KR101587643B1 - 비훈색성 투과형 컬러필터 및 그 제조방법 - Google Patents

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이상신
김은수
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박철순
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 유리 기판; 상기 유리 기판상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 d1의 두께로 형성된 제1 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제1 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제1 실리카층; 상기 제1 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 2 ⅹd1의 두께로 형성된 제2 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제2 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제2 실리카층; 상기 제2 실리콘층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 3ⅹd1의 두께로 형성되는 제3 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제3 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성되는 제3 실리카층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터가 제공된다.

Description

비훈색성 투과형 컬러필터 및 그 제조방법{Non-iridescent Transmissive Structural Color Filter and manufacturing method thereof}
본 발명은 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 및 그 제조방법에 관한 기술에 관한 것이다.
나노구조-기반의 컬러 필터링은, 이의 증가된 효율성, 제조의 용이성 및 친환경성의 이점으로 인해, 디스플레이 기술에 있어서 착색제 침착에 대한 매력적인 대체로써 간주되고 있다.
신뢰성을 가지는 필터링을 위하여, 고성능 디스플레이 및 센서 장치의 실제적 개발에 해로운 장애를 제기하는 각도 의존성과 관련 있는 훈색현상(暈色現像 iridescence)이 완화되어야 한다.
다양한 분야(예를 들어, 디스플레이 및 이미지 장치에서의 사용, 또는 화려한 장식, anti-counterfeiting, 자동차, 직물 등)에서의 응용 가능성으로 인해 구조색(structural coloration)을 기반으로 한 나노광학 컬러필터는 최근 몇 년 동안 광범위하게 발전되어 왔다. 이러한 구조색은 특별히 설계된 파장이하(subwave length) 나노구조의 도움으로 선택적 투과특성 또는 가시광선의 반사를 통한 색상의 생성에 의해 이루어진다.
안료의 사용에 의존하지 않는 구조적 컬러필터는 생태 친화적이고 화학적으로 유도된 변색에 뛰어난 저항력을 가진다. 이러한 필터를 제조하기 위하여, 금속막 내의 주기적 나노홀 어레이, 금속-유전체-금속 공진기, 금속 광학 나노-안테나 어레이, 나노와이어 어레이, GMR(guided mode resonance)-기반 구조체, 광결정, 다층막, 브래그 스택(Bragg stacks), 및 패브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalons)을 포함하여 다양한 방법이 시도될 수 있다.
종래의 기술로 제조된 구조적 컬러 필터는 입사각 또는 시야각에 대한 지각색의 의존성을 나타내는 특정 수준의 훈색현상(iridescence)의 영향을 받게 되어 넓은 시야와 고품질의 컬러 디스플레이의 구현에 어려움을 가져올 수 있다.
이러한 구조적 컬러필터의 각도 의존성을 완화하기 위하여, 고 굴절률의 물질, 생체모방 구조체(bio-mimetic structure), 또는 광 퍼널링(light funneling)을 사용한 구성을 포함한 방법들이 시도될 수 있다. 이러한 방법은 거의 채도의 문제를 고려하지 않을 뿐 아니라, 반사형 구조에 주로 집중되어 연구되었다.
또한, 격자구조를 이용한 넓은 수용 입사각의 투과형 구조의 컬러필터는 엄격한 설계 매개변수로 인해 복잡한 제조공정을 필요로 하고 심한 편광 의존성을 가질 수 있다.
넓은 시야를 가지며, 디스플레이, 이미지 시스템 및 센서 시스템에 용이하게 적용될 수 있도록 하기 위해서는, 각도에 민감하지 않은 특성을 가능하게 하고, 입사각의 변화에 대해 안정한 색조 및 채도를 제공하며 최소한의 광손실을 가지는 비-훈색성 구조적 컬러필터가 요구된다.
본 발명에 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 KR 2000-0036223A호 (2000.06.26)에 개시된다.
대한민국 공개특허공보 KR 2000-0036223A호(2000.06.26)
본 발명은 넓은 각도의 범위에 걸쳐 안정한 색조 및 채도와 비-훈색(non-iridescence) 특성을 가지며 향상된 투과 특성을 가지는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 각도 변화에 민감하지 않은 성능을 가지며, 입사각의 변화에 대해 안정한 색조 및 채도를 제공하고, 광손실을 최소화할 수 있는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유리 기판; 상기 유리 기판상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 d1의 두께로 형성된 제1 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제1 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제1 실리카층; 상기 제1 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 2 ⅹd1의 두께로 형성된 제2 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제2 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제2 실리카층; 상기 제2 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 3 ⅹd1의 두께로 형성되는 제3 수소화 비정질 실리콘층; 상기 제3 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성되는 제3 실리카층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 유리 기판이 배치하는 기판 준비 단계; (b) 상기 유리 기판상에 의해 n2의 굴절률을 가진 제1-1 유전체 캐비티가 수직 방향 d1의 두께로 형성되는 제1 유전체 캐비티층 형성단계; (c) 상기 제1 유전체 캐비티층 상에 n1의 굴절률을 가진 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제1 유전체층 형성단계; (d) 상기 제1 유전체층 상에 상기 제1-1 유전체 캐비티를 수직 방향을 d2의 두께로 형성되는 제2 유전체 캐비티층 형성단계; (e) 상기 제2 유전체 캐비티층 상에 상기 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제2 유전체층 형성단계; (f) 상기 제2 유전체층 상에 상기 제1-1 유전체 캐비티를 수직 방향 d3의 두께로 형성되는 제3 유전체 캐비티층 형성단계; 및 (g) 상기 제3 유전체 캐비티층 상에 상기 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제3 유전체층 형성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법이 제공된다.
또한, 상기 제1-1 유전체 캐비티는 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이며, 상기 제1 유전체는 SiO2(실리카)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 굴절률 n2는 굴절률 n1보다 고 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두께 d2는 2ⅹd1 두께로 형성되며, 상기 두께 d3는 3×d1 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 d1은 82 nm이고, 상기 d2는 164 nm 및 d3는 246 nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 h1는 112nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 d1, d2, d3는 동일한 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터의 중심 공진 주파수는 697 nm이고 대역폭은 0.1 ~ 75 nm 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 d1의 두께를 변경하는 것에 의하여 상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 투과하는 중심 피크 공진 주파수가 변경되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 높은 투과특성 및 자극순도(Excitation purity)를 동시에 달성하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터의 제조 방법에 대한 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 광에 의하여 시뮬레이트된 투과특성 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 빛의 중심파장의 상대적 이동 및 피크 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 광에 대한 색좌표를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터에서 편광 입사각도에 따른 전송 특성 및 파장변화를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 구조 중 에탈론층에서의 광학적 특성을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 a-Si:H 와 SiO2의 분산특성을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 각 조합의 에탈론 소자에 대한 응답 특성을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컬러필터의 비훈색성 특성을 그래프로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
디스플레이 또는 이미지 응용을 위한 필터 장치의 사용 타당성을 입증하기 위하여, 생성된 색의 색조 및 채도의 각 의존성이 투과율 또는 반사효율 면에서의 성능의 개선을 제외하고 고려되어야 한다. 색조 및 채도의 조합은 "다채로운 의미"와 같은 색의 색차(chrominance)로 일반적으로 알려져 있다.
색조에 대하여, 색은 빨간색에서 노란색, 초록색 및 파란색의 범위로 인식되거나, 두 개의 인접한 색 사이의 중간색으로 인식된다. 색 채도는 인식된 밝기에 상관없이 색 감각이 무색 감각과 다른 정도를 나타내는 시각적 인식의 특성이다. 비색분석에 따르면, 색조는 객체로부터 수용된 또는 반사된 광의 우세한 파장에 의해 결정되는 반면, 색의 채도는 자극순도와 관련하여 정량적으로 측정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터는 실리카 유리 기판(15) 상에 생성된 동일한 두께의 제1 유전체 층 사이에 끼워진 상이한 두께를 갖는 3개의 제1-1유전체 캐비티층(a-Si:H 캐비티층)으로 구성된 다층의 캐비티 에탈론 필터를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 유전층은 실리카층(SiO2)으로 형성되며, 제1-1유전체 캐비티층은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된다.
필터를 구성하는 각 에탈론(11, 12, 13)은 부분적으로 반사경 역할을 하는 두 SiO2층 사이에 끼워진 a-Si:H 캐비티로 구성된다.
필터를 통과하는 광에 대해서, 입사각은 θi 로 표시되는 반면, 편광은 전계의 방향에 따라 TE(transverse electric) 및 TM(transverse magnetic)으로 표시된다.
도 1을 참조하면, 에탈론 1(11)은 길이 d1 = d의 캐비티가 선택되는 반면, 에탈론 2 (12) 및 에탈론 3(13)은 각각 d2 = 2d 및 d3 = 3d의 길이의 캐비티를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터(10)는 유리 기판(15), 유리 기판(15) 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 d1의 두께로 형성된 제1 수소화 비정질 실리콘층(111), 상기 제1 수소화 비정질 실리콘층(111) 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제1 실리카층(31), 상기 제1 실리카층(31) 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 2 ×d1의 두께로 형성된 제2 수소화 비정질 실리콘층(112), 상기 제2 수소화 비정질 실리콘층(112) 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제2 실리카층(32), 상기 제2 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 3×d1의 두께로 형성되는 제3 수소화 비정질 실리콘층(113), 상기 제3 수소화 비정질 실리콘층(113) 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성되는 제3 실리카층(33)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 입력 가이드콘(acceptance cone, 16)은 본 발명의 일 실시 예에 대한 출력되는 빛의 색깔이 변하지 않는 입사 각도의 범위를 표시하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터(10)에서 구조적 컬러필터의 동작은 공진 스펙트럼 투과율에 의존한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터(10)에 입사하는 백색광에 대하여, 보강간섭은 앞쪽으로 발산되며, 캐비티 길이에 의해 결정된 파장에서 투과 피크를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에탈론 1(11)이 스펙트럼의 중복과 애매함이 없이 결정할 수 있는 파장의 범위 △λ에 해당하는 프리 스펙트럼 레인지(FSR: free spectral range)를 제공할 때, 에탈론2(12) 및 3(13)은 각각 △λ/2 및 △λ/3에 해당하는 프리 스펙트럼 레인지(FSR: free spectral range)를 제공한다.
따라서, 3개의 에탈론(11, 12, 13)으로 수직으로 적층된 상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자(10)는 △λ의 간격으로 주기적 투과 피크를 나타내게 되며, 여기서 세 가지 구성요소 모두 동시에 공진에 기여할 수 있게 된다.
도 1에 대한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기본 캐비티 길이는 697nm 공진 파장에 대해 a-Si:H 캐비티층과 SiO2층은 각각 d = 82 nm, h = 112 nm 로 설정된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터는 유전체 필름 내에 3층으로 적층된 에탈론 공진기를 포함하고, 각 층은 한 쌍의 SiO2 필름 사이에 끼워진 a-Si:H 내에 고 굴절률의 캐비티를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 매우 작은 각도 의존성으로 단일 공진 피크를 얻기 위하여, 3층의 에탈론을 이용한 구조체가 서로 상이한 a-Si:H 층(111: d1 = 82 nm, 121: d2 = 164 nm 및 131: d3 = 246 nm의 두께를 갖는) 및 일정 두께(h1 = 112 nm)의 SiO2층(31, 32, 33)이 기판상에 교대로 증착되어 제조된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터의 제조 방법에 대한 공정 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자의 제조방법은 먼저 기판 준비 단계(100)에서, 유리 기판(15)이 준비된다.
기판 준비 단계(100)에서 유리 기판상의 유기 및 무기 오염물질은 아세톤, 에탄올 및 탈이온수에서 초음파처리를 통하여 세척되는 과정을 포함할 수 있다.
다음, 110단계에서 상기 유리 기판(15) 상에 n2의 굴절률을 가진 제2유전체 캐비티가 수직 방향 d1의 두께로 형성되어 제1-1유전체 캐비티층(111)을 형성한다.
120단계에서 제1-1유전체 캐비티층(111) 상에 n1의 굴절률을 가진 제1유전체인 제1 실리콘이 h1의 두께로 형성되어 제1 실리카층(31)이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1-1유전체 캐비티층(111)은 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)로 형성되며, 상기 제1유전체층은 SiO2로 선택될 수 있다.
또한, 굴절률 n1은 n2보다 고 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
다음, 제2 수소화 비정질 실리콘층 형성단계(130)에서는 제1 실리카층(31) 상에 수소화 비정질 실리콘층(112)이 수직 방향으로 2ⅹd1의 두께(d2)로 형성된다.
다음 140단계에는 제2 실리카층(32)이 h1의 두께로 형성된다.
다음, 제3 수소화 비정질 실리콘층 형성단계(150)에서는 제2 실리카층(32) 상에 제3 수소화 비정질 실리콘층(113)을 수직 방향으로 3ⅹd1의 두께(d3)로 형성한다.
다음 160단계에서는 제3 실리카층(33)이 h1의 두께로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서 697nm 기본 공진 파장에 대해 d1은 82nm로 형성되고 h1은 112nm로 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중심파장은 캐비티(d1)의 두께를 제어함으로써 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 입력 상단면의 수직면을 0 ~ ± 80°의 각도로 입사된 빛은 상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터(10)를 설정된 주파수 대역 범위 내에서 선택적으로 투과할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 ~ 3 수소화 비정질 실리콘층(111, 121, 131)은 보론이 도핑된 수소화 비정질 실리콘, 즉 a-Si:H로 구비될 수 있다.
또는 상기 제1 ~ 3 수소화 비정질 실리콘층(111, 121, 131)은 보론이 도핑된 수소화 미세 결정질 실리콘, 즉, uc-Si:H로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, d1 = 82 nm, d2 = 164 nm, 및 d3 = 246 nm의 상이한 두께를 갖는 3개의 a-Si:H 층 및 112 nm 두께의 SiO2 필름이 기판 상에 교대로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터에서, a-Si:H 캐비티의 두께는 기본 길이의 정수 배가 되도록 제조되어 모든 에탈론은 공통의 공진 파장을 가진다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 광에 의하여 시뮬레이트된 투과특성 스펙트럼이다.
종래의 적층형 컬러필터의 경우, 즉, 유전체 내에서의 빛의 각도의 변화가 클수록 공진파장의 변화도 커져서, 실제로 투과되는 빛의 파장이 달라지게 된다. 이러한 종래의 유전체 구조 내에서의 빛의 각도는 외부로부터 입사되는 빛의 각도에 의해 달라지는 것으로서, 외부에서 입사되는 빛의 각도 변화가 크게 되면, 적층구조물에 의해 투과되는 빛의 파장 대역이 달라지므로, 실질적으로 특정 파장 대역의 빛만을 검출할 수 있는 유효입사각은 제한적으로 좁아질 수밖에 없어서 넓은 입사각을 가질 수 없었다.
도 3은 바람직한 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터가 + 80°~ - 80°의 넓은 유효 입사각을 갖는 지를 입증하기 위해서, 각각 θi = 0 내지 ±80°로 10°씩 변화하는 입사각으로 조명된 컬러필터의 시뮬레이트된 투과특성을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 시뮬레이션은 RCWA-기반 시뮬레이션 장비를 이용하여 수행되었다.
도 3을 참조하면 수직 입사에 대하여, ~82%의 투과율 및 75-nm의 대역폭으로 λ0 = 697 nm에 위치하는 패스 밴드를 나타내는 시뮬레이션 결과로 충분히 뚜렷한 롤-오프 특성을 제공하는 것을 알 수 있다.
상기 대역폭은 각 θi의 범위에 걸쳐 상당히 변하지 않는 상태로 유지됨이 시뮬레이션을 통해 입증된다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자는 수직 입사각 하에서 75 nm의 대역폭 및 697nm의 공진 파장에서 ~82%의 우수한 투과특성 및 임의의 뚜렷한 보조 피크 없는 우수한 롤-오프 특성 및 실질적으로 낮은 편광의존성을 나타낸다
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 광의 상대적 파장 이동 및 피크 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 계산된 투과율을 θi = 0 내지 ±80°에서 10°씩으로 변하는 입사각의 범위에서의 상대적 파장 이동 및 피크 투과율을 나타낸다. 상기 상대적 파장 이동은 Dlo/lo로 정의되고, 여기서 Dlo는 수직 입사(θi=0°)에 대비한 중심파장의 이동이고 lo는 중심파장이다.
도 4를 참조하면, 전체 범위의 각 변화에 대해서, 시뮬레이션에 따르면 상대적 파장 이동 및 투과율의 감소는 각각 ~1.7% 및 2.1 dB 임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터는 0°에서 ±80°의 θi의 각도 변화의 전 범위에 있어서, 공진 파장의 측정된 상대적 이동은 ~1.7%을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 통과한 광에 대한 색좌표를 도시한 것이다.
도 5는 입사각 θi에 따른 필터의 컬러 출력의 색조 및 채도의 의존성을 효과적으로 알아보기 위하여, 시뮬레이션된 스펙트럼 응답에 해당하는 색좌표가 계산되고, CIE (International Commission on Illumination) 1931 색좌표에 표시된 것이다.
도 5을 참조하면, 백색 포인트 E(0.333, 0.333)와 필터의 색좌표를 연결하는 외삽라인(extrapolated line)이 말굽-모양의 곡선을 교차하는 지점과 관련된 주파장이 먼저 식별된다.
자극순도는 그 후 참조의 백색 포인트 E와 필터의 색좌표를 연결하는 선분의 길이에 대한 포인트 E와 주파장과 관련된 점을 연결하는 선분의 길이에 대한 비로 추정된다. 시뮬레이션된 응답에 해당하는 색좌표는 현저한 각 의존성이 없음이 분명하게 입증될 수 있었다. 전 범위의 각도에서, 중심파장 및 자극순도는 시뮬레이션된 반응에 대해 각각 ~627 nm 및 0.99로 일정하게 유지되는 것으로 나타낸다.
이러한 결과는 이는 색조 및 채도의 저하가 없음을 나타내는 각도에 대한 의존성이 매우 낮은 성능이 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터에서 입사각도에 따른 전송 특성 및 파장변화를 도시한 것이다.
도 6은 입사각 θi에 따른 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자의 성능에 있어서 빛의 편광에 따른 영향을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 상이한 파장 및 각도에 대한 TE 및 TM의 투과특성을 측정한 등고선 지도를 각각 도 6(a) 및 6(b)에서 보여준다.
도 6(a) 및 6(b)를 참조하면, 0°내지 ±80° 범위의 각도에 대한 전달특성은 중심파장에 대해 뚜렷한 편광의존성은 나타나고 있지 않음을 알 수 있다.
그러나, 각도가 ±80° 범위를 초과하게 되면 편광의존성 및 훈색성에 대한 영향이 나타날 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터는 입력 편광에 대해 낮은 민감도를 가지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터는 도 5, 6의 비색분석으로부터 얻어진 바와 같이, 160°(중심수직선에 대하여 ± 80°)의 각도 범위에 걸쳐 0.99의 높고 안정된 자극순도 및 일정한 주파장과 함께 크게 확장된 각 수용성을 제공함으로 인해 안정한 색조 및 채도를 나타낼 수 있다.
도 6(c) 및 6(d)는 각각 TE 및 TM 편광에 대한 투과율 및 상대적 파장 이동 (Dlo/lo)의 변화를 나타내는 그래프이다
도 6(c) 및 6(d)를 참조하면 θi = 0°인 경우, 중심파장 및 투과율은 두 편광에 대해서 동일함을 암시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 구조 중 에탈론층에서의 광학적 특성을 도시한 것이다.
여기서 도 7을 참조하면, 굴절률 n2의 유전체 캐비티(300)는 상하 양쪽에 굴절률 n1의 2 개의 유전체 층(311, 312)으로 둘러싸여 있다.
대기로부터 각도 θi의 빛(350)이 각각 θ1 및 θ2의 각도로 n1 및 n2 굴절률의 유전체층으로 굴절된다.
파워 전송(power transmission)은 T =(1 -R2)/[1 +R2-2Rcosd]로 주어진다. (여기서 R은 a-Si:H 및 SiO2 층 사이의 유전체 인터페이스의 반사율이다.)
T1 및 T2의 두 연속적 투과 간의 위상차는 d=(4p/l)n2dcosθ2-2f 로 표시된다. (여기서 f는 인터페이스에서 내부 반사에 의해 부여되는 위상이동이다.).
최대 투과는 d =2mp의 위상차에 대해서 공진파장 λ0에서 일어난다. m =1인 경우에도 다른 공진이 그것으로부터 충분히 분리되고 근적외선 대역에 위치하기 때문에 고려될 수 있다.
공진 파장은
Figure 112014097849578-pat00001
식으로 주어질 수 있다.
그 결과, 각 θi를 갖는 공진 파장의 분포 이동은
Figure 112014097849578-pat00002
로 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상대적 파장 이동은 캐비티의 굴절률이 증가할 때 감소함을 알 수 있었다.
상기 주어진 이론적 결과를 기반으로 a-Si:H로 만들어진 고굴절률의 캐비티의 특성을 확인할 수 있었으며, a-Si:H 캐비티 및 SiO2 층의 실제 분산을 고려하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자를 착안할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시물레이션에 사용된 a-Si:H와 SiO2의 분산특성을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 표적 중심과 일치하는 개별 에탈론의 복수의 공진 파장 중 하나는 ~697 nm임을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 표적 중심과 일치하는 개별 에탈론의 복수의 공진 파장 중 하나인 ~697nm 생성하기 위하여, 에탈론의 캐비티 두께는 82 nm의 정수배가 되도록 선택되고, 산화물(SiO2)층은 균일하게 h = 112 nm 두께로 선택된다.
도 9는 본 발명의 도 다른 실시 예에 따른 각 조합의 에탈론 소자에 대한 응답 특성을 도시한 것이다.
도 9(a)는 λ0= 697nm에서의 투과피크를 얻도록 각 에탈론의 두께가 82㎚의 정수배를 가진 에탈론 조합에 대한 광학적 전달곡선을 나타낸다.
도 9(a)를 참조하면, 3개의 에탈론의 경우, 초록색 또는 파란색 영역에서의 투과율은 제로 측파대 전송(zero sideband transmission)을 초래할 정도로 감소된 반면, 공진 파장에서는 ~82%의 우수한 투과특성을 나타냄을 알 수 있다.
대역폭뿐만 아니라 투과율은 에탈론의 수의 증가와 함께 더욱 감소하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 위 계산된 결과를 바탕으로 초록색 및 파란색 스펙트럼 대역에서 높은 투과특성 및 투과특성이 없는 빛에서, 캐비티 두께가 d1 = 82 nm, d2 = 164 nm, 및 d3 = 246 nm의 3 개의 에탈론일 경우, ~697 nm에 위치한 효율적인 패스 밴드를 제공하고, 만족할 수 있는 뚜렷한 롤-오프(roll-off) 특성을 가지며, 0을 초과하는 0.1로부터 ~75 nm의 대역폭을 갖는 바람직한 적용을 채택할 수 있었다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 넓은 수용 입사각을 가지는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 성능은 적층된 에탈론의 고굴절률 캐비티의 결과로 얻어질 수 있으며, 여기서 상대적 파장 이동은 ~1.7% 로 무시할 정도로 작았다.
한편, 또 다른 실시 예에서는 에탈론이 동일한 두께를 갖는 3개의 에탈론 적층을 적용하는 것을 고려할 수 있다.
도 9(b)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 동일한 기본 두께의 캐비티를 갖는 3개의 에탈론층과 기본 두께의 정수배에 해당하는 캐비티를 갖도록 제작된 필터의 전송 곡선을 도시한 것이다.
도 9(b)를 참조하면, 후자(정수배 두께)의 경우에 대한 스펙트럼은, 근적외선 영역에서 전자(동일 두께)의 경우에 대한 스펙트럼과 비교하여 보다 좁은 대역폭 및 보다 감소된 측파대를 나타내는 것으로 관찰되었고, 이는 연색성(color rendering)을 위해 매우 바람직한 것으로 여겨진다.
또한, d1, d2, d3를 동일한 두께로 하였을 경우는 넓은 대역폭을 가지면서 높은 투과율을 가지는 것으로 나타낸다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, d1, d2, d3를 동일 두께로 할 것인지, 정수배 두께로 할 것인지는 사용용도에 따라서 선택적으로 적용될 수 있다.
파장 이동은 고굴절률의 캐비티의 사용으로 인해 최소화 될 수 있으나 필터는 입사각에 따라 투과율에 있어서 감소를 나타낼 수 있다.
이는 f(λ,λ0, △ω,T0,T1) =T0+T1/exp[(λ-λ0)2(2△ω)-2] 식으로 나타낼 수 있다. (여기서 λ는 파장, λ0는 공진피크의 중심파장, To는 측파대 투과율, (To+T1)는 스펙트럼 응답의 투과율, 및 △ω는 공진 피크의 3-dB 대역폭이다.)
위 식으로 정의된 바와 같이, 공진 스펙트럼에 대해 정규 (가우스) 분포를 가정할 수 있다.
출력 색상에 대한 중심파장, 투과율 및 측파대 레벨을 포함하여 전송특성의 영향을 확인하기 위하여 85%의 임의의 고정된 투과율 및 20nm의 대역폭에 대한 색좌표는 상기 언급된 매개변수에 대하여 추적될 수 있다. 두 개의 다른 경우가 측파대 레벨의 존재 및 부재 하에서 투과특성 스펙트럼에 대해 고려될 수 있다.
예를 들어 To=0 및 To≠0. 무시할 정도의 측파대 레벨인 경우, 투과율을 85부터 25%까지 20%의 크기 차이로 변화시키며, 450 내지 650nm 의 중심파장 변화에 대해 색좌표를 확인될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 연속된 에탈론을 구현하기 위한 시야각에 자유로운 성능 및 설계를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컬러필터의 비훈색성 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 10은 식 1에 의해 정의되는 가우시안 분포를 통해 추정되는 스펙트럼 반응의 비 측파대 레벨(도 10(a) no sideband level(T0 = 0)) 및 비-제로 측파대 레벨(도 10(b) Non-zero sideband level(T0 = 0.005))을 도시한 것이다.
[식 1]
Figure 112014097849578-pat00003
여기서, λ은 파장이고, λ0 공진 피크의 중심 파장 T0는 사이드밴드 투과율 레벨, (To + T1)는 스펙트럼 응답의 피크 전송, △ω는 공진피크의 3-dB 대역폭을 나타낸다.
도 10(a)에서 보여주는 바와 같이, 시계방향으로 검은 화살표로 표시된 궤적으로 따라 파란색에서 초록색으로 최종적으로 빨간색으로 출력 색상이 이동하고, 이는 색지도(color map)의 "말굽" 모양의 방향을 밀접하게 따른다.
도 10(a)에서, 주어진 중심 파장-길이와 필터 반응에 해당하는 색좌표는 투과율에 상관없이 일정하게 유지되므로, 입사각에 대한 투과율의 변화에 대한 반응에서 색조 및 채도에 있어서는 변화가 없음을 의미한다.
도 10(b)를 참조하면, 5%의 일정 측파대 레벨 및 20nm의 동일한 일정 대역폭에 대한 색좌표는 중심파장과 함께 이동하고, 색지도를 통해 파란색에서 초록색을 거쳐 빨간색으로 이동한다. 이는 이전의 경우와 유사하나, 측파대 레벨이 제로인 경우인 이전과는 달리, 투과율이 감소할수록, 주어진 중심파장과 필터 투과율과 관련된 좌표는 초기 지점에서 점진적으로 흰색 지점에 가까워 진다(파란색 화살표로 표시된 바와 같이). 그 결과, 색조 및 채도에 있어서 변화가 유도된다.
다른 비-제로 측파대 투과율 및 상이한 대역폭에 있어서, 색좌표 주변으로부터 흰색 지점으로 벗어나는 색좌표로 인한 채도의 감소와 같이 유사한 특성이 또한 발견된다.
따라서, 입사각의 변화로 인해 야기되는 투과율의 감소에 관계 없이 일정한 색조 및 채도를 얻기 위하여, 스펙트럼 반응에 대한 중심파장 및 대역폭이 고정될 뿐만 아니라 측파대 레벨도 제로로 유지되는 것이 바람직하다.
도 5에서 나타난 바와 같이, 컬러필터의 비-훈색성 전송특성은 소자가 비-공진 측파대에서 뚜렷한 전달을 허용하지 않는 사실을 통해 설명될 수 있다. 도 10(a)에서 도시된 바와 같이, 투과율이 입사각의 증가와 함께 감소할지라도, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자는 의도된 바와 같이 넓은 범위의 각도에 걸쳐 훈색현상이 나타내지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 소자는 넓은 입사각의 범위에서 편광방향과 무관하게, 중심파장 및 투과율에 큰 변화가 없으며, 이로 인해 색조 및 채도에 대한 변화도 나타나지 않는다.
상기 소자의 하나의 뚜렷한 특성은 필터의 크기를 크게 확장 가능하며, 간단한 박막 증착기술을 사용하여 대량생산을 용이하게 하는 것이다. 입증된 성능으로 판단할 때, 입사각의 변화에 관계 없이 일정한 높고 안정한 색조를 전달할 수 있도록 하는 입사각에 민감하지 않은 특성으로 인해 상기 소자는 디스플레이, 이미지 및 센서 분야에 있어서 안정적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에탈론의 캐비티로서 고굴절률을 갖는 a-Si:H를 사용함으로써, 빨간색 계열의 우수한 성능을 갖는 필터의 설계가 가능하며, 캐비티 두께를 변화시켜, 파란색 및 초록색의 더 짧은 파장영역에서도 필터특성을 나타낼 수 있으나, a-Si:H의 높은 흡수로 인해 낮은 투과특성을 나타낼 수 있다.
한편, 캐비티로 사용된 a-Si:H 박막의 결정화 또는 캐비티 물질로서 결정질 실리콘(crystalline silicon)의 사용은 파란색 및 초록색 구조적 컬러필터에 대해서도 우수한 비-훈색성(non-iridescent) 투과특성을 제공할 수 있다.
10: 컬러 필터
15: 기판
11 ~ 13: 에탈론
111, 112, 113: 유전체 캐비티
31, 32, 33: 유전체층

Claims (10)

  1. (a) 유리 기판을 배치하는 기판 준비 단계;
    (b) 상기 유리 기판 상에 n2의 굴절률을 가진 제1-1 유전체 캐비티가 수직 방향 d1의 두께로 형성되는 제1 유전체 캐비티층 형성단계;
    (c) 상기 제1 유전체 캐비티층 상에 n1의 굴절률을 가진 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제1 유전체층 형성단계;
    (d) 상기 제1 유전체층 상에 상기 제1-1 유전체 캐비티를 수직 방향을 d2의 두께로 형성되는 제2 유전체 캐비티층 형성단계;
    (e) 상기 제2 유전체 캐비티층 상에 상기 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제2 유전체층 형성단계;
    (f) 상기 제2 유전체층 상에 상기 제1-1 유전체 캐비티를 수직 방향 d3의 두께로 형성되는 제3 유전체 캐비티층 형성단계; 및
    (g) 상기 제3 유전체 캐비티층 상에 상기 제1 유전체가 h1 두께로 형성되는 제3 유전체층 형성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 두께 d2는 2ⅹd1 두께로 형성되며, 상기 d3는 3×d1 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법

  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1-1 유전체 캐비티는 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이며, 상기 제1 유전체는 SiO2(실리카)인 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 굴절률n2는 굴절률n1보다 고 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  4. 삭제
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 d1은 82 nm이고, 상기 d2는 164 nm 및 d3는 246 nm인 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 h1는 112nm인 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터의 중심 공진 주파수는 697 nm이고 대역폭은 0.1 ~ 75 nm 범위이며, 입력 상단면의 수직중심에서 ± 80° 입사각을 가지는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 d1의 두께를 변경하는 것에 의하여 상기 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터를 투과하는 중심 피크 공진 주파수가 변경되는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터 제조방법
  10. 유리 기판;
    상기 유리 기판상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 d1의 두께로 형성된 제1 수소화 비정질 실리콘층;
    상기 제1 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제1 실리카층;
    상기 제1 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 2ⅹd1의 두께로 형성된 제2 수소화 비정질 실리콘층;
    상기 제2 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성된 제2 실리카층;
    상기 제2 실리카층 상에 a-Si:H(수소화 비정질 실리콘)이 3 ⅹd1의 두께로 형성되는 제3 수소화 비정질 실리콘층; 및
    상기 제3 수소화 비정질 실리콘층 상에 SiO2(실리카)가 h1의 두께로 형성되는 제3 실리카층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 비훈색성 투과형 구조의 컬러필터

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