KR102496476B1 - 전자기파 반사체 및 이를 포함하는 광학소자 - Google Patents
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Abstract
전자기파 반사체 및 이를 포함하는 광학소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 전자기파 반사체는 복수의 층을 포함할 수 있고, 상기 복수의 층들은 비주기적인(aperiodic) 구조/두께를 가질 수 있다. 상기 복수의 층들은 전자기파에 대하여 공간 결맞음(spatial coherence) 조건을 만족할 수 있다. 상기 반사체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층 및 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 하나와 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 광학적 구조체 및 이를 포함하는 소자, 보다 상세하게는 전자기파 반사체 및 이를 포함하는 광학소자에 관한 것이다.
광학적 구조체 및 광학 시스템의 소형화/집적화는 새로운 제품의 기능 및 폼-팩터(form-factor)의 다양화를 가능하게 한다. 이와 관련해서, 최근에는 초소형의 박막 거울, 렌즈, 분광기 등을 구현하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 이 중에서 박막 거울(즉, 박막형 반사체)은 일반적으로 DBR(distributed Bragg reflector) 구조나 HCG(high-contrast grating) 구조를 갖는다.
DBR 구조는 λ/4 (여기서, λ는 빛의 파장) 두께 조건을 만족하는 수십 층의 유전체로 구성되기 때문에, 제조시 공정시간 및 재료의 소모가 크고, 수 마이크로미터(㎛) 이상(예컨대, 5㎛ 이상)의 비교적 큰 두께를 갖는다. 한편, HCG 구조의 경우, 서브파장(subwavelength)의 격자를 포함하도록 구성되는데, 완벽한 직육면체의 초미세 격자를 제조하기가 용이하지 않은 문제가 있다. 얇은 두께를 가지면서도 제조가 용이하고 아울러 우수한 반사 효율을 갖는 반사체의 개발이 요구되고 있다. 이러한 반사체는 다양한 광학소자에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
우수한 성능을 갖는 고효율의 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)를 제공한다.
얇은 두께를 가지면서도 제조가 용이한 전자기파 반사체를 제공한다.
우수한 반사 특성을 갖는 전자기파 반사체를 제공한다.
상기 전자기파 반사체를 포함하는 광학장치/전자장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하는 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)에 있어서, 상기 다층구조체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층; 및 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층;을 포함하고, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖고, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가지며, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 하나와 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체가 제공된다.
상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 세 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 세 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 다층구조체를 구성하는 모든 층들이 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 AlGaAs, GaAs, AlAs, InGaAlAs, AlGaInAs 및 InP 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 Si, Ge, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 제1 물질은 Si일 수 있고, 상기 제2 물질은 SiO2일 수 있다.
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제4 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조체의 총 적층수는 약 15층 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 총 적층수는 약 10층 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 5㎛ 보다 작을 수 있다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 3㎛ 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 반사율은 약 90% 이상일 수 있다.
상기 다층구조체의 반사율은 약 95% 이상일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 전자기파 반사체를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학소자가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하는 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)에 있어서, 상기 다층구조체를 구성하는 적어도 세 개의 층은 공간 결맞음(spatial coherence)을 만족하도록 서로 다른 두께를 갖고, 상기 다층구조체의 총 적층수는 15층 이하이며, 상기 다층구조체의 반사율은 90% 이상인 전자기파 반사체가 제공된다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 5㎛ 미만일 수 있다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 3㎛ 이하일 수 있다.
상기 다층구조체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층; 및 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층;을 포함할 수 있고, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있으며, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제4 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조체를 구성하는 모든 층들이 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 전자기파 반사체를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학소자가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 제1 반사층; 상기 제1 반사층과 이격된 제2 반사층; 및 상기 제1 반사층과 제2 반사층 사이에 배치된 활성층;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반사층 중 적어도 어느 하나는 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하고, 상기 다층구조체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층 및 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층을 포함하며, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖고, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가지며, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 하나와 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 갖는 광학소자가 제공된다.
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제1 다층구조체를 포함할 수 있고, 상기 제2 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제2 다층구조체를 포함할 수 있으며, 상기 제1 다층구조체와 상기 제2 다층구조체는 상기 활성층을 기준으로 상호 대칭적인 적층구조를 가질 수 있다.
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제1 다층구조체를 포함할 수 있고, 상기 제2 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제2 다층구조체를 포함할 수 있으며, 상기 제1 다층구조체와 상기 제2 다층구조체는 상기 광학소자의 하면을 기준으로 동일한 적층구조를 가질 수 있다.
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층은 동일한 구조 및 동일한 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체를 포함할 수 있고, 상기 제2 반사층은 금속성 물질층을 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 구성하는 적어도 세 개의 층은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 다층구조체의 총 적층수는 약 15층 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 총 적층수는 약 10층 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 5㎛ 보다 작을 수 있다.
상기 다층구조체의 총 두께는 약 3㎛ 이하일 수 있다.
상기 다층구조체의 반사율은 약 90% 이상일 수 있다.
상기 다층구조체의 반사율은 약 95% 이상일 수 있다.
상기 광학소자는, 예컨대, 면발광 레이저 소자(surface-emitting laser device)를 포함할 수 있다.
고성능 및 고효율을 갖는 전자기파 반사체를 구현할 수 있다. 두께가 얇으면서도 제조가 용이한 전자기파 반사체를 구현할 수 있다. 우수한 반사 특성을 갖는 전자기파 반사체를 구현할 수 있다. 실시예들에 따른 전자기파 반사체를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학장치/전자장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 특성을 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따라 제조된 반사체 및 이와 비교되는 투명기판을 촬영한 사진 이미지이다.
도 12는 도 11의 반사체 및 투명기판의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체의 설계 조건을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 특성을 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따라 제조된 반사체 및 이와 비교되는 투명기판을 촬영한 사진 이미지이다.
도 12는 도 11의 반사체 및 투명기판의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체의 설계 조건을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 실시예들에 따른 전자기파 반사체 및 이를 포함하는 광학소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)(R10)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전자기파 반사체(이하, 반사체)(R10)는 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함할 수 있다. 예컨대, 반사체(R10)는 제1 물질로 형성된 제1 물질층(A)과 제2 물질로 형성된 제2 물질층(B)이 교대로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 상기 제1 물질은 제1 굴절률을 가질 수 있고, 상기 제2 물질은 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가질 수 있다. 반사체(R10)는 서로 이격된 복수의 제1 물질층(A)을 포함할 수 있고, 또한 이들 사이에 구비된 복수의 제2 물질층(B)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 물질층(A)을 아래서부터 A1, A2, A3, A4층이라고 할 수 있고, 이와 유사하게, 복수의 제2 물질층(B)을 아래서부터 B1, B2, B3층이라고 할 수 있다. A1, A2, A3, A4층은 각각 제1-1, 1-2, 1-3, 1-4층이라 할 수 있고, B1, B2, B3층은 각각 제2-1, 2-2, 2-3층이라 할 수 있다.
반사체(R10)를 구성하는 복수의 층들은 공간 결맞음(spatial coherence) 조건을 만족하도록 비주기적인(nonperiodic/aperiodic) 구조/두께를 가질 수 있다. 이와 관련해서, 복수의 제1 물질층(A) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 복수의 제2 물질층(B) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 복수의 제1 물질층(A) 중 적어도 하나와 복수의 제2 물질층(B) 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제1 물질층(A)이 세 개 이상 구비된 경우, 복수의 제1 물질층(A) 중 적어도 세 개가 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제2 물질층(B)이 세 개 이상 구비된 경우, 복수의 제2 물질층(B) 중 적어도 세 개가 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 일례에 따르면, 반사체(R10)를 구성하는 모든 층들이 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 이런 점에서, 반사체(R10)는 비주기적인(nonperiodic/aperiodic) 디자인을 갖는다고 할 수 있다. 이러한 비주기적인 디자인은 공간 결맞음(spatial coherence) 조건을 만족하는 것일 수 있다. 공간 결맞음(spatial coherence)에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다.
본 실시예에서 A1층은 B1층보다 두꺼울 수 있고, B1층은 A2층보다 얇을 수 있으며, A2층은 B2층보다 얇을 수 있다. 또한, B2층은 A3층보다 얇을 수 있고, A3층은 B3층보다 두꺼울 수 있으며, B3층은 A4층보다 얇을 수 있다. Al층은 A2층보다 두꺼울 수 있고, A2층은 A3층보다 얇을 수 있으며, A3층은 A4층보다 두꺼울 수 있다. B1층은 B2층보다 얇을 수 있고, B2층은 B3층보다 두꺼울 수 있다. A3층이 가장 두꺼울 수 있고, B3층이 가장 얇을 수 있다. 그러나 물질층들의 상대적인 두께의 대소 관계는 예시적인 것이고, 달라질 수 있다.
제1 물질층(A)은 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 구성될 수 있고, 제2 물질층(B)은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 구성될 수 있다. 제1 물질층(A)의 굴절률(제1 굴절률)이 제2 물질층(B)의 굴절률(제2 굴절률)보다 클 수 있다. 제1 물질층(A) 또는 제2 물질층(B)은 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 물질층(A) 또는 제2 물질층(B)은 AlGaAs, GaAs, AlAs, InGaAlAs, AlGaInAs 및 InP 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, A/B 조합은 AlGaAs/GaAs, AlAs/GaAs, InGaAlAs/InP, AlGaInAs/InP 등일 수 있다. 파장이 850nm인 광에 대하여, AlGaAs의 굴절률은 2.92 정도일 수 있고, GaAs의 굴절률은 3.42 정도일 수 있다. 다른 예에 따르면, 제1 물질층(A) 또는 제2 물질층(B)은 Si, Ge, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 산화물 반도체는 ZnO, InSnO, GaInZnO, HfInZnO 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 Si는 다결정 실리콘(poly-Si)이거나 비정질 실리콘(a-Si)일 수 있다. 일례로, A/B 조합은 Si/SiO2 일 수 있다. 상기 SiO2는 Si보다 굴절률이 작은 다른 유전체로 대체될 수 있다. 상기 다른 유전체의 굴절률은, 예컨대, 약 1∼2 또는 1∼1.5 정도일 수 있다. 한편, 상기 SiNx는, 예컨대, Si3N4 일 수 있고, 그 굴절률은 약 2∼2.4 정도일 수 있다. 여기서 제시된 제1 및 제2 물질층(A, B)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 다른 물질들이 사용될 수 있다.
반사체(R10)의 총 적층수, 즉, 반사체(R10)를 구성하는 물질층들의 총 수는 약 15층 이하 또는 약 10층 이하일 수 있다. 반사체(R10)의 총 두께(t1)는 약 5㎛ 보다 작을 수 있다. 반사체(R10)의 총 두께(t1)는 약 3㎛ 이하일 수 있고, 경우에 따라서는, 약 2㎛ 이하일 수 있다. 한편, 반사체(R10)의 반사율은 약 90% 이상일 수 있다. 반사체(R10)의 반사율은 약 95% 이상으로 높을 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따른 반사체(R10)는 총 적층수가 약 15층 이하 또는 약 10층 이하로 적고, 총 두께(t1)가 약 5㎛ 미만 또는 약 3㎛ 이하로 작으면서도, 약 90% 이상 또는 약 95% 이상의 높은 반사율을 가질 수 있다.
종래의 DBR(distributed Bragg reflector) 구조의 경우, λ/4 (여기서, λ는 빛의 파장) 두께 조건을 만족하는 수십 층(약 40층)의 유전체로 구성되기 때문에, 제조시 공정시간 및 재료의 소모가 크고, 5㎛ 이상의 비교적 큰 두께를 갖는다. DBR 구조에서 원하는 수준의 반사율을 얻기 위해서는, 유전체의 적층수를 증가시켜야 하기 때문에, 총 두께가 두꺼워질 수 있다. 한편, 종래의 HCG(high-contrast grating) 구조의 경우, 서브파장(subwavelength)의 격자를 포함하도록 구성되는데, 완벽한 직육면체의 초미세 격자를 제조하기가 용이하지 않은 문제가 있다. HCG 구조를 형성하기 위해서는, 매우 정교한 전자-빔 리소그라피(electron-beam lithography) 공정이 요구될 수 있다.
그러나, 개시된 실시예에 따르면, 얇은 두께를 가지면서도 제조가 용이하고 아울러 우수한 반사 특성을 갖는 반사체(R10)를 구현할 수 있다. 서브파장 격자(subwavelength grating)를 사용하지 않고, 물질층들(A, B)을 단순히 적층하되, 이들이 비주기적인(nonperiodic/aperiodic) 구조/두께를 갖도록 제어함으로써, 약 15층 이내의 적은 적층수에서도 약 90% 이상의 높은 반사율을 갖는 반사체(R10)를 구현할 수 있다. 따라서, 반사체(R10)는 HCG 구조보다 제조공정이 훨씬 용이할 수 있고, DBR 구조보다 상당히 얇은 두께를 가지면서 우수한 반사 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 적은 재료 및 짧은 공정시간으로 반사체(R10)를 형성할 수 있기 때문에, 생산 원가를 크게 절감할 수 있다.
도 1에서 참조부호 EI는 입사 전자기파(이하, 입사파)를 나타내고, ER은 반사 전자기파(이하, 반사파)를 나타낸다. 예컨대, 소정의 조건 하에서, 입사파(EI)의 약 90% 이상이 반사체(R10)에 의해 반사되어 반사파(ER)가 될 수 있다. 여기서, 입사파(EI)는, 예컨대, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선 등 다양한 파장 대역을 가질 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 2의 결과는, 도 1의 구조를 갖되 제1 물질층(A)으로 Si를 적용하고, 제2 물질층(B)으로 SiO2를 적용한 반사체(R10)에 대한 것이다. 이때, A1층, B1층, A2층, B2층, A3층, B3층, A4층의 두께는 각각 600.00nm, 235.23nm, 369.71nm, 504.167nm, 638.613nm, 152.28nm, 500.00nm 였다. 이 경우, 반사체(R10)의 총 두께(도 1의 t1)는 3㎛ 이다. 도 2에서 Re(R)은 정규화된 반사율(normalized reflectance)을 나타내고, Re(T)는 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 나타낸다. 즉, Re(R)은 입사파의 진폭(amplitude)으로 정규화된 반사파의 진폭을 의미하고, Re(T)는 입사파의 진폭으로 정규화된 투과파의 진폭을 의미한다.
도 2를 참조하면, 특정한 파장 영역에서 Re(R)이 1 또는 1에 근접한 값을 갖는 것을 알 수 있다. Re(R)이 1에 가깝다는 것은 입사파의 대부분이 반사되었다는 것을 의미한다. 다시 말해, 반사체가 100%에 가까운 반사율을 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 특정한 파장 영역에서 Re(T)가 0 또는 0에 근접한 값을 갖는 것을 알 수 있다. Re(T)가 0에 가깝다는 것은 입사파가 거의 투과되지 않았다는 것을 의미한다. 따라서, 특정한 파장 영역에서 입사파는 거의 투과되지 않고 대부분 반사될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 특성을 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 3의 결과는 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일한 구조를 갖는 반사체에 대한 것이다. 도 3의 각 그래프에서 흰색 점선으로 표시된 사각형 영역이 반사체 영역을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 반사체는 입사파(입사광)의 대부분을 반사시키고 거의 투과시키지 않기 때문에, 반사체의 위쪽으로만 반사광의 파형/진폭이 줄무늬 형태로 나타나고, 아래쪽으로는 이러한 파형/진폭이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 도 2의 결과와 대응될 수 있다. 가시광선(visible ray)(VIS) 영역 내지 적외선(infrared ray)(IR) 영역 사이의 여러 파장에서 입사파와 반사파의 위상이 일치하여 진폭이 두 배가 될 수 있다. 다시 말해, 반사 영역에서 200%의 E-field amplitude를 얻을 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체(R20)를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 전자기파 반사체(이하, 반사체)(R20)는 도 1의 반사체(R10)와 유사하지만, 그로부터 변형된 구조를 가질 수 있다. 반사체(R20)는 서로 이격된 복수의 제1 물질층(A)을 포함할 수 있고, 이들 사이에 구비된 복수의 제2 물질층(B)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 물질층(A)을 아래서부터 A1', A2', A3', A4'층이라고 할 수 있고, 이와 유사하게, 복수의 제2 물질층(B)을 아래서부터 B1', B2', B3'층이라고 할 수 있다. 각 층들(A1', B1', A2', B2', A3', B3', A4')의 두께 및 이들 사이의 비율은 도 1의 각 층들(A1, B1, A2, B2, A3, B3, A4)의 두께 및 이들 사이의 비율과 다를 수 있다.
본 실시예에서 A1'층은 B1'층보다 두꺼울 수 있고, B1'층은 A2'층보다 두꺼울 수 있으며, A2'층은 B2'층보다 두꺼울 수 있다. 또한, B2'층은 A3'층보다 두꺼울 수 있고, A3'층은 B3'층보다 두꺼울 수 있다. A4'층은 B3'층보다 두꺼울 수 있다. Al'층은 A2'층보다 두꺼울 수 있고, A2'층은 A3'층보다 두꺼울 수 있으며, A3'층은 A4'층보다 얇을 수 있다. B1'층은 B2'층보다 두꺼울 수 있고, B2'층은 B3'층보다 두꺼울 수 있다. A1'층이 가장 두꺼울 수 있고, B3'층이 가장 얇을 수 있다. 이때, 반사체(R20)의 총 두께(t2)는 약 2㎛ 이하일 수 있다. 반사체(R20)의 총 두께(t2)는, 예컨대, 약 1∼2㎛ 정도일 수 있다. 반사체(R20)는 도 1의 반사체(R10)보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반사체에 대하여 입사파(입사광)의 파장에 따른 반사 및 투과 특성을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5의 결과는, 도 4의 구조를 갖되 제1 물질층(A)으로 Si를 적용하고, 제2 물질층(B)으로 SiO2를 적용한 반사체(R20)에 대한 것이다. 이때, A1'층, B1'층, A2'층, B2'층, A3'층, B3'층, A4'층의 두께는 각각 386.53nm, 319.306nm, 252.083nm, 184.856nm, 117.615nm, 50.00nm, 250.00nm 였다. 이때, 반사체(R20)의 총 두께(도 4의 t2)는 약 1.5㎛ 이다.
도 5를 참조하면, 도 2와 유사한 결과가 나타나지만, 우수한 반사 특성을 나타내는 파장 대역이 도 2의 그것과 달라진 것을 알 수 있다. 이를 통해, 반사체를 구성하는 층들의 두께 및/또는 두께 비율을 변화시킴으로써, 반사 파장 및 반사 특성을 제어할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 약 10층 이내의 적은 적층수 및 약 1∼2㎛ 정도의 얇은 두께를 갖는 반사체를 이용해서, 약 90% 이상 또는 약 95% 이상의 높은 반사율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
개시된 실시예에서 기존의 DBR 구조와 같이 많은 적층수가 요구되지 않는 이유는, 매질(유전체 혹은 반도체)과 전자기파 사이의 결맞은 상호작용을 이용하여 모든 층이 아닌 특정 층(혹은, 특정 몇몇 층)의 경계면(표면)에서 최대 진폭(max amplitude)을 생성하는 효과를 이용하기 때문일 수 있다. 전자기파와 매질의 상호작용 시, 매질을 구성하는 복수의 층에서 전자기파의 흡수(absorption)/방출(emission)이 발생할 수 있는데, 흡수/방출의 결맞은 상호작용에 의해 특정 층(혹은, 특정 몇몇 층)의 경계면에서 in-phase 효과에 의한 증폭 현상이 발생할 수 있고, 그 결과, 우수한 반사 특성이 나타날 수 있다. 이를 위해, 전자기파의 파장 등과 연계하여, 매질을 구성하는 층들의 물질 및 두께를 적절히 선택/제어할 수 있다. 이러한 원리에 따르면, 약 15층 혹은 10층 이내의 적층수와 약 3㎛ 또는 2㎛ 이하의 두께에서도 우수한 반사 특성을 갖는 전자기파 반사체를 구현할 수 있다. 이러한 반사체는 격자(grating) 구조를 사용하지 않고 복수의 층을 적층한 구조를 갖기 때문에, 제조공정이 용이할 수 있다. 따라서, 얇은 두께를 가지면서도 제조가 용이하고 우수한 반사 효율을 갖는 반사체를 구현할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 매질을 구성하는 복수의 층을 설계하는데 있어서, 굴절률(복소굴절률: complex index of refraction)의 실수부(real part)(n)와 허수부(imaginary part)(k)를 모두 고려하여 이들의 두께를 결정할 수 있다. 여기서, 상기 허수부(k)는 빛의 흡수 및 에너지 손실(loss)과 관련된 것으로, 실수부(n)는 물론 허수부(k)까지 고려한다는 것은 빛의 굴절 특성은 물론이고 흡수 특성까지 고려한다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 실시예에 따르면, 빛의 흡수 및 방출과 관련된 보강 간섭을 발생시킬 수 있고, 결과적으로, 앞서 언급한 공간적 결맞음(spatial coherence) 조건을 만족시킬 수 있다.
실시예에 따른 반사체를 디자인하는데 있어서, 반사체를 구성하는 복수의 층 각각의 두께는 다음과 같은 수학식들에 의해 결정될 수 있다. 아래의 수학식들은 도 18을 참조하여 설명하도록 한다. 도 18은 n1의 굴절률을 갖는 물질층과 n2의 굴절률을 갖는 물질층이 교대로 적층된 경우이다.
수학식 1에서, zi는 i번째 층의 두께를 나타내고(도 18 참조), j1 ,i는 1차 베셀 함수(Bessel function)인 J1(x)의 i번째 zero 지점을 나타낸다. 수학식 1의 Y는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 2의 xi는 매질(물질층)의 흡수 특성 및 투과 특성을 고려하여 결정되는 것으로, 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 3에서, α0는 매질(물질층)의 흡수계수(absorption coefficient)이고, δ는 매질의 흡수 스펙트럼의 HWHM(half width at half maximum)이고, T는 빛이 매질을 투과하는 시간을 나타낸다.
위와 같은 수학식 1 내지 3을 이용해서, 반사체를 구성하는 복수의 층 각각의 두께(ex, 도 18의 z1, z2, z3, z4, z5)를 구할 수 있다. 경우에 따라서는, z1을 임의로 설정한 후, 임의로 설정된 z1값으로부터, 위 수학식들을 이용해서 z2, z3, z4, z5를 도출할 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는, z1, z2, z3, z4, z5를 임의로 설정한 후, 이와 결맞음(coherence) 조건을 만족하는 전자기파(빛)의 파장을 도출할 수도 있다.
기존의 DBR 구조에는 여기서 개시된 실시예와는 전혀 다른 원리가 적용될 수 있다. 즉, 기존의 DBR 구조는 λ/4 두께 조건을 만족하는 수십 층의 유전체로 구성하여 모든 계면에서 반사가 이루어지도록 하고, 반사된 빛들의 간섭 효과를 이용할 수 있다. 따라서, 높은 반사율을 얻기 위해서는, 수십 층 이상의 많은 적층수가 필요할 수 있다. 그러나 실시예에 따른 반사체는 λ/4 두께 조건과는 다른 '공간적 결맞음(spatial coherence)'을 이용하기 때문에, 앞서 설명한 바와 같이, 약 15층 혹은 10층 이내의 적층수와 약 3㎛ 또는 2㎛ 이하의 두께에서도 우수한 반사 특성을 갖는 전자기파 반사체를 용이하게 구현할 수 있다. 이러한 전자기파 반사체는 'SCR(spatially coherent reflector)' 또는 'SCS(spatially coherent stack)'라고 명명할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 반사체(R10, R20)는 제1 물질층(A) 및 제2 물질층(B) 이외에 적어도 하나의 다른 물질층을 더 포함할 수 있다. 이러한 변형예에 대해서 도 6 내지 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체(R30)를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 반사체(R30)는 교대로 적층된 제1 물질층(A) 및 제2 물질층(B)을 포함할 수 있고, 부가해서, 적어도 하나의 제3 물질층(C) 및 적어도 하나의 제4 물질층(D)을 더 포함할 수 있다. 제3 물질층(C)은 제1 및 제2 물질층(A, B)의 굴절률들과 다른 제3 굴절률을 갖는 제3 물질로 구성될 수 있다. 제4 물질층(D)은 제1 내지 제3 물질층(A, B, C)의 굴절률들과 다른 제4 굴절률을 갖는 제4 물질로 구성될 수 있다. 예컨대, 제3 물질층(C) 또는 제4 물질층(D)은 AlGaAs, GaAs, AlAs, InGaAlAs, AlGaInAs 및 InP 중 어느 하나를 포함하거나, Si, Ge, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, 상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이고, 제3 및 제4 물질층(C, D)의 구체적인 물질은 달라질 수 있다.
반사체(R30)는, 예를 들어, A/B/C/D/A/B/A 적층구조 또는 이와 유사한 적층구조를 가질 수 있다. 이러한 반사체(R30)의 구조는 도 1의 구조에서 한 쌍의 A/B pair가 C/D pair로 대체된 것과 유사할 수 있다. 제3 물질층(C)은 복수의 제1 물질층(A) 중 적어도 하나와 다른 두께를 가질 수 있고, 제4 물질층(D)은 복수의 제2 물질층(B) 중 적어도 하나와 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 제3 물질층(C)은 제4 물질층(D)과 다른 두께를 가질 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 제3 물질층(C)이 복수의 제1 물질층(A) 중 어느 하나 또는 복수의 제2 물질층(B) 중 어느 하나와 동일한 두께를 가질 수 있다. 제4 물질층(D)도 복수의 제1 물질층(A) 중 어느 하나 또는 복수의 제2 물질층(B) 중 어느 하나와 동일한 두께를 가질 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체(R40)를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반사체(R40)는 A/B/A/B/C/D/A/B/A 적층구조 또는 이와 유사한 적층구조를 가질 수 있다. 이러한 반사체(R40)의 구조는 도 1의 구조 중간에 C/D pair가 추가된 것과 유사할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 6 및 도 7의 구조에서 제3 물질층(C) 및 제4 물질층(D) 중 어느 하나만 사용하고 나머지 하나는 사용하지 않을 수 있다. 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 반사체(R50)는 A/B/C/B/A/B/A 적층구조 또는 이와 유사한 적층구조를 가질 수 있다. 이러한 반사체(R50)의 구조는 도 1의 구조에서 하나의 제1 물질층(A)(즉, A2층)이 제3 물질층(C)으로 대체된 구조와 유사할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 반사체(R60)는 A/B/C/A/B/A/B/A 적층구조 또는 이와 유사한 적층구조를 가질 수 있다. 이러한 반사체(R60)의 구조는 도 1의 구조 중간에 제3 물질층(C)이 추가된 것과 유사할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 반사체는 세 개 또는 그 이상의 서로 다른 물질층이 교대로 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 일례로, 도 10에 도시된 바와 같이, 반사체(R70)는 제1 물질층(A), 제2 물질층(B) 및 제3 물질층(C)이 교대로 반복 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사체(R70)는 A/B/C/A/B/C/A 적층구조 또는 이와 유사한 적층구조를 가질 수 있다. 이때, 복수의 제3 물질층(C)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 물질층(A), 제2 물질층(B), 제3 물질층(C) 및 제4 물질층(D)이 교대로 반복 적층된 구조를 포함하는 반사체를 구성하는 것도 가능하다. 그 밖에도 다양한 변형 구조가 가능할 수 있다.
도 6 내지 도 10에서와 같이 세 종류 또는 네 종류 이상의 물질층을 사용해서 반사체(R30∼R70)를 구성하는 경우에도, 앞서 설명한 수학식 1 내지 3을 이용해서 물질층들의 두께를 설정할 수 있다. 경우에 따라서는, 수학식 1 내지 3으로부터 변형된 조건식을 이용할 수도 있다.
부가해서, 도 1, 도 4, 도 6 내지 도 10의 실시예에서는 반사체(R10∼R70)의 양끝(즉, 하단 및 상단)에 모두 제1 물질층(A)이 배치된 경우에 대해 도시하였는데, 이때, 제1 물질층(A)은 비교적 높은 굴절률을 가질 수 있다. 비교적 높은 굴절률을 갖는 제1 물질층(A)을 반사체(R10∼R70)의 양끝에 위치시킬 때, 우수한 반사 특성 확보에 유리할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이고, 반사체(R10∼R70)의 양끝에 위치하는 물질층의 종류는 달라질 수 있다. 또한, 반사체(R10∼R70)의 일단(하단)과 타단(상단)에 위치하는 물질층의 종류는 서로 다를 수도 있다.
도 11은 일 실시예에 따라 제조된 반사체 및 이와 비교되는 투명기판을 촬영한 사진 이미지이다. 도 12는 도 11의 반사체 및 투명기판의 단면 구조를 보여주는 단면도이다. 도 11 및 도 12에서 (A)도면은 반사체이고, (B)도면은 투명기판이다. 이때, 상기 투명기판은 석영기판(quartz substrate)이고, 상기 반사체는 투명기판(석영기판) 상에 형성되었다.
도 11 및 도 12를 참조하면, (B)도면의 투명기판은 투명하기 때문에 그 테두리가 잘 나타나지 않는 반면, (A)도면의 반사체는 빛을 반사하기 때문에 미러(mirror)와 같은 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 전자기파 반사체는 다양한 광학소자에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있다. 이하에서는, 전자기파 반사체를 적용한 광학소자에 대해 예시적으로 설명한다.
도 13은 일 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 광학소자는 제1 반사층(R100) 및 이와 이격된 제2 반사층(R200)을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 반사층(R100, R200) 사이에 구비된 활성층(A150)을 포함할 수 있다. 활성층(A150)은 이득 매질(gain medium)일 수 있다. 또한, 활성층(A150)은 '레이저 캐비티(laser cavity)'라 할 수 있다. 활성층(A150)은, 예컨대, 양자우물(quantum well) 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층구조를 가질 수 있다. 제1 및 제2 반사층(R100, R200) 중 적어도 어느 하나는 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 반사체(R10∼R70) 중 어느 한 구조 또는 그로부터 변형된 구조를 가질 수 있다. 이러한 광학소자는 면발광 레이저 소자(surface-emitting laser device)일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광학소자는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 소자일 수 있다. 도 13에서 광학소자 위쪽에 도시된 화살표는 방출되는 레이저를 나타내고, 활성층(A150)에 도시된 화살표는 두 반사층(R100, R200) 사이에서 공진되는 광을 나타낸다. 두 반사층(R100, R200) 사이에서 공진하며 증폭된 광(레이저)은 특정 조건이 되면 광학소자 외부로 방출될 수 있다.
본 실시예에서 제1 반사층(R100)은, 예컨대, 도 1에 대응하는 다층구조를 가질 수 있고, 제2 반사층(R200)도, 예컨대, 도 1에 대응하는 다층구조를 가질 수 있다. 이때, 제1 반사층(R100)의 다층구조와 제2 반사층(R200)의 다층구조는 광학소자의 하면을 기준으로 동일한 적층구조를 가질 수 있다. 따라서, 제1 반사층(R100)과 제2 반사층(R200)은 실질적으로 동일한 적층구조를 갖고 동일한 방향으로 배치되었다고 할 수 있다.
기존의 DBR 구조를 이용한 레이저 소자의 경우, 하부 DBR 구조(미러)와 상부 DBR 구조(미러)가 서로 다른 적층수 및 서로 다른 두께를 갖는다. 통상적으로는, 상부 DBR 구조가 하부 DBR 구조보다 적은 적층수를 갖고 또한 얇은 두께를 갖는다. 이는 상부 DBR 구조를 통한 레이저의 추출 성능을 확보하기 위함이다. 그러나, 이와 같이 상부 DBR 구조와 하부 DBR 구조가 비대칭적인 구조를 이룰 때, 내부 공진 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 내부 공진 효율과 레이저 추출 효율 사이에 트레이드-오프(trade-off) 상황이 발생하고, 결과적으로, 최적의 소자 성능을 확보하기가 어려울 수 있다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 반사층(R100)과 제2 반사층(R200)이 동일한 적층구조 및 동일한 두께를 가질 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 반사층(R100, R200)이 서로 동일한 적층구조를 갖는 경우, 우수한 내부 공진 효율을 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 각 반사층(R100, R200) 내부의 비주기적 구조에 의해 우수한 레이저 추출 효율도 확보될 수 있다. 따라서, 우수한 내부 공진 효율을 가지면서 높은 레이저 추출 효율을 갖는 레이저 소자를 용이하게 구현할 수 있다. 부가해서, 제1 및 제2 반사층(R100, R200)은 두께가 매우 얇고 제조공정이 용이하며 우수한 반사 특성을 갖기 때문에, 이와 관련해서, 다양한 이점을 얻을 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 제1 반사층(R100)과 제2 반사층(R200')은 활성층(A150)을 기준으로 상호 대칭적인 적층구조를 가질 수 있다. 다시 말해, 제2 반사층(R200')은 제1 반사층(R100)을 상하로 뒤집은 구조(즉, 역구조)를 가질 수 있다. 이와 같이, 제1 반사층(R100)과 제2 반사층(R200')이 상호 대칭적인 적층구조를 갖는 경우에도, 우수한 내부 공진 효율 및 높은 레이저 추출 효율을 용이하게 확보할 수 있다. 즉, 제1 반사층(R100)과 제2 반사층(R200')의 대칭적인 구조에 의해 우수한 내부 공진 효율을 확보할 수 있고, 각 반사층(R100, R200) 내부의 비주기적 구조에 의해 우수한 레이저 추출 효율을 확보할 수 있다. 도 14의 실시예에 따른 광학소자의 경우, 레이저가 소자의 상부 및 하부로, 즉, 양방향으로 추출될 수 있다. 필요에 따라, 양방향으로 추출되는 레이저 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 13 및 도 14의 광학소자에서 제1 반사층(R100) 및 제2 반사층(R100, R200') 중 하나를 다른 구조로 대체할 수 있다. 다시 말해, 제1 반사층(R100) 및 제2 반사층(R100, R200') 중 하나를 도 1 내지 도 10과 같은 비주기적 적층구조가 아닌 다른 구조로 대체할 수 있다. 상기 다른 구조는, 예컨대, 금속성 물질층(metallic material layer)을 포함할 수 있다. 이러한 변형예들이 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
도 15는 도 13의 광학소자에서 제2 반사층(R200)을 금속성 물질을 포함하는 반사층(R201)으로 대체한 경우를 보여주고, 도 16은 도 13의 광학소자에서 제1 반사층(R100)을 금속성 물질을 포함하는 반사층(R101)으로 대체한 경우를 보여준다. 도 15 및 도 16에서 금속성 물질을 포함하는 반사층(R101, R201)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
도 13 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 광학소자는 예시적인 것이고, 이들은 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(R100)과 활성층(A150) 사이 및/또는 제2 반사층(R200, R200')과 활성층(A150) 사이에 적어도 하나의 다른 물질층이 더 구비될 수 있다. 또한, 제1 반사층(R100)의 하면 및/또는 제2 반사층(R200, R200')의 상면에 적어도 하나의 다른 물질층이 더 구비될 수 있다. 이러한 변형 구조에 대해서는 당업자가 용이하게 알 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 배제한다.
도 17은 다른 실시예에 따른 전자기파 반사체를 포함하는 광학소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에 따른 광학소자는 백라이트 유닛(backlight unit)일 수 있다.
도 17을 참조하면, 광학소자(백라이트 유닛)는 반사판(100) 및 반사판(100) 상에 구비된 도파관(waveguide)(200)을 포함할 수 있다. 광학소자(백라이트 유닛)는 적어도 하나의 광원(150)을 구비할 수 있다. 광원(150)은 LED(light-emitting diode)나 일반적인 램프(lamp) 또는 그 밖에 다른 발광체(발광소자)일 수 있다. 광원(150)에서 발생된 빛이 반사판(100)에 의해 그 일측(즉, 도면상 위쪽)으로 반사될 수 있다. 여기서는, 편의상, 광원(150)이 도파관(200) 내부에 구비된 것으로 도시하였지만, 광원(150)은 도파관(200)의 측면부에 구비될 수 있다. 도파관(200) 상에 확산시트(diffusion sheet)(300), 프리즘시트(prism sheet)(400) 및 보호시트(protection sheet)(500)가 차례로 구비될 수 있다. 이러한 광학소자(백라이트 유닛)에서 반사판(100)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 바와 같은 실시예에 따른 적층구조를 가질 수 있다. 도 17에 도시된 광학소자(백라이트 유닛)의 구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 13 내지 도 17을 참조하여 반사층(반사판)을 포함하는 광학소자에 대해서 예시적으로 설명하였지만, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않고, 광학소자의 종류는 매우 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 반사 특성 또는 반사/투과 특성을 이용하는 모든 광학소자 및 전자장치에 본원의 실시예에 따른 반사체 구조를 적용할 수 있다. 실시예들에 따른 반사체는 기존의 DBR 미러나 HCG 미러를 대체할 수 있고, 집적화된 포토닉 칩(integrated photonic chip)(IPC)을 위한 초소형 미러로 사용될 수 있다. 특히, 상기 반사체를 실리콘(Si) 기반의 물질로 제조하는 경우, 실리콘 기반의 반도체 공정을 이용해서, 단순한 공정 및 저비용으로 고효율의 초소형/박막형 미러를 제조할 수 있다. 또한, 집적화된 포토닉 칩(integrated photonic chip)(IPC)이 탑재된 양자 컴퓨터나 양자 암호/정보 디바이스에 실시예들에 따른 반사체 및 광학소자가 적용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 반사체 및 광학소자는 휴대폰이나 차세대 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등에 탑재하여 카메라나 모바일 헬스케어(mobile healthcare) 기능을 수행하는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 반사체 및 광학소자는 초소형 광원이나 분광기 등 다양한 장치에 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1, 도 4, 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한 전자기파 반사체의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 13 내지 도 17을 참조하여 설명한 광학소자의 구성도 다양하게 변화될 수 있고, 반사체가 적용되는 소자의 분야도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
A : 제1 물질층 B : 제2 물질층
C : 제3 물질층 D : 제4 물질층
EI : 입사파 ER : 반사파
R10∼R70 : 반사체 R100, R200, R200' : 반사층
A150 : 활성층 100 : 반사판
150 : 광원 200 : 도파관
300 : 확산시트 400 : 프리즘시트
500 : 보호시트
A : 제1 물질층 B : 제2 물질층
C : 제3 물질층 D : 제4 물질층
EI : 입사파 ER : 반사파
R10∼R70 : 반사체 R100, R200, R200' : 반사층
A150 : 활성층 100 : 반사판
150 : 광원 200 : 도파관
300 : 확산시트 400 : 프리즘시트
500 : 보호시트
Claims (30)
- 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하는 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)에 있어서,
상기 다층구조체는,
제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층; 및
상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층;을 포함하고,
상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖고, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가지며, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 하나와 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 가지며,
상기 복수의 제1 물질층은 제1층과 상기 제1층의 두께보다 얇은 두께를 가지는 제2층을 포함하며,
상기 제2층과 전자기파가 외부로 방출되는 표면과의 거리는, 상기 제1층과 상기 전자기파가 외부로 방출되는 표면과의 거리보다 짧으며,
상기 복수의 제1 물질층 중 가장 두꺼운 두께를 가진 제1 물질층의 두께가 상기 복수의 제2 물질층 중 가장 얇은 두께를 가진 제2 물질층의 두께보다 두꺼운, 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 세 개는 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 세 개는 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층구조체를 구성하는 모든 층들이 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함하는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 AlGaAs, GaAs, AlAs, InGaAlAs, AlGaInAs 및 InP 중 어느 하나를 포함하는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 물질 또는 상기 제2 물질은 Si, Ge, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함하고,
상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함하는 전자기파 반사체. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1 물질은 Si이고, 상기 제2 물질은 SiO2인 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함하는 전자기파 반사체. - 제 9 항에 있어서,
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제4 물질층을 더 포함하는 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층구조체의 총 적층수는 15층 이하인 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층구조체의 총 두께는 5㎛ 보다 작은 전자기파 반사체. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층구조체의 반사율은 90% 이상인 전자기파 반사체. - 청구항 1 내지 13 중 어느 하나에 기재된 전자기파 반사체를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학소자.
- 적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하는 전자기파 반사체(electromagnetic wave reflector)에 있어서,
상기 다층구조체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1물질층; 및 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층;을 포함하고,
상기 복수의 제1 물질층은 제1층과 상기 제1층에 비해 두께가 얇은 제2층을 포함하며,
상기 제2층과 전자기파가 외부로 방출되는 표면과의 거리는, 상기 제1층과 상기 전자기파가 외부로 방출되는 표면과의 거리보다 짧으며,
상기 복수의 제1 물질층 중 가장 두꺼운 두께를 가진 제1 물질층의 두께가 상기 복수의 제2 물질층 중 가장 얇은 두께를 가진 제2 물질층의 두께보다 두껍고,
상기 다층구조체를 구성하는 적어도 세 개의 층은 공간 결맞음(spatial coherence)을 만족하도록 서로 다른 두께를 갖고,
상기 다층구조체의 총 적층수는 15층 이하이며,
상기 다층구조체의 반사율은 90% 이상인 전자기파 반사체. - 제 15 항에 있어서,
상기 다층구조체의 총 두께는 5㎛ 미만인 전자기파 반사체. - 제 15 항에 있어서,
상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖고, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체. - 제 17 항에 있어서,
상기 다층구조체는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함하는 전자기파 반사체. - 제 15 항에 있어서,
상기 다층구조체를 구성하는 모든 층들이 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 반사체. - 청구항 15 내지 19 중 어느 하나에 기재된 전자기파 반사체를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학소자.
- 제1 반사층; 상기 제1 반사층과 이격된 제2 반사층; 및 상기 제1 반사층과 제2 반사층 사이에 배치된 활성층;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 반사층 중 적어도 어느 하나는,
적어도 두 개의 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 다층구조체를 포함하고, 상기 다층구조체는 제1 굴절률을 갖는 제1 물질로 형성된 복수의 제1 물질층 및 상기 제1 굴절률보다 작은, 제2 굴절률을 갖는 제2 물질로 형성된 복수의 제2 물질층을 포함하며,
상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖고, 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가지며, 상기 복수의 제1 물질층 중 적어도 하나와 상기 복수의 제2 물질층 중 적어도 하나는 서로 다른 두께를 가지며,
상기 다층구조체는 전자기파가 외부로 방출되는 방출표면을 포함하고,
상기 복수의 제1 물질층은 제1층과 상기 제1층에 비해 두께가 얇은 제2층을 포함하며, 상기 제2층과 상기 방출표면과의 거리가, 상기 제1층과 상기 방출표면과의 거리보다 더 가까우며,
상기 복수의 제1 물질층 중 가장 두꺼운 두께를 가진 제1 물질층의 두께가 상기 복수의 제2 물질층 중 가장 얇은 두께를 가진 제2 물질층의 두께보다 두꺼운 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제1 다층구조체를 포함하고,
상기 제2 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제2 다층구조체를 포함하며,
상기 제1 다층구조체와 상기 제2 다층구조체는 상기 활성층을 기준으로 상호 대칭적인 적층구조를 갖는 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제1 다층구조체를 포함하고,
상기 제2 반사층은 상기 다층구조체에 대응되는 제2 다층구조체를 포함하며,
상기 제1 다층구조체와 상기 제2 다층구조체는 상기 광학소자의 하면을 기준으로 동일한 적층구조를 갖는 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층은 동일한 구조 및 동일한 두께를 갖는 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 반사층은 상기 다층구조체를 포함하고,
상기 제2 반사층은 금속성 물질층을 포함하는 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 다층구조체는 구성하는 적어도 세 개의 층은 서로 다른 두께를 갖는 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 다층구조체의 총 적층수는 15층 이하인 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 다층구조체의 총 두께는 5㎛ 보다 작은 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 다층구조체의 반사율은 90% 이상인 광학소자. - 제 21 항에 있어서,
상기 광학소자는 면발광 레이저 소자(surface-emitting laser device)를 포함하는 광학소자.
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