KR101100230B1

KR101100230B1 - A laser device using UV light from ZnO nanorod

Info

Publication number: KR101100230B1
Application number: KR1020100012234A
Authority: KR
Inventors: 안성일; 최경철; 이성의
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-12-30
Also published as: KR20110092676A

Abstract

본 발명은 산화아연과 같은 반도체 나노막대를 이용하여 나노레이저 어레이를 형성하고, 이들 나노레이저 어레이를 고주파 플라즈마 광원을 이용하여 레이저를 여기 발광시킴에 있어서, 광원과 나노레이저 어레이 사이에 금속막을 두어 표면 플라즈몬에 의한 광 증폭 효과로 고출력 레이저 광을 획득할 수 있는 레이저 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 레이저 소자는, 제1 기판과 제2 기판 사이에서 구동 신호를 인가받아 플라즈마광을 발생하는 평판 형태의 플라즈마 광원 및 상기 플라즈마 광원 위에 형성되고 상기 플라즈마광에 의하여 여기된 나노 막대를 이용하여 레이저를 발생하는 레이저 출력부를 포함한다.The present invention forms a nanolaser array by using a semiconductor nanorod such as zinc oxide, and excites and emits a laser light using a high frequency plasma light source, and a metal film is disposed between the light source and the nanolaser array. The present invention relates to a laser device capable of acquiring high power laser light by an optical amplification effect by plasmon. According to an aspect of the present invention, a laser device includes a flat plate type plasma light source generating a plasma light by receiving a driving signal between a first substrate and a second substrate, and a nano bar formed on the plasma light source and excited by the plasma light. It includes a laser output unit for generating a laser using.

Description

산화아연 나노막대 ＵＶ선을 이용한 레이저 소자{A laser device using UV light from ZnO nanorod}A laser device using UV light from ZnO nanorod}

본 발명은 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히, 산화아연과 같은 반도체 나노막대를 이용하여 나노레이저 어레이를 형성하고, 이들 나노레이저 어레이를 고주파 플라즈마 광원을 이용하여 레이저를 여기 발광시킴에 있어서, 광원과 나노레이저 어레이 사이에 금속막을 두어 표면 플라즈몬에 의한 광 증폭 효과로 고출력 레이저 광을 획득할 수 있는 레이저 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a laser device, and in particular, to form a nanolaser array using a semiconductor nanorod such as zinc oxide, and to excite and emit a laser beam using a high frequency plasma light source, the nanolaser array, The present invention relates to a laser device capable of acquiring high power laser light by placing a metal film between laser arrays and effecting light amplification by surface plasmons.

레이저를 이용한 응용분야에 있어서 대부분이 둥근 포인트 레이저를 활용하는 방식이 적용되고 있다. 이들 포인트 레이저들은 공정중에 여러번의 스캔 작업과 배열 작업등이 필요하게 되어 공정 시간 등이 길어지게 된다. In the application field using lasers, a method of utilizing a round point laser is applied. These point lasers require several scans and alignments during the process, resulting in longer process times.

반면, 나노막대 레이저의 경우 나노 단위 크기에서 외부 여기 광을 이용하여 레이저를 단순 발진 시킬 경우 출력이 매우 약한 레이저 광이 나온다. On the other hand, in the case of a nanorod laser, when the laser is simply oscillated using the external excitation light at the nano-unit size, a very weak laser light comes out.

따라서, 상기와 같은 여러 가지 어플리케이션을 고려한다면 나노 레이저의 출력이 높아져야 하기 때문에, 1차원적 나노사이즈의 재료들을 이용한 광증폭으로 레이저를 발진하는 연구가 많이 진행되고 있다.Therefore, considering the various applications as described above, since the output of the nano-laser should be increased, a lot of researches are being conducted to oscillate the laser by optical amplification using one-dimensional nano-sized materials.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 산화아연과 같은 반도체 나노막대를 이용하여 나노레이저 어레이를 형성하고, 이들 나노레이저 어레이를 고주파 플라즈마 광원을 이용하여 레이저를 여기 발광시킴에 있어서, 광원과 나노레이저 어레이 사이에 금속막을 두어 표면 플라즈몬에 의한 광 증폭 효과로 고출력 레이저 광을 획득할 수 있는 레이저 소자를 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to form a nanolaser array using a semiconductor nanorod such as zinc oxide, and the nanolaser array is formed using a high frequency plasma light source. The present invention provides a laser device capable of acquiring high power laser light by an optical amplification effect by surface plasmon by placing a metal film between a light source and a nanolaser array.

또한, 고주파 플라즈마 평면 광원을 사용하고 플라즈몬 공명 효과를 더해서 출력을 상승시킬 수 있으며, 이들의 결합으로 대면적 평판 나노 레이저를 구성하여 포인트 레이저의 단점인 스캔 불균일성, 공정 시간 문제 등을 해결할 수 있는 레이저 소자를 제공하는 데 있다. In addition, by using a high-frequency plasma plane light source and adding the plasmon resonance effect, the output can be increased, and the combination of these forms a large-area flatbed nano laser, which can solve the disadvantages of point lasers such as scan unevenness and process time. It is to provide a device.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 레이저 소자는, 제1 기판과 제2 기판 사이에서 구동 신호를 인가받아 플라즈마광을 발생하는 평판 형태의 플라즈마 광원; 및 상기 플라즈마 광원 위에 형성되고 상기 플라즈마광에 의하여 여기된 나노 막대를 이용하여 레이저를 발생하는 레이저 출력부를 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, the laser device according to an aspect of the present invention for achieving the object of the present invention, the plasma signal is generated by receiving a drive signal between the first substrate and the second substrate A plasma light source in the form of a plate; And a laser output unit formed on the plasma light source and generating a laser by using the nanorods excited by the plasma light.

상기 플라즈마 광원은, 상기 제1 기판 위에 형성되어 상기 구동 신호를 인가받기 위한 복수의 전극 및 상기 복수의 전극 위에 순차 형성된 유전막과 금속 산화막을 포함하고, 상기 복수의 전극, 상기 유전막 및 상기 금속 산화막이 형성된 상기 제1 기판과, 하부에 스페이서가 형성된 상기 제2 기판을 결합하고, 플라즈마 방전 가스를 봉입하여 제작된다.The plasma light source includes a plurality of electrodes formed on the first substrate to receive the driving signal, and a dielectric film and a metal oxide film sequentially formed on the plurality of electrodes, wherein the plurality of electrodes, the dielectric film, and the metal oxide film are formed on the first substrate. The first substrate formed thereon and the second substrate having a spacer formed thereon are bonded to each other to form a plasma discharge gas.

상기 레이저 출력부는, 상기 제2 기판의 상부에 형성된 금속막; 및 상기 금속막 위에 형성된 나노막대 어레이를 포함한다.The laser output unit may include a metal film formed on the second substrate; And an nanorod array formed on the metal layer.

상기 금속막은 금, 은, 동, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.The metal film may be made of gold, silver, copper, aluminum, or an alloy thereof.

상기 금속막은 50 nm ~ 200 nm 의 두께로 형성될 수 있다.The metal film may be formed to a thickness of 50 nm to 200 nm.

상기 나노막대는 산화아연 나노 막대이다.The nanorods are zinc oxide nanorods.

상기 나노막대는 지름 400 nm이하이며 수직방향의 길이 400 nm 이상으로 성장된다.The nanorods are 400 nm or less in diameter and grow at 400 nm or more in the vertical direction.

상기 레이저 출력부는, 상기 금속막과 상기 나노막대 어레이 사이에 형성된 금속 산화막을 더 포함할 수 있다.The laser output unit may further include a metal oxide film formed between the metal film and the nanorod array.

상기 금속 산화막은 산화 알루미늄막을 포함한다.The metal oxide film includes an aluminum oxide film.

상기 레이저 출력부는, 상기 나노막대 위에 부착된 보호막 또는 보호 기판을 더 포함할 수 있다.The laser output unit may further include a protective film or a protective substrate attached to the nanorod.

상기 보호막 또는 보호 기판은 파장 350 ~ 380 nm의 빛을 투과한다.The protective film or protective substrate transmits light having a wavelength of 350 to 380 nm.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 레이저 소자의 제조 방법은, 제1 기판과 제2 기판 사이에서 구동 신호를 인가받아 플라즈마광을 발생하는 평판 형태의 플라즈마 광원을 제작하는 단계; 및 상기 플라즈마 광원 위에 상기 플라즈마광에 의하여 여기되어 레이저를 발생하는 나노 막대를 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a laser device, the method including: manufacturing a plasma light source having a flat plate type to generate a plasma light by receiving a driving signal between a first substrate and a second substrate; And forming a nano bar excited by the plasma light on the plasma light source to generate a laser.

본 발명에 따른 레이저 소자에 따르면, 고주파 플라즈마 평면 광원을 사용하고 플라즈몬 공명 효과를 도입해 고출력 레이저 광을 획득할 수 있다.According to the laser device according to the present invention, a high power laser light can be obtained by using a high frequency plasma plane light source and introducing a plasmon resonance effect.

또한, 대면적 평판 나노 레이저를 구성하여 대면적 레이저를 발진시킬 수 있으며, 레이저의 에너지 균일성이 매우 뛰어나 단위면적당 에너지 균일성을 향상시킬 수 있다. In addition, a large area flat panel nano laser may be configured to oscillate a large area laser, and the energy uniformity of the laser may be very excellent, thereby improving energy uniformity per unit area.

이에 따라, 현재 사용되는 포인트 레이져의 단점인 스캔 속도에 따라서 공정 시간이 길어지는 문제점을 해결하고, 고속 공정이 가능하며, 레이저 프리터 혹은 스캐너에 응용할 경우, 광원의 움직임 없이 한 번에 읽어 들이거나 프린트 할 수 있다. This solves the problem of lengthening the process time according to the scanning speed which is a disadvantage of the point laser currently used, enables high-speed processing, and can be read or printed at once without moving the light source when applied to a laser printer or scanner. can do.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 소자에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 플라즈몬 공명 효과를 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic configuration diagram of a laser device according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the plasmon resonance effect.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 소자(100)에 대한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram of a laser device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 소자(100)는, 평판 형태의 플라즈마 광원(110) 및 레이저 출력부(120)를 포함한다. 플라즈마 광원(110)은 제1 기판(111)과 제2 기판(116) 사이에 형성된 스트라이프 형태의 전극(112), 유전막(113), 금속 산화막(114), 및 스페이서(115)를 포함한다. 레이저 출력부(120)는 제2 기판(116) 위에 형성된 금속막(121), 산화아연 나노막대 어레이(122) 및 보호막(123)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the laser device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a plasma light source 110 and a laser output unit 120 having a flat plate shape. The plasma light source 110 includes a stripe-shaped electrode 112, a dielectric film 113, a metal oxide film 114, and a spacer 115 formed between the first substrate 111 and the second substrate 116. The laser output unit 120 includes a metal film 121, a zinc oxide nanorod array 122, and a passivation layer 123 formed on the second substrate 116.

이하, 위와 같은 레이저 소자(100)의 각 구성 요소가 형성되는 과정을 설명한다.
Hereinafter, a process of forming each component of the laser device 100 as described above will be described.

(1) 플라즈마 광원(110)의 제작(1) Fabrication of Plasma Light Source 110

평판 형태의 플라즈마 광원(110)은 제1 기판(111)과 제2 기판(116) 사이에 형성된 스트라이프 형태의 전극(112), 유전막(113), 금속 산화막(114), 및 스페이서(115)를 포함한다. 플라즈마 광원(110)은 현재 시판되는 플라즈마 디스플레이 패널과 유사한 구조를 갖지만, 형광막이나 어드레스 전극 패턴 등은 불필요하다.The planar plasma light source 110 may include a stripe-shaped electrode 112, a dielectric film 113, a metal oxide film 114, and a spacer 115 formed between the first substrate 111 and the second substrate 116. Include. The plasma light source 110 has a structure similar to that of a currently available plasma display panel, but a fluorescent film, an address electrode pattern, or the like is unnecessary.

구체적으로, 먼저, 유리와 같은 투명 기판인 제1 기판(111) 위에 면방전을 얻기 위한 두개의 금속전극(예를 들어, 은전극)(112)을 형성한다. 대면적 평판 나노 레이저 소자를 위하여 두개의 금속전극은 일정 간격으로 평행하게 반복하여 형성될 수 있다. Specifically, first, two metal electrodes (eg, silver electrodes) 112 are formed on the first substrate 111, which is a transparent substrate such as glass, to obtain surface discharge. For the large-area planar nano laser device, two metal electrodes may be repeatedly formed in parallel at regular intervals.

제1 기판(111) 위에 두개의 금속전극(112)이 형성된 후에는, 그 위에 유전막(113)을 20 ~ 40 μm의 두께로 스크린 프린터 혹은 롤코터 등의 방법으로 형성한다. 여기서 유전막은 산화막, 유기막 등 일정 유전율을 가지며 불투명한 절연막인 것이 바람직하다.After the two metal electrodes 112 are formed on the first substrate 111, the dielectric film 113 is formed thereon by a method such as a screen printer or a roll coater with a thickness of 20 to 40 μm. The dielectric film is preferably an opaque insulating film having a constant dielectric constant such as an oxide film and an organic film.

이와 같은 유전막(113)이 형성된 후에는, 유전막(113) 상부에 금속 산화막(예를 들어, 산화 마그네슘 막)(114)을 진공 증착법에 의하여 약 300 nm ~ 1000 nm의 두께로 형성한다. 금속 산화막(114)은 유전막(113)의 손실을 방지하여 내구성을 높이고 이차전자 방출을 쉽게 하기 위하여 형성된다. After the dielectric film 113 is formed, a metal oxide film (eg, magnesium oxide film) 114 is formed on the dielectric film 113 to a thickness of about 300 nm to 1000 nm by vacuum deposition. The metal oxide layer 114 is formed to prevent loss of the dielectric layer 113 to increase durability and to facilitate secondary electron emission.

한편, 이와 같은 금속 산화막(114)이 형성된 후에는, 하부에 스페이서(115)가 형성된 제2 기판(116)을, 위와 같이 두개의 금속전극(112), 유전막(113), 금속 산화막(114)이 형성된 제1 기판(111)과 결합시킨다. On the other hand, after the metal oxide film 114 is formed, the two substrates 116 having the spacers 115 formed thereon, the two metal electrodes 112, the dielectric film 113, and the metal oxide film 114 as described above. The first substrate 111 is bonded to the formed substrate.

여기서, 제2 기판(116)에 스페이서(115)가 형성되는 것은, 두개의 금속전극(112), 유전막(113), 금속 산화막(114)이 형성된 제1 기판(111)과 결합 시에 두 기판 간의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 것으로서, 스페이서(115)는 통상의 플라즈마 디스플레이의 격벽 성분과 유사한 600도 이하의 저융점 유리 성분으로 이루어질 수 있다. 스페이서(115)는 위와 같은 재료를 이용하여 100 μm 이상의 높이를 가지는 포인트 원기둥, 또는 스트라이프 형태가 일정 간격으로 배열되게 형성될 수 있다. 여기서, 제2 기판(116)의 하부의 스페이서(115) 사이에서 발생하는 플라즈마 방전 시 나오는 광원의 파장이 제2 기판(116)을 충분히 통과시킬 수 있도록 하기 위하여, 제2 기판(116)으로 사파이어, 또는 수정 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. Here, the spacer 115 is formed on the second substrate 116 when the two substrates are combined with the first substrate 111 on which the two metal electrodes 112, the dielectric layer 113, and the metal oxide layer 114 are formed. To keep the spacing constant, the spacer 115 may be made of a low melting point glass component of 600 degrees or less, similar to the partition component of a conventional plasma display. The spacer 115 may be formed such that a point cylinder having a height of 100 μm or more, or a stripe shape is arranged at regular intervals using the above materials. Here, in order for the wavelength of the light source emitted during the plasma discharge generated between the spacers 115 below the second substrate 116 to sufficiently pass the second substrate 116, sapphire to the second substrate 116. Or a substrate made of quartz or the like can be used.

이와 같은 형태의 스페이서(115)가 형성된 제2 기판(116)을, 위와 같이 두개의 금속전극(112), 유전막(113), 금속 산화막(114)이 형성된 제1 기판(111)과 결합시킨 후에는, 결합된 두 기판들 사이에 산화아연 막대(122)을 여기 시키기 충분한 파장대의 플라즈마 방전 가스를 봉입한다. 이때, 봉입되는 가스는 제논(Xe)과 네온(Ne)이 함유된 혼합가스, 또는 수은이 함유된 비활성 가스 등의 가스 혼합물이 사용될 수 있다. 다만, 위와 같은 가스 혼합물은 산화아연 막대(122)가 여기되어 350 ~ 380 nm의 UV를 발생시킬 수 있는 가스로 제한하는 것이 바람직하다. After the second substrate 116 on which the spacer 115 is formed is coupled with the first substrate 111 on which the two metal electrodes 112, the dielectric layer 113, and the metal oxide layer 114 are formed, as described above. Encapsulates a plasma discharge gas in a wavelength band sufficient to excite the zinc oxide rod 122 between the two bonded substrates. In this case, a gas mixture, such as a mixed gas containing xenon (Ne) and neon (Ne), or an inert gas containing mercury, may be used. However, the gas mixture as described above is preferably limited to a gas that the zinc oxide rod 122 is excited to generate UV of 350 ~ 380 nm.

이와 같이 플라즈마 광원(110)이 제작되면, 두개의 금속전극(112)에 각각 별도의 구동 신호를 인가시켜 위와 같이 결합된 두 기판들 사이에 봉입된 가스 혼합물에 의하여 두 기판들 사이에서 플라즈마 면방전을 발생시킬 수 있으며, 금속 산화막(114)에 의한 2차 전자의 방출로 인하여 이러한 플라즈마 방전은 더욱 활성화 될 수 있다. 이에 따라 플라즈마 광원(110)은 스페이서들(115) 사이에서 플라즈마 면방전에 의한 플라즈마광을 고주파로 발진시켜 레이저 출력부(120)로 해당 광을 조사하게 되며, 이에 따라 나노막대 어레이(122)가 여기되어 레이저를 출력할 수 있다.
When the plasma light source 110 is manufactured as described above, the plasma surface discharge is performed between the two substrates by the gas mixture encapsulated between the two substrates coupled as above by applying separate driving signals to the two metal electrodes 112. The plasma discharge may be further activated due to the emission of secondary electrons by the metal oxide layer 114. Accordingly, the plasma light source 110 oscillates the plasma light by the plasma surface discharge between the spacers 115 at a high frequency to irradiate the corresponding light to the laser output unit 120, whereby the nanorod array 122 is excited. Can output a laser.

(2) 플라즈몬 공명을 위한 금속막(121)의 형성(2) Formation of Metal Film 121 for Plasmon Resonance

레이저 출력부(120)를 제작하기 위하여, 제2 기판(116) 위에 금속막(121)을 형성한 후, 산화아연 나노막대 어레이(122) 및 보호막(123)이 차례로 형성된다. In order to fabricate the laser output unit 120, after forming the metal film 121 on the second substrate 116, the zinc oxide nanorod array 122 and the protective film 123 are sequentially formed.

먼저, 하부에는 스페이서(spacer)(115)가 형성되어 있는 제2 기판(116)의 상부에 금속막(121)을 형성한다. 금속막(121)으로서 은(Ag)막 또는 알루미늄(Al) 금속막이 진공증착법으로 형성될 수 있다. 이때, 은(Ag)막 또는 알루미늄(Al) 금속막의 두께는 50 nm ~ 200 nm 으로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 금속막(121)의 두께 120 nm 정도에서 가장 큰 플라즈몬 공명을 얻을 수 있다. 플라즈몬 공명(plasmon resonance)에 의한 광 증폭 효과를 얻을 수 있도록 하기 위한 금속막(121)으로서 위와 같은 금속 이외에도 copper(동), aluminium(알루미늄) 등이 이용될 수도 있으며, 경우에 따라서는 이들 금속의 합금이 이용될 수도 있다.
First, a metal film 121 is formed on an upper portion of the second substrate 116 on which a spacer 115 is formed. As the metal film 121, a silver (Ag) film or an aluminum (Al) metal film may be formed by a vacuum deposition method. In this case, the thickness of the silver (Ag) film or the aluminum (Al) metal film is preferably formed to be 50 nm to 200 nm. For example, the largest plasmon resonance can be obtained at a thickness of about 120 nm of the metal film 121. have. In addition to the above metals, copper (copper), aluminum (aluminum), or the like may be used as the metal film 121 to obtain an optical amplification effect due to plasmon resonance. Alloys may be used.

(3) 산화아연 나노막대 어레이(122)의 형성(3) Formation of Zinc Oxide Nanorod Array 122

다음에, 위와 같이 제2 기판(116) 위에 금속막(121)이 형성된 후에는, 금속막(121) 상부에 산화아연 나노막대(122)를 직접 형성하거나, 나노막대(122)가 수직 방향으로 잘 성장할 수 있도록 하기 위하여 금속막(121) 상부에 금속 산화막, 예를 들어, 산화 알루미늄막을 10 nm ~ 100 nm 정도의 두께를 가지도록 증착한 후 그 위에 산화아연 나노막대(122)를 형성할 수도 있다. 산화아연 나노막대(122)는 1차원 성장 기법으로 성장되는 복수의 산화아연 나노막대가 2차원 배열되도록 형성된다. Next, after the metal film 121 is formed on the second substrate 116 as described above, the zinc oxide nanorod 122 is directly formed on the metal film 121, or the nanorod 122 is vertically disposed. In order to grow well, a metal oxide film, for example, an aluminum oxide film may be deposited on the metal film 121 to have a thickness of about 10 nm to 100 nm, and then a zinc oxide nanorod 122 may be formed thereon. have. The zinc oxide nanorods 122 are formed such that a plurality of zinc oxide nanorods grown by a one-dimensional growth technique are two-dimensionally arranged.

산화아연 나노막대(122)는 산화아연을 진공 증착시켜 형성될 수 있으며, 또는 졸 혹은 겔 상태로 산화아연을 코팅 후 500 ~ 600 ℃ 사이에서 1시간 이상 열처리를 통하여 형성될 수 있다. 진공증착 방법으로 산화아연 나노막대(122)를 증착시키는 바람직한 방법으로는 유기금속 화학증착법(MOCVD), 분자빔 에피 박막 증착법(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 또는 HVPE법(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 예로 들 수 있다. 산화아연의 1차원 성장에 관한 증착법은 일반적으로 잘 알려져 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하며, 당업자는 관련 문헌이나 특허 등을 참조하여 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 다만, 산화아연 나노막대(122)의 지름은 400 nm를 넘지 않는 것이 바람직하며(50nm이상), 수직방향의 길이는 400 nm 이상으로(2000nm이하) 성장시키는 것이 바람직하다.
The zinc oxide nanorods 122 may be formed by vacuum depositing zinc oxide, or may be formed by heat treatment for at least 1 hour between 500 and 600 ° C. after coating zinc oxide in a sol or gel state. Preferred methods for depositing the zinc oxide nanorods 122 by vacuum deposition include, for example, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or hydrogen vapor phase epitaxy (HVPE). Can be mentioned. Since the deposition method for the one-dimensional growth of zinc oxide is generally well known, a detailed description thereof will be omitted here, and a person skilled in the art will be able to easily carry out the method by referring to related documents or patents. However, the diameter of the zinc oxide nanorod 122 is preferably not more than 400 nm (50 nm or more), and the length in the vertical direction is preferably grown to 400 nm or more (2000 nm or less).

(4) 보호막의 형성(4) formation of a protective film

위와 같이 형성되는 산화아연 나노막대 어레이(122) 위에는 파장 350 ~ 380 nm UV를 투과할 수 있는 보호막 또는 기판(123)을 부착함으로써 산화아연 나노막대 어레이(122)를 보호할 수 있다.
On the zinc oxide nanorod array 122 formed as described above, the zinc oxide nanorod array 122 may be protected by attaching a protective film or substrate 123 capable of transmitting a wavelength of 350 to 380 nm UV.

지금까지 설명한 바와 같이, 1차원으로 성장 시키기가 매우 쉬운 구조를 가지는 산화아연 나노막대 어레이(122)는 3.37eV의 밴드갭 에너지와 상온에서 60meV의 큰 엑시톤 (exciton) 바인딩 에너지를 가지고 있어, UV 영역에서 레이저 발진 구조체로 보고되고 있다. 산화아연 나노막대 어레이(122)를 예로 들어 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 산화아연 나노막대 어레이(122) 대신에 1차원으로 성장 시키기가 쉬운 다른 1차원적 나노사이즈의 재료들을 이용하여 형성된 다른 레이저 발진 구조체가 활용될 수도 있을 것이다. As described so far, the zinc oxide nanorod array 122 having a structure that is very easy to grow in one dimension has a bandgap energy of 3.37 eV and a large exciton binding energy of 60 meV at room temperature. Has been reported as a laser oscillation structure. Although the zinc oxide nanorod array 122 has been described as an example, the present invention is not limited thereto. Instead of the zinc oxide nanorod array 122, other lasers formed using other one-dimensional nanosize materials that are easy to grow in one dimension may be used. An oscillation structure may be utilized.

한편, 산화아연은 축을 따라서 1차원성장을 통하여 육각형의 나노 막대기 형태의 결정 구조를 잘 형성하는 재료이다. 이들 육각형 형태의 나노 막대기(122)는 양면이 육각형의 평평한 면을 가지며 산화아연의 큰 굴절율로 인하여 레이저 공진관에서 거울 역할을 수행한다. 따라서, 나노 막대기(122)는 플라즈마 광원(110)으로부터의 고주파로 발진된 플라즈마광에 의해서 여기될 경우 파장 350 nm ~ 380 nm 사이의 UV(자외선)를 발생하고, 이들 UV는 도 2와 같이, 양면을 따라서 일차원적으로 반사, 진행되면서 광의 세기가 증대되어 일정한 세기에 다다르면 레이저광을 출력하게 된다. Zinc oxide, on the other hand, is a material that forms a hexagonal nano-rod crystal structure well through one-dimensional growth along an axis. These hexagonal nano-rods 122 have a flat surface of hexagons on both sides and act as a mirror in the laser resonator tube due to the large refractive index of zinc oxide. Therefore, the nano-rod 122 generates UV (ultraviolet) wavelengths of 350 nm to 380 nm when excited by the high-frequency oscillating plasma light from the plasma light source 110, and these UVs, as shown in FIG. As the light intensity increases while reflecting and progressing one-dimensionally along both sides, the laser beam is output when the intensity reaches a certain intensity.

이와 같이 나노 막대(122)는 플라즈마 광원(110)으로부터의 고주파로 발진된 플라즈마광에 의해서 여기될 수 있는데, 이때, 나노 막대(122)로부터 발생되는 레이저의 효율을 향상시키기 위하여, 도 1 또는 도 2와 같이 나노 막대(122) 하부에 플라즈몬 공명(plasmon resonance)에 의한 광 증폭 효과를 얻을 수 있도록 은(Ag)막 또는 알루미늄(Al) 금속막과 같은 금속막(121)을 형성하였다. As such, the nanorods 122 may be excited by the high-frequency oscillating plasma light from the plasma light source 110. In this case, in order to improve the efficiency of the laser generated from the nanorods 122, FIG. 1 or FIG. As shown in FIG. 2, a metal film 121, such as an silver (Ag) film or an aluminum (Al) metal film, was formed under the nanorods 122 to obtain an optical amplification effect due to plasmon resonance.

표면 플라즈몬은 금속막(121) 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 gold(금), silver(은), copper(동), aluminium(알루미늄) 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용되는데, 그 중에서 가장 예리한 SPR(Surface Plasmon Resonance) 공명 피크를 보이는 silver와 우수한 표면 안정성을 나타내는 gold 가 보편적으로 이용되고 있다. 표면 플라즈몬의 여기(excitation)는 외부에서 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면 즉, 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면전하가 유도되고 이러한 표면전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다. 이 표면 플라즈몬 파는 자유공간에서의 전자기파와는 달리 입사면에 평행하게 진동하는 파로서 p-polarization의 편광성분을 가진다. The surface plasmon is a collective vibration of electrons occurring on the surface of the metal film 121, and the surface plasmon wave generated by this is surface electromagnetic waves traveling along the interface between the metal and the dielectric. Metals exhibiting this phenomenon are mainly used for metals that have a negative dielectric constant and are easy to emit electrons by external stimuli such as gold, silver, copper, and aluminum. Silver with the sharpest Surface Plasmon Resonance (SPR) resonance peak and gold with excellent surface stability are commonly used. Excitation of surface plasmons is caused by the application of an electric field to two medium interfaces with different dielectric functions from the outside, that is, the interface between metal and dielectric, which induces surface charges due to the discontinuity of the electric component perpendicular to the two medium interfaces. Oscillations appear as surface plasmon waves. This surface plasmon wave, unlike electromagnetic waves in free space, is a wave that vibrates parallel to the plane of incidence and has a polarization component of p-polarization.

이런 금속체 중에 은막은 산화아연과 플라즈몬 공명이 잘 나타나는 금속으로, 플라즈몬 공명뿐만 아니라, 플라즈마 광원(110)에서 나오는 빛을 차단하고, 파장 380 nm 부근의 광을 효과적으로 나노막대(122)에 전가시켜 나노막대(122)의 레이저 발진을 돕는다.Among these metals, the silver film is a metal in which zinc oxide and plasmon resonance are well represented, and blocks not only the plasmon resonance but also the light emitted from the plasma light source 110, and effectively transfers light around the wavelength of 380 nm to the nanorod 122. Help the laser oscillation of the nanorod (122).

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

100: 레이저 소자
110: 플라즈마 광원
120: 레이저 출력부
111: 제1 기판
116: 제2 기판
112; 전극
113: 유전막
114: 금속 산화막
115: 스페이서
121: 금속막
122: 산화아연 나노막대 어레이
123: 보호막100: laser device
110: plasma light source
120: laser output unit
111: first substrate
116: second substrate
112; electrode
113: dielectric film
114: metal oxide film
115: spacer
121: metal film
122: zinc oxide nanorod array
123: shield

Claims

제1 기판과 제2 기판 사이에서 구동 신호를 인가받아 플라즈마광을 발생하는 평판 형태의 플라즈마 광원; 및
상기 플라즈마 광원의 상기 제2 기판의 상부에 형성된 금속막과 상기 금속막 위에 형성된 나노막대 어레이를 포함하는 레이저 출력부를 포함하고,
상기 플라즈마광에 의하여 여기된 상기 나노막대 어레이를 통하여 레이저를 발생하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.A plasma light source in the form of a flat plate receiving a driving signal between the first substrate and the second substrate to generate plasma light; And
A laser output unit including a metal film formed on the second substrate of the plasma light source and a nanorod array formed on the metal film;
And generating a laser through the nanorod array excited by the plasma light.

제1항에 있어서,
상기 플라즈마 광원은,
상기 제1 기판 위에 형성되어 상기 구동 신호를 인가받기 위한 복수의 전극 및 상기 복수의 전극 위에 순차 형성된 유전막과 금속 산화막을 포함하고,
상기 복수의 전극, 상기 유전막 및 상기 금속 산화막이 형성된 상기 제1 기판과, 하부에 스페이서가 형성된 상기 제2 기판을 결합하고, 플라즈마 방전 가스를 봉입하여 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The plasma light source,
A plurality of electrodes formed on the first substrate to receive the driving signal, and dielectric layers and metal oxide layers sequentially formed on the plurality of electrodes,
And a first substrate on which the plurality of electrodes, the dielectric film, and the metal oxide film are formed, and the second substrate having a spacer formed thereon, and are filled with a plasma discharge gas.

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제1항에 있어서,
상기 금속막은 금, 은, 동, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 이루어진 막인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The metal film is a laser device, characterized in that the film made of gold, silver, copper, aluminum or alloys thereof.

제1항에 있어서,
상기 금속막은 50 nm ~ 200 nm 의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The metal film is a laser device, characterized in that formed in a thickness of 50 nm ~ 200 nm.

제1항에 있어서,
상기 나노막대는 산화아연 나노 막대인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The nanorod is a laser device, characterized in that the zinc oxide nanorods.

제1항에 있어서,
상기 나노막대는 지름 400 nm이하이며 수직방향의 길이 400 nm 이상으로 성장된 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The nanorod is a laser device, characterized in that the growth of 400 nm or less in diameter and 400 nm or more in the vertical direction.

제1항에 있어서,
상기 레이저 출력부는,
상기 금속막과 상기 나노막대 어레이 사이에 형성된 금속 산화막
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The laser output unit,
A metal oxide film formed between the metal film and the nanorod array
The laser device further comprises.

제8항에 있어서,
상기 금속 산화막은 산화 알루미늄막을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 8,
The metal oxide film is a laser device, characterized in that it comprises an aluminum oxide film.

제1항에 있어서,
상기 레이저 출력부는,
상기 나노막대 위에 부착된 보호막 또는 보호 기판
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 1,
The laser output unit,
Protective film or protective substrate attached on the nano-rod
The laser device further comprises.

제10항에 있어서,
상기 보호막 또는 보호 기판은 파장 350 ~ 380 nm의 빛을 투과하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.The method of claim 10,
The protective film or the protective substrate is a laser device, characterized in that for transmitting light having a wavelength of 350 ~ 380 nm.

제1 기판과 제2 기판 사이에서 구동 신호를 인가받아 플라즈마광을 발생하는 평판 형태의 플라즈마 광원을 제작하는 단계; 및
상기 플라즈마 광원의 상기 제2 기판의 상부에 금속막을 형성하고, 상기 금속막 위에 나노막대 어레이를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 플라즈마광에 의하여 상기 나노막대 어레이를 여기시켜 상기 나노막대 어레이에서 레이저를 발생하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자의 제조 방법.Manufacturing a plasma light source in the form of a flat plate which receives a driving signal between the first substrate and the second substrate to generate plasma light; And
Forming a metal film on the second substrate of the plasma light source, and forming a nanorod array on the metal film;
And exciting the nanorod array by the plasma light to generate a laser in the nanorod array.