KR20220016517A - 양자-제한된 캐비티 공간에서의 광-물질 결합을 기반으로 하는 광학 필터 - Google Patents

양자-제한된 캐비티 공간에서의 광-물질 결합을 기반으로 하는 광학 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광학 필터는, 층 구조의 두께 방향으로 적층된 복수의 층을 포함하고, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 형성된 복수의 나노-광자 층 및 광학적 투명 물질로 형성된 하나 이상의 기판 층을 포함하는, 층 구조를 포함할 수 있고, 이때 하나 이상의 기판 층 중 하나는 층 구조의 두께 방향으로 복수의 나노-광자 층 중 2개 사이에 위치된다.

Description

양자-제한된 캐비티 공간에서의 광-물질 결합을 기반으로 하는 광학 필터
다양한 실시양태는 일반적으로 광학 필터 뿐만 아니라 광학 필터를 포함하는 안경 및 하이퍼라이트(hyperlight) 장치에 관한 것이다. 추가 실시양태는 광학 필터를 포함하는 광학 렌즈, 실내 조명 수단, 가로등 수단, 랩탑 호일, 휴대 전화, 차량 유리(자동차 및 트럭), 항공기 유리, 일반적으로 건물 유리창과 같은 창, 및 장난감에 관한 것이다.
광 요법(light theraphy)은, 특히 피부 질환(그러나, 이에 국한되지 않음)의 치료에서, 지난 몇 년 동안 상당히 중요하게 되었다. 이 분야에서는, 그러한 치료 효과가, 치료에 사용되는 광의 특성, 예컨대 광의 파장 범위뿐만 아니라 예를 들어 광자의 각 모멘텀(angular momentum)에 의존하는 공간적 분포와 관련된 특성과 밀접한 관련이 있음을 일반적으로 인식하고 있다. 이러한 특성이 치료 효과에 미치는 영향은 지난 몇 년 동안 집중적인 연구 주제가 되었다. 이 분야의 발전의 예는 특히 US 2008/286453 A1 및 WO 2017/211420 A1에 개시되어 있다.
본 개시와 관련된 추가 양태는 하기 문헌들에서 찾을 수 있다:
US 5,640,705; 문헌 [Andreani, C.L, "Exciton-Polaritons in Bulk Semiconductors and in Confined Electron and Photon Systems", p.37-82, 2014 in book Eds. Auffeves. A et al, "Strong light-matter coupling: From atoms to solid-state systems", Word Scientific, ISBN 978-981-4460-34-7]; 문헌 [Carusotto, I. and Ciuti, C., "Quantum fluids of light", arXiv:1205.6500v3, 17 Oct., 2012]; 문헌 [Castelletto, S, at al., "A silicon carbide room temperature single-photon source", Nature Materials, 13, 151-156, 2014]; 문헌 [Del Negro, et.al."light transport trough the band-edge states of Fibonacci quasicrystals, Physical Review Letters, 90(5):055501-1-4, 2003]; 문헌 [Kavokin, A.V. et al., "Microcavities", Oxford University Press, Oxford, 2017]; 문헌 [Lounis, B., and Moerner, W. E., "Single potons on demand from a single molecule at room temperature", Nature, 407: 491-493, 2000]; 문헌 [Koruga, Dj., "Hyperpolarized light": Fundamentals of nanobiomedical photonics", Zepter Book World, Belgrade 2018]; 문헌 [Michler, P., et al., "Quantum correlation among photons from a single quantum dot at room temperature", Nature, 406: 968-970, 2000]; 문헌 [Moradi A., "Electromagnetic wave propagation in a random distribution of C60 molecules", Physics of Plasmas 21 ,104508, 2014]; WO 9604958 A1; 및 WO 9604959 A1.
광 요법에 사용되는 통상적인 광원에서 방출된 광을, 각 모멘텀에 따른 광자의 미리 정해진 공간 분포와 같은, 미리 정해진 특성을 가진 광으로 효율적으로 전환시키는 것은 고효율 광 요법에 있어서 매우 중요하다.
본 발명에 따르면, 광학 필터가 제공된다. 상기 광학 필터는, 층 구조의 두께 방향으로 적층된 복수의 층을 포함하고, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 형성된 복수의 나노-광자 층, 및 광학적 투명 물질로 형성된 하나 이상의 기판 층을 포함하는, 층 구조를 포함할 수 있으며, 이때 상기 하나 이상의 기판 층은 상기 층 구조의 두께 방향으로 상기 복수의 나노-광자 층 중 2개의 나노-광자 층 사이에 위치한다.
도면에서, 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 문자는 일반적으로 동일한 부분을 지칭한다. 도면은 반드시 축척에 따른 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는 데 중점을 둔 것이다. 다음 설명에서, 본 발명의 다양한 실시양태가 다음 도면을 참조하여 설명될 것이며, 여기서
도 1은 하이퍼라이트의 주요 특성을 나타내는 개략도이고;
도 2는 C60 분자의 3가지 회전 상태를 나타내며;
도 3은 0D 캐비티로서 C60 분자와 광의 다양한 상호작용 메커니즘을 개략적으로 도시하며;
도 4a는 유효 결합 강도의 함수로서 광자(photon), 여기자(exciton) 및 폴라리톤(polariton)의 파워 스펙트럼을 나타내는 그래프이고;
도 4b는 모멘텀의 함수로서 광자, 여기자 및 폴라리톤의 파워 스펙트럼을 나타내는 그래프이고;
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 광학 필터를 나타내는 개략도이고;
도 6은 본 발명에 따른 2D 캐비티가 푸앵카레 구(Poincare sphere)를 기준으로 입사광의 편광 상태에 미치는 영향을 도시한 도이고;
도 7은 본 발명의 다른 실시양태에 따른 광학 필터를 나타내는 개략도이고;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따른 광학 필터를 나타내는 개략도이고;
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 광학 필터의 가능한 적용을 예시하는 개략도이고;
도 10은 본 발명에 따른 광학 필터를 포함하는 예시적인 치료용 램프를 도시하는 개략도이고;
도 11 내지 도 24는 본 발명에 따른 필터의 특성을 나타내는 그래프이고;
도 25는 본 발명에 따른 광학 필터로 수행된 측정 결과를 요약한 표이다.
다음의 상세한 설명은 본 발명이 실시될 수 있는 특정 세부사항 및 실시양태를 예시로서 보여주는 첨부 도면을 참조한다.
"예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 "예제, 경우 또는 예시로서 제공되는"을 의미하는 데 사용된다. 본 명세서에서 "예시적인" 것으로 기술된 임의의 실시양태 또는 설계는 다른 실시양태 또는 설계에 비해 반드시 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안된다.
지난 몇 년간의 집중적인 연구를 통해, 각 모멘텀에 의해 공간적으로 정렬된 광자를 가진 광을 사용함으로써 광 요법의 치료 효과가 크게 증가할 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 종류의 광은 다음 설명에서 "하이퍼라이트"로 언급될 것이다. 하이퍼라이트의 특성에 대해서는 도 1을 참조하여 간단히 설명될 것이다.
도 1은 하이퍼라이트(10)의 특성을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서, 광자는 중심점(12)으로부터 발산되고 각각의 나선을 따라 각 모멘텀에 의해 정렬된다.
상이한 각 모멘텀을 갖는 광자의 나선형 패턴은 해바라기씨 패턴과 유사하다. 해바라기의 씨는 나선으로 배열되어 있는데, 한 세트의 나선은 좌측(left-handed)이고 한 세트의 나선은 우측(right-handed)이다. 좌측 나선 수에 대한 우측 나선 수의 비율은 황금 비율 φ= (1 + √5)/2 ≒1.62로 주어진다.
도 1에 도시된 하이퍼라이트에서 각 모멘텀과 관련된 우측 나선 수와 좌측 나선 수 또한 황금 비율에 의해 결정된다. 구체적으로, 도 1에서, 21개의 좌측 나선과 34개의 우측 나선을 식별할 수 있으며, 그 비율은 황금 비율 φ로 표시된다.
하이퍼라이트는 C60의 에너지 고유 상태 T1g, T2g, T1u 및 T2u의 공명 방출(resonant emission)에 의해 생성될 수 있다. 그러나, 이는 입사광의 에너지 측면에 비추어 볼 때 약간의 제한이 있음을 의미한다.
본 개시는, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질에 의해 형성된 캐비티에서, 폴라리톤, 즉 광자-여기자 쌍을 기반으로 하는 하이퍼라이트를 생성하는 대안적인 방법을 제시한다. 이에 대해서는, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질의 특성에 대한 간략한 논의를 시작으로, 다음에서 자세히 설명한다.
20면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질의 예로서 C60 풀러렌이 예시적으로 논의될 것이다. C60는, 12개의 오각형과 20개의 육각형으로 정렬된 60개의 탄소 원자로 구성된다. C60에는 두 가지의 결합 길이가 있다. 제1 결합 길이는 2개의 인접 육각형 사이의 모서리(edge)의 길이로 정의되고, 제2 결합 길이는 육각형과 인접 오각형 사이의 모서리의 길이로 정의되며, 제1 결합 길이는 제2 결합 길이보다 길다. C60 분자는 약 1 nm의 직경을 가지며, 대칭 면에서 특성화될 수 있는 31개의 회전 축 중 하나를 중심으로 고체에서 약 1.8 내지 3·1010 회/초로 회전한다. 구체적으로, C60에는 5중(5-fold) 대칭인 회전축(C5) 총 6개, 3중 대칭인 회전축(C3) 총 10개, 2중 대칭인 회전축(C2) 총 15개가 식별될 수 있다. C60 분자는 이러한 회전 축을 중심으로 교대로 무작위로 회전한다.
도 2에, 고정된 세트의 축 C5, C3 및 C2에 대한 C60 분자의 세 가지 가능한 방향이 도시되어 있다. 각 도면의 평면은 [111] 방향과 직교한다. 가는 막대는 [111] 방향과 직교하는 [110] 방향을 나타낸다. 도 2에서 상태 "a"에서 상태 "b"로의 전환은 [111] 방향을 중심으로 한 60°회전을 포함하는 반면, 도 2에서 상태 "a"에서 상태 "c"로의 전환은 [110] 방향을 중심으로 한 대략 42°회전을 포함한다.
입사 광자는 C60 분자와, 다양한 방식으로, 즉 (a) 상기 분자의 외부 표면과 (b) 상기 분자의 내부 표면과, 상호작용할 수 있다. 오각형을 통과하는 입사 광자의 내부 표면과의 상호작용 확률은 0이다. 따라서, 오각형 영역은 이 특정 상호작용에 대해 "폐쇄된" 것으로 간주될 수 있다.
육각형을 통과하는 광자가 내부 표면과 상호작용할 확률은 0보다 크다. 그러나, 이 특정 상호작용의 확률은, 특히 위에서 언급한 회전 축을 중심으로 한 전술된 각각의 C60 분자의 무작위 회전에 의해 결정되는, 특정 C60 분자의 동적(dynamic) 상태에 따라 달라지며, 이는 상기 상호작용 확률이 시간에 따라 변한다는 것을 의미한다. 이 확률은 도 3에 예시적으로 도시된 육각형의 유효 면적으로 표현될 수 있다.
도 3에는 C60 분자가 개략적으로 도시되어 있다. 12개의 오각형 중 하나만 예시적으로 보여준다. 대표적인 오각형은 도 3에서 빗금이 쳐져 있으며, 이 빗금친 부분은, 오각형을 통과하는 입사 광자 ain가 C60 분자의 내부 표면과 상호작용하지 않음(즉, 분자 내에 한정된 캐비티와 상호작용하지 않음)을 나타낸다. 도 3에서 aout은 C60 분자를 통과한 이러한 광자를 나타낸다.
유사하게, 20개의 육각형 중 하나만이 도 3에 도시되어 있다. 위에서 설명한 C60 분자의 역학(dynamics)으로 인해 육각형은 상이한 유효 면적을 가질 수 있으며, 이는, C60의 특정 진동 및/또는 회전 상태에 따라 육각형을 통과한 후의 C60 분자의 내부 표면과 광자가 상호작용할 확률이 다름을 의미한다. 육각형의 상이한 상태는 도 3에서 상이한 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 구체적으로, 하나의 육각형은 5개의 다른 상태 b1 내지 b5로 도시되어 있으며, b1 상태에서 육각형은 완전히 열린 것으로 표시되어 있고, 이는 이 육각형을 통과하는 입사 광자의 C60 분자 내부 표면과의 가장 높은 상호작용 확률을 나타내며, 반면 b5 상태에서 육각형의 영역은 완전히 폐쇄된 것으로 표시되어 있으며, 이는 해당 상호작용 확률이 0임을 나타낸다. 상태 b2, b3 및 b4는, b1 상태와 관련된 가장 높은 확률과 0 사이의 상기 상호작용 확률에 해당하는 중간 상태이다.
또한, 도 3에서, B1은 모든 육각형이 b1 상태인 전체 분자의 상태를 나타낸다. 위에서 언급했듯이 오각형은 항상 완전히 폐쇄되어 있다. 따라서, 오각형은 완전히 빗금친 영역으로 표시된다.
B5는 모든 육각형이 b5 상태인 전체 분자의 상태를 나타낸다. 따라서, 오각형과 육각형 모두 완전히 빗금친 영역으로 표시되며, 이는, 이 분자 상태에서 입사 광자가 분자 내부의 캐비티와 상호작용하지 않음을 의미한다.
도 3에서, bin은 육각형을 통과하는 광자, 즉 C60 분자 내부의 캐비티로 들어가 그 내부 표면 (즉, 캐비티)과 상호작용하는 광자를 나타낸다. 이러한 상호작용 후에 C60 분자를 떠나는 광자는 bout으로 표시된다. Cin 및 Cout으로 추가로 표시된 바와 같이, 육각형을 통과하는 광자, 즉 캐비티와 상호작용하지 않고 캐비티 내로 들어가는 광자도 존재한다.
도 3에, 캐비티 뿐아니라 π 전자의 내부 및 외부 쉘(shell)의 각각의 치수, 및 탄소 원자 코어 위치도 도시되어 있다.
12개의 오각형은 C60 분자 전체 표면의 약 38%를 구성한다. 20개의 육각형은 C60 분자 표면의 약 62%를 구성하다. 앞서 언급한 바와 같이, 육각형의 유효 면적은 위에서 논의한 각 C60 분자의 동적 거동으로 인해 변화한다. 따라서, 입사 광자와 C60 분자의 내부 표면의 상호작용의 유효 확률은 더 낮다.
C60 분자의 내부 표면과 상호작용하는 입사 광자는 결합된 전자-정공(hole) 쌍, 즉 여기자(exciton)를 생성하거나, 기존 여기자와 결합하여 폴라리톤을 형성할 수 있다. 붕괴하는(decaying) 여기자 또한 광자를 방출할 수 있으며(방사성 재결합), 이 또한 다른 기존 여기자와 결합하여 폴라리톤을 형성할 수 있다. 계산에 따르면, 여기자의 생성 확률은 약 38%이고, 폴라리톤을 형성할 확률은 더 낮다. 다양한 광원을 사용한 계산 및 실험을 통해 폴라리톤 생성 확률이 약 15 내지 25% 범위임이 밝혀졌다.
입사 광자와 C60 분자에 형성된 캐비티의 상호작용에 의해 폴라리톤을 형성함으로써, 광의 분광 특성이 변화되고 각 모멘텀에 따른 광자의 공간 분포가 도 1에 도시된 구성으로 전환되며, 이는 이러한 방식으로 하이퍼라이트가 생성됨을 의미한다.
광자, 여기자 및 폴라리톤의 파워 스펙트럼이 유효 결합 강도(g)의 함수로서 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에서 강도(파워)는 임의 단위로 주어진다. ω는 광학 주파수이고, g는 유효 결합 강도이다. ω/g = +1의 값은, 소위 "상위(upper) 폴라리톤"이 형성되는 라비(Rabi) 공명 조건에 해당된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 상위 폴라리톤은 결합되지 않은 광자 및 여기자에 비해 더 높은 파워를 갖는다. ω/g = -1에서는, 결합되지 않은 광자 및 여기자에 비해 더 낮은 파워를 갖는 소위 "하위(lower) 폴라리톤"이 형성된다. 상위 폴라리톤, 하위 폴라리톤, 광자, 및 여기자의 에너지가 모멘텀의 함수로서 도 4b에 도시되어 있다. 이에 대한 자세한 내용은 예를 들면 문헌 [Kavokin, A. V. et al., "Microcavities", Oxford University Press, Oxford, 2017]을 참조한다.
입사광을 하이퍼라이트로 전환시키는 효율은 특히, 캐비티의 치수에 의존하는 방사성 여기자 붕괴율(exciton decay rate)에 의해 결정된다. C60 분자에 의해 한정된 캐비티는 0D 캐비티, 즉 0-차원 캐비티라고 지칭된다. 0D 캐비티와 관련된 방사성 붕괴율 ΓOD는 다음 식으로 주어진다:
Figure pct00001
상기 식에서, ε0는 진공에서의 유전율(permittivity)을 나타내고, n은 전자 밀도를 나타내고, e는 기초 전하(elementary charge)를 나타내고, m0는 자유 전자 질량을 나타내고, ω는 광학 주파수를 나타내고, c는 광속을 나타내고, f는 결합 강도를 나타낸다.
2D 캐비티(2-차원 캐비티)를 통해, 더 높은 방사성 붕괴율과 그에 따른 입사광의 하이퍼라이트로의 더 높은 전환율을 달성할 수 있다. 2D 캐비티는 도 5에 도시된 층 구조(20)로 구성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 층 구조(20)는 층 구조(20)의 두께 방향(z)으로 적층된 복수의 층(22, 24, 26)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 층은 복수의 나노-광자 층(22 및 24), 및 두께 방향 z로 나노-광자 층(22, 24) 사이에 개재된 기판 층(26)을 포함할 수 있다. 나노-광자 층(22, 24)은 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질, 예를 들어 풀러렌, 특히 C60 풀러렌을 포함하거나 이로 형성될 수 있다. 나노-광자 층(22, 24)은 1 내지 10 nm, 임의적으로 1 내지 5 nm, 추가로 임의적으로 3 내지 5 nm의 두께를 가질 수 있다.
기판 층(26)은 광학적 투명 물질, 예를 들어 SiO2 및/또는 TiO2로 형성될 수 있다. 기판 층(26)은 1 내지 15 nm, 임의적으로 5 내지 10 nm, 추가로 임의적으로 10 내지 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
기판 층(26)에는 나노-광자 물질이 실질적으로 없을 수 있다. 이러한 종류의 기판 층을 포함하는 층 구조(20)는 매우 간단한 방식으로 제조될 수 있고, 잘 정의된 2D 캐비티 기하구조를 가질 수 있다.
각각의 나노-광자 층(22, 24)은 나노-광자 물질로 형성되기 때문에, 본원에서 2D 캐비티는 조합된 0D/2D 캐비티로도 지칭될 수 있다.
2D 캐비티에서 방사성 붕괴율 Γ2D는 다음 식으로 주어진다:
Figure pct00002
상기 식에서, fxy는 결합 강도를 나타내고, S는 C60 분자의 크기에 따라 결정되는 단위 면적을 나타낸다. 따라서, 2-차원 캐비티(0D/2D 캐비티의 2D 캐비티)에서의 방사성 붕괴율 Γ2D는 0D 캐비티에서의 방사성 붕괴율 Γ0D과 관련하여 하기와 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00003
상기 식에서, l은 2D 캐비티의 치수를 나타내며, 이는 도 5에서의 기판 층(26)의 두께로 식별되거나 이와 관련될 수 있다.
상기 식은, 캐비티의 치수, 즉 "l" 값을 입사광의 파장에 비해 작게 선택함으로써 2D 캐비티에서 여기자의 방사성 붕괴율이 0D 캐비티에 비해 상당히 증가할 수 있음을 분명히 보여준다.
입사광에 대한 조합된 0D/2D 캐비티의 효과는 푸앵카레(Poincare) 구를 사용하여 설명될 수 있다. 푸앵카레 구는, 광과 같은 전자파의 편광 상태를 나타내는 툴(tool)이다. 각각의 편광 상태는 구의 한 지점에 해당하며, 표면 상의 완전히 편광된 상태, 구 내부의 부분적으로 편광된 상태, 중심의 비편광된 상태가 있다. 선형 편광은 구의 적도(equator)에 위치하고, 원형 편광은 극점(poles)에 위치하며, 타원 편광이 그 사이에 위치한다. 서로 반대되는 구 표면 상에 직교 편광이 위치한다.
도 6에 도시된 푸앵카레 구에 도시된 바와 같이, 입사광의 편광 부분에 미치는 캐비티의 영향은, 푸앵카레 구의 자오선(meridian)에 대한 교차각 κ로 정의되는 곡률을 갖는 궤적(trajectory) P에 의해 설명될 수 있다. 궤적 P는 캐비티 역학의 표면 분포에 대한 31개의 가능한 솔루션 중 하나이다. 극점들을 연결하는 선에 수직인 평면에 31개의 궤적을 투영하면, 하이퍼라이트의 특성인 도 1에 도시된 것과 유사한 해바라기 패턴이 생성된다.
본원에서 사용된 용어 "2D 캐비티"는 나노-광자 물질의 층으로 구획된 공간을 포함하는 구성을 나타낸다. 이것은, 예를 들어 기존의 캐비티에서와 같은 반사 거울이 필요하지 않음을 의미한다. 그러나, 입사 광자의 특정 부분만이 캐비티와 상호작용하여 폴라리톤을 형성한다는 점을 염두에 두고, 층 구조(20)의 두께 방향(z)으로 기판 층(26)의 반대편에 있는 나노-광자 층(22 및/또는 24)의 측에 추가 기판 층을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 상응하게 구성된 층 구조(필터)(30)가 도 7에 도시되어 있다.
도 7에 도시된 층 구조(30)는 C60와 같은 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 만들어진 제1 나노-광자 층(32), C60와 같은 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 만들어진 제2 나노-광자 층(34), SiO2 또는 TiO2와 같은 광학적 투명 물질로 만들어진 제1 기판 층(36), 층 구조(30)의 두께 방향(z)으로 제1 기판 층(36)과 반대편에 있는 제1 나노-광자 층(32) 면에 위치하며 SiO2 또는 TiO2와 같은 광학적 투명 물질로 만들어진 제2 기판 층(38), 및 제1 기판 층(36)과 반대편에서, 층 구조(30)의 두께 방향 z에서 제2 나노-광자 층(34)의 면에 위치하고, SiO2 또는 TiO2와 같은 광학적 투명 물질로 만들어진 제3 기판 층(40)을 포함한다.
제2 및 제3 기판 층(38, 40)은, 한편으로는, 외부 영향으로부터 제1 및 제2 나노-광자 층(32, 34)을 보호하는 보호층으로서 작용할 수 있다. 또한, 위에서 기재한 바와 같이, 제2 및 제3 기판 층(38, 40)은 거울로서 작용할 수 있으며, 이에 의해 광자(ph, ph')의 일부가 각각 제1 나노-광자 층(32) 및 제2 나노-광자 층(34)을 통해 제1 기판 층(36)으로 다시 반사된다. 이러한 방식으로, 각각의 광자 ph, ph'는 각각의 나노-광자 층(32, 34), 따라서, 2D 캐비티를 여러번 가로지를 수 있으며, 이는 차례로 이러한 광자와 캐비티의 상호작용 확률, 및 이에 따라 입사광을 하이퍼라이트로 전환시키는 효율을 증가시킨다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1 내지 제3 기판 층(36, 38, 40)은 광학적 투명 물질로 제조된다. 이들은 동일 물질로 제조될 수도 있고 서로 다른 물질로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 제2 및 제3 기판 층(38, 40)은 동일한 물질, 예를 들어 TiO2로 제조될 수 있고, 이는, 예를 들어 SiO2로 제조될 수 있는 제1 기판 층(36)의 물질과 다를 수 있다.
기판 층(36, 38, 40)의 물질은 관심 파장에 좌우되는 반사 특성을 조절하기 위해 입사광의 분광 특성에 의존하여 선택될 수 있다.
하기에서 상기 원리에 따라 구성된 예시적인 광학 필터(100)가 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
광학 필터(100)는 층 구조물(102)의 두께 방향(z)으로 적층된 복수의 층(104a 내지 104h 및 106a 내지 106i)을 포함하는 층 구조물(102)을 포함할 수 있다. 복수의 층(104a 내지 104h 및 106a 내지 106i)은, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 형성된 복수의 나노-광자 층(104a 내지 104h) 및 광학적 투명 물질로 형성된 복수의 기판 층(106a 내지106i)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 나노-광자 층(104a 내지 104h)과 복수의 기판 층(106a 내지 106i)은 층 구조(102)의 두께 방향(z)으로 교대로 배열될 수 있다. 따라서, 이 구조에서, 각각의 인접한 2개의 나노-광자 층(104a 내지 104h) 사이에 개재된 각각의 기판 층(106a 내지 106i)은 인접한 나노-광자 층과 함께 도 5에 도시된 2D 캐비티 구조를 한정한다. 또한, 연속된 3개의 기판 층과 이들 사이에 개재된 각각의 나노-광자 층은 도 7에 도시된 층 구조에 해당한다. 따라서, 도 5 및 도 7에 도시된 층 구조의 설명은 또한 도 8에 도시된 광학 필터(100)에도 적용된다.
상술한 바와 같이, 나노-광자 물질은 풀러렌 분자, 특히 C60 풀러렌 분자를 포함할 수 있다.
2D 캐비티에서 여기자의 방사성 붕괴율이 하기 식
Figure pct00004
으로 주어진다는 것을 염두에 둘 때, 관심 파장보다 훨씬 더 작도록 상기 캐비티 중 하나 이상의 치수를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 가시 주파수 범위의 파장에 대해, 기판 층(106a 내지 106i) 중 하나 이상은 5 내지 30 nm, 5 내지 15 nm, 및 5 내지 10 nm로부터 선택된 범위의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 실시양태에서, 기판 층(106a 내지 106i)의 두께는 다음과 같이 선택될 수 있다: 기판 층(106a)(예를 들어, SiO2로 형성됨): 50 내지 100 nm, 기판 층(106b)(예를 들어, TiO2로 형성됨): 5 내지 10 nm, 기판 층(106c)(예를 들어, SiO2로 형성됨): 10 내지 15 nm, 기판 층(106d)(예를 들어, TiO2로 형성됨): 5 내지 10 nm, 기판 층(106e)(예를 들어, SiO2로 형성됨): 10 내지 15 nm, 기판 층(106f)(예를 들어, TiO2로 형성됨): 5 내지 10 nm, 기판 층(106g)(예를 들어, SiO2로 형성됨): 5 내지 10 nm, 기판 층(106h)(예를 들어, TiO2로 형성됨): 5 내지 10 nm, 및 기판 층(106i)(예를 들어, SiO2로 형성됨): 50 내지 100 nm. 여기서, 층 구조(102)의 두께 방향(z)에서 최외곽 기판 층(106a 및 106i)의 두께는 다른 기판 층(106b 내지 106h)보다 상당히 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 따라서, 이들 기판 층(106a 및 106i)은 층 구조(102)의 보호 층으로서 기능할 수 있다.
따라서, 이 예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 필터의 층 구조에서 기판 층은 예를 들어 층 구조에서 광의 전파 방향을 제어하기 위해 상이한 두께로 제공될 수 있다.
기판 층(106a 내지 106i) 중 하나 이상, 임의적으로 이들 중 복수 개, 또는 추가로 임의적으로 모든 기판 층(106a 내지 106i)에는, 여기자 붕괴율이 특정 파장에 대해 정확하게 조정될 수 있는 잘 정의된 캐비티 기하구조를 보장하기 위해 나노-광자 물질이 실질적으로 없을 수 있다.
또한, 나노-광자 층(104a 내지 104h) 중 하나 이상, 임의적으로 이들 중 복수 개, 또는 추가로 임의적으로 모든 나노-광자 층(104a 내지 104h)에는, 기판 층(106a 내지 106i)의 광학적 투명 물질이 실질적으로 없을 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 나노-광자 층(104a 내지 104h) 중 하나 이상, 임의적으로 나노-광자 층(104a 내지 104h) 중 복수 개, 추가로 임의적으로 모든 나노-광자 층(104a 내지 104h)에서, 나노-광자 물질의 중량 분율은 99%보다 높다. 이러한 방식에서 입사광의 하이퍼라이트로의 높은 전환 효율이 확보될 수 있다.
기판 층(106a 내지 106i)은 동일한 광학적 투명 물질로 제조될 수 있다. 대안적으로, 복수의 기판 층(106a 내지 106i) 중 적어도 2개는 서로 다른 굴절률을 갖는 서로 다른 물질로 제조될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 방식으로 기판 층들 사이의 각각의 계면에서의 층 구조의 반사 특성이 관심 파장에 대해 조정될 수 있다.
나노-광자 층(104a 내지 104h)에서 과도한 광 흡수를 피하기 위해, 그 두께는 3 내지 10 nm, 3 내지 7 nm 및 3 내지 5 nm에서 선택되는 범위일 수 있다. 도 8에 도시된 예시적인 실시양태에서, 모든 나노-광자 층(104a 내지 104h)이 3 내지 5 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에 개시된 층 구조는 예를 들어 화학적 또는 물리적 증착에 의해 제조될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 필터(100)는 층 구조(102)를 지지하는 캐리어(108)를 더 포함할 수 있다. 캐리어(108)는 PMMA, CR39, 또는 유리와 같은 광학적 투명 물질로 제조될 수 있다. 캐리어는 가시광선에 대한 투과율이 70% 이상일 수 있다.
도 8에 도시되지는 않았지만, 캐리어(108)에는 그의 반대쪽 면에 층 구조(102)가 구비될 수 있다. 또한, 캐리어(108)는, 내부에 분산되거나 그 표면 상에 층(108b)으로서 침착되는, C60와 같은, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질(108a)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 캐리어(108)는 또한, 예를 들어 C60의 에너지 고유 상태 T1g, T2g, T1u, 및 T2u의 공명 방출을 통해, 하이퍼라이트의 생성에 기여할 수 있다. 이러한 방식으로, 입사광의 하이퍼라이트로의 전환 효율을 높일 수 있다. 캐리어(108) 내의 나노-광자 물질(108a)의 중량 농도는 0.001 내지 0.050 범위일 수 있다.
캐리어(108)는 도 8에 예시적으로 도시된 바와 같은 평면 부재로서 구성될 필요 없이 대안적으로 만곡된 바디, 예를 들어 렌즈로서, 특히 안경 렌즈로서 구성될 수도 있다. 상술한 광학 필터(100)가 장착된 한 쌍의 렌즈(220)를 포함하는 예시적인 안경(200)이 도 9a에 도시되어 있다. 도 9a에 도시된 안경에 의해, 입사광은 도 1을 기초로 기술된 바와 같이 황금 비율에 의해 그 특성이 결정되는 하이퍼라이트로 전환된다. 예를 들면 US 2008/286453 A1에서, 인간 두뇌의 클럭 주기(clock cycle)는 황금 비율을 따른다는 사실이 공지되어 있다. 실험에 따르면, 피험자의 눈을, 황금 비율에 의해 그 특성이 결정되는 광에 노출시키면, 뇌 기능이 정상화될 수 있다는 사실이 입증되었다. 따라서, 도 9a에 도시된 것과 같은 안경을 쓰고 있는 것은 뇌 기능을 정상화하여 전반적인 웰빙을 개선하는 데 도움이 될 수 있다.
도 9a에 도시된 안경(200)은 태양 광에 노출될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 광학 필터는 모든 종류의 광(즉, 임의의 파장)을 하이퍼라이트로 전환하도록 구성되므로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 필터(100)가 장착된 조명 수단(300)에 의해 생성된 인공 조명 수단에 의해 뇌 기능의 조화(정상화)가 또한 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 효과를 달성하기 위해 안경을 휴대할 필요가 없다.
예컨대 휴대용 컴퓨터 또는 장난감(420)의 디스플레이(400)와 같은 다른 인공 광원에 의해 방출된 광 수단에 의해 유사한 효과가 달성될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 광학 필터(100)는 도 9c에 예시적으로 표시된 바와 같이 디스플레이 보호 호일(440)로서 구성될 수 있다.
다른 예시적인 실시양태에서, 광학 필터(100)는 건물(500)의 창(520)으로서 또는 창 위에 제공될 수 있거나, 상기 창(520)의 일부로서 구성될 수 있다. 이 방식에서, 건물(500)에 진입하는 광 (예를 들어, 태양 광 또는 인공 광)의 상당한 부분이 하이퍼라이트로 전환될 수 있다. 본 발명에 따른 필터(100)는 도로 차량 창, 항공기 창, 선박 창 등 모든 종류의 창에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 필터(100)는, 이하에서 하이퍼라이트 발생 장치 또는 하이퍼라이트 장치로 지칭되는 치료용 램프(600)에도 사용될 수 있다. 예시적인 하이퍼라이트 장치(600)가 도 10에 도시되어 있다. 하이퍼라이트 장치(600)는 상술한 광학 필터(100) 및 광원(602)을 포함할 수 있다. 광원(602)은 예를 들어, 가시광선을 방출하도록 구성된 공급원, 예컨대 할로겐 램프로서 구성될 수 있다.
하이퍼라이트 장치(600)는, 광원(602)과 필터(100) 사이의 광 경로(604)를 따라 위치된 편광기(606)를 더 포함할 수 있다. 편광기(606)는, 광원(602)이 방출하는 광을 선형 편광된 광으로 전환하도록 구성된 선형 편광기로서 구성될 수 있다. 편광기(606)는 도 10에 도시된 바와 같이 브루스터(Brewster) 편광기와 같은 빔 분할(beam-splitting) 편광기로 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 하이퍼라이트 장치(600)에 의해, 광원(602)에 의해 방출된 광은 먼저 편광기(606)에 의해 편광된 광으로 전환된 다음 필터(100)에 의해 하이퍼라이트(즉, 당 분야에서 "과편광된 광"으로도 지칭되는 편광된 하이퍼라이트)로 전환될 수 있다. 과편광된 광의 광자는 에너지 및 각 모멘텀 둘다에 의해 정렬된다. 하이퍼라이트 장치(600)에서 편광기(606)는 필수가 아님에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 필터와 광의 상호작용은 각 모멘텀에 따른 광자의 공간적 분포에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 광의 스펙트럼 특성도 변화시킬 수 있다. 본 발명에 따른 필터, 특히 도 8에 도시된 필터의 이러한 양태를 보여주는 실험 결과에 대해 이하에서 도 11 내지 도 25를 참조하여 설명한다.
도 11은 공기를 통과한 후 LED에 의해 방출된 광의 스펙트럼을 도시한다. 이 스펙트럼은 도 11에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며 "LED(공기)"라고 지칭되어 있다. 또한, 나노-광자 물질을 포함하지 않는 PMMA 기판을 통과한 후 동일 LED에 의해 방출되는 광의 스펙트럼이 도 11에서 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 11에서 "LED(PMMA)"로 지칭된다.
도 11에서 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 약 400 내지 700 nm의 파장 범위에서 두 스펙트럼 사이에 큰 차이가 없으며, 이는 PMMA가 LED에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 특성을 크게 변경하지 않는다는 것을 의미한다.
도 12는 공기를 통과한 후 LED에 의해 방출된 광의 스펙트럼을 도시한다. 이 스펙트럼은 도 12에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며 "LED(공기)"라고 지칭되어 있다. 또한, 앞서 설명한 0D/2D 캐비티가 장착된 PMMA 기판(필터)을 통과한 후 동일 LED에서 방출되는 광의 스펙트럼이 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 12에서 "LED(PMMA & 2D 캐비티)"로 지칭된다. PMMA 기판은 이전에 기술된 캐리어에 해당하며 임의적으로 그 안에 분산된 C60 분자를 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 스펙트럼들간의 차이, 즉 LED(PMMA & 2D 캐비티)와 LED(공기) 간의 차이가 도 13에 빗금친 영역으로 도시되어 있다.
도 12 및 도 13에 도시된 스펙트럼으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 2D 캐비티에 의해, LED 스펙트럼 내의 고주파는 가시광선 스펙트럼에서 더 낮은 에너지를 갖는 주파수 성분으로 전환된다. 결과적으로, 광 스펙트럼에 대한 2D 캐비티의 효과는, 흡수에 의해 특정 스펙트럼 성분을 단순히 억제하여 적분 광 강도를 감소시키는 기존 필터에 의해 발휘되는 효과와 상당히 다르다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 필터는 고 에너지 광을 저 에너지 광으로 전환하도록 구성되기 때문에, 가시광선 영역의 적분 강도는 기존의 광학 필터에 비해 전혀 영향을 받지 않거나 또는 적어도 훨씬 적은 정도로 영향을 받는다.
이러한 이유로, 본 발명에 따른 광학 필터는 적분 강도를 높게 유지하면서 인간의 눈에 잠재적으로 유해한 스펙트럼 범위에서의 입사광의 강도를 감소시키도록 구성되기 때문에, 안경의 필터로 사용될 수 있다.
도 14는 공기를 통과한 후 LED에 의해 방출되는 광의 스펙트럼을 도시한다. 이 스펙트럼은 도 14에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며 "LED(공기)"라고 지칭된다. 또한, 나노-광자 물질을 포함하지 않는 CR39 기판을 통과한 후 동일 LED에 의해 방출되는 광의 스펙트럼이 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 14에서 "LED(CR39)"로 지칭되어 있다. CR39(알릴 디글리콜 카보네이트(ADC))는 안경 렌즈 제조에 일반적으로 사용되는 플라스틱 중합체이다. CR39 기판은 이전에 기술된 캐리어에 해당하며, 임의적으로, 내부에 분산되거나 그 표면 중 하나에 얇은 층으로 침착된 C60 분자를 포함할 수 있다.
분명히 알 수 있듯이, 약 400 내지 700 nm의 파장 범위에서, 두 스펙트럼 사이에 큰 차이가 없으며, 이는 CR39 기판은 LED에서 방출되는 광의 스펙트럼 특성을 크게 변경하지 않음을 의미한다.
도 15는 공기를 통과한 후 LED에 의해 방출된 광의 스펙트럼을 다시 나타낸다. 이 스펙트럼은 도 15에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며 “LED(공기)”라고 지칭되어 있다. 또한, 앞서 설명한 2D 캐비티가 장착된 CR39 기판(필터)을 통과한 후 동일 LED에서 방출되는 광의 스펙트럼이 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 15에서 "LED(CR39 & 2D 캐비티)"로 지칭되어 있다. 도 15에 도시된 스펙트럼의 차이, 즉, 도 15에서 "LED(CR39 & 2D 캐비티)" 및 "LED(공기)"로 지칭된 스펙트럼들 간의 차이가 도 16에 빗금친 영역으로 도시되어 있다.
이러한 측정은, PMMA 기판을 포함하는 광학 필터를 기반으로 얻은 결과, 즉 2D 캐비티에 의해 400 내지 470 nm의 고 에너지 파장 범위 내의 입사광의 파워가 470 내지 770 nm의 파장 범위 내의 더 낮은 에너지를 가진 광으로 전환된다는 사실를 확인시켜 준다.
위의 결과는 사용된 특정 광원에 의존하지 않는다. 이것은 예컨대 사무실에서 통상적인 네온 램프(튜브)에 의해 방출되는 네온 광에 기초하여 얻어진 측정을 도시하는 도 17 내지 도 22를 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
구체적으로, 도 17은 공기를 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼을 보여준다. 이 스펙트럼은 도 17에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며, "NEON(공기)"이라고 지칭되어 있다. 또한, 나노-광자 물질을 포함하지 않는 PMMA 기판을 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼은 빗금친 영역으로 표시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 17에서 "NEON(PMMA)"으로 지칭되어 있다.
도 17에서 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 약 400 내지 700 nm의 파장 범위에서 두 스펙트럼 사이에 큰 차이가 없으며, 이는 PMMA 기판이 네온 광의 스펙트럼 특성을 크게 변경하지 않음을 의미한다.
도 18은 역시 공기를 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼을 보여준다. 이 스펙트럼은 도 18에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며, "NEON(공기)"이라고 지칭되어 있다. 또한, 앞서 설명한 2차원 캐비티가 장착된 PMMA 기판, 즉 광학 필터를 통과한 네온 광의 스펙트럼을 빗금친 영역으로 나타내었다. 이 스펙트럼은 도 18에서 "NEON(PMMA & 2D 캐비티)"로 지칭되어 있다. 도 18에 도시된 스펙트럼의 차이, 즉 NEON(PMMA & 2D 캐비티)과 NEON(공기)간의 차이가 도 19에 빗금친 영역으로 도시되어 있다.
도 18 및 19는 LED 조명에 기초하여 얻은 결과, 즉 필터가 전환에 의해 고 에너지 광의 강도를 더 낮은 에너지 광으로 감쇠시키는 결과를 확인시켜 준다.
도 20은 공기를 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼을 나타낸다. 이 스펙트럼은 도 20에서 흑색 실선으로 표시되어 있으며, "NEON(공기)"이라고 지칭되어 있다. 또한, 나노-광자 물질을 포함하지 않는 CR39 기판을 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼이 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 20에서 "NEON(CR39)"으로 지칭되어 있다.
분명히 알 수 있듯이, 약 400 내지 700 nm의 파장 범위에서 두 스펙트럼 사이에 큰 차이가 없으며, 이는 CR39 기판이 네온 광의 스펙트럼 특성을 크게 변경하지 않음을 의미한다.
도 21은 역시 공기를 통과한 후의 네온 광의 스펙트럼을 보여준다. 이 스펙트럼은 도 21에서 실선으로 표시되어 있으며, "NEON(공기)"이라고 지칭되어 있다. 또한, 앞에서 설명한 2D 캐비티가 장착된 CR39 기판(필터)을 통과한 네온 광의 스펙트럼이 빗금친 영역으로 표시되어 있다. 이 스펙트럼은 도 21에서 "NEON(CR39 & 2D 캐비티)"으로 지칭되어 있다. 도 21에 도시된 스펙트럼들 간의 차이, 즉 NEON(CR39 & 2D 캐비티)과 NEON(공기) 간의 차이가 도 22에 빗금친 영역으로 도시되어 있다.
도 14 내지 도 22에 도시된 측정 결과는, 본 발명에 따른 필터가 가시 스펙트럼 범위에서 고 에너지 광을 저 에너지 광으로 전환하도록 구성되고 이 효과가 광원에 의존하지 않음을 일관되게 보여준다. 이는, 차례로, 본 개시내용에 따른 광학 필터의 높은 다활용성을 명백히 입증한다.
위의 스펙트럼에서 알 수 있듯이, 위에서 논의된 측정에 사용된 광원은 700nm보다 큰 파장, 즉 IR 영역에서 상당한 강도를 갖는 스펙트럼 성분은 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 필터가 적외선(IR)에 미치는 영향을 분석하기 위해, 태양 광을 입사광으로 사용하여 추가적인 측정을 수행하였다.
380 내지 780 nm 범위 내의 태양 광의 기본(raw) 스펙트럼이 도 23에서 빗금친 영역(396.24 W/㎡의 조도 및 CIE 1931 색 좌표: x=0.3437, y=0.3590)으로 도시되어 있다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, IR 영역 내의 파워는 LED 및 NEON 광에 비해 더 상당하다.
도 24에, 380 내지 780 nm의 파장 범위(153.61 W/㎡의 조도, CIE 1931 색 좌표: x=0.3192, y=0.3934)에서의 기본 태양 광 스펙트럼(흑색 실선으로 표시)과 본 발명에 따른 광학 필터에 의해 필터링된 태양 광 스펙트럼(빗금친 영역으로 표시) 둘다가 도시되어 있다. 이들 스펙트럼에서 알 수 있는 바와 같이, 고 에너지 및 저 에너지 스펙트럼 성분 모두가 본 개시내용에 따른 광학 필터에 의해 억제된다. 이러한 방식으로 태양 광 스펙트럼은 인간의 눈의 스펙트럼 감도 특성에 맞게 조정된다 (약 97% 일치).
도 25에 도시된 표에, 상이한 광원(LED, 네온) 및 상이한 캐리어 물질(PMMA, CR39)을 사용한 다양한 측정 결과가 요약되어 있다.
구체적으로, 도 25에 도시된 표의 행들에, 다른 광 스펙트럼의 특성이 기재되어 있다. 이러한 특성에는 휘도 Ev(lux=lm/㎡), 색 온도 Tcp(K=켈빈), 주 파장 λd(nm), 색상 CIE 1931 색 공간의 좌표, 주 파장 λd에서의 여기 효과 또는 확률 Pe(%), 및 다른 파장 범위에서의 조도 SDE(W/㎡)가 포함된다. "C60(@)"은 캐리어가 그 내부에 분산된 C60 분자를 포함하는 것을 추가로 나타낸다. "C60(nf)"은 캐리어가 그 표면 상에 침착된 C60 층을 가짐을 나타낸다.
도 25에 도시된 표의 AO 행에는 LED에 의해 방출되는 광의 특성이 요약되어 있다.
A01 행에는, 나노-광자 물질을 포함하지 않는 PMMA 기판을 통과한 후 LED 광의 특성이 요약되어 있다.
A011 행에는, C60 분자가 내부 혼입된 PMMA 캐리어를 포함하는 본 발명에 따른 광학 필터를 통과한 후의 LED 광의 특성이 요약되어 있다.
A02 행에는, 나노-광자 물질이 포함되지 않은 CR39 기판을 통과한 후의 LED 광의 특성이 요약되어 있다.
A021 행에는, C60 필름이 상부에 제공된 CR39 캐리어를 포함하는 본 개시내용에 따른 광학 필터를 통과한 후의 LED 광의 특성이 요약되어 있다.
도 25에 도시된 표의 BO 행에는 네온 광의 특성이 요약되어 있다.
B01행에는 나노-광자 물질이 없는 PMMA 기판을 통과한 후의 네온 광의 특성이 요약되어 있다.
B011 행에는 C60 분자가 내부 혼입된 PMMA 캐리어를 포함하는 본 발명에 따른 광학 필터를 통과한 후의 네온 광의 특성이 요약되어 있다.
B02 행에는 나노-광자 물질이 없는 CR39 기판을 통과한 후의 네온 광의 특성이 요약되어 있다.
B021 행에는, C60 필름이 상부에 제공된 CR39 캐리어를 포함하는 본 개시내용에 따른 광학 필터를 통과한 후의 네온 광의 특성이 요약되어 있다.
하기에서, 본 개시내용에 따른 몇몇 실시양태가 설명될 것이다.
실시양태 1은, 층 구조의 두께 방향으로 적층된 복수의 층을 포함하는 층 구조를 포함하는 광학 필터로서, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질로 형성된 복수의 나노-광자 층 및 광학적 투명 물질로 형성된 하나 이상의 기판 층을 포함하되, 이때 상기 하나 이상의 기판 층 중 하나는 상기 층 구조의 두께 방향으로 상기 복수의 나노-광자 층 중 2개의 나노-광자 층들 사이에 위치하는, 광학 필터이다.
실시양태 2에서, 실시양태 1의 주제는, 나노-광자 물질이 풀러렌 분자를 포함하는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 3에서, 실시양태 2의 주제는, 나노-광자 물질이 C60 풀러렌 분자를 포함하는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 4에서, 실시양태 1 내지 3 중 어느 하나의 주제는, 하나 이상의 기판이 5 내지 30 nm, 5 내지 20 nm, 5 내지 15 nm, 및 5 내지 10nm 중에서 선택된 범위의 두께는 갖는다는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 5에서, 실시양태 1 내지 4 중 어느 하나의 광학 필터는, 복수의 나노-광자 층 중 적어도 하나가 3 내지 10 nm, 3 내지 7 nm, 및 3 내지 5 nm 중에서 선택된 범위의 두께는 갖는다는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 6에서, 실시양태 1 내지 5 중 어느 하나의 주제는, 하나 이상의 기판 층에 나노-광자 물질이 없다는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 7에서, 실시양태 1 내지 6 중 어느 하나의 주제는, 복수의 나노-광자 층 중 적어도 하나에 광학적 투명 물질(예를 들어, 하나 이상의 기판 층에 포함된 유형의 광학적 투명 물질)이 없다는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다. 임의적으로, 복수의 나노-광자 층 또는 심지어 모든 나노-광자 층에 상기 하나 이상의 기판 층의 광학적 투명 물질이 없을 수 있다.
실시양태 8에서, 실시양태 1 내지 7 중 어느 하나의 주제는, 층 구조가 복수의 기판 층을 포함하는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 9에서, 실시양태 8의 주제는, 복수의 기판 층 및 복수의 나노-광자 층이 층 구조의 두께 방향으로 교대로 배열되는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 10에서, 실시양태 8 또는 9의 주제는, 복수의 기판 층 중 적어도 2개가 서로 상이한 굴절률을 갖는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 11에서, 실시양태 8 내지 10 중 어느 하나의 주제는, 복수의 기판 층 중 적어도 2개가 층 구조의 두께 방향으로 서로 상이한 치수를 갖는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 12에서, 실시양태 1 내지 11 중 어느 하나의 주제는, 층 구조를 지지하는 캐리어를 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 13에서, 실시양태 12의 주제는, 캐리어가 광학적 투명 물질로 제조되고 층 구조 상에 적층된 캐리어 층으로서 구성된다는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 14에서, 실시양태 13의 주제는, 캐리어가 렌즈로서 구성되는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 15에서, 실시양태 13 또는 14의 주제는, 캐리어가 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 16에 따르면, 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터를 포함하는 안경이 제공된다.
실시양태 17은 광원 및 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터를 포함하는 치료용 램프이다.
실시양태 18에서, 실시양태 17의 치료 램프는, 광원과 광학 필터 사이의 광 경로 상에 위치되고 광원에 의해 방출된 광을 편광하도록 구성된 편광기를 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 19에서, 실시양태 18의 치료 램프는, 편광기가 입사광을 선형 편광된 광으로 전환하도록 구성된 선형 편광기로 구성되는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 20에서, 실시양태 19의 주제는, 편광기가 브루스터 편광기를 포함하거나 이로 구성되는 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.
실시양태 21은 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)를 포함하는 조명 수단이다. 이러한 조명 수단은 전구 또는 네온 튜브와 같은 실내 조명 수단 및 가로등 수단을 포함할 수 있다. .
실시양태 22는, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)를 포함하는 디스플레이이다. 상기 디스플레이는 컴퓨터, TV, 휴대폰 등의 디스플레이일 수 있다.
실시양태 23은, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)로서 구성되거나 이를 포함하는 디스플레이 보호 호일이다.
실시양태 24는, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)를 포함하는 창이다. 상기 창은 건물, 차량, 항공기, 선박 등의 창으로서 구성될 수 있다.
실시양태 25는, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)를 포함하는 장난감이다. 상기 장난감은 게임용 컴퓨터로 구성될 수 있다.
실시양태 26은, 20면체 또는 12면체 대칭을 갖는 나노-광자 물질을 포함하는 광학 필터 (특히 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터)를 포함하는 광학 렌즈이다. 상기 광학 렌즈는 안경 렌즈로 구성될 수 있다.
실시양태 27은, 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나의 광학 필터의, 광을 필터링하기 위한 용도를 정의한다.
실시양태 28에서, 실시양태 27의 주제는, 광이 태양 광 또는 인공 조명인 것을 임의적으로 더 포함할 수 있다.

Claims (28)

  1. 양자-제한된(quantum-confined) 캐비티 공간(cavity space)에서의 광물질 결합(light-matter coupling)을 기반으로 하는 광학 필터로서,
    상기 광학 필터는,
    층 구조의 두께 방향으로 적층된 복수의 층을 포함하고, 20면체(icosahedral) 또는 12면체(dodecahedral) 대칭을 갖는 나노-광자(nano-photonic) 물질로 형성된 복수의 나노-광자 층, 및 광학적 투명 물질로 형성된 하나 이상의 기판 층을 포함하는, 층 구조
    를 포함하고, 이때
    상기 하나 이상의 기판 층 중 하나는 상기 층 구조의 두께 방향으로 상기 복수의 나노-광자 층 중 2개 사이에 위치하는, 광학 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노-광자 물질은 풀러렌(fullerene) 분자를 포함하는, 광학 필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나노-광자 물질은 C60 풀러렌 분자를 포함하는, 광학 필터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판은 5 내지 30 nm, 5 내지 20 nm, 5 내지 15 nm, 및 5 내지 10 nm로부터 선택되는 범위의 두께를 갖는, 광학 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노-광자 층 중 적어도 하나는 3 내지 10 nm, 3 내지 7 nm, 및 3 내지 5 nm로부터 선택되는 범위의 두께를 갖는, 광학 필터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판 층에 나노-광자 물질이 없는, 광학 필터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노-광자 층 중 적어도 하나에 상기 하나 이상의 기판 층의 광학적 투명 물질이 없는, 광학 필터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 구조는 복수의 기판 층을 포함하는, 광학 필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 기판 층과 상기 복수의 나노-광자 층은 상기 층 구조의 두께 방향으로 교대로(alternately) 배치되는, 광학 필터.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 복수의 기판 층 중 적어도 2개는 서로 상이한 굴절률(refractive index)을 갖는, 광학 필터.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 기판 층 중 적어도 2개는 상기 층 구조의 두께 방향으로 서로 다른 치수를 갖는, 광학 필터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 구조를 지지하는 캐리어를 추가로 포함하는 광학 필터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐리어는 광학적 투명 물질로 제조되고, 상기 층 구조 상에 적층된 캐리어 층으로서 구성되는, 광학 필터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 캐리어가 렌즈로서 구성되는, 광학 필터.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 캐리어가 나노-광자 물질을 포함하는, 광학 필터.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 안경.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터 및 광원을 포함하는 치료용 램프.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광학 필터 사이의 광 경로 상에 위치되고 상기 광원에 의해 방출된 광을 편광하도록 구성된 편광기(polarizer)를 추가로 포함하는 치료용 램프.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 편광기가, 입사광을 선형 편광된 광으로 전환하도록 구성된 선형 편광기로서 구성되는, 치료용 램프.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 편광기가 브루스터(Brewster) 편광기를 포함하거나 이로서 구성되는, 치료용 램프.
  21. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 조명 수단(lighting means).
  22. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 디스플레이.
  23. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터로서 구성되거나 이를 포함하는 디스플레이 보호 호일(foil).
  24. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 창(window).
  25. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 장난감(toy).
  26. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터를 포함하는 광학 렌즈(optical lens).
  27. 광을 필터링하기 위한, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 광학 필터의 용도.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 광은 태양 광 또는 인공 조명인, 용도.
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