KR20220050325A - 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원 - Google Patents

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김영빈
배덕규
조가을
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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층, 및 상기 발광층 상에 제공되는 복수 개의 단위 구조체들을 포함하되, 상기 단위 구조체들은 방사 방향(radial direction) 및 원주 방향(tangential direction)을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이루고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고, 상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성(rotational symmetry)을 갖는 광원을 제공한다.

Description

유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원{Light source including effective refractive index controlling pattern}
본 발명은 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원에 관한 것으로, 보다 구체적으로 단위 구조체들의 배열을 통해 유효 굴절률을 제어하는 패턴을 갖는 렌즈 및 이를 포함하는 광원에 관한 것이다.
광학 시스템은 현재의 첨단 기술의 일부인 카메라, TV, 현미경, 망원경 등에 필수적인 요소이며 그 중에서도 렌즈가 매우 중요한 역할을 하고 있다. 보통 광학 렌즈는 기본적으로 볼록 렌즈와 오목 렌즈 여러 장을 조합해 만든다. 이때 렌즈의 두께와 구면 형태에 따라 빛이 서로 다른 각도로 굴절되므로 이를 조절해 피사체의 초점을 맞출 수 있다. 그러나 종래의 광학 렌즈는 일반적으로 두꺼운 유리로 만들어진 탓에 우수한 광학 특성을 가지고 있지만 그 부피가 크고 무거우며 제한된 기능만을 수행하게 된다.
또한, 반도체 기반 센서 배열을 이용하는 광학 센서들이 모바일 기기 및 웨어러블 기기 사물 인터넷 등에 점점 더 많이 사용되고 있다. 이러한 기기들의 소형화가 요구되고 있지만, 기기들에 포함되는 광학 렌즈의 두께를 줄이는데 어려움이 있다. 곡률을 이용하여 광학 성능을 조절하는 기존의 렌즈는 두께에 따라 빛의 위상차가 달라지는 원리를 이용하므로 렌즈의 두께를 위치별로 다르게 해야 한다. 이에 따라, 평탄하고 두께가 얇으면서 위치에 따라 빛의 진행 경로의 길이가 변하는 렌즈를 구현하기 위한 시도가 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 단위 구조체들의 배열을 통해 유효 굴절률을 제어할 수 있고, 이를 통해 지향성을 조절할 수 있는 렌즈 및 이를 포함하는 광원을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 광원은 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층, 및 상기 발광층 상에 제공되는 복수 개의 단위 구조체들을 포함하되, 상기 단위 구조체들은 방사 방향(radial direction) 및 원주 방향(tangential direction)을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이루고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고, 상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성(rotational symmetry)을 가질 수 있다.
상기 단위 구조체들의 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 변할 수 있다.
상기 단위 구조체들의 상기 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 단조 증가하거나, 단조 감소하거나, 증감이 반복될 수 있다.
상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제1 변수는 일정할 수 있다.
상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제2 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제3 변수는 상기 광의 중심 파장보다 작을 수 있다.
상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제1 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 단위 구조체들 각각의 높이는 상기 제4 변수에 따라 결정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광원은 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층, 상기 발광층 상에 제공되는 복수 개의 단위 구조체들, 상기 단위 구조체들을 덮는 배리어층, 및 상기 단위 구조체들 및 상기 배리어층을 덮는 평탄화층을 포함하되, 상기 단위 구조체들은 방사 방향 및 원주 방향을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이루고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고, 상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성을 가질 수 있다.
상기 단위 구조체들은 상기 평탄화층보다 굴절률이 낮거나 같은 물질을 포함할 수 있다.
상기 단위 구조체들은 각각 기체를 포함하는 캐비티 구조를 가질 수 있다.
상기 배리어층의 굴절률은 상기 단위 구조체들의 굴절률보다 크거나 같고, 상기 평탄화층의 굴절률보다 작거나 같을 수 있다.
상기 단위 구조체들 각각의 높이는 하기 [수학식 1]에 따라 결정되는 임계값 이상의 크기를 가질 수 있다.
[수학식 1]
Δn × tc = 2π × λ
Δn은 상기 제4 변수이고, tc는 상기 임계값이며, λ는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장이다.
상기 발광층과 상기 단위 구조체들 사이의 반도체층을 더 포함하되, 상기 기판 및 상기 반도체층은 각각 도핑된 반도체 물질을 포함하고, 상기 발광층은 양자 우물 구조, 양자선 구조 또는 양자점 구조를 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 발광층은 형광 현상(fluorescence) 내지 인광 현상(phosphorescence)을 일으키는 색변환 소재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광원은 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층, 상기 발광층 상에 제공되는 복수의 렌즈들을 포함하되, 상기 렌즈들은 반복적으로 배치되어 평면을 채우도록 배열되고, 상기 렌즈들은 각각 방사 방향 및 원주 방향을 따라 배열되는 복수 개의 단위 구조체들을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴을 가지고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고, 상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고, 상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성을 가질 수 있다.
상기 단위 구조체들은 각각 기체를 포함하는 캐비티 구조를 가질 수 있다.
상기 렌즈들 각각의 상기 유효 굴절률 제어 패턴에서, 상기 단위 구조체들의 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 단조 증가하거나, 단조 감소하거나, 증감이 반복될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 렌즈는 유효 굴절률 제어 패턴의 변수들을 통해 유효 굴절률을 제어할 수 있고, 이에 따라 지향성을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광원은 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 하나 이상의 렌즈를 포함하여, 광원에서 발생한 빛의 모든 출사 각도에 대해 계면 반사를 최소화하며 외부로 방출되게 함으로써 입사각에 따른 투과율 및 광효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 확대도로, 도 2의 B 부분에 대응된다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈를 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도들로, 각각 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도로, 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 확대 사진으로, 도 8a의 C 부분에 대응된다.
도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들로, 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴의 방사상 거리(radial distance)에 따른 유효 굴절률을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 프로파일과 전기장 방출 형태의 관계를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 12a 내지 도 12d 및 도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 유효 굴절률 프로파일을 설명하기 위한 그래프들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 설명의 편의를 위하여 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 방향, 형상 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 방향, 형상이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역, 방향 또는 형상을 다른 영역, 방향 또는 형상과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 평면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 확대도로, 도 1의 A 부분에 대응된다. A 부분은 가로 길이 및 세로 길이가 약 10 ㎛인 일 부분이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 설명하기 위한 확대도로, 도 2의 B 부분에 대응된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈(10)가 제공될 수 있다. 렌즈(10)는, 일 예로, 원 형상을 가질 수 있다.
렌즈(10)의 유효 굴절률 제어 패턴은 복수 개의 단위 구조체들(US)로 이루어질 수 있다. 단위 구조체들(US)은, 일 예로, 원기둥 형상을 가질 수 있다. 단위 구조체들(US) 각각의 부피 및 상면의 면적은, 일 예로, 실질적으로 동일할 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 단위 구조체들(US)은 방사 방향(radial direction, RD) 및 원주 방향(tangential direction, TD)을 따라 배열될 수 있다. 단위 구조체들(US)은 방사 방향(RD) 및 원주 방향(TD)으로 서로 이격될 수 있다. 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성(rotational symmetry)을 가질 수 있다. 구체적으로, 유효 굴절률 제어 패턴은 렌즈(10)의 중심을 지나는 축을 기준으로 360도 이외의 각도로 회전시켰을 때 자기 자신과 겹칠 수 있다.
렌즈(10)의 유효 굴절률 제어 패턴에서 단위 구조체들(US)의 밀도는 일정하지 않을 수 있다. 단위 구조체들(US)의 밀도는 방사 방향(RD)으로 가면서 변할 수 있다. 일 예로, 렌즈(10)의 일 영역은 상대적으로 소(疏, sparse)하고, 렌즈(10)의 타 영역은 상대적으로 밀(密, dense)할 수 있다. 단위 구조체들(US)의 밀도는, 예를 들어, 렌즈(10)의 중심으로부터 방사 방향(RD)으로 가면서 단조 증가하거나, 단조 감소하거나, 또는 주기적으로 증감이 반복될 수 있다. 단위 구조체들(US)의 밀도의 증감이 반복되는 주기는 일정하지 않을 수 있다. 이와 마찬가지로, 이하에서 '주기적으로 변하는' 것은 일정한 주기로 변하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 단위 구조체들(US)의 밀도의 증감이 반복되는 주기는 렌즈(10)의 중심으로부터 방사 방향(RD)으로 가면서 감소할 수 있다.
단위 구조체들(US)은, 예를 들어, 제1 내지 제3 영역들(C1, C2, C3) 내에 제공될 수 있다. 제1 내지 제3 영역들(C1, C2, C3)은 반지름이 서로 다른 링 형상의 영역들일 수 있다. 하나의 링 형상 내에서 단위 구조체들(US)은 일정한 주기로 배열될 수 있다. 일 예로, 제1 영역(C1)에서 제3 영역(C3)으로 갈수록 단위 구조체들(US)의 밀도는 증가할 수 있다.
렌즈(10)의 유효 굴절률 제어 패턴은 단위 구조체들(US) 각각의 폭(또는 지름)으로 정의되는 제1 변수(D1), 렌즈(10)의 중심으로부터의 거리가 같은 단위 구조체들(US)이 원주 방향(TD)으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수(D2), 및 방사 방향(RD)으로 인접하는 단위 구조체들(US)이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수(D3) 등을 통해 렌즈(10)의 유효 굴절률을 제어할 수 있다.
또한, 렌즈(10)의 유효 굴절률은 단위 구조체들(US)의 굴절률과 단위 구조체들(US)을 둘러싸는 배경 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수(Δn)에 의해 제어될 수 있다. 제4 변수(Δn)가 클수록 집속 효율이 높을 수 있고, 이에 따라 보다 얇은 두께의 렌즈로 다른 곡면 렌즈들과 실질적으로 동일한 지향성을 얻을 수 있다.
일 예로, 제1 변수(D1)는 단위 구조체들(US) 각각에서 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제1 변수(D1)는 렌즈(10)의 중심으로부터 멀어짐에 따라 증가하거나, 감소하거나, 또는 주기적으로 변할 수 있다.
제1 변수(D1)는 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈를 포함하는 광원의 중심 파장보다 작을 수 있다. 일 예로, 중심 파장이 약 450 nm인 광을 방출하는 광원의 경우, 제1 변수(D1)는 약 450 nm 이하(바람직하게는 약 350 nm 이하)일 수 있다. 제1 변수(D1)가 작을수록 평면파의 특성이 교란되지 않을 수 있고, 소재의 변화 없이 유효 굴절률을 효율적으로 제어할 수 있다. 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈를 포함하는 광원에 대하여 도 4 이하를 참조하여 상세히 후술한다.
일 예로, 제2 변수(D2)는 제1 영역(C1)에서 제3 영역(C3)으로 갈수록 감소할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제2 변수(D2)는 렌즈(10) 전체에서 일정할 수도 있고, 렌즈(10)의 중심으로부터 멀어짐에 따라 증가하거나, 감소하거나 또는 주기적으로 변할 수도 있다.
일 예로, 제3 변수(D3)는 제1 영역(C1)에서 제3 영역(C3)으로 가면서 일정하게 유지될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제3 변수(D3)는 렌즈(10)의 중심으로부터 멀어짐에 따라 증가하거나, 감소하거나, 또는 주기적으로 변할 수 있다. 제3 변수(D3)는 작을수록(즉, 제1 변수(D1)와의 차이가 작을수록) 렌즈(10)의 유효 굴절률 프로파일(effective refractive index profile)이 정밀해질 수 있다. 제3 변수(D3)는, 예를 들어, 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈를 포함하는 광원의 중심 파장보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 제1 내지 제3 변수들(D1, D2, D3) 중 적어도 하나를 일정하게 유지하거나, 변화시켜서 렌즈(10)의 유효 굴절률 프로파일을 제어할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈(10)는 유효 굴절률 프로파일에 따라 광이 렌즈(10)의 상면에 수직한 방향을 중심으로 방출되는 수직 지향성(vertical directivity)을 얻을 수도 있고, 광이 렌즈(10)의 상면에 대하여 일정한 기울기를 가진 채 방출되는 수평 지향성(horizontal directivity)을 얻을 수도 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈를 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도들로, 각각 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다. 설명의 편의를 위하여, 앞선 도면을 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다. 이하에서, 유효 굴절률 제어 패턴은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 렌즈로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면, 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원은 기판(110), 발광층(120) 및 반도체층(130)을 포함할 수 있다. 반도체층(130)은 기판(110) 상에 제공될 수 있고, 발광층(120)은 기판(110)과 반도체층(130) 사이에 제공될 수 있다.
기판(110) 및 반도체층(130)은 각각 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(110) 및 반도체층(130)은 각각, 예를 들어, 도핑된 GaN, 보다 구체적으로 마그네슘(Mg)이 도핑된 p-타입 GaN을 포함할 수 있다. 발광층(120)은 양자 우물(quantum well) 구조, 양자선(quantum wire) 구조 또는 양자점(quantum dot) 구조를 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 발광층(120)은, 예를 들어, InGaN 또는 AlGaN을 포함할 수 있다.
단위 구조체들(US)은 반도체층(130) 상에 제공될 수 있다. 단위 구조체들(US)은 발광층(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 단위 구조체들(US)은 반도체층(130)의 상면으로부터 볼록하게 돌출된 부분들일 수 있다. 단위 구조체들(US)은 반도체층(130)을 패터닝하여 형성될 수 있다. 단위 구조체들(US)은 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈를 구성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 단위 구조체들(US)은 반도체층(130)의 상면으로부터 오목하게 함입된 부분들일 수 있다. 예를 들어, 단위 구조체들(US)은 기체를 포함하는 캐비티 구조를 가질 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 4 및 도 5의 발광층(120) 및 반도체층(130) 대신 기판(110) 상에 형광물질층(140)이 제공될 수 있다. 형광물질층(140)은 형광 현상(fluorescence) 내지 인광 현상(phosphorescence)을 일으키는 색변환 소재을 포함할 수 있다. 형광물질층(140)은, 예를 들어, Nd, Er 또는 Cr 등이 도핑된 YAG(Yttrium Aluminum Garnet), Ca 또는 Eu 등이 도핑된 β-SiAlON, Mn 등이 도핑된 KSF(K2SiF6), 또는 CdSe, InN 등을 이용한 양자점 형광체(quantum dots phosphor)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 단위 구조체들(US)은 형광물질층(140)의 상면으로부터 볼록하게 돌출된 부분들일 수 있다. 도 7을 참조하면, 단위 구조체들(US)은 형광물질층(140)의 상면으로부터 오목하게 함입된 부분들일 수 있고, 기체를 포함하는 캐비티 구조를 가질 수 있다. 단위 구조체들(US)은 형광물질층(140)을 패터닝하여 형성될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도로, 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다. 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 확대 사진으로, 도 8a의 C 부분에 대응된다. 설명의 편의를 위하여, 앞선 도면을 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원은 기판(110), 발광층(120), 반도체층(130), 반도체층(130) 상의 단위 구조체들(US), 단위 구조체들(US)을 덮는 배리어층(220), 및 단위 구조체들(US) 및 배리어층(220)을 덮는 평탄화층(230)을 포함할 수 있다. 단위 구조체들(US)은 방사 방향(RD, 도 3 참조) 및 원주 방향(TD, 도 3 참조)을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이룰 수 있다. 단위 구조체들(US) 상에 평탄화층(230)이 제공될 수 있고, 단위 구조체들(US)과 평탄화층(230) 사이에 배리어층(220)이 제공될 수 있다. 배리어층(220)은 단위 구조체들(US)을 덮으며 반도체층(130)의 상면으로 연장될 수 있다. 다만, 도시된 바와 달리 배리어층(220)은 단위 구조체들(US)만을 덮고, 반도체층(130)의 상면으로 연장되지 않을 수 있다.
단위 구조체들(US)은 평탄화층(230)보다 굴절률이 낮거나 같은 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 단위 구조체들(US)은 기체를 포함하는 캐비티 구조를 가질 수 있다. 단위 구조체들(US) 각각의 폭은 도 3을 참조하여 설명한 제1 변수(D1)일 수 있다. 즉, 단위 구조체들(US) 각각의 폭은 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원의 중심 파장보다 작을 수 있다. 일 예로, 단위 구조체들(US)의 폭은 기판(110)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
단위 구조체들(US) 각각의 높이(H1)는 0 내지 2π 범위의 위상 변화를 위해 임계값(tc) 이상의 크기를 가질 것이 요구될 수 있다. 전술한 제4 변수(Δn)가 클수록 임계값(tc)은 작아질 수 있다. 즉, 단위 구조체들(US)의 굴절률과 단위 구조체들(US)을 둘러싸는 배경 물질의 굴절률 간의 차이가 클수록 보다 얇고 평탄한 렌즈를 구현할 수 있다. 임계값(tc)은 하기 [수학식 1]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Δn × tc = 2π × λ
이때, Δn은 제4 변수이고, tc는 단위 구조체들(US) 각각의 높이(H1)의 임계값이며, λ는 광원의 중심 파장이다. 보다 구체적으로, λ는 광원에서 방출되는 광의 파장 대역 중 중심이 되는 파장 또는 피크 파장(peak wavelength)으로 정의될 수 있다. 본 명세서의 다른 부분에 기재된 광원 중심 파장 또는 광의 중심 파장도 이와 마찬가지로 정의될 수 있다.
배리어층(220)은 단위 구조체들(US) 및 반도체층(130)의 상면을 컨포멀하게 덮는 다공성 박막일 수 있다. 배리어층(220)의 굴절률은 단위 구조체들(US)의 굴절률보다 크거나 같을 수 있고, 평탄화층(230)의 굴절률보다 작거나 같을 수 있다. 일 예로, 배리어층(220)은 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 배리어층(220)은, 예를 들어, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, CuO, Cu2O, Ta2O5, Si3N4-x, HfO2, In2O3-x, Sn3O4, ZnO 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 배리어층(220)은 다양한 산화물 또는 질화물 계열의 화합물들을 포함할 수 있다.
평탄화층(230)의 상면은 기판(110)의 상면 및 발광층(120)의 상면과 평행하고, 볼록 및/또는 오목한 곳 없이 실질적으로 평탄한 면일 수 있다. 평탄화층(230)은, 예를 들어, SiO2, TiO2, HfO2, Al2O3, Si3N4-x, In2O3-x, Sn3O4, ZnO 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 평탄화층(230)은 다양한 산화물 또는 질화물 계열의 화합물들을 포함할 수 있다. 평탄화층(230)은 단위 구조체들(US)을 외부 오염 및 물리적 손상으로부터 보호할 수 있고, 계면 반사(surface reflection)로 인한 광 손실을 줄일 수 있다.
도 8c 및 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들로, 도 2를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 8c를 참조하면, 반도체층(130) 상에 희생 패턴(210)이 형성될 수 있다. 희생 패턴(210)은 반도체층(130) 상에 형성된 희생층을 패터닝하여 형성될 수 있다. 희생 패턴(210)은 유기물질을 포함할 수 있다.
이후, 희생 패턴(210) 및 반도체층(130)을 컨포멀하게 덮는 배리어층(220)이 형성될 수 있다. 배리어층(220)은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD), 원자 층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 습식 합성(wet synthesis), 금속 박막 형성 후 산화 공정(metal deposition and oxidation) 등 방법으로 형성될 수 있다. 배리어층(220)이 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리 기상 증착법으로 형성되는 경우에는 200 ℃ 이하의 낮은 온도에서 형성될 수 있고, 물리 기상 증착을 위한 전구체(precusor)로 순금속, 질화물, 또는 산화물이 사용될 수 있다.
도 8d를 참조하면, 다공성 박막인 배리어층(220)을 통해 산화제(oxidation agent)를 투입해 희생 패턴(210)을 제거할 수 있다. 일 예로, 희생 패턴(210)의 탄소 성분은 배리어층(220)을 통해 투입된 산소(O2)와 반응할 수 있고, 이산화탄소(CO2) 형태로 배리어층(220)을 빠져나올 수 있다.
다시 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 희생 패턴(210)의 제거가 완료되면, 배리어층(220)을 덮는 평탄화층(230)이 형성될 수 있다. 평탄화층(230)은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD), 원자 층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 등의 방법으로 증착될 수 있고, 증착 이후 상면에 대한 평탄화 공정이 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴의 방사상 거리(radial distance)에 따른 유효 굴절률을 설명하기 위한 그래프이다. 가로축은 렌즈의 중심으로부터의 방사상 거리를 나타내고, 단위는 ㎛이다. 세로축은 유효 굴절률을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 제1 곡선(G1) 및 제2 곡선(G2)은 각각 본 발명의 실시예에 따른 유효 굴절률 제어 패턴의 유효 굴절률 프로파일을 나타낸다.
다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 곡선(G1)은 제4 변수(Δn)가 약 0.5인 경우이고, 제2 곡선(G1)은 제4 변수(Δn)가 약 1.5인 경우이다. 본 발명의 실시예에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈(10)는 유효 굴절률 제어 패턴의 두께, 제1 내지 제3 변수들(D1, D2, D3), 및 제4 변수(Δn)를 조정하여 곡면 렌즈의 곡률 함수를 모사할 수 있다.
제1 내지 제3 변수들(D1, D2, D3)이 감소할수록, 제4 변수(Δn)가 증가할수록, 그리고 유효 굴절률 제어 패턴의 두께가 증가할수록 이상적인 곡면 렌즈와의 유사성(resemblance)이 향상될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈(10)를 포함하는 광원은 광원에서 발생하는 빛의 입사각에 따른 투과율이 높고 고르게 나타날 수 있고, 광효율이 개선될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 프로파일과 전기장 방출 형태의 관계를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 10의 좌측에 도시된 그래프들을 참조하면, 제1 렌즈(L1)는 굴절률이 약 1.5인 물질로 이루어진 일반적인 곡면 렌즈이고, 제2 렌즈(L2)는 곡면 렌즈와 실질적으로 동일한 기능을 갖는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)이며, 제3 렌즈(L3)은 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈이다. 도 10의 좌측에 도시된 그래프들 각각에서 가로축은 ㎛ 단위이고, 세로축은 mm 단위이다. 제3 렌즈(L3)는 제2 렌즈(L2)와 마찬가지로, 제1 렌즈(L1)보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
도 10의 우측에 도시된 그래프들을 참조하면, 제1 내지 제3 렌즈들(L1, L2, L3)의 전기장 방출 형태가 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 갖는 렌즈는 일반적인 곡면 렌즈 및 프레넬 렌즈와 실질적으로 동일한 지향성을 나타낼 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 1에 도시된 것과 같은 렌즈(10)가 도 4 내지 도 7 및 도 8a 내지 도 8d에 도시된 것과 같은 기판(110) 상에 복수로 제공될 수 있다. 도 11a를 참조하면, 렌즈들(10)은 가로 방향 및 세로 방향으로 나란히 배열될 수 있다. 도 11b를 참조하면, 가상의 정육각형들에 각각 내접하는 렌즈들(10)이 벌집 무늬(honeycomb pattern) 형태로 배열될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 복수의 렌즈들(10)은 다양한 방식으로 평면을 채우도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 벌집 무늬 형태를 구성하는 다각형은 정육각형에 제한되지 않으며 반복적으로 배치되어 평면을 채울 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있다.
면 광원(surface light source) 상에 유효 굴절률 제어 패턴이 제공되는 경우, 복수의 렌즈들(10)을 배열하여 광효율 및 집속도 저하를 방지할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d 및 도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴을 포함하는 광원을 설명하기 위한 단면도들이다. 설명의 편의를 위하여, 앞선 도면을 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 단위 구조체들(US)은 반도체층(130)의 상면으로부터 볼록하게 돌출될 수 있다. 단위 구조체들(US)은 중심부(CP)에서 제1 피치(P1)로 배열될 수 있고, 가장자리부(EP)에서 제2 피치(P2)로 배열될 수 있다. 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 각각 도 3을 참조하여 설명한 제3 변수(D3)일 수 있다. 단면적 관점에서 단위 구조체들(US)은 중심부(CP)를 기준으로 대칭적으로 배열될 수 있다. 도시되지 않았으나, 평면적 관점에서 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)를 기준으로 회전 대칭성을 가질 수 있다.
도 12a를 참조하면, 제1 피치(P1)는 제2 피치(P2)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)이 배열되는 피치가 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 높고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 낮을 수 있다.
도 12b를 참조하면, 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 중심부(CP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)은 가장자리부(EP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)보다 클 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)이 점진적으로 증가할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 높고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 낮을 수 있다.
도 12c를 참조하면, 제1 피치(P1)는 제2 피치(P2)보다 클 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)이 배열되는 피치가 점진적으로 증가할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 낮고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 높을 수 있다.
도 12d를 참조하면, 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 중심부(CP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)은 가장자리부(EP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)이 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 낮고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 높을 수 있다.
도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 단위 구조체들(US)은 반도체층(130)의 상면으로부터 오목하게 함입된 캐비티 구조를 가질 수 있다. 단위 구조체들(US)은 중심부(CP)에서 제1 피치(P1)로 배열될 수 있고, 가장자리부(EP)에서 제2 피치(P2)로 배열될 수 있다.
도 13a를 참조하면, 제1 피치(P1)는 제2 피치(P2)보다 클 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)이 배열되는 피치가 점진적으로 증가할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 높고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 낮을 수 있다.
도 13b를 참조하면, 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 중심부(CP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)은 가장자리부(EP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)이 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 높고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 낮을 수 있다.
도 13c를 참조하면, 제1 피치(P1)는 제2 피치(P2)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)이 배열되는 피치가 점진적으로 감소할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 낮고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 높을 수 있다.
도 13d를 참조하면, 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 중심부(CP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)은 가장자리부(EP)의 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)보다 클 수 있다. 예를 들어, 가장자리부(EP)에서 중심부(CP)로 갈수록 단위 구조체들(US)의 폭(또는 지름)이 점진적으로 증가할 수 있다. 이에 따라, 단위 구조체들(US)을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 낮고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 높을 수 있다.
요약하면, 도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b에 따른 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 높고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 낮을 수 있다. 반면, 도 12c, 도 12d, 도 13c 및 도 13d에 따른 유효 굴절률 제어 패턴은 중심부(CP)에서 유효 굴절률이 낮고, 가장자리부(EP)에서 유효 굴절률이 높을 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 유효 굴절률 제어 패턴은 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈와 실질적으로 동일한 지향성을 나타낼 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 유효 굴절률 프로파일을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 실시예들에 따라 도 9와 같은 유효 굴절률 프로파일 이외에도 다양한 유효 굴절률 프로파일을 구현할 수 있음을 설명하기 위한 것이다.
도 14a를 참조하면, 제1 프로파일(Prof1)을 갖는 렌즈는 중심부(CP)에서 가장자리부(EP)로 갈수록 유효 굴절률이 선형적으로 감소할 수 있다.
도 14b를 참조하면, 제2 프로파일(Prof2)을 갖는 렌즈는 중심부(CP)에서 가장자리부(EP)로 갈수록 유효 굴절률이 이차함수와 같은 곡선 형태로 감소할 수 있다. 제2 프로파일(Prof2)의 기울기는 중심부(CP)에서 가장자리부(EP)로 갈수록 증가할 수 있다.
도 14c를 참조하면, 제3 프로파일(Prof3)을 갖는 렌즈는 중심부(CP)를 평균으로 하는 가우시안 함수 형태의 유효 굴절률을 가질 수 있다. 제3 프로파일(Prof3)을 갖는 렌즈의 유효 굴절률은 중심부(CP)에서 가장자리부(EP)로 갈수록 감소하되, 제3 프로파일(Prof3)의 기울기는 중심부(CP)에서 가장자리부(EP)로 가면서 증가하다가 변곡점 이후로 감소할 수 있다.
예를 들어, 도 14a 내지 도 14c에 도시된 유효 굴절률 프로파일은 도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b에 따른 유효 굴절률 제어 패턴에 대응될 수 있다. 다만, 도 14a 내지 도 14c에 도시된 유효 굴절률 프로파일은 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈의 유효 굴절률 프로파일은 도 14a 내지 도 14c에 도시된 유효 굴절률 프로파일을 상하 반전시킨 형태일 수도 있고, 불연속적인 곡선 또는 미분 불능점을 포함하는 곡선 형태일 수도 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층; 및
    상기 발광층 상에 제공되는 복수 개의 단위 구조체들을 포함하되,
    상기 단위 구조체들은 방사 방향(radial direction) 및 원주 방향(tangential direction)을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이루고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고,
    상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성(rotational symmetry)을 갖는 광원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들의 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 변하는 광원.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들의 상기 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 단조 증가하거나, 단조 감소하거나, 증감이 반복되는 광원.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제1 변수는 일정한 광원.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제2 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 증가하는 광원.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제2 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 감소하는 광원.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제3 변수는 상기 광의 중심 파장보다 작은 광원.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제1 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 감소하는 광원.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴에서 상기 제1 변수는 상기 방사 방향으로 가면서 증가하는 광원.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들 각각의 높이는 상기 제4 변수에 따라 결정되는 광원.
  11. 기판;
    상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층;
    상기 발광층 상에 제공되는 복수 개의 단위 구조체들;
    상기 단위 구조체들을 덮는 배리어층; 및
    상기 단위 구조체들 및 상기 배리어층을 덮는 평탄화층을 포함하되,
    상기 단위 구조체들은 방사 방향 및 원주 방향을 따라 배열되어 유효 굴절률 제어 패턴을 이루고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고,
    상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성을 갖는 광원.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들은 상기 평탄화층보다 굴절률이 낮거나 같은 물질을 포함하는 광원.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들은 각각 기체를 포함하는 캐비티 구조를 갖는 광원.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 배리어층의 굴절률은 상기 단위 구조체들의 굴절률보다 크거나 같고, 상기 평탄화층의 굴절률보다 작거나 같은 광원.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들 각각의 높이는 하기 [수학식 1]에 따라 결정되는 임계값 이상의 크기를 갖는 광원.
    [수학식 1]
    Δn × tc = 2π × λ
    Δn은 상기 제4 변수이고, tc는 상기 임계값이며, λ는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장이다.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광층과 상기 단위 구조체들 사이의 반도체층을 더 포함하되,
    상기 기판 및 상기 반도체층은 각각 도핑된 반도체 물질을 포함하고,
    상기 발광층은 양자 우물 구조, 양자선 구조 또는 양자점 구조를 갖는 반도체 물질을 포함하는 광원.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광층은 형광 현상(fluorescence) 내지 인광 현상(phosphorescence)을 일으키는 색변환 소재를 포함하는 광원.
  18. 기판;
    상기 기판 상에 제공되며, 광을 방출하는 발광층;
    상기 발광층 상에 제공되는 복수의 렌즈들을 포함하되,
    상기 렌즈들은 반복적으로 배치되어 평면을 채우도록 배열되고,
    상기 렌즈들은 각각:
    방사 방향 및 원주 방향을 따라 배열되는 복수 개의 단위 구조체들을 포함하는 유효 굴절률 제어 패턴을 가지고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 상기 단위 구조체들 각각의 폭으로 정의되는 제1 변수, 상기 단위 구조체들이 상기 원주 방향으로 배열되는 주기로 정의되는 제2 변수, 상기 방사 방향으로 인접하는 상기 단위 구조체들이 배열되는 주기로 정의되는 제3 변수, 및 상기 단위 구조체들의 굴절률과 상기 단위 구조체들을 둘러싸는 물질의 굴절률 간의 차이로 정의되는 제4 변수를 통해 유효 굴절률을 제어하도록 구성되고,
    상기 제1 변수는 상기 발광층에서 방출되는 상기 광의 중심 파장보다 작고,
    상기 유효 굴절률 제어 패턴은 회전 대칭성을 갖는 광원.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단위 구조체들은 각각 기체를 포함하는 캐비티 구조를 갖는 광원.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 렌즈들 각각의 상기 유효 굴절률 제어 패턴에서, 상기 단위 구조체들의 밀도는 상기 방사 방향으로 가면서 단조 증가하거나, 단조 감소하거나, 증감이 반복되는 광원.
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101134802B1 (ko) * 2010-02-01 2012-04-13 엘지이노텍 주식회사 발광소자, 발광소자의 제조방법 및 발광소자 패키지
KR101593506B1 (ko) * 2011-04-20 2016-02-12 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. 서브-파장 그레이팅-기초 광학 엘리먼트
FR3002697B1 (fr) * 2013-02-22 2015-03-06 Thales Sa Systeme de deflexion configurable hyperfrequence
CN106463593B (zh) * 2014-05-27 2019-04-02 亮锐控股有限公司 等离子体光照设备中光子发射体的空间定位
WO2017053309A1 (en) * 2015-09-23 2017-03-30 Osram Sylvania Inc. Collimating metalenses and technologies incorporating the same
US11222987B2 (en) * 2018-03-21 2022-01-11 Intel Corporation Optical receiver employing a metasurface collection lens having concentric belts or rings

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