,
    상기 나노 구조물의 폭은 100nm 내지 500nm이고,
    상기 나노 구조물의 두께는 50nm 내지 500nm인
    복합 구조체.
  7. 제1항에서,
    상기 나노 구조물은 940nm에서의 굴절률 2.4 이상의 고굴절 물질을 포함하는 복합 구조체.
  8. 제7항에서,
    상기 나노 구조물은 티타늄 산화물, 실리콘, 알루미늄, III-V 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 구조체.
  9. 제1항에서,
    상기 근적외선 흡수 물질은 700nm 초과 1200nm 이하의 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 복합 구조체.
  10. 제9항에서,
    상기 근적외선 흡수 물질의 최대 흡수 파장은 890nm 내지 990nm에 속하는 복합 구조체.
  11. 제1항에서,
    상기 흡광부의 굴절률은 상기 나노 구조물의 굴절률보다 낮은 복합 구조체.
  12. 제11항에서,
    940nm에서의 상기 흡광부의 굴절률은 1.8 이하인 복합 구조체.
  13. 제1항에서,
    상기 근적외선 흡수 물질은 퀀텀닷, 퀴노이드 금속 착화합물, 폴리메틴 화합물, 시아닌 화합물, 프탈로시아닌 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프탈로시아닌 화합물, 임모늄 화합물, 디임모늄 화합물, 트리아릴메탄 화합물, 디피로메텐 화합물, 안트라퀴논 화합물, 디퀴논 화합물, 나프토퀴논 화합물, 스쿠아릴륨 화합물, 릴렌 화합물, 퍼릴렌 화합물, 피릴륨 화합물, 스쿠아레인 화합물, 티오피릴륨 화합물, 디케토피롤로피롤 화합물, 보론 디피로메텐 화합물, 니켈-디티올 착화합물, 크로코늄 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 구조체.
  14. 제1항에서,
    상기 복합 구조체의 광학 스펙트럼은 700nm 초과 1200nm 파장 영역에 속하는 최대 흡수 파장을 가지고,
    상기 최대 흡수 파장에서의 흡광율은 50% 이상인 복합 구조체.
  15. 제14항에서,
    상기 최대 흡수 파장은 890nm 내지 990nm에 속하는 복합 구조체.
  16. 제1항에서,
    상기 복합 구조체의 광학 스펙트럼은 700nm 초과 1200nm 파장 영역에 속하는 최소 투과 파장을 가지고,
    상기 최소 투과 파장에서의 투광도는 35% 이하인 복합 구조체.
  17. 제16항에서,
    상기 최소 투과 파장은 890nm 내지 990nm에 속하는 복합 구조체.
  18. 제1항에서,
    기재층을 더 포함하고,
    상기 기재층의 굴절률은 상기 나노 구조물의 굴절률보다 낮은
    복합 구조체.
  19. 제1항에서,
    상기 복합 구조체의 두께는 1㎛ 이하인 복합 구조체.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 포함하는 광학 필터.
  21. 복수의 광 다이오드를 포함하는 반도체 기판, 그리고
    상기 반도체 기판 위에 위치하고 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 차단하는 광학 필터
    를 포함하고,
    상기 광학 필터는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 포함하는 이미지 센서.
  22. 제21항에서,
    상기 반도체 기판 위에 위치하고 상기 광학 필터의 하부 또는 상부에 위치하는 색 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  23. 제21항에서,
    가시광선 파장 영역의 전부와 근적외선 파장 영역의 일부를 투과시키는 듀얼 밴드 패스 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  24. 제20항에 따른 광학 필터를 포함하는 카메라 모듈.
  25. 제21항에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈.
  26. 제20항에 따른 광학 필터를 포함하는 전자 장치.
  27. 제24항에 따른 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치.
  28. 제25항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.




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