KR102406473B1 - 플라즈몬 조명 장치에서의 광자 이미터의 공간 포지셔닝 - Google Patents

플라즈몬 조명 장치에서의 광자 이미터의 공간 포지셔닝 Download PDF

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Abstract

기판(104)과, 기판 상에 배치된 광 투과성 제1 층(106)과, 광 투과성 제1 층 상에 배치되고, 에너지원으로부터 에너지를 수신하고 미리 결정된 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된 광자 방출 재료를 포함하는 광자 방출 층(108)과, 기판 상에 배치되고 제1 층 내에 매립되고, 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(114)를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이를 포함하고, 플라즈몬 안테나 어레이는 개별 안테나 요소에서의 국부 표면 플라즈몬 공명과 플라즈몬 안테나 어레이 및 광자 방출 층을 포함하는 시스템에 의해 지지되는 광자 모드의 결합으로부터 발생하는 미리 결정된 파장에서의 제1 격자 공명을 지지하도록 구성되며, 플라즈몬 안테나 어레이는 플라즈몬 안테나 어레이로부터 방출되는 광이 이방성 각도 분포를 갖게 하기 위해 플라즈몬 공명 모드를 포함하도록 구성되고, 광자 방출 층은 플라즈몬 광자 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 최대 필드 향상 위치에 대응하는, 안테나 어레이 평면으로부터의 거리에 배치되는, 조명 장치(100)가 제공된다.

Description

플라즈몬 조명 장치에서의 광자 이미터의 공간 포지셔닝{SPATIAL POSITIONING OF PHOTON EMITTERS IN A PLASMONIC ILLUMINATION DEVICE}
본 발명은 플라즈몬 조명 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈몬 조명 장치에서의 이미터의 최적화된 공간 포지셔닝에 관한 것이고, 그러한 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
조명 응용에 사용하기 위한 발광 다이오드(LED)에 있어서, 백열 조명에 의해 생성된 것과 근사하게 유사한 색 온도를 갖는 본질적 백색광을 제공하는 것이 바람직하다.
LED로부터의 백색광은 일반적으로 약 450 nm의 파장을 갖는 청색광을 방출하는 pn 다이오드를 사용함으로써 제공되며, 청색광의 일부는 다이오드 위에 또는 다이오드 부근에 배치된 하나 이상의 파장 변환 재료를 사용하여 더 긴 파장으로 변환된다. 변환된 광을 흡수되지 않은 청색광과 결합함으로써, 백색광으로 인지되는 상당한 광대역의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
일반적으로, 대부분의 상업적 응용에서, 파장 변환 재료는 LED 상에 직접 적용된다. 또한, 각도에 따른 색의 변화가 적도록 파장 변환 재료는 종종 산란성을 갖는다. 이것은 청색광이 또한 다시 다이오드 안으로 산란되어 LED에서 흡수 손실을 일으킨다는 것을 의미한다. 더욱이, 파장 변환 재료의 활성 성분, 일반적으로 형광체는 등방성 이미터이며, 이는 동일한 양의 파장 변환된 광이 모든 방향으로 방출된다는 것을 의미한다. 이는 광의 일부만이 발광 장치의 출력 표면을 통해 빠져나가기 때문에 추가 손실을 유발한다.
손실을 줄이는 문제는 예를 들어, 후방 산란되어 다이오드에 의해 흡수되는 청색광의 양을 감소시키기 위해 덜 산란하는 형광체를 사용함으로써 해결되었다. 그러나, 형광체로부터의 등방성 방출은 남는다.
방출 방향이 변경될 수 있는 광자 대역 갭 재료를 도입함으로써 발광 장치를 떠나는 광의 양이 또한 증가할 수 있다. 그러나 방출 방향을 제어할 수 있기 위해서는, 광자 대역 갭 재료가 고굴절률 콘트라스트를 갖는 재료로 제조될 필요가 있고, 높은 종횡비의 홀 또는 필라가 패터닝되고 형성되어야 하며, 크기 조절이 매우 엄격해야 하며, 재료가 산란 손실을 일으키는 발광성을 가져야 한다. 또한, 광자 대역 갭 재료는 재료의 표면에 수직인 평면, 즉 홀 또는 필라에 평행한 방향에서만 실제로 효과적이다.
따라서, 발광 장치의 방출 효율을 높이기 위한 제안된 접근법은 극복하기 어려운 고유한 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 조명 장치의 전술한 바람직한 특성 및 종래 기술의 전술한 단점 및 다른 단점을 고려하여 개선된 조명 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 기판과, 기판 상에 배치된 광 투과성 제1 층과, 광 투과성 제1 층 상에 배치되고, 에너지원으로부터 에너지를 수신하고 미리 결정된 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된 광자 방출 재료를 포함하는 광자 방출 층과, 기판 상에 배치되고 제1 층 내에 매립되고, 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이를 포함하고, 플라즈몬 안테나 어레이는 개별 안테나 요소에서의 국부 표면 플라즈몬 공명과 플라즈몬 안테나 어레이 및 광자 방출 층을 포함하는 시스템에 의해 지지되는 광자 모드의 결합으로부터 발생하는 미리 결정된 파장에서의 제1 격자 공명을 지지하도록 구성되며, 플라즈몬 안테나 어레이는 플라즈몬 안테나 어레이로부터 방출되는 광이 이방성 각도 분포를 갖게 하기 위해 플라즈몬 공명 모드를 포함하도록 구성되고, 광자 방출 층은 플라즈몬 광자 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링(light out-coupling)을 위해 최대 필드 향상 위치에 대응하는, 안테나 어레이 평면으로부터의 거리에 배치되는, 조명 장치가 제공된다.
안테나 어레이 평면은 본 명세서에서 안테나 소자가 위치하는 기판 표면의 평면으로 정의된다.
최대 필드 향상의 최대 위치는 주어진 주파수에 대해 획득된 강도 향상(IE)의 가장 큰 값이 광자 방출 층의 볼륨에서 발견될 수 있는 위치를 지칭한다. 그러나, 최대 필드 향상의 위치는 필드 강화가 주어진 임계값보다 높은 공간에서의 범위, 영역 또는 서브 볼륨으로 이해될 수도 있다. 따라서, 최대 필드 향상은 국부 최대일 수 있다. 또한, 안테나 어레이 평면으로부터 주어진 거리에서의 필드 향상은 주어진 거리에서 안테나 어레이 평면에 평행한 평면에서 평균 필드 향상으로서 결정될 수 있다.
본 장치에서, 안테나 어레이 평면과 광자 방출 층 사이의 거리는 안테나 요소가 매립된 광 투과성 제1 층의 두께에 의해 정의된다. 제1 층의 두께는 발광 장치 및/또는 반도체 기술의 분야에서 공지된 종래의 퇴적 기술을 사용하여 높은 정확도로 용이하게 제어 가능하다.
플라즈몬 공학의 분야는 작은 전도성 구조, 일반적으로 금속 구조와 광의 상호 작용을 지칭하며, 따라서 금속 구조의 크기는 광의 파장과 유사하다. 금속 내의 전도 전자는 외부 전기장에 반응하고, 전자 구름은 구동 광 주파수에서 진동하여, 전자를 끌어당기는 더 양으로 대전된 영역을 남긴다. 금속 구조의 크기가 작기 때문에 공명은 가시광의 주파수에 도달할 수 있다. 결과적으로, 금속 구조는 금속 입자에 입사하는 임의의 광 또는 금속 입자에 근접하여 생성되는 임의의 광과의 강한 상호 작용을 허용하는 큰 산란 단면을 가질 수 있다.
규칙적인 어레이는 하이브리드 격자 플라즈몬 광자 모드 또는 플라즈몬-광자 격자 공명이라고도 하는 하이브리드 결합 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 및 광자 모드에 기인하는 방출의 지향성의 강한 향상을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 방출의 지향성 향상은 여기서 이방성 방출, 즉 논-램버시안 방출(non-Lambertian emission)로 지칭된다.
정렬된 광 안테나 어레이는 집합 격자 공명을 지지한다. 방사 파장이 어레이의 주기성 정도일 때, 회절된 차수가 어레이의 평면에서 방사될 수 있다. 이러한 방식으로, 개별 입자에 의해 유지되는 국부 표면 플라즈몬 폴라리톤이 회절을 통해 결합되어 표면 격자 공명(SLR)으로 알려진 집합적 격자 유도 하이브리드 광자-플라즈몬 공명을 유도할 수 있다. 이러한 비국부화(delocalized) 모드는 여러 유닛 셀로 확장되어 고체 상태 조명에서 요구되는 큰 볼륨에 걸쳐 분포된 이미터로부터의 방출의 집합적 향상을 얻을 수 있다.
여기서는 집합 나노 안테나로서 거동하는 나노 입자의 주기적 어레이가 사용된다. 이 어레이는 집합 플라즈몬 공명을 유지한다. 한편, 금속 나노 입자는 파장 변환 재료에서 형광체의 공명 여기를 허용하는 큰 산란 단면을 가지므로 광의 변환을 향상시킨다. 한편, 집합 플라즈몬 공명은 방출의 각도 패턴을 형상화하여, 대부분의 광을 정의된 방향으로 매우 좁은 각도 범위로 비추는 것을 가능케 한다. 따라서, 지향성 향상은 광자 방출 매체의 여기 효율 향상과 어레이에서의 확장 플라즈몬-광자 모드로의 형광체 방출의 아웃 커플링(out-coupling) 효율 및 후속하는 자유 공간 방사로의 아웃 커플링의 향상의 결합으로서 설명된다.
플라즈몬 안테나 어레이의 기능에 대한 보다 상세한 설명은 WO2012/098487 및 공개되지 않은 유럽 특허 출원 EP13179374에서 발견될 수 있다.
본 발명은 어레이에 의해 지지되는 광자 방출 재료와 플라즈몬 광자 격자 공명 사이의 결합이 안테나 어레이에 대한 광자 방출 재료의 정확한 포지셔닝에 의해 증가될 수 있다는 사실에 기초한다. 일반적으로, 광자 방출 층은 층 전체에 걸쳐 균일하게 분포된 입자 또는 이미터를 포함할 수 있다. 그러나, 격자 공명 모드로부터의 필드 분포가 균일하지 않은 것으로 인식됨에 따라, 광자 방출 재료를, 예를 들어, 입자 형태로 배열함으로써 개선된 결합 효율이 달성될 수 있으며, 여기서 공명 모드로부터의 필드 향상은, 예를 들어 안테나 어레이 평면으로부터 거리를 두고 가장 높은 필드가 관찰되는 표면 수직의 방향에서 가장 강하다. 이에 의해, 증가된 결합 효율에 의해, 조명 장치로부터 방출되는 광의 개선된 지향성을 제공할 수 있고, 광자 방출 층에서의 손실을 저감한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광자 방출 재료는 유리하게는 제1 파장의 광을 수용하고 제1 파장으로부터 수용된 광을 제2 파장으로 변환하도록 구성된 파장 변환 재료일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 안테나 어레이는, 플라즈몬 광자 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 안테나 어레이 평면에 평행한 평면에서, 안테나 어레이 평면으로부터 거리를 두고, 실질적으로 균일한 최대 필드 향상의 공간 분포를 제공하도록 유리하게 구성될 수 있고, 그 후 광자 방출 재료는 유리하게는 최대 필드 향상의 균일한 공간 분포에 대응하는 광자 방출 층의 평면 내에 분포될 수 있다. 플라즈몬 안테나 어레이에 기인한 필드 향상은 3차원에서 불균일적이다. 그러나, 안테나 어레이는 안테나 어레이 평면의 수직 방향으로 안테나 어레이로부터 주어진 거리의 평면에서 필드 향상이 균일하도록 유리하게 구성될 수 있다. 이에 따라, 면내 균일 필드 향상과 평면 균일 광자 방출 층 사이의 최적화된 오버랩이 달성될 수 있으며, 이는 이어서 최적화된 결합 효율을 초래한다. 평면 내 균일인 필드 향상은 평면에 수직인 방향으로 일정한 확장을 갖는 것으로 이해되어야 하며, 엄격하게 2차원 분포로 간주되어서는 안된다. 분포의 확장은 또한 광자 방출 층의 두께와 일치될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 플라즈몬 안테나 어레이는 안테나 어레이 평면으로부터 거리를 두고 평면에서 필드 분포가 불균일하도록 또한 구성되고 배열될 수 있다. 이러한 구성의 경우, 파장 변환 입자는 안테나 어레이 평면으로부터 주어진 거리에서 평면에서 대응하는 변화하는 농도를 가질 수 있으며, 농도는 필드 강도가 더 높은 위치에서 더 높다. 이에 따라, 결합 효율은 면내 불균일 필드 향상에 대해서도 더 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광자 방출 재료는 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링을 위한 최대 필드 향상의 3차원(3D) 공간 분포에 대응하는 광자 방출 층의 볼륨에 유리하게 분포될 수 있다. 광자 방출 및/또는 파장 변환 입자의 위치와 높은 필드 강도 사이의 최적화된 상관 관계를 달성하고 이에 의해 가장 높은 결합 효율을 달성하기 위해, 파장 변환 입자는 바람직하게는 3D 공간 필드 분포에 따라 3차원으로 분포될 수 있어서, 파장 변환 입자와 최대 필드 향상 위치 사이의 공간적 중첩이 최대화된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 투과성 제1 층의 굴절률은 유리하게는 굴절률 유도(guided) 모드를 지지하는 기판의 굴절률보다 높을 수 있다. 금속 나노 입자의 어레이는 회절 또는 굴절률 유도 모드에 결합된 전술한 바와 같은 국부적 인 표면 플라즈몬 폴라리톤(LSPP)으로 인한 비국부화된 플라즈몬 광자 하이브리드 상태를 지지할 수 있다. 굴절률 유도 모드를 지지하기 위해, 안테나 어레이가 배열되는 층의 굴절률은 기판의 굴절률보다 높아야 한다. 회절 및 도파관 결합은 각각 표면 격자 공명으로 알려진 집합 격자 모드와 도파관 플라즈몬 폴라리톤을 발생시킨다. 이러한 공명은 파장 변환 재료가 위치된 볼륨의 안테나 요소로부터 멀리 확장되는 큰 필드 향상에 대한 원인이 된다. 이에 따라, 필드의 추가 향상은 파장 변환 층의 알려진 위치에서 달성될 수 있다. 또한, 굴절률의 특정 세트에 의존하여, 기판 상의 층의 스택의 최소 전체 두께가 광 투과성 제1 층에서 도파관 모드를 유지하기 위해 필요할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈몬 안테나 어레이는 유리하게는 면외 비대칭(out-of plane asymmetric)인 플라즈몬 공명 모드를 포함하도록 구성될 수 있다. 광의 비대칭 방출을 제공하도록 플라즈몬 안테나 어레이를 구성함으로써, 안테나 어레이에 의해 방출된 광이 더 많이 조명 장치의 방출 표면을 향해 방출될 수 있다. 이는 생성된 광의 더 많은 부분이 장치의 선택된 발광 표면으로부터 방출되기 때문에 조명 장치의 전체 효율을 증가시킨다. 조명 장치는 광이 주로 기판을 통해 또는 기판으로부터 멀리 떨어진 파장 변환 층으로부터 방출되도록 구성될 수 있다. 면외 비대칭 플라즈몬 공명 모드는 예를 들어 안테나 요소가 예를 들어 절두 피라미드(truncated pyramid), 원뿔 또는 절두 원뿔의 형상을 갖는 비대칭이 되게 함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 각각의 안테나 요소에 대한 결과적인 공명 모드는 비대칭이 되어 비대칭 발광 특성을 유도한다. 안테나 요소의 비대칭 형상은 안테나 요소의 종축에 평행한 평면에서의 그러한 요소의 단면, 즉 "기립" 안테나 요소의 수직 평면에서의 단면의 비대칭을 지칭한다.
안테나 요소의 테이퍼링(tapering)은 방출의 비대칭에 중요하다. 특히, 비대칭은 안테나 요소에서의 전기 및 자기 공명의 동시 여기에 기초한다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 대칭의 파괴로 인해 향상되는 것은 주로 자기 및 자기-전기(교차 결합) 응답이다. 자기 응답은 입사광의 자기장에 대한 안테나 요소의 응답인 반면, 자기-전기는 입사된 자기장에 의한 전기장의 여기를 말하며, 그 반대도 마찬가지이다.
전기 역학에서는 단일 자기 쌍극자에 연결된 단일 전기 쌍극자는 쌍극자의 상대 위상에 따라 전방/후방 산란 비율을 조정할 수 있음이 알려져 있다. 일반적으로, 대부분의 재료는 광 주파수에서 자기 응답을 나타내지 않으므로 광에 대한 영향은 거의 없다. 그러나 금속 나노 구조는 그의 전기적 여기에 필적하는 강도의 자기 여기를 유지하도록 설계될 수 있다. 또한, 이 두 가지 다른 여기는 교차 결합될 수 있으며, 이는 자기-전기 응답을 유도할 수 있다.
테이퍼링이 베이스에서의 직경 또는 변 대 상부에서의 직경 또는 변의 비율을 나타내는 경우에 안테나 요소의 테이퍼링을 증가시키면, 자기 응답 및 자기-전기 응답 모두가 증가한다. 따라서, 테이퍼링을 증가시킴으로써, 2개의 응답이 증가되고, 증가된 비대칭을 나타내는 안테나 어레이가 설계될 수 있다. 또한, 이러한 구조들로부터의 방출의 비대칭은 유사한 진폭의 전기 및 자기 여기를 갖는 구조들에 의존한다는 점에도 유의한다.
본 발명의 일 실시예에서, 파장 변환 재료는 유리하게는 희토류 이온, 염료 분자 및 양자 도트를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 파장 변환 재료는 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 상이한 유형의 염료 및 형광체를 포함하는 재료일 수 있다. 또한, 파장 변환 매질은 희토류 원소의 이온 형태의 라인 이미터를 포함할 수도 있다. 파장 변환 재료는 또한 형광 재료, 형광체 또는 염료로서, 일반적으로 광자 이미터로서 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 파장 변환 층은 양자 우물 구조를 포함할 수 있다. 양자 우물 구조는 제1 층의 상부에 제조될 수 있으며, 광학 특성과 물리적 두께 양자 모두가 원하는 파장 변환 특성을 달성하도록 제어될 수 있다. 양자 우물은 광자의 형태로 에너지를 수신하고 상이한 파장의 광자를 방출하도록 구성될 수 있거나, 양자 우물은 전기적으로 구동되어 미리 결정된 파장의 광자를 방출하도록 구성될 수 있다. 대신에, 플라즈몬 격자는 발광 재료, 예를 들어 GaN / InGaN 또는 AlInGaP와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 에피택셜 성장 층의 상부에 정의될 수 있고, 여기서 발광 층(양자 우물)은 플라즈몬 격자로부터 정해진 거리에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에서, 안테나 소자는 유리하게는 450 내지 500 nm 범위의 격자 상수를 갖는 육각형 어레이로 배열될 수 있고, 기판의 굴절률은 1.46이며, 광 투과성 제1 층의 굴절률은 1.59이다. 이러한 어레이 구성은 안테나 어레이 평면에 대한 수직 방향으로 실질적으로 적색광의 지향 방출을 달성할 것이다. 다른 파장 또는 다른 방향에 대한 지향성 방출을 달성하기 위해, 안테나 어레이의 기하 구조 및 굴절률을 적절히 조정해야 할 것이다.
또한, 광자 방출 층은 유리하게는 안테나 어레이 평면으로부터 100 내지 2000 nm 범위의 거리에 배치될 수 있고, 광자 방출 층의 두께는 2 내지 500 nm의 범위일 수 있다. 양자 우물 구조는 전형적으로 약 2 내지 20 nm의 두께를 갖는 반면, 파장 변환 입자를 포함하는 광자 방출 층은 약 25 nm 내지 500 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 요소는 유리하게 금속 나노 입자를 포함할 수 있으며, 특히 안테나 요소는 유리하게는 Ag, Al, Ga 또는 Au를 포함할 수 있다. 안테나 요소가 형성되는 재료는 바람직하게는 가시 광선에 대응하는 주파수에서 국부화된 플라즈몬을 지지해야 한다. 일반적으로, Au는 스펙트럼의 적색에서 근적외선 부분에 더 적합하고, Ag는 스펙트럼의 녹색에서 적색 부분에 적합하고, Al은 스펙트럼의 가시 영역을 넘어 자외선으로 확장되는 플라즈몬 공명을 허용한다. 그러나, 파장 범위는 또한 안테나 어레이의 구성 및 안테나 요소의 기하 구조에 의존하기 때문에, 여러 상이한 구성이 유사한 파장 범위 내에서 공명을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 조명 장치는 파장 변환 층 상에 배치되는 커버 층을 추가로 포함하고, 커버 층은 파장 변환 층과 동일한 굴절률을 갖는다. 주어진 안테나 기하 구조에 대한 격자 모드의 스펙트럼 위치는 안테나를 덮도록 배치된 층 또는 층의 전체 두께와, 이러한 층/층의 굴절률에 의존한다. 따라서, 제1 광 투과성 층의 목표로 하는 총 두께를 달성하기 위해 커버 층은 파장 변환 층 상에 사용될 수 있다. 일반적으로, 파장 변환 층은 제1 광 투과성 층과 동일하거나 유사한 굴절률을 갖는 재료에 기초한다. 또한, 파장 변환 층은 제1 광 투과성 층, 파장 변환 층 및 커버 층을 포함하는 재료 스택의 광학 특성, 예를 들어 양자 도트 또는 양자 우물 층의 경우에 큰 영향을 미치지 않도록 충분히 얇을 수 있다.
제어 도파관 모드를 더욱 촉진시키기 위해, 커버 층 상에 배치되고 상부 층보다 낮은 굴절률을 갖는 추가 층, 즉 상부 층이 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 어레이는 유리하게는 110 내지 130 nm 범위의 윗변, 135 내지 155 nm 범위의 밑변, 및 100 내지 200 nm 범위의 높이를 갖는 복수의 절두 피라미드 안테나 요소를 포함할 수 있으며, 안테나 요소는 400 내지 600 nm 범위의 격자 상수를 갖는 육각형 어레이로 배열된다. 변은, 예를 들어 정사각형, 직사각형 또는 삼각형의 변의 길이를 지칭한다. 실시예에서, 안테나 요소는 알루미늄으로 제조된다. 구체적으로, 적색광(600 내지 630 nm 범위)에 대해 빔 방출(beamed emission)을 달성하기 위해, 475 nm의 피치를 갖는 육각형 어레이가 n=1.59의 굴절률을 갖는 광 투명 중합체의 650 nm 두께의 층으로 덮여 사용되며, 층의 일부가 페릴렌 염료 분자 또는 양자 도트를 보유한다. 원하는 방출 각 및 방출 파장에 기초한 안테나 어레이의 피치의 결정은 관계의 대략적인 추정치를 제공하는 레일리(Rayleigh) 이례의 연산에 기초할 수 있다. 정사각형 어레이의 경우, 격자 모드는 파장
Figure 112016127794900-pct00001
에서 수직 입사에서 여기될 수 있는데, a는 어레이의 피치이고 n은 굴절률이다. 육각형 어레이의 경우
Figure 112016127794900-pct00002
이다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 조명 장치를 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 기판을 제공하는 단계와, 기판 상에, 복수의 개별 안테나 요소를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이를 형성하는 단계 - 플라즈몬 안테나 어레이는 개별 안테나 요소에서의 국부 표면 플라즈몬 공명과 플라즈몬 안테나 어레이 및 파장 변환 층을 포함하는 시스템에 의해 지지되는 광자 모드의 결합으로부터 발생하는 미리 결정된 파장에서의 제1 격자 공명을 지지하도록 구성되며, 플라즈몬 안테나 어레이는 플라즈몬 공명 모드를 포함하도록 구성됨 - 와, 기판 상에 감광 층을 제공하는 단계 - 감광 층은 안테나 요소의 두께를 초과하는 두께를 가짐 - 와, 감광 층의 일부가 플라즈몬 안테나 어레이의 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 최대 필드 향상 위치에 대응하여 노출되도록 미리 결정된 파장의 광을 플라즈몬 안테나 어레이에 조명하는 단계와, 복수의 캐비티를 형성하기 위해 상기 층의 노출된 일부를 제거하는 단계와, 제1 파장으로부터의 광을 미리 결정된 파장으로 변환하도록 구성된 파장 변환 재료로 캐비티를 재충진하는 단계를 포함한다.
완전히 최적화된 시스템은 하이브리드 광자/플라즈몬 모드와의 중첩을 최대화하기 위해 3차원으로 패터닝된 이미터를 필요로 한다. 본 발명자들은, 최대 필드 강도의 영역이 감광 재료를 노출하게 함으로써 플라즈몬 안테나 어레이의 필드 향상 분포에 본질적으로 최적화된 파장 변환 재료의 분포를 형성할 수 있다는 것을 알았다. 정확한 파장 및 각도(미래의 방출 파장 및 방출 각도)로 샘플을 조명함으로써, 전자기장은 감광 층의 플라즈몬에 의해 집중될 것이다. 이러한 방식으로, 이미터의 최적 배치에 대응하는 레지스트 패턴(포지티브 또는 네거티브)을 남기는 노광 후에 층을 현상할 수 있다. 패턴을 침투 및/또는 반전시킴으로써, 이미터는 올바른 3D 패턴으로 배치된다. 감광 층은 임의의 종래 사용되는 포지티브 또는 네거티브 포토 레지스트일 수 있다.
원하는 필드 향상 분포를 달성하도록 안테나 어레이를 조명하기 위해, 기판 또는 감광 층은 광 투과성이다. 조명광은 광원으로부터의 조명에 의해 감광 층이 노광되지 않도록 강도가 제한된다는 것이 확실하게 보장되어야 한다.
이에 의해, 임의의 복잡한 패터닝 방법을 필요로 하지 않으면서 최대 필드 향상의 분포와 완벽하게 일치하는 파장 변환 재료의 자기 정렬(self-aligned) 3차원 분포가 달성될 수 있으며, 이는 전술한 조명 장치의 이용 가능성을 크게 증가시킨다.
파장 변환 재료의 3차원 분포는 투명한 재료의 층을, 이미터층이 리소그래피 방식으로 패터닝되어 플라즈몬 패턴에 정렬되는 상부에 도포함으로써 또한 획득될 수 있다. 대신에, 플라즈몬 안테나가 3D에서 플라즈몬 어레이에 대해 정확한 위치에서 이미터의 끝 위치로 조립체를 안내하는 경우에 자기 조립 유형의 제조 방법이 사용될 수 있다.
이러한 본 발명의 제2 양태의 효과 및 특징은 본 발명의 제1 양태와 관련하여 전술한 것과 대체로 유사하다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 청구 범위 및 하기의 설명을 연구할 때 명백해질 것이다. 이 분야의 기술자는 본 발명의 다른 특징이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다음에 기술된 것 이외의 다른 실시예를 생성하도록 조합될 수 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태가 본 발명의 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 개략도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치들의 개략도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치의 유닛 셀에서 국부 필드 향상의 공간 분포의 개략도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 제조하는 예시적인 방법의 단계들의 개략도들이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 충분히 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며; 오히려, 이들 실시예는 철저하고 완전하게 제공되며, 본 발명의 범위를 이 분야의 기술자에게 완전히 전달한다. 전반적으로, 유사한 참조 문자는 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명에 따른 조명 장치의 다양한 실시예는 주로 파장 변환 입자를 포함하는 광자 방출 층을 갖는 조명 장치를 참조하여 설명된다. 이는 조명 장치에 포함될 수 있는 다른 종류의 광자 이미터에 동등하게 적용 가능한 본 발명의 범위를 결코 제한하지 않는다는 점을 유의해야 한다.
도 1은 기판(104), 기판 상에 배치된 광 투과성 중합체 층(106), 복수의 파장 변환 입자의 형태로 파장 변환 재료를 포함하는 파장 변환 층(108)을 포함하는 조명 장치(100)의 개략도이다. 광 투과성 층(106)은 본 명세서에서 중합체 층으로 지칭된다. 그러나, 파장 변환 층의 굴절률과 일치하는 굴절률을 갖는 임의의 적절한 광 투과성 재료가 사용될 수 있다. 파장 변환 입자, 즉 광자 이미터는 예를 들어 청색광을 보다 긴 파장을 갖는 광으로 변환하도록 구성된 염료 분자일 수 있다. 일반적으로, 형광체로 알려진 적절한 컬러 변환기에 의해, InGaN 기반 LED로부터의 청색 또는 자외선 광의 파장 변환에 의해 백색광을 얻는 것이 바람직하다. 일반적으로, 파장 변환 입자는 광자, 열, 전자, 엑스레이 등과 같은 임의의 유형의 에너지의 부가를 통해 여기될 수 있다. 조명 장치(100)는 광원(102)으로부터 광을 수용하는 것으로 도시된다. 적절한 염료 분자는 중합체 기반의 파장 변환 층(108)에서 원하는 염료 농도를 제공하기 위해 중합체 내에 제공될 수 있다. 중합체 층 형태의 상부 층 또는 커버 층(116)은 파장 변환 층(108)의 상부에 배치된다. 예를 들어, 동일한 중합체가 모든 3개의 층에 대해 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 안테나 어레이의 특정 구성 및 굴절률에 의존하여, 제1 광 투과성 층(106)의 굴절률을 갖는 재료 스택의 특정 두께가 요구될 수 있다. 그 후, 커버 층(116)은 제1 광 투과성 층(106)과 동일한 폴리머 재료로 형성되어 요구되는 두께에 도달할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 층이 커버 층(116)의 상부에 배치될 수 있으며, 추가 층은 층(106, 108, 및 116)의 스택에서 굴절률 유도 모드를 더욱 촉진시키기 위해 제1 광 투과성 층(106) 및 커버 층(116)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 될 수 있다. 본질적으로 제1 광 투과성 층보다 낮은 굴절률을 가지며 가능한 상부 또는 커버 층(116)보다 낮은 공기는 굴절률 유도 모드를 또한 촉진시킬 것이다. 도면은 축척대로 인 것이 아니며, 특히 파장 변환 층(108)은 제1 광 투과성 층(106)보다 실질적으로 얇을 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 양자 도트 또는 양자 우물을 포함하는 파장 변환 층은 수 나노 미터 정도의 두께를 가질 수 있고, 반면에 제1 광 투과성 층(106)은 수백 나노 미터에서 마이크로 미터까지 정도의 두께를 가질 수 있다.
조명 장치(100)는 안테나 요소(114)가 배열되는 기판 평면에 의해 본 명세서에서 정의되는 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(114)를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이를 추가로 포함한다.
안테나 어레이는 기판(104) 상에 그리고 제1 층(106) 내에 배열된다. 또한, 안테나 어레이는, 플라즈몬 안테나 어레이로부터 방출된 광이 도 1에 도시된 이방성 각도 분포(110)를 갖도록 개별 안테나 요소에 국부 표면 플라즈몬 공명의 회절 결합으로부터 발생한, 파장 변환 재료에 의해 방출되는 제2 파장에서 격자 공명을 지지하도록 구성된다. 그러나, 안테나 요소는 다각형 또는 원형 단면을 동등하게 잘 가질 수도 있고, 절단되거나 절단되지 않을 수도 있다. 또한, 도 1에서, 플라즈몬 안테나 어레이가 플라즈몬 안테나 어레이로부터 방출된 광이 비대칭 광 분포를 갖는 것을 의미하는 면외 비대칭인 플라즈마 공명 모드를 포함하도록 구성되게 하기 위해, 안테나 요소(114)는 정사각형 단면을 갖는 절두 피라미드로 도시된다. 비대칭 광 분포는 안테나 어레이에 의해 방출된 광 중 더 많은 부분이 기판을 향해 방출되는 것보다 조명 장치의 상부 표면을 향해 방출되는 효과를 가질 수 있다. 플라즈몬 안테나 어레이는 또한 역효과를 제공하도록 구성될 수 있는데, 즉, 안테나 어레이에 의해 방출되는 광의 더 많은 부분이 광 방출면을 향해 방출되는 것과 비교하여 기판을 향해 방출된다. 이는 예를 들어 투명 기판을 사용할 때 유용할 수 있다. 또한 광 방출면으로부터 방출된 광의 각도 분포는 광이 미리 결정된 각도 범위 내에서 방출되도록 각도(112)로 나타내어 제어될 수 있다.
굴절률 유도 모드는 기판(104)의 굴절률과 그리고 공기 또는 추가 층일 수 있는 커버 층의 상부의 매질의 굴절률과 상이한, 제1 광 투과성 층(106), 파장 변환 층(108) 및 커버 층(116)의 굴절률을 선택함으로써 달성된다.
안테나 요소(114)는 소위 기판 컨포멀(conformal) 임프린트 리소그래피로 불리는 나노 임프린트 리소그래피 기술을 반응성 이온 에칭과 조합하여 사용하여 실리카 기판(104) 상에 제조된 알루미늄 나노 입자일 수 있다. 제1 광 투과성 층(106)은 어레이 위에 스핀 코팅에 의해 퇴적된 UV 경화성 중합체로 구성되며, 폴리머 기반 파장 변환 층(108) 및 커버 층(116)은 마찬가지로 스핀 코팅에 의해 퇴적될 수 있다. 결과적으로, 제1 폴리머 층(106)의 두께를 제어함으로써, 안테나 어레이 평면과 파장 변환 층(108) 사이의 거리가 정확하게 제어될 수 있다. 염료 분자는 파장 변환 층(108) 내에 균등하게 분포된다고 가정할 수 있다. 파장 변환 층은 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 격자 모드에 대해, 최대 필드 강도 영역의 확장은 10 nm 이하일 수 있고, 대응하는 두께를 갖는 파장 변환 층을 적절히 제공하는 것이 바람직하다. 1 또는 수 나노 미터 정도의 두께를 갖는 더 얇은 파장 변환 층은, 예를 들어 양자 우물 구조에 의해 달성될 수 있다.
도 2의 (a)는 기판(104) 상에 그리고 제1 층(106) 내에서 400 내지 600 nm 범위의 격자 상수를 갖는 육각형 어레이로 안테나 요소(114)가 배열되는 조명 장치의 개략도이다. 안테나 어레이는 윗변이, 즉 이 경우에 정사각형의, 그러나 직사각형 또는 삼각형도 가능한, 한 변의 길이가 110 내지 130 nm 범위에 있고, 밑변이 135 내지 155 nm 범위에 있고, 높이가 100 내지 200 nm 범위에 있는 복수의 절두 피라미드 Al 안테나 요소를 포함하며, 안테나 요소들은 육각형 어레이로 배열된다. 안테나 요소는 약 1.59의 굴절률을 갖는 재료에 매립되고, 기판은 1.46의 굴절률을 갖는다. 상기 구성은 적색 파장 범위의 광에 대응하는 격자 모드를 지지하도록 맞춰진다. 예를 들어, 면내 균일한 필드 향상 분포가 예를 들어, 350 내지 450 nm 범위에 있는 요소 간 거리를 갖는 정사각형 어레이와, 약 40 nm의 높이 및 약 100 x 100 nm의 정사각형 단면을 갖는 안테나 요소에 의해 달성되는 경우에, 안테나 요소 및 어레이 구성의 다른 기하 구조가 본 명세서에 기재된 상이한 효과를 달성하기 위해 요구될 수 있음에 유의해야 한다. 그러한 경우에, 안테나 요소의 단면은 위에서 보았을 때와 측면에서 보았을 때 양쪽 모두 정사각형이다.
필드 향상이 안테나 요소(114) 바로 위에서 가장 높다고 가정하면, 파장 변환 층(208)에서 파장 변환 재료의 분포를, 파장 변환 입자가 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 안테나 요소(114) 위의 영역(202) 내에서만 존재하도록 제공함으로써 높은 결합 효율이 달성될 수 있다. 달리 말하면, 여기서는 도 2의 (b)의 원통형(202)으로 나타낸, 최대 필드 강도의 위치에 대응하는 파장 변환 입자의 2D 분포가 존재한다. 도시된 파장 변환 입자의 분포는, 예를 들어 포토 리소그래피를 사용하여 파장 변환 층을 패터닝함으로써 달성될 수 있다.
필드 향상이 3차원에서의 공간 분포를 갖기 때문에, 최적의 결합 효율은 주어진 격자 모드의 공간 필드 강도 프로파일과 파장 변환 입자의 위치 사이의 최대 공간 중첩을 달성하기 위해 3차원으로 파장 변환 입자의 분포를 배열함으로써 달성될 수 있다. 이 3D 분포는 도 2의 (c)에 개략적으로 도시되고, 파장 변환 입자는 거의 구형(204)으로 배열된다. 구형(204)은 일반적인 개념을 설명하기 위한 예일 뿐이며, 필드 강도 프로파일은 어레이의 상이한 모드에 대해 상이한 형상을 가질 수 있고, 파장 변환 입자의 분포가 그에 따라 구성되어야 할 것이라는 점이 용이하게 인식된다.
도 3a 내지 도 3b는 1.59의 굴절률을 갖는 중합체 재료의 700 nm 두께의 층으로 덮인 1.46의 굴절률을 갖는 기판 위에 배열된 알루미늄 나노 입자의 육각형 어레이에 대한 입사 필드 강도
Figure 112016127794900-pct00003
에 대해 정규화된 전체 전계 강도
Figure 112016127794900-pct00004
의 공간 분포의 수치 시뮬레이션을 개략적으로 도시한다. 시뮬레이션은 도 3a의 620 nm의 파장 및 도 3b의 638 nm의 파장을 갖는 어레이에 수직으로 입사하는 평면파를 고려한다. 결과는 어레이의 유닛 셀로 나타난다. 따라서, 필드 강도는 안테나 어레이로부터 일정한 거리에서 불균일하고 상당히 높다는 것을 알 수 있다. 필드 강도 향상의 분포는 상이한 파장에 대해 다르다는 것을 또한 알 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이 620 nm의 파장에 대해, 국부 필드 강도는 안테나 어레이의 평면 위로 500 nm에 위치된 실질적으로 구형인 영역(302)에서 대부분 향상되며, 이는 도 2의 (c)에 도시된 3D 분포(204)에 대략적으로 대응한다. 따라서, 이는 수직 방향으로 λ= 620 nm에서 방출 강도를 최적화하기 위해 파장 변환 층을 포지셔닝하기 위해 선택된 높이이다.
파장 변환 층 내에서 광자 이미터의 분포를 최적화하기 위해 다른 전계 성분
Figure 112016127794900-pct00005
을 조사할 필요가 있다. 가장 두드러진 성분이 그 방향으로 방출된 광을 최대화하기 위해 광자 이미터의 우선적인 위치를 설정할 것이다. 통합 강도 향상, IE는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112016127794900-pct00006
여기서 Ω는 방출의 고도각과 방위각과 연관된 입체각,
Figure 112016127794900-pct00007
는 파장 λ와, 각각의 광자 이미터가 위치되는 위치
Figure 112016127794900-pct00008
에서의 국부 필드이며, V는 이미터가 분포되는 볼륨이다.
Figure 112016127794900-pct00009
는 안테나 어레이가 없는 경우의 국부 필드에 해당한다. 연산에 따르면, 어레이의 평면 위로 450 nm에 위치한 파장 변환 층에 대해, 자유 공간 파장의 함수로서, 형광체 층에 대해 적분된 IE가 25보다 큰 것을 보여준다. 유사한 방식으로, 다른 파장의 광에 대한 파장 변환 층에 대한 최적의 거리를 결정하는 것이 가능하다. Ω 방향의 파장 λ에서 방출되는 광의 강도는 이 파장에서 그리고 동일 방향에서 연산된 국부 필드 강도에 비례한다는 것을 유의한다.
상호성의 원리를 통해, 연산된 IE는 광 발광(photoluminescence) 향상과 상호 연관될 수 있는데, 상기 구성에서는 광자 이미터가 모든 중합체 층에 걸쳐 균일하게 분포되는 경우와 비교하여 약 50%의 광 발광 개선을 나타낸다. 이러한 개선은 조사된 방향에서 조사된 파장에 대한 개선된 결합 효율 때문일 수 있다. 광자 이미터의 균일한 분포를 갖는 층에서, 이미터는 무작위로 분산된다. 그러나, 특정 격자 모드의 필드 분포가 균일하지 않을 때, 형광체 층의 대부분의 이미터는 그러한 격자 모드에 효율적으로 결합하지 않는데, 이는 결합 효율이 격자 모드의 공간 프로파일과 이미터의 위치 사이의 공간적 중첩에 비례하기 때문이다.
전술된 수치 시뮬레이션은 큰 전자기장에 의해 신호화된 광-물질 상호 작용의 증가가 발생하는 공간 영역의 정확한 매핑을 허용한다. 이러한 통찰은 안테나 어레이에 대한 광자 이미터의 공간 분포 및 배향을 설계하는 가이드 역할을 한다. 결과적으로, 이미터와 안테나 어레이에 의해 지지되는 주어진 공명 모드 사이의 결합을 최대화하는 것이 가능하다.
또한, 이미터를 제공하는 파장 변환 재료 대신에, LED에 사용되는 양자 우물(QW) 구조가 플라즈몬 어레이에 결합하는 데 최적으로 사용될 수 있다. 특히 QW가 전형적으로 수 나노 미터 두께이기 때문에, 모든 광자(또는 에너지)는 시스템의 높은 최적화를 가능하게 하는 작은 볼륨에 위치하여, 전자/홀 쌍에 의해 QW에 주입되는 에너지의 대부분이 원하는 광자/플라즈몬 하이브리드 모드에 결합하여 최적의 지향성을 얻을 수 있다.
QW 구조에 의해 제공되는 비교적 얇은 파장 변환 층은 강도 향상이 안테나 어레이 평면에 평행한 평면에서 실질적으로 균일하고/하거나, 강도 향상이 안테나 어레이 평면에 수직 방향으로 비교적 작은 확장을 갖는 경우에, 이점일 수 있다.
또한, 조명 장치는 다른 격자 공명 모드의 필드 향상 분포를 수용하기 위해 파장 변환 입자의 다른 분포와 함께 추가적인 파장 변환 층을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 전술한 바와 같은 조명 장치를 제조하기 위한 예시적인 방법의 단계를 개략적으로 도시한다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(104)이 제공되고, 복수의 개별 안테나 요소(114)를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이가 기판 상에 형성된다. 안테나 어레이의 가능한 구성은 상기에 요약된다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 감광 층(402)은 안테나 요소를 덮기 위해 기판 상에 배치된다. 감광 층은, 예를 들어 포지티브 포토 레지스트일 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 플라즈몬 안테나 어레이는, 안테나 어레이가 플라즈몬 광자 격자 공명을 지지하도록 구성되는 파장의 광(404)으로 조명된다. 이것은 상호성에 의해 최종 시스템에서와 같이 광 센시티브 레지스트 층에서 유사한 필드 강도를 형성하여, 감광 층의 일부가 플라즈몬 안테나 어레이의 격자 공명에 기인한 광 아웃 커플링을 위한 최대 필드 향상 위치에 대응하여 노출되게 할 것이다. 여기서, 조명은 기판을 통해 제공되는 것으로 도시되어 있는데, 이는 의도된 광 방출 방향이 기판을 통한다는 것을 의미한다. 그러나, 광이 감광 층(402)을 통해 기판으로부터 멀리 방출되도록 장치를 구성하는 것이 동등하게 가능하며, 이 경우에 감광 층(402)을 통해 조명이 제공된다. 감광 층의 두께 및 굴절률은 상호성 원리가 적용될 수 있도록 최종 방사 구조와 일치해야 한다.
어떠한 경우에도, 레지스트의 감광성과 조명광의 강도 사이의 관계는 입사광의 주석 강도와 비교하여 강도가 상당히 향상되는 경우에만 레지스트가 노출되도록 조정되어야 한다.
도 4d는 감광 층(402)의 일부(406)가 노출되고 이어서 제거되어 캐비티(406)가 형성되는 것을 개략적으로 도시한다.
마지막으로, 도 4e에서, 캐비티(406)는 파장 변환 재료(408)로 재충진된다. 그 후 바로 특정 애플리케이션에 대해 필요에 따라 후속 층이 추가될 수 있다.
따라서, 3D 분포는 종래의 포토 레지스트를 사용하는 자기 정렬 시스템을 이용함으로써 제공될 수 있으며, 이에 의해 이미터를 최적의 위치에 3D 방식으로 포지셔닝할 수 있다.
대신에, 파장 변환 입자들의 3D 분포는 또한 정렬된 얇은 층들의 연속적인 패터닝에 의해 달성되어 파장 변환 입자들의 원하는 3D 분포를 형성할 수 있다.
또한, 개시된 실시예에 대한 변형이 도면, 개시내용 및 첨부된 청구 범위의 연구로부터 청구 발명을 실시하는 이 분야의 기술자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 또한, 다수의 상이한 구성들 및 조합들이 가능하다.
청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 하나("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 특정 수단이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실은 이러한 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없음을 나타내지는 않는다.

Claims (15)

  1. 조명 장치(100)로서,
    기판(104)과,
    상기 기판 상에 배치된 광 투과성 제1 층(106)과,
    상기 광 투과성 제1 층 상에 배치되고, 에너지원으로부터 에너지를 수신하고 미리 결정된 파장을 갖는 광을 방출하도록 구성된 광자 방출 재료를 포함하는 광자 방출 층(108)과,
    상기 기판 상에 배치되고 상기 제1 층 내에 매립되고, 안테나 어레이 평면에 배열된 복수의 개별 안테나 요소(114)를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이
    를 포함하고,
    상기 플라즈몬 안테나 어레이는 상기 개별 안테나 요소들에서의 국부 표면 플라즈몬 공명들과 상기 플라즈몬 안테나 어레이 및 상기 광자 방출 층을 포함하는 시스템에 의해 지지되는 광자 모드들의 결합으로부터 발생하는, 상기 미리 결정된 파장에서의 제1 격자 공명을 지지하도록 구성되며, 상기 플라즈몬 안테나 어레이는 상기 플라즈몬 안테나 어레이로부터 방출되는 광이 이방성 각도 분포를 갖게 하기 위해 플라즈몬 공명 모드들을 포함하도록 구성되고,
    상기 광자 방출 층은 상기 광 투과성 제1 층에 의하여 상기 개별 안테나 요소로부터 이격되고, 플라즈몬 광자 격자 공명들에 기인한 광 아웃 커플링(light out-coupling)을 위해 최대 필드 향상 위치(location of maximum field enhancement)에 대응하는, 상기 안테나 어레이 평면으로부터의 거리에 배치되는, 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광자 방출 재료는 제1 파장의 광을 수신하고 상기 수신된 광을 상기 제1 파장에서 제2 파장으로 변환하도록 구성되는 파장 변환 재료인, 조명 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는, 상기 플라즈몬 광자 격자 공명들에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 상기 안테나 어레이 평면에 평행한 평면에서, 상기 안테나 어레이 평면으로부터 거리를 두고, 실질적으로 균일한 최대 필드 향상의 공간 분포를 제공하도록 구성되고, 상기 광자 방출 재료는 최대 필드 향상의 상기 균일한 공간 분포에 대응하는 상기 광자 방출 층의 평면 내에 분포되는, 조명 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광자 방출 재료는 상기 플라즈몬 광자 격자 공명들에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 최대 필드 향상의 3차원 공간 분포에 대응하는 상기 광자 방출 층의 볼륨 내에 분포되는, 조명 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 투과성 제1 층의 굴절률은 굴절률 유도 모드들(refractive-index guided modes)을 지지하도록 상기 기판의 굴절률보다 높은, 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈몬 안테나 어레이는 면외 비대칭(out-of plane asymmetric)인 플라즈몬 공명 모드들을 포함하도록 구성되는, 조명 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 파장 변환 재료는 희토류 이온들, 염료 분자들 및 양자 도트들을 포함하는 군으로부터 선택되는, 조명 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광자 방출 층은 양자 우물 구조를 포함하는, 조명 장치.
  9. 제1항, 제2항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 요소들은 450 내지 500 nm 범위의 격자 상수를 갖는 육각형 어레이로 배열되고, 상기 기판의 굴절률은 1.46이고 상기 광 투과성 제1 층의 굴절률은 1.59인, 조명 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광자 방출 층은 상기 안테나 어레이 평면으로부터 100 내지 2000 nm 범위의 거리에 배치되는, 조명 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광자 방출 층의 두께는 2 내지 500 nm 범위인, 조명 장치.
  12. 제1항, 제2항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 요소는 Ag, Al, Ga 또는 Au를 포함하는 군으로부터 선택된 금속 나노 입자인, 조명 장치.
  13. 제1항, 제2항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광자 방출 층 상에 배치되는 커버 층(116)을 추가로 포함하고, 상기 커버 층은 상기 광자 방출 층과 동일한 굴절률을 갖는, 조명 장치.
  14. 제1항, 제2항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는 110 내지 130 nm 범위의 윗변, 135 내지 155 nm 범위의 밑변, 및 100 내지 200 nm 범위의 높이를 갖는 복수의 절두 피라미드(truncated pyramidal) 안테나 요소를 포함하고, 상기 안테나 요소들은 400 내지 600 nm 범위의 격자 상수를 갖는 육각형 어레이로 배열되는, 조명 장치.
  15. 조명 장치를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판 상에, 복수의 개별 안테나 요소를 포함하는 주기적 플라즈몬 안테나 어레이를 형성하는 단계 - 상기 플라즈몬 안테나 어레이는 상기 개별 안테나 요소들에서의 국부 표면 플라즈몬 공명들과 상기 플라즈몬 안테나 어레이 및 파장 변환 층을 포함하는 시스템에 의해 지지되는 광자 모드들의 결합으로부터 발생하는, 미리 결정된 파장에서의 제1 격자 공명을 지지하도록 구성되며, 상기 플라즈몬 안테나 어레이는 플라즈몬 공명 모드들을 포함하도록 구성됨 - 와,
    상기 기판 상에 감광 층을 제공하는 단계 - 상기 감광 층은 상기 안테나 요소들의 두께를 초과하는 두께를 가짐 - 와,
    상기 감광 층의 일부가 상기 플라즈몬 안테나 어레이의 상기 격자 공명들에 기인한 광 아웃 커플링을 위해 최대 필드 향상 위치에 대응하여 노출되도록 상기 미리 결정된 파장의 광을 상기 플라즈몬 안테나 어레이에 조명하는 단계와,
    복수의 캐비티를 형성하기 위해 상기 층의 상기 노출된 일부를 제거하는 단계와,
    에너지원으로부터 에너지를 수신하고 상기 미리 결정된 파장의 광을 방출하도록 구성된 광자 방출 재료로 상기 캐비티들을 재충진하는 단계
    를 포함하는, 조명 장치를 제조하는 방법.
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