KR20210004749A - 광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치 - Google Patents
광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치 Download PDFInfo
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Abstract
근적외선 파장 영역에 속하는 제1 파장 영역의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부, 그리고 상기 제1 파장 영역에 속하는 제2 파장 영역의 광을 흡수 또는 반사하는 도전성 나노디스크를 포함하는 광학 필터, 이를 포함하는 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치에 관한 것이다.
Description
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 가시광선 영역 이외의 광에 의한 시인성 개선 효과를 위하여 광학 필터를 포함할 수 있다.
일 구현예는 얇은 두께로 가시광선 영역 이외의 광에 대하여 원하는 광학 특성을 구현할 수 있는 광학 필터를 제공한다.
다른 구현예는 상기 광학 필터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 광학 필터 또는 상기 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 광학 필터, 상기 이미지 센서 또는 상기 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 근적외선 파장 영역에 속하는 제1 파장 영역의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부, 그리고 상기 제1 파장 영역에 중첩하는 제2 파장 영역의 광을 흡수 또는 반사하는 도전성 나노디스크를 포함하는 광학 필터를 제공한다.
상기 흡광부는 상기 도전성 나노디스크의 하부, 상부 및 측부 중 적어도 하나에 맞닿아 있을 수 있다.
상기 도전성 나노디스크는 금속 나노디스크일 수 있다.
상기 도전성 나노디스크의 두께에 대한 직경의 비율은 약 8 이상일 수 있다.
상기 도전성 나노디스크의 직경은 약 80nm 내지 300nm일 수 있다.
상기 도전성 나노디스크의 두께는 약 1nm 내지 20nm일 수 있다.
상기 근적외선 흡수 물질의 투과 스펙트럼은 상기 제1 파장 영역에 속하는 제1 최소 투과 파장을 가질 수 있고, 상기 도전성 나노디스크의 투과 스펙트럼은 상기 제2 파장 영역에 속하는 제2 최소 투과 파장을 가질 수 있고, 상기 제1 최소 투과 파장과 상기 제2 최소 투과 파장은 각각 약 700nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
상기 제1 최소 투과 파장과 상기 제2 최소 투과 파장의 차이는 약 100nm 이하일 수 있다.
상기 광학 필터의 투과 스펙트럼은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 중첩하고 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역보다 각각 넓은 파장 폭을 가질 수 있다.
상기 광학 필터의 투과 스펙트럼의 50% 투과도에서의 파장 폭은 약 100nm 이상일 수 있다.
가시광선 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도의 비율은 약 0.18 이하일 수 있다.
430nm 내지 565nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도는 약 80% 이상일 수 있고, 700nm 내지 800nm 또는 890nm 내지 990nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도는 약 20% 이하일 수 있다.
700nm 내지 800nm 또는 890nm 내지 990nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 반사도는 약 30% 이하일 수 있다.
상기 도전성 나노디스크의 표면 커버율(surface coverage)은 약 5 내지 50%일 수 있다.
상기 광학 필터는 바인더 또는 그 경화물을 더 포함할 수 있고, 상기 도전성 나노디스크는 상기 도전성 나노디스크, 상기 근적외선 흡수 물질 및 상기 바인더 또는 그 경화물의 총 함량에 대하여 약 5 내지 30중량% 포함될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 복수의 광 다이오드를 포함하는 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판 위에 위치하는 상기 광학 필터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 이미지 센서는 상기 광학 필터의 하부 또는 상부에 위치하는 색 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 광학 필터, 상기 이미지 센서 또는 상기 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공한다.
얇은 두께로 가시광선 영역의 광의 투과율을 효과적으로 높이고 근적외선 영역의 광의 투과율을 효과적으로 낮출 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광학 필터의 일 예를 보여주는 모식도이고,
도 2 내지 4는 도 1의 광학 필터의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 카메라 모듈의 다른 예를 도시한 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 도시한 단면도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 9는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 11은 실시예 1과 기준예 1-1 및 1-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 12는 실시예 2와 기준예 2-1 및 2-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 13은 실시예 3과 기준예 3-1 및 3-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 14는 실시예 4와 기준예 4-1 및 4-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 2 내지 4는 도 1의 광학 필터의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 카메라 모듈의 다른 예를 도시한 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 도시한 단면도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 9는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 또 다른 예를 도시한 단면도이고,
도 11은 실시예 1과 기준예 1-1 및 1-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 12는 실시예 2와 기준예 2-1 및 2-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 13은 실시예 3과 기준예 3-1 및 3-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이고,
도 14는 실시예 4와 기준예 4-1 및 4-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
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 광학 필터를 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광학 필터의 일 예를 보여주는 모식도이고, 도 2 내지 4는 도 1의 광학 필터의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 광학 필터(100)는 흡광부(101), 복수의 도전성 나노디스크(102a) 및 기재층(103)을 포함한다.
흡광부(101)는 근적외선 파장 영역 중 적어도 일부의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하고, 근적외선 흡수 물질은 1종 또는 2종 이상일 수 있으며 예컨대 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합일 수 있다.
근적외선 흡수 물질은 근적외선 파장 영역에 속하는 소정 파장 영역(이하 ‘제1 파장 영역’이라 한다)의 광을 주로 흡수할 수 있으며, 제1 파장 영역은 예컨대 약 600nm 내지 1200nm 이하의 파장 영역에 속할 수 있다. 근적외선 흡수 물질의 투과 스펙트럼은 제1 파장 영역의 광의 흡수에 의해 제1 파장 영역에 속하는 제1 최소 투과 파장(minimum transmission wavelength, λmin,T1)을 가질 수 있으며, 최소 투과 파장(λmin,T1)은 예컨대 약 600nm 내지 1100nm, 약 600nm 내지 1000nm, 약 600nm 내지 990nm, 약 600nm 내지 900nm, 약 600nm 내지 800nm, 약 650nm 내지 1100nm, 약 650nm 내지 1000nm, 약 650nm 내지 990nm, 약 650nm 내지 900nm, 약 650nm 내지 800nm, 약 700nm 내지 1100nm, 약 700nm 내지 1000nm, 약 700nm 내지 990nm, 약 700nm 내지 900nm, 약 700nm 내지 800nm, 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 750nm 내지 990nm, 약 750nm 내지 900nm, 약 750nm 내지 800nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 990nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에 속할 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.
근적외선 흡수 물질을 포함한 흡광부(101)의 가시광선 및 근적외선 파장 영역(예컨대 약 400nm 내지 1000nm)에서의 (평균) 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. 예컨대 근적외선 흡수 물질을 포함한 흡광부(101)의 약 900nm 내지 1000nm 파장 영역(예컨대 940nm)에서의 (평균) 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(101)의 가시광선 및 근적외선 파장 영역(예컨대 약 400nm 내지 1000nm)에서의 (평균) 흡광계수는 약 0.01 내지 0.5일 수 있고, 예컨대 약 900nm 내지 1000nm 파장 영역(예컨대 940nm)에서의 (평균) 흡광계수는 약 0.01 내지 0.5 일 수 있다.
흡광부(101)의 두께는 약 1nm 내지 1000nm일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 10nm 내지 1000nm, 약 10nm 내지 800nm, 약 10nm 내지 700nm, 약 10nm 내지 500nm 또는 약 10nm 내지 300nm일 수 있다.
복수의 도전성 나노디스크(102a)는 주기적으로 또는 랜덤하게 배열되어 있으며, 흡광부(101)에 인접하게 위치하고 예컨대 흡광부(101)에 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 흡광부(101)는 도전성 나노디스크(102a)의 하부, 상부 및 측부 중 적어도 하나에 맞닿아 있을 수 있으며, 도전성 나노디스크(102a)는 흡광부(101)의 하부, 상부 및/또는 내부에 위치될 수 있다.
일 예로, 도 2를 참고하면, 복수의 도전성 나노디스크(102a)는 흡광부(101)의 하부에 위치할 수 있으며, 흡광부(101)는 도전성 나노디스크(102a)의 상부 및 측부에 맞닿아 있을 수 있다.
일 예로, 도 3을 참고하면, 복수의 도전성 나노디스크(102a)는 흡광부(101)의 내부에 분포될 수 있으며, 흡광부(101)는 도전성 나노디스크(102a)의 하부, 상부 및 측부에 맞닿아 있을 수 있다.
일 예로, 도 4를 참고하면, 복수의 도전성 나노디스크(102a)는 흡광부(101)의 상부에 위치할 수 있으며, 흡광부(101)는 도전성 나노디스크(102a)의 하부에 맞닿아 있을 수 있다.
도전성 나노디스크(102a)는 디스크 모양의 나노체로, 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance)으로 인해 소정 파장 영역의 빛을 흡수 또는 산란시킬 수 있는 나노체일 수 있다. 도전성 나노디스크(102a)는 예컨대 금속 나노디스크일 수 있으며 예컨대 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 국소 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 파장 영역(이하 ‘제2 파장 영역’이라 한다)은 전술한 근적외선 흡수 물질의 흡수 파장인 제1 파장 영역과 중첩될 수 있으며, 도전성 나노디스크(102a)는 제2 파장 영역의 광을 흡수 또는 산란시킬 수 있다. 예컨대 제2 파장 영역은 제1 파장 영역보다 좁을 수 있으며, 제1 파장 영역 내에 속할 수 있다.
제2 파장 영역은 예컨대 약 600nm 초과 1200nm 이하에 속할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 600nm 내지 1100nm, 약 600nm 내지 1000nm, 약 600nm 내지 990nm, 약 600nm 내지 900nm, 약 600nm 내지 800nm, 약 650nm 내지 1100nm, 약 650nm 내지 1000nm, 약 650nm 내지 990nm, 약 650nm 내지 900nm, 약 650nm 내지 800nm, 약 700nm 내지 1100nm, 약 700nm 내지 1000nm, 약 700nm 내지 990nm, 약 700nm 내지 900nm, 약 700nm 내지 800nm, 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 750nm 내지 990nm, 약 750nm 내지 900nm, 약 750nm 내지 800nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 990nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
도전성 나노디스크(102a)는 제2 파장 영역에 속하는 광의 흡수 또는 산란에 의하여 제2 파장 영역의 광을 효과적으로 차단할 수 있다. 도전성 나노디스크(102a)의 투과 스펙트럼은 제2 파장 영역에 속하는 제2 최소 투과 파장(λmin,T2)을 가질 수 있으며, 제2 최소 투과 파장(λmin,T2)은 약 600nm 내지 1100nm, 약 600nm 내지 1000nm, 약 600nm 내지 990nm, 약 600nm 내지 900nm, 약 600nm 내지 800nm, 약 650nm 내지 1100nm, 약 650nm 내지 1000nm, 약 650nm 내지 990nm, 약 650nm 내지 900nm, 약 650nm 내지 800nm, 약 700nm 내지 1100nm, 약 700nm 내지 1000nm, 약 700nm 내지 990nm, 약 700nm 내지 900nm, 약 700nm 내지 800nm, 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 750nm 내지 990nm, 약 750nm 내지 900nm, 약 750nm 내지 800nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 990nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
일 예로, 근적외선 흡수 물질의 제1 최소 투과 파장(λmin,T1)과 도전성 나노디스크(102a)의 제2 최소 투과 파장(λmin,T2)은 예컨대 약 600nm 내지 1100nm, 약 600nm 내지 1000nm, 약 600nm 내지 990nm, 약 600nm 내지 900nm, 약 600nm 내지 800nm, 약 650nm 내지 1100nm, 약 650nm 내지 1000nm, 약 650nm 내지 990nm, 약 650nm 내지 900nm, 약 650nm 내지 800nm, 약 700nm 내지 1100nm, 약 700nm 내지 1000nm, 약 700nm 내지 990nm, 약 700nm 내지 900nm, 약 700nm 내지 800nm, 약 750nm 내지 1100nm, 약 750nm 내지 1000nm, 약 750nm 내지 990nm, 약 750nm 내지 900nm, 약 750nm 내지 800nm, 약 800nm 내지 1000nm, 약 800nm 내지 990nm, 약 850nm 내지 990nm, 약 870nm 내지 990nm 또는 약 890nm 내지 990nm에 속할 수 있다.
일 예로, 근적외선 흡수 물질의 제1 최소 투과 파장(λmin,T1)과 도전성 나노디스크(102a)의 제2 최소 투과 파장(λmin,T2)의 차이는 약 100nm 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 80nm 이하, 약 70nm 이하, 약 50nm 이하, 약 40nm 이하, 약 30nm 이하, 약 20nm 이하 또는 약 10nm 이하일 수 있다.
도전성 나노디스크(102a)는 제2 파장 영역의 광을 흡수 또는 반사시킬 수 있는 소정 모양 및 크기(dimension)를 가진 3차원 구조물일 수 있으며, 여기서 크기는 직경(diameter, d) 및 두께(thickness, t)일 수 있다.
일 예로, 도전성 나노디스크(102a)는 평평한 표면을 가진 얇은 나노체일 수 있으며, 도전성 나노디스크(102a)의 두께(t)에 대한 직경(d)의 비율은 예컨대 약 8 이상, 약 9 이상, 약 10 이상, 약 12 이상 또는 약 15 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 8 내지 20, 약 9 내지 20, 약 10 내지 20, 약 12 내지 20 또는 약 15 내지 20일 수 있다.
일 예로, 도전성 나노디스크(102a)의 직경(d)은 수십 나노미터 내지 수백 나노미터일 수 있으며, 예컨대 약 80nm 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 80nm 내지 500nm, 약 80nm 내지 400nm, 80nm 내지 300nm 또는 80nm 내지 200nm일 수 있다.
일 예로, 도전성 나노디스크(102a)의 두께(t)는 수 나노미터 내지 수십 나노미터일 수 있으며, 예컨대 약 60nm 이하, 약 40nm 이하, 약 30nm 이하 또는 약 20nm 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1nm 내지 60nm, 약 1nm 내지 50nm, 약 1nm 내지 40nm, 약 1nm 내지 30nm, 약 1nm 내지 20nm 또는 약 1nm 내지 10nm일 수 있다.
도전성 나노디스크(102a)는 광학 필터(100)의 총 면적에 대하여 약 50% 이하의 표면 커버율(surface coverage)을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1% 내지 50%, 약 3% 내지 50%, 약 5% 내지 50%, 약 5% 내지 40%, 약 5% 내지 30%, 약 5 내지 20%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 40% 또는 약 10% 내지 30%일 수 있다. 여기서 표면 커버율은 광학 필터(100)의 총 면적 대비 복수의 도전성 나노디스크(102a)가 차지하는 면적일 수 있고 예컨대 전자현미경, 원자현미경 또는 표면분석장치 등을 사용하여 이미지를 분석하여 측정할 수 있다.
기재층(103)은 복수의 도전성 나노디스크(102a)와 흡광부(101)의 하부에 위치하여 복수의 도전성 나노디스크(102a)와 흡광부(101)를 지지한다. 기재층(103)은 투명 기재층일 수 있으며 예컨대 약 400nm 내지 1000nm의 파장 영역에서 약 85% 이상 또는 약 90% 이상의 투광율을 가질 수 있다.
기재층(103)은 도전성 나노디스크(102a)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 예컨대 가시광선 및 근적외선 파장 영역(예컨대 약 400nm 내지 1000nm)에서 약 1.7 이하의 굴절률을 가질 수 있고, 예컨대 약 1.4 내지 1.7의 굴절률을 가질 수 있고, 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(103)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.
일 예로, 전술한 복수의 도전성 나노디스크(102a)와 흡광부(101)는 도전성 나노디스크(102a)와 근적외선 흡수 물질을 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
조성물은 전술한 복수의 도전성 나노디스크(102a)와 근적외선 흡수 물질 외에, 선택적으로 바인더를 더 포함할 수 있다. 바인더는 투명 고분자일 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), 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.
광학 필터(100)는 근적외선 흡수 물질 및/또는 바인더의 경화물을 포함할 수 있다.
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.
도전성 나노디스크(102a)는 도전성 나노디스크(102a), 근적외선 흡수 물질 및 바인더 또는 그 경화물의 총 함량에 대하여 약 5중량% 이상 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 약 5 내지 50중량%, 약 5 내지 40중량%, 약 5 내지 30중량% 또는 약 5 내지 20중량%로 포함될 수 있다.
조성물은 전술한 도전성 나노디스크(102a), 근적외선 흡수 물질과 바인더 외에, 선택적으로 용매를 더 포함할 수 있다.
조성물은 기재층(103) 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.
일 예로, 전술한 복수의 도전성 나노디스크(102a)는 증착 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있고 흡광부(101)는 근적외선 흡수 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.
광학 필터(100)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 광학 필터(100)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.
광학 필터(100)는 복수의 도전성 나노디스크(102a)와 흡광부(101)의 조합에 의해 얇은 두께에서 근적외선 파장 영역의 빛에 대하여 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 광학 필터(100)는 도전성 나노디스크(102a)와 흡광부(101)의 계면에서 발생하는 국소 표면 플라즈몬 공명에 의해 근적외선 파장 영역의 빛을 산란시키고 인접하게 위치하는 흡광부(101)가 산란된 빛을 다중 흡수하면서 근적외선 파장 영역의 빛에 대하여 높은 흡광 효과를 낼 수 있다. 이러한 다중 흡수에 의한 흡광량은 복수의 도전성 나노디스크(102a)가 없는 구조, 즉 평면 구조에서 입사된 빛이 흡광부(101)를 한번 통과하면서 흡수되는 흡광량과 비교하여 현저히 높을 수 있다.
이에 따라 광학 필터(100)의 투과 스펙트럼은 흡광부(101)에서 흡수하는 제1 파장 영역과 도전성 나노디스크(102a)에서 흡수 또는 산란시키는 제2 파장 영역과 각각 중첩하면서 제1 파장 영역과 제2 파장 영역보다 각각 넓은 파장 폭을 가질 수 있다. 예컨대 광학 필터(100)의 투과 스펙트럼의 50% 투과도에서의 파장 폭은 약 100nm 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 120nm 이상, 약 140nm 이상, 약 150nm 이상, 약 180nm 이상, 약 200nm 이상, 약 210nm 이상, 약 220nm 이상, 약 230nm 이상, 약 240nm 이상 또는 약 250nm 이상일 수 있고, 약 100nm 내지 300nm, 약 120nm 내지 300nm, 약 140nm 내지 300nm, 약 150nm 내지 300nm, 약 180nm 내지 300nm, 약 200nm 내지 300nm, 약 210nm 내지 300nm, 약 220nm 내지 300nm, 약 230nm 내지 300nm, 약 240nm 내지 300nm 또는 약 250nm 내지 300nm 일 수 있다. 따라서 광학 필터(100)는 근적외선 파장 영역에서 넓은 파장 폭에서 높은 흡광 특성을 나타낼 수 있다.
한편, 광학 필터(100)는 흡광부(101)와 도전성 나노디스크(102a)의 조합에 의해 흡광부(101) 단독 또는 도전성 나노디스크(102a) 단독일 경우와 비교하여 가시광선 파장 영역의 광의 투과도를 높일 수 있다.
이에 따라 광학 필터(100)는 가시광선 파장 영역의 광에 대한 투과도를 높이고 근적외선 파장 영역의 흡수도를 높여 근적외선 파장 영역에 대한 선택적 차단 효과를 더욱 높일 수 있다.
일 예로, 가시광선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도(TVIS)는 약 80% 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 85% 이상, 약 88% 이상, 약 90% 이상, 약 93% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상 또는 약 99% 이상일 수 있다. 여기서 가시광선 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 700nm 미만에 속하는 소정 파장 영역일 수 있으며, 약 430nm 내지 565nm 일 수 있다.
일 예로, 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도(TNIR)는 흡광부(101) 단독 또는 도전성 나노디스크(102a) 단독일 경우와 비교하여 낮을 수 있으며, 예컨대 약 1.5배 이상, 약 2배 이상, 약 3배 이상, 약 4배 이상 또는 약 5배 이상 낮아질 수 있고, 예컨대 약 1.5배 내지 50배, 약 2배 내지 50배, 약 3배 내지 50배, 약 4배 내지 50배 또는 약 5배 내지 50배 낮아질 수 있다. 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도(TNIR)는 예컨대 약 20% 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 18% 이하, 약 15% 이하, 약 12% 이하, 약 10% 이하, 약 8% 이하, 약 7% 이하, 약 5% 이하 또는 약 3% 이하일 수 있다. 여기서 근적외선 파장 영역은 예컨대 약 700nm 내지 1200nm에 속하는 소정 파장 영역일 수 있으며, 약 700nm 내지 800nm 또는 약 890nm 내지 990nm일 수 있다.
일 예로, 가시광선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도의 비율(TNIR/TVIS)은 흡광부(101) 단독 및 도전성 나노디스크(102a) 단독일 경우와 비교하여 각각 낮을 수 있으며, 예컨대 약 2배 이상, 약 3배 이상, 약 4배 이상 또는 약 5배 이상 낮아질 수 있고, 예컨대 약 2배 내지 50배, 약 3배 내지 50배, 약 4배 내지 50배 또는 약 5배 내지 50배 낮아질 수 있다. 가시광선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 투과도의 비율(TNIR/TVIS)은 예컨대 약 0.25 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.20 이하, 약 0.18 이하, 약 0.15 이하, 약 0.10 이하, 약 0.08 이하 또는 약 0.05 이하일 수 있다.
일 예로, 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 반사도(RNIR)는 도전성 나노디스크(102a) 단독일 경우와 비교하여 낮을 수 있으며, 예컨대 약 2배 이상, 약 4배 이상 또는 약 5배 이상 낮아질 수 있으며, 예컨대 약 2배 내지 50배, 약 4배 내지 50배 또는 약 5배 내지 50배 낮아질 수 있다. 일 예로, 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 반사도(RNIR)는 흡광부(101) 단독일 경우와 비교하여 높을 수 있으며, 예컨대 약 2배 이상, 약 4배 이상 또는 5배 이상 높아질 수 있으며, 예컨대 약 2배 내지 50배, 약 4배 내지 50배 또는 약 5배 내지 50배 높아질 수 있다. 근적외선 파장 영역에서의 광학 필터(100)의 평균 반사도(RNIR)는 예컨대 약 30% 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 25% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 7% 이하 또는 약 5% 이하일 수 있다. 여기서 근적외선 파장 영역은 예컨대 약 700nm 내지 1200nm에 속하는 소정 파장 영역일 수 있으며, 약 700nm 내지 800nm 또는 약 890nm 내지 990nm일 수 있다.
광학 필터(100)는 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 필터(100)는 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, 로봇용 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 광학 필터(100)가 구비된 카메라 모듈의 일 예를 설명한다.
도 5는 일 구현예에 따른 카메라 모듈의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 5를 참고하면, 카메라 모듈(20)은 렌즈 배럴(21), 하우징(22), 광학 필터(100) 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 수도 있고 프리즘 등을 사용하여 특징적으로 수직으로 설계될 수도 있다. 따라서 하우징(22)의 일면에서 입사된 광은 렌즈 배럴(21) 및 광학 필터(100)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(100)는 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(100)를 통과한 광을 집광하여 영상신호를 생성하는 것으로, 상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 이미지 센서 및/또는 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 이미지 센서일 수 있다.
도 6은 다른 구현예에 따른 카메라 모듈의 다른 예를 도시한 개략도이다.
도 6을 참고하면, 본 구현예에 따른 카메라 모듈(20)은 전술한 구현예와 마찬가지로, 렌즈 배럴(21), 하우징(22), 광학 필터(100) 및 이미지 센서(23)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 카메라 모듈(20)은 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(100)와 이미지 센서(23)가 맞닿아 있으며, 예컨대 광학 필터(100)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 7은 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(100)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(100)가 형성되어 있다. 광학 필터(100)는 전술한 바와 같이 흡광부(101), 복수의 도전성 나노디스크(102a) 및 기재층(103)을 포함하고, 예컨대 가시광선 파장 영역의 광을 효과적으로 투과시키고 근적외선 파장 영역과 같이 가시광선 이외의 파장 영역의 광을 효과적으로 차단할 수 있다. 전술한 상부 절연층(80)이 광학 필터(100)의 기재층(103)과 동일한 경우, 상부 절연층(80)과 기재층(103) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 광학 필터(100)에 관한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광학 필터(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 배치되어 있을 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 광학 필터(100)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 아래에는 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(100)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(100)는 약 10㎛ 이하, 약 5㎛ 이하, 약 3㎛ 이하, 약 2㎛ 이하, 약 1㎛ 이하 또는 약 700nm 이하의 얇은 두께를 가짐으로써 광학 필터(100)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 8은 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(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(100)가 색 필터 층(70)의 하부에 위치되어 있다. 도면에서는 광학 필터(100)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 9는 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(100)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 가시광 차단 필터, 투명 필터 또는 백색 필터(도시하지 않음)를 포함하거나 별도의 필터 없이 빈 공간으로 둘 수 있다.
광학 필터(100)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 개선하거나, 안개나 미세먼지에 의한 희뿌연한 가시광 이미지를 선명하게 하는 망원카메라를 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 명암의 상세 구분을 하는 동적 범위(dynamic range)를 넓힘으로써 3차원 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 10은 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(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 일체형 이미지 센서(23A)는 전술한 구현예와 달리, 광학 필터(100)가 색 필터 층(70)의 하부에 위치되어 있다. 도면에서는 광학 필터(100)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.
광학필터의 설계 I
실시예
1
SiO2 기재층 위에 직경 96nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 20%로 배치되고 그 위에 근적외선 흡수 물질(4,5:4”,5”-dibenzo-1,1"-dibutyl-3,3,3”,3”-tetramethylindatricarbocyanine hexafluorophosphate, ALFA Chemistry) 10중량%와 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) 90중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다(도 1 및 도 2의 구조).
흡광부의 가시광선 및 근적외선 파장 영역(400nm 내지 1000nm)에서의 평균굴절률(n)은 1.54이고 최대 흡광계수(k)는 0.24이다. 굴절률 및 흡광계수는 Ellipsometry 장비(J.A.Woollam 사)를 사용하여 편광 특성의 변화(Delta, Psi)로부터 측정한다.
기준예
1-1
근적외선 흡수 물질 없이, SiO2 기재층 위에 직경 96nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 20%로 배치되고 그 위에 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) 용액을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 투명 고분자층을 형성한 광학 필터를 설계한다.
기준예
1-2
복수의 Ag 나노디스크 없이, SiO2 기재층 위에 근적외선 흡수 물질(4,5:4”,5”-dibenzo-1,1’-dibutyl-3,3,3”,3”-tetramethylindatricarbocyanine hexafluorophosphate, ALFA Chemistry) 10중량%와 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) 90중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다.
평가 I
FDTD (Finite-different time domain, Lumerical 사) 소프트웨어를 사용하여 실시예 1과 기준예 1-1 및 1-2에 따른 광학 필터에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
그 결과는 표 1 및 도 11과 같다.
도 11은 실시예 1과 기준예 1-1 및 1-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
| λmin,T (nm) | W50% (nm) | RNIR (%) | TNIR (%) | TVIS (%) | TNIR/TVIS | |
| 기준예 1-1 | 774 | 36 | 27.3 | 61.0 | 95.0 | 0.64 |
| 기준예 1-2 | 790 | 188 | 0.3 | 21.6 | 94.7 | 0.23 |
| 실시예 1 | 788 | 246 | 5.3 | 5.3 | 85.7 | 0.06 |
* λmin,T: 최소투과파장
* W50%: 투과도 50%에서의 파장 폭
* RNIR: 근적외선(700nm-800nm) 파장 영역에서의 평균 반사도
* TNIR: 근적외선(700nm-800nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* ANIR: 근적외선(700nm-800nm) 파장 영역에서의 평균 흡광율
* TVIS: 가시광선(430nm-565nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TNIR + RNIR + ANIR = 100 (%)
표 1과 도 11을 참고하면, 실시예 1에 따른 광학 필터는 기준예 1-1, 1-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역(700-800nm)에서의 투과도가 5.3%로 가장 낮고 투과 스펙트럼의 파장 폭(W50%)이 246nm로 가장 넓은 것을 확인할 수 있다. 기준예 1-1은 빛의 흡광 대비 반사가 주요하게 발생하는 반사 기반의 투과도이나, 기준예 1-2와 실시예 1은 반사 대비 흡광에 의한 빛의 소실이 주요하게 발생한다. 또한, 실시예 1에 따른 광학 필터는 기준예 1-1, 1-2에 따른 광학 필터와 비교하여 가시광선 파장 영역에서의 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 투과도의 비율이 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있고 이로부터 실시예 1에 따른 광학 필터는 기준예 1-1, 1-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에 대한 선택적 차단 효과를 높일 수 있다.
광학필터의 설계 II
실시예
2
SiO2 기재층 위에 근적외선 흡수 물질(4,5:4”,5”-dibenzo-1,1’-dibutyl-3,3,3”,3”-tetramethylindatricarbocyanine hexafluorophosphate, ALFA Chemistry) 10중량%와 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) 90중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성하고 그 위에 직경 138nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 20%로 배치된 광학 필터를 설계한다(도 1 및 도 4의 구조).
흡광부의 400nm 내지 1000nm 파장 영역에서의 평균굴절률(n)은 1.54이고 최대 흡광계수(k)는 0.24이다.
기준예
2-1
근적외선 흡수 물질 없이, SiO2 기재층 위에 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) 용액을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 투명 고분자층을 형성하고 그 위에 직경 138nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 20%로 배치된 광학 필터를 설계한다.
기준예
2-2
전술한 기준예 1-2와 동일하게 Ag 나노디스크 없이 근적외선 흡수물질로부터 형성된 흡광부를 포함한 광학 필터를 설계한다.
평가 II
FDTD 소프트웨어를 사용하여 실시예 2와 기준예 2-1 및 2-2에 따른 광학 필터에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
그 결과는 표 2 및 도 12와 같다.
도 12는 실시예 2와 기준예 2-1 및 2-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
| λmin,T (nm) | W50% (nm) | RNIR (%) | TNIR (%) | TVIS (%) | TNIR/TVIS | |
| 기준예 2-1 | 798 | 14 | 15.7 | 80.5 | 95.5 | 0.84 |
| 기준예 2-2 | 790 | 192 | 4.3 | 20.7 | 90.7 | 0.23 |
| 실시예 2 | 788 | 248 | 1.8 | 1.8 | 90.7 | 0.02 |
* λmin,T: 최소투과파장
* W50%: 투과도 50%에서의 파장 폭
* RNIR: 근적외선(700nnm-800nm) 파장 영역에서의 평균 반사도
* ANIR: 근적외선(700nm-800nm) 파장 영역에서의 평균 흡광율
* TNIR: 근적외선(700nnm-800nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TVIS: 가시광선(430nm-565nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TNIR + RNIR + ANIR = 100 (%)
표 2와 도 12를 참고하면, 실시예 2에 따른 광학 필터는 기준예 2-1, 2-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에서의 투과도가 1.8%로 가장 낮고 투과 스펙트럼의 파장 폭이 248 nm로 가장 넓은 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 주변에 흡광부가 없는 Ag 나노디스크 단독 구조는 근적외선 파장 영역에서 798 ± 28 nm의 매우 좁은 파장 영역만을 선택적으로 반사하는데 유리하나, 넓은 파장 영역을 차단하는데에는 불리하다. 또한, 이러한 Ag 나노디스크 단독 구조는 차단된 빛이 반사에 주요하게 기인한 경우 카메라의 영상촬영에 있어서 다중영상(Ghost Image)을 유발할 수 있어서 바람직하지 않다. 또한, 실시예 2에 따른 광학 필터는 기준예 2-1, 2-2에 따른 광학 필터와 비교하여 가시광선 파장 영역에서의 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 투과도의 비율이 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있고 이로부터 실시예 2에 따른 광학 필터는 기준예 2-1, 2-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에 대한 선택적 차단 효과를 높일 수 있다.
광학필터의 설계 III
실시예
3
SiO2 기재층 위에 직경 160nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 15%로 배치되고 그 위에 근적외선 흡수 물질(Epolight 1178TM, Epoline사) 10중량%와 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) 90중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다(도 1 및 도 2의 구조). 흡광부의 400nm 내지 1000nm 파장 영역에서의 평균굴절률(n)은 1.48이고 최대 흡광계수(k)는 0.10이다.
기준예
3-1
근적외선 흡수 물질 없이, SiO2 기재층 위에 직경 160nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 15%로 배치되고 그 위에 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) 용액을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 투명 고분자층을 형성한 광학 필터를 설계한다.
기준예
3-2
복수의 Ag 나노디스크 없이, SiO2 기재층 위에 근적외선 흡수 물질(Epolight 1178TM, Epoline사) 10중량%와 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) 90중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다.
평가 III
FDTD 소프트웨어를 사용하여 실시예 3와 기준예 3-1 및 3-2에 따른 광학 필터에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
그 결과는 표 3 및 도 13과 같다.
도 13는 실시예 3와 기준예 3-1 및 3-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
| λmin,T (nm) | W50% (nm) | RNIR (%) | TNIR (%) | TVIS (%) | TNIR/TVIS | |
| 기준예 3-1 | 950 | 100-120 | 72.4 | 18.0 | 96.5 | 0.19 |
| 기준예 3-2 | 968 | - | 0.2 | 56.3 | 97.7 | 0.58 |
| 실시예 3 | 932 | > 200 | 14.6 | 11.0 | 93.9 | 0.12 |
* λmin,T: 최소투과파장
* W50%: 투과도 50%에서의 파장 폭
* RNIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 반사도
* ANIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 흡광율
* TNIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TVIS: 가시광선(430nm-565nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TNIR + RNIR + ANIR = 100 (%)
표 3와 도 13를 참고하면, 실시예 3에 따른 광학 필터는 기준예 3-1, 3-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에서의 투과도가 가장 낮고 투과 스펙트럼의 파장 폭이 넓은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 3에 따른 광학 필터는 기준예 3-1 대비 반사광이 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 기준예 3-2에 따른 광학 필터와 비교하여 가시광선 파장 영역에서의 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 투과도의 비율이 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있고 이로부터 실시예 3에 따른 광학 필터는 기준예 3-1, 3-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에 대한 선택적 차단 효과를 높일 수 있다.
광학필터의 설계 IV
실시예
4
SiO2 기재층 위에 직경 160nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 15%로 배치되고 그 위에 근적외선 흡수 물질(Epolight 1178TM, Epoline사) 15중량%와 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) 85중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다(도 1 및 도 2의 구조). 흡광부의 900nm 내지 1000nm 파장 영역에서의 평균굴절률(n)은 1.47이고 최대 흡광계수(k)는 0.16이다.
기준예
4-1
근적외선 흡수 물질 없이, SiO2 기재층 위에 직경 160nm 및 두께 10nm의 복수의 Ag 나노디스크가 표면 커버율 15%로 배치되고 그 위에 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) 용액을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다.
기준예
4-2
복수의 Ag 나노디스크 없이, SiO2 기재층 위에 근적외선 흡수 물질(Epolight 1178TM, Epoline사) 15중량%와 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) 85중량%가 클로로포름에서 혼합된 혼합물을 스핀 코팅(3000rpm, 20초)하여 약 500nm 두께의 흡광부를 형성한 광학 필터를 설계한다.
평가 IV
FDTD 소프트웨어를 사용하여 실시예 4와 기준예 4-1 및 4-2에 따른 광학 필터에 대한 광학 시뮬레이션을 수행한다.
그 결과는 표 4 및 도 14와 같다.
도 14는 실시예 4와 기준예 4-1 및 4-2에 따른 광학 필터의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
| λmin,T (nm) | W50% (nm) | RNIR (%) | TNIR (%) | TVIS (%) | TNIR/TVIS | |
| 기준예 4-1 | 950 | 100-200 | 72.4 | 18.0 | 96.5 | 0.19 |
| 기준예 4-2 | 962 | 200-250 | 0.5 | 39.1 | 96.0 | 0.41 |
| 실시예 4 | 926 | > 300 | 4.0 | 10.1 | 92.2 | 0.11 |
* λmin,T: 최소투과파장
* W50%: 투과도 50%에서의 파장 폭
* RNIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 반사도
* ANIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 흡광율
* TNIR: 근적외선(890nm-990nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TVIS: 가시광선(430nm-565nm) 파장 영역에서의 평균 투과도
* TNIR + RNIR + ANIR = 100 (%)
표 4와 도 14를 참고하면, 실시예 4에 따른 광학 필터는 기준예 4-1, 4-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에서의 투과도가 10.1%로 가장 낮고 투과 스펙트럼의 파장 폭이 넓은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 4에 따른 광학 필터는 기준예 4-1, 4-2에 따른 광학 필터와 비교하여 가시광선 파장 영역에서의 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 투과도의 비율이 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있고 이로부터 실시예 4에 따른 광학 필터는 기준예 4-1, 4-2에 따른 광학 필터와 비교하여 근적외선 파장 영역에 대한 선택적 차단 효과를 높일 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.
100: 광학 필터
101: 흡광부
102a: 도전성 나노디스크 103: 기재층
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
102a: 도전성 나노디스크 103: 기재층
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 (21)
- 근적외선 파장 영역에 속하는 제1 파장 영역의 광을 흡수하는 근적외선 흡수 물질을 포함하는 흡광부, 그리고
상기 제1 파장 영역에 중첩하는 제2 파장 영역의 광을 흡수 또는 반사하는 도전성 나노디스크
를 포함하는 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 흡광부는 상기 도전성 나노디스크의 하부, 상부 및 측부 중 적어도 하나에 맞닿아 있는 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 도전성 나노디스크는 금속 나노디스크인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 도전성 나노디스크의 두께에 대한 직경의 비율은 8 이상인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 도전성 나노디스크의 직경은 80nm 내지 300nm인 광학 필터.
- 제5항에서,
상기 도전성 나노디스크의 두께는 1nm 내지 20nm인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 근적외선 흡수 물질의 투과 스펙트럼은 상기 제1 파장 영역에 속하는 제1 최소 투과 파장을 가지고,
상기 도전성 나노디스크의 투과 스펙트럼은 상기 제2 파장 영역에 속하는 제2 최소 투과 파장을 가지고,
상기 제1 최소 투과 파장과 상기 제2 최소 투과 파장은 각각 700nm 내지 990nm에 속하는 광학 필터.
- 제7항에서,
상기 제1 최소 투과 파장과 상기 제2 최소 투과 파장의 차이는 100nm 이하인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 광학 필터의 투과 스펙트럼은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 중첩하고 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역보다 넓은 파장 폭을 가지는 광학 필터.
- 제9항에서,
상기 광학 필터의 투과 스펙트럼의 50% 투과도에서의 파장 폭은 100nm 이상인 광학 필터.
- 제1항에서,
가시광선 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도에 대한 근적외선 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도의 비율은 0.18 이하인 광학 필터.
- 제1항에서,
430nm 내지 565nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도는 80% 이상이고,
700nm 내지 800nm 또는 890nm 내지 990nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 투과도는 20% 이하인
광학 필터.
- 제12항에서,
700nm 내지 800nm 또는 890nm 내지 990nm 파장 영역에서의 상기 광학 필터의 평균 반사도는 30% 이하인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 도전성 나노디스크의 표면 커버율(surface coverage)은 5 내지 50%인 광학 필터.
- 제1항에서,
상기 광학 필터는 바인더 또는 그 경화물을 더 포함하고,
상기 도전성 나노디스크는 상기 도전성 나노디스크, 상기 근적외선 흡수 물질 및 상기 바인더 또는 그 경화물의 총 함량에 대하여 5 내지 30중량% 포함되어 있는 광학 필터.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광학 필터를 포함하는 카메라 모듈.
- 복수의 광 다이오드를 포함하는 반도체 기판, 그리고
상기 반도체 기판 위에 위치하는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광학 필터
를 포함하는 이미지 센서.
- 제17항에서,
상기 광학 필터의 하부 또는 상부에 위치하는 색 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제17항에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈.
- 제16항에 따른 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치.
- 제19항에 따른 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치.
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