WO2020017687A1 - 컬러 구조물 - Google Patents

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WO2020017687A1
WO2020017687A1 PCT/KR2018/009160 KR2018009160W WO2020017687A1 WO 2020017687 A1 WO2020017687 A1 WO 2020017687A1 KR 2018009160 W KR2018009160 W KR 2018009160W WO 2020017687 A1 WO2020017687 A1 WO 2020017687A1
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light
haze
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이경석
이도권
정증현
김원목
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한국과학기술연구원
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Definitions

  • the present technology relates to colored structures.
  • Color-coating technology which gives color to the base material, is a key element of the emotional design, which is known to increase the purchase value of the product and greatly affect the consumer's choice.
  • the color that most appeals to consumer sentiment is metallic gloss color, and its adoption ratio is gradually increasing in accordance with the trend of high-end in consumer devices, automobile exterior materials, building interior and exterior materials as well as mobile devices such as smartphones.
  • This embodiment is to solve the above-described problems of the prior art, it is possible to develop a high saturation color expressing a variety of metallic luster and texture on one surface of the transparent substrate, a variety of enhanced quality and enhanced environmental stability It is one of the main objectives to provide color structures which can display colors and which do not use organic dyes.
  • the color structure according to the present embodiment includes a transparent substrate, a resonance layer positioned on the transparent substrate and absorbing a specific wavelength component of light by resonating to a specific wavelength of light, and a mirror positioned on the resonant layer to reflect light. Layer.
  • various metallic luster and texture can be expressed, and it is possible to display the color of high saturation. Further, according to the color structure according to the present embodiment, excellent color variability is provided and the viewing angle dependency is controlled.
  • 1, 2, 4, 7 (a) and 7 (b) and 9 are views for explaining embodiments of the color structure.
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) schematically show different embodiments of the composite layer
  • FIG. 3 (c) is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of the composite layer.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (c) are cross-sectional views showing the outline of the unit layer constituting the composite layer, and FIGS. 5 (b) and 5 (d) show the outline of the unit layer.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a composite layer.
  • (A) to (c) is a view showing an embodiment of the haze structure.
  • 10 (a) and 10 (b) are plan views showing a state where the color structure is viewed from the upper surface of the transparent substrate.
  • FIG. 11 is a plan view showing an outline of a color structure having light transmissivity according to the present embodiment.
  • Fig. 12 is a diagram showing an outline applying the color structure of this embodiment to a housing for a mobile telephone.
  • FIG. 13 (a) shows the reflectivity according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline silicon is used as the semiconductor layer and aluminum (Al) is used as the mirror layer, and FIG. 13 (b) is the semiconductor layer.
  • FIG. 14A illustrates the reflectivity according to the thickness of the semiconductor layer when amorphous silicon is used as the semiconductor layer 200 and aluminum is used as the mirror layer
  • FIG. 14B illustrates the thickness of the semiconductor layer. Accordingly, it is a view showing the color shown by the color structure.
  • FIG. 15 (a) shows the reflectivity according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline germanium is used as the semiconductor layer and molybdenum having low reflectivity as the mirror layer.
  • FIG. 15 (b) is a semiconductor It is a figure which shows the color which a color structure shows according to the thickness of a layer.
  • FIG. 16 (a) shows the reflectivity according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline silicon is used as the semiconductor layer and molybdenum having low reflectivity as the mirror layer
  • FIG. 16 (b) is the semiconductor layer. The color shown by the color structure according to the thickness of the drawing.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating wavelengths and reflectances of provided light of a color structure using a composite layer formed by alternately stacking a semiconductor layer and a dielectric layer.
  • FIG. 18 is a view illustrating a change in absorbance curve versus wavelength according to a nominal thickness of particle layers in a unit layer stacked according to the presence or absence of a mirror layer and selection of a mirror layer material in a color structure using a composite layer formed by alternately stacking a plurality of unit layers. admit.
  • 19 is a graph analyzing color coordinates of a color provided by a color structure according to the presence or absence of a mirror layer and characteristics of the mirror layer.
  • 20 is a diagram illustrating a difference in haze factor according to a haze structure and color difference displayed by the color structure according to it.
  • Figure 21 (a) is a graph measuring the specular reflection component in the color structure without the haze structure
  • Figure 21 (b) is a graph measuring the scattering component in the color structure with the haze structure.
  • 22 (a) and 22 (b) are diagrams for explaining the viewing angle dependency of the color structure.
  • thickness means nominal thickness unless otherwise defined.
  • nominal thickness means a thickness when it is assumed that the growth of the thin film is formed in a continuous layer by proceeding in a layer-by-layer growth mode.
  • FIG. 1 is a view for explaining an embodiment of the color structure (1).
  • the color structure 1 includes a semiconductor layer 200 having a non-zero extinction coefficient k in the transparent substrate 100 and a visible light region and a mirror layer on the semiconductor layer 200. , 300).
  • the transparent substrate 100 may be formed of an optically transparent material in the visible light band.
  • the transparent substrate 100 may be a transparent synthetic resin substrate such as polycarbonate (PC, Polycarbonate) or acrylic.
  • the transparent substrate 100 may be a glass substrate and may be reinforced.
  • the transparent substrate 100 may be a translucent or colored substrate.
  • the semiconductor layer 200 may be formed of a semiconductor in which the extinction coefficient k is not zero in the visible light region.
  • the semiconductor layer 200 may be formed of a semiconductor such as silicon (Si), gallium arsenide (Ga-As), germanium (Ge), or the like.
  • the mirror layer 300 reflects light transmitted through the semiconductor layer 200.
  • the mirror layer 300 may include any one selected from the group consisting of metals, metallic nitrides, metallic carbides, compounds thereof, and composites thereof.
  • the mirror layer 300 may be formed of a metal having high reflectance. For example, tin (Sn), magnesium (Mg), silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), It may include any one selected from the group consisting of nickel (Ni), chromium (Cr), and gold (Au) and any one selected from the alloys thereof.
  • the mirror layer 300 may be formed of a metal having a low reflectance.
  • Metals with low reflectivity are platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), having reflectance values of 30% to 80% in the visible wavelength range.
  • the color developed in the color structure may be somewhat dark, but may express high color saturation and luxury.
  • Platinum (Pt), palladium (Pd), nickel (Ni), and chromium (Cr) are simultaneously included as metal groups having high reflectance and metal groups having low reflectance. However, since the reflectance may vary depending on the thickness of the material layer, they may be included in two different groups.
  • the mirror layer 300 may be formed of metallic nitride or metallic carbide.
  • the metallic nitride includes any one of titanium-nitride (Ti-N), aluminum-nitride (Al-N), chromium-nitride (Cr-N), and zirconium-nitride (Zr-N).
  • Metallic carbides can be titanium-carbide (Ti-C, chromium-carbide (Cr-C), iron-carbide (Fe-C), cobalt-carbide (Co-C), nickel-carbide (Ni-C) And zirconium-carbide (Zr-C).
  • Metallic nitrides or metallic carbides have their own metallic color, depending on their composition. Therefore, the use of these materials as the mirror layer 300 provides the effect that the color range that can be represented by expanding the color and color mixing effect induced by the semiconductor layer according to the present embodiment is provided.
  • the mirror layer 300 may be formed to a thickness of 10nm or more. In an embodiment, when the thickness of the mirror layer 300 is 10 nm or more and tens of nanometers or less, the mirror layer 300 may have a half mirror property. When the thickness of the mirror layer has the characteristics of the half mirror, the thickness of the mirror layer is smaller than the skin depth of the metal constituting the mirror layer.
  • a specific wavelength component of light transmitted through the transparent substrate 100 exhibits a resonance characteristic by an asymmetric Fabry-Perot resonator structure composed of the semiconductor layer 200 and the mirror layer 300.
  • the wavelength component causing resonance shows perfect absorption behavior by optical impedance matching in the semiconductor layer 200.
  • the color structure appears to have a subtractive color since the light from which the specific wavelength component band is removed outside the color structure 1 is observed.
  • the wavelength d of the semiconductor layer 200 may be adjusted, or the wavelength of light in which resonance occurs may be controlled by adjusting a material forming the semiconductor layer 200. Therefore, the color displayed by the color structure 1 can be controlled.
  • the color structure 2 is a cross-sectional view showing the outline of another embodiment of the color structure 2.
  • the same or similar elements as those described above may be omitted.
  • the color structure 2 includes a transparent substrate 110, a composite layer 210, and a mirror layer 310.
  • FIG. 3A and 3B schematically show different embodiments of the composite layer 210
  • FIG. 3C schematically illustrates another embodiment of the composite layer 210. It is sectional drawing shown.
  • FIG. 3 (a) shows a Maxwell-Garnett structure in which particles p are three-dimensionally dispersed in a form independent of a dielectric material layer 212 therein. Shows what happened.
  • the particles p may be metal particles or semiconductor particles.
  • the particles p have an undefined shape in the dielectric layer 212, and the particles p are connected to each other to form a network and are three-dimensionally distributed. It is shown arranged in a Bruggeman structure.
  • the particles p may be metal particles or semiconductor particles.
  • the light-absorbing material is expressed as particles for convenience of classification, but in reality, it means a mixed structure so that it is difficult to distinguish between dispersed particles and matrix phase.
  • any one of the materials constituting the composite layer is composed of nanostructures having particles (p) smaller than the wavelength of light, and the distance between nanostructures It may be smaller than the wavelength.
  • the dimensions of the particles p may be several hundreds of nanometers. Any geometry that satisfies these conditions can be applied to the composite layer according to the invention.
  • the nanostructure material constituting the composite layer may be one or more.
  • the average spacing of the particles p may be smaller than the wavelength of the light in which resonance occurs.
  • the shape and the volume ratio of the particles constituting the dielectric layer 212 as well as the material constituting the dielectric and the particles may be controlled. Accordingly, the wavelength of the light resonating in the composite layer 210 may be controlled.
  • Equation 1 the effective dielectric constant of the composite having the Maxwell-Garnet geometry
  • Equation 2 the effective dielectric constant of the complex having the Brugman geometry
  • Equation 1 and 2 show the simplest examples assuming spherical particles, but in reality, the effective dielectric constant is determined in consideration of particle shapes and particle interactions.
  • the dielectric constant of the particles made of light-absorbing materials such as metal or semiconductor since the dielectric constant of the particles made of light-absorbing materials such as metal or semiconductor has a complex value, the effective dielectric constant of the composite including the same also has a complex value having a real term and an imaginary term.
  • the dielectric constant corresponds to the square of the complex refractive index.
  • FIG. 3 (c) shows another example of a composite structure forming an effective medium, and is a cross-sectional view showing a layered structure in which the dielectric layer 212 and the material layer 214 are stacked.
  • the material layer 214 may be alternately stacked with the dielectric layer 212 to form the composite layer 210.
  • the material layer 214 may be formed of a metal material or a semiconductor material.
  • any one or more of the thickness of the material layer 214 or the thickness of the dielectric layer 212 may be sufficiently smaller than the wavelength of light at which resonance occurs.
  • light behaves like one effective medium in the composite layer 210, and its optical properties are determined by the mathematical combination of the dielectric constants of the two materials, based on the geometry, as in the example above. Equation 3).
  • the effective dielectric constant due to the anisotropy of the layered structure, the effective dielectric constant also appears to be different for the incident light electric field component and the vertical component in the horizontal direction.
  • the material layers 214 shown in particles (p) and (c) shown in FIGS. 3A and 3B may be formed of a metallic material whose optical behavior is described by a free electron model.
  • a metallic material whose optical behavior is described by a free electron model.
  • the material layers 214 shown in the particles (p) and (c) shown in FIGS. 3A and 3B may be formed of a semiconductor material.
  • a semiconductor material For example, Si, Ge, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InSb, GeSe, GeTe, GaP, InAs, CuBr, AgBr, CuCl, InP and the group consisting of solid solutions and compounds including the above materials It may be any one selected from among.
  • the dielectric layer 212 is an optically transparent or light absorbing material, and organic materials, inorganic materials, mixtures or composites thereof may be used without limitation.
  • oxides such as SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, ZnO, ZrO2, In2O3, SnO2, CdO, Ga2O3, Y2O3, WO3, V2O3, BaTiO3 and PbTiO3, nitrides such as Si3N4, Al3N4, InP, GaP, etc.
  • Inorganic materials consisting of sulfides such as ZnS and As2S3, fluorides such as MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF and mixtures or compounds thereof, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate Organic materials such as polymethyl methacrylate (PMMA), poly dimethyl siloxane (PDMS), cyclic polyolefins, styrene-based polymers or Teflon, or mixtures or composites thereof may be used.
  • sulfides such as ZnS and As2S3, fluorides such as MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF and mixtures or compounds thereof, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate Organic materials such as polymethyl methacrylate (PMMA), poly dimethyl siloxane (PDMS), cyclic polyolefins, styrene-based polymers or Teflon, or mixtures or composites
  • the particles p of FIGS. 2 and 3 are metal particles or the material layer is a metal material layer
  • the particles p of FIGS. 2 and 3 when light is incident, free electrons in the metal particles p vibrate according to the electric field of the incident light.
  • the vibratory motion of the free electrons is dielectric confined by the dielectric. This causes a large dipole moment, which in turn increases the magnitude of the local electric field around the metal particles.
  • the collective vibration of free electron clouds in metal particles due to the dielectric confinement effect is quantized with a natural frequency, which is called localized surface plasmon resonance.
  • surface plasmon resonance occurs, light absorption of light in the resonant wavelength band is greatly increased.
  • the color structure according to the present invention using them as a resonant layer has a high saturation color. It can have an improved color variability that can be arbitrarily controlled by the combination of materials and control of geometrical factors such as geometry, particle shape and size, relative volume fraction.
  • the particles p of FIGS. 2 and 3 are semiconductor particles or the material layer is a semiconductor layer
  • the semiconductor when the size of the semiconductor particles is similar to or smaller than the electron-hole distance, the semiconductor may be caused by a quantum confinement effect.
  • the energy bandgap changes depending on the size of the particle. Since the dispersion characteristics of the complex effective dielectric constants change around the bandgap, the color variation of the color structure according to the present invention using the structure as a resonant layer can be improved by controlling the geometrical factors of the composite including the semiconductor particle layer. have.
  • the resonant frequency of light in which absorption occurs in the color structure 2 according to the present embodiment may be determined according to a combination of geometrical factors and a material system of the composite layer 210.
  • the resonant wavelength of the color structure 2 depends on the complex effective dielectric constant ⁇ eff and the thickness of the light absorption type composite layer 210 used as the resonant layer.
  • the effective dielectric constant ⁇ eff of the composite layer 210 is determined according to the combination of materials and the geometry of the composite layer 210 as indicated in Equations 1 to 3 above.
  • the refractive index (n) and the absorption coefficient (k) of the composite layer 210 are determined by the material, the dielectric material, the size and shape of the particle (p), and the particles (p) of the particle (p) included in the composite layer 210.
  • Composite layers such as spacing between, relative volume fractions between components, material constituting material layer 214, thickness of material layer 214, thickness of dielectric layer 212 and geometry such as burgundy structures or Maxwell garnet structures Is determined according to the physical properties of 210.
  • the composite may be formed by including particles made of two or more different materials.
  • a composite type effective medium rather than a single material, it is possible to artificially control the dispersion characteristic of the optical constant to have a sharp change by structural design, thereby improving color variability and color clarity. .
  • FIG. 4 is a sectional view showing the outline of another embodiment of the color structure 3.
  • the same or similar elements as those described above may be omitted.
  • the color structure 3 includes a transparent substrate 120, a composite layer 220, and a mirror layer 320.
  • the same or similar elements as those described above may be omitted.
  • the color structure 3 may further include a dielectric buffer layer 420 positioned between the composite layer 220 and the mirror layer 320.
  • FIGS. 5A and 5C are cross-sectional views illustrating an outline of a unit layer u forming the composite layer 220, and FIGS. 5B and 5D show a unit layer u. It is a figure which shows the outline of three-dimensionally.
  • the particles p may have a Maxwell-Garnet structure and have a discrete film shape having independent island structures on the same plane in the dielectric layer 222. It may be disposed in the particle layer 224.
  • the particles p may have a Brugman structure, and are disposed in the dielectric layer 222 as a particle layer 224 in the form of a discontinuous film having a network structure on the same plane. Can be.
  • an interval between the particle layers 224 may be 1 nm to 30 nm or less.
  • the composite layer 220 may be formed by stacking the unit layer u including the particle layer 224 formed by layering particles in the same plane in the dielectric layer 220. Although not shown, the composite layer 220 may be formed of a single unit layer u.
  • the nominal thickness of the material constituting the particle layer 224 is controlled.
  • the size and volume fraction of the particles in the composite that determine the effective thickness t1 can be easily controlled independently, and as a result, the n and k values can be easily controlled.
  • the particles in the unit particle layer that can be assumed to be a kind of composite layer even if the volume ratios of the autonomous metal particles in the total volume of the composite layer are the same. This is because the optical properties of the effective medium affecting the behavior of light due to the large relative volume ratio of are significantly different.
  • the particle layer 224 is formed of metal nanoparticles, not only the nominal thickness of the particle layer 224 but also the chemical bonding force of the material constituting the particle layer 224 and the material constituting the dielectric layer 222
  • the composite layer 220 resonates and affects the wavelength of light absorbed.
  • the metal material layer 224 is formed at the beginning of growth in FIGS. As shown by), it does not form a continuous film of the layer-by-layer growth mode and grows in an island growth mode having an island-like structure.
  • the effective thickness t1 of the particle layer 224 is determined depending on the size of the metal particles, and in the growth stage of the metal particles, the effective thickness t1 increases in proportion to the nominal thickness of the particle layer 224.
  • the nominal thickness of the particle layer 224 increases, it has an elongated or crushed shape while coalescing with neighboring particles. As the nominal thickness is further increased, the independent particles combine with each other to form a percolated network as illustrated in FIGS. 5C and 5D.
  • the effective dielectric constant of the particle layer 224 is changed to change the impedance matching condition that minimizes the light reflectivity of the composite layer 220, and the Hue value of the implementation color is changed to change the final color. .
  • the composite layer 220 may be formed by stacking a plurality of unit layers having the same physical properties. As described above, the control range of the n value and the k value of the composite layer 220 may be extended by stacking a plurality of unit layers and adjusting the nominal thickness of the particle layer. As a result, the optical properties of the composite layer can be controlled to increase the absorbance to absorb light and to change the wavelength band to absorb.
  • the composite layer 220 may be formed by stacking unit layers having different physical properties and absorbing different wavelengths. That is, the thickness of the particle layer 224 included in any one unit layer (u), the particle arrangement structure in the particle layer 224, the material constituting the particle layer 224, the thickness of the dielectric layer 222 and the dielectric layer 222 The thickness of the particle layer 224 included in the other unit layer (u), the particle arrangement structure in the particle layer 224, the material constituting the particle layer 224, the thickness of the dielectric layer 222 and the dielectric layer ( The composite layer 220 may be formed by stacking different unit layers with the material forming the 222.
  • a red layer and a blue region band are absorbed and are located between the two bands. Colors in the green zone can be realized.
  • the particle layer 224 is formed of semiconductor particles, a similar behavior to that in the case of using the metal particle layer is expected except that the dielectric constant of the semiconductor particles constituting the unit particle layer is affected by the quantum binding effect.
  • Can be for example, by controlling the nominal thickness of the particle layer, it is possible to change the size of the semiconductor particles and to easily control the bandgap energy due to the quantum confinement effect. Since the dispersion characteristics of the complex effective dielectric constants remarkably change around the band gap, the color variability of the color structure according to the present invention using a composite composed of a multilayered layer structure of semiconductor unit particle layer and dielectric layer as a resonant layer can be improved. Can be.
  • the color structure 3 further includes a dielectric buffer layer 420.
  • the buffer layer 420 may prevent conductive coupling that may occur between the composite layer 220 and the mirror layer 320.
  • the buffer layer 420 may be formed of the same dielectric layer to facilitate the fabrication process with the dielectric layer 222, but may be formed of different dielectric materials.
  • the buffer layer 420 may be formed to a thickness of 1nm ⁇ 30nm or less to prevent the conductive coupling. Increasing the thickness of the composite layer further increases the effective volume fraction of the particles in the entire composite layer, resulting in a decrease in the dispersion characteristics of the complex dielectric constant and a decrease in color variability.
  • the color structure 4 includes a transparent substrate 130, a resonant layer 230 resonating at a specific wavelength of light, a mirror layer 330, and a haze structure 500 that scatters light.
  • the resonant layer 230 may include any one of the semiconductor layer 200 and the composite layers 210 and 220 described above.
  • the color structure 4 may further include a dielectric buffer layer 420 (see FIG. 4) positioned between the resonant layer 230 and the mirror layer 330.
  • the haze structure 500 may be positioned such that the haze structure 500 is exposed to the outside on the transparent substrate 100, as shown in FIG. 7A.
  • the haze structure 500 may be located on a surface where the transparent substrate 100 and the resonant layer 200 face each other as shown in FIG. 7B.
  • the resonance layer 230 may be formed to have a corresponding height difference according to the height difference formed by the haze structure 500, and the mirror layer 330 and the resonance layer ( The interface between 230 may also have a high level difference.
  • the haze structure 500 may further include a planarization layer covering and planarizing the haze structure 500.
  • the refractive index of the planarization layer may have a value different from that of the haze structure 500.
  • the refractive index of the planarization layer is preferably different from that of the embossed structure, and preferably lower than the refractive index of the embossed structure.
  • the planarization layer may be formed of a transparent material.
  • the planarization layer may be any one of glassy and polymeric materials.
  • the haze structure 500 may be a convex structure and / or a concave structure irregularly formed on the transparent substrate 100.
  • the irregular convex structure and the concave structure are formed by mechanically grinding the transparent substrate 130 or sand blasting to polish the surface of the transparent substrate 130 by spraying fine particles of abrasive particles at high speed. blasting).
  • the haze structure 500 may be an embossing structure regularly formed.
  • the haze structure 500 may be formed by imprinting any one or more materials of waterglass and polymer resin, such as hydrogen silsesquioxane (HSQ) and sodium silicate, into a mold having a predetermined shape.
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • the haze structure 500 may be an embossing structure irregularly formed.
  • the haze structure 500 may be formed by dispersing or coating dielectric micro beads such as titanium oxide (TiO 2), silicon oxide (SiO 2), and a polymer directly on the surface as shown in FIG. 8C. It can be used by dispersing in a glass film and a polymer film having a smaller refractive index than the beads.
  • the metal thin film having a low melting point as shown in (d) of FIG. 8 may be formed by performing an oxidation process after heat treatment.
  • the ratio of the light scattered component to the total reflected light through the haze structure 500 may be defined as a haze factor.
  • the haze factor is defined as the ratio of the scattered light component Ls in the total reflected light including the light component Lr specularly reflected in the haze structure 500 and the scattered light component Ls as shown in Equation 4 below.
  • the haze factor value of the haze structure 500 may be any one of 0.05 to 0.99.
  • the haze factor value approaches 1
  • the metallic gloss effect is weakened in the color implemented by the color structure 4, but the semi-gloss or matte, matte characteristics are stronger, and the viewing angle dependency is lowered, so that a uniform color can be felt regardless of the viewing direction.
  • the haze factor value may be performed by adjusting the grinder performing mechanical grinding or adjusting the size, depth and height of the irregular concave-convex structure by adjusting the size of the abrasive grain performing the sand blasting. (See FIG. 8 (a)).
  • the haze factor value is performed by changing the material forming the regular embossed structure by adjusting the refractive index of the embossed structure, or by adjusting the size, height, spacing, and density of the embossed structure on the transparent substrate. It may be (see Fig. 8 (b)).
  • the haze factor value may be performed by changing the material forming the irregular embossed structure to adjust the refractive index of the embossed structure, or by adjusting the density at which the embossed structure is disposed, and the dispersion coated microbeads (miocro bead) It can be carried out by adjusting the size and density of (see Fig. 8 (c)).
  • the haze factor value may be adjusted by controlling the process conditions such as the time and temperature of the heat treatment process and the conditions of the oxidation process (see FIG. 8 (d)).
  • the haze structure 500 may be formed in a portion of the transparent substrate 100.
  • the haze structure 500 may be formed in a predetermined region so that the region may be matte or semi-glossy, and the other portions may have a glossy metallic luster. Or vice versa, only a partial area can be polished. In this way, it is possible to give aesthetic decoration effect by giving haze characteristic differently to only one area or a specific pattern, and name of the product including the colored structure (4), product manufacturer, manufacturer mark, demand pattern, decorative pattern Etc. can be displayed.
  • the color structure 5 includes a transparent substrate 140, a cover pattern 640 covering side surfaces of the resonant layer 240, the mirror layer 340, and the resonant layer 240, which resonate at a specific wavelength of light. ).
  • the resonant layer 240 may include any one of the semiconductor layer 200 and the composite layers 210 and 220 described above, and the color structure 5 may further include the haze structure 500 described above. have.
  • the cover pattern 640 prevents external substances such as moisture, oxygen, sulfur, and the like from penetrating into the side of the resonant layer 240 to cause undesired reactions such as oxidation, corrosion, and discoloration.
  • the cover pattern 640 may be formed by patterning a passivation film such as an oxide film or a nitride film as in the embodiment illustrated in FIG. 9A.
  • the cover pattern 640 may be formed by forming the mirror layer 340 to cover the resonance layer 240 as in the embodiment illustrated in FIG. 9B.
  • FIG. 10A and 10B are plan views illustrating a state in which the color structure 6 is viewed from an upper surface of the transparent substrate 150.
  • the same or similar elements as those described above may be omitted.
  • the transparent substrate 150 of the color structure 6 may be divided into a plurality of regions A1 and A2, and a resonance layer having different physical characteristics may be formed for each region. Can be.
  • a single semiconductor layer 200 may be formed as a resonant layer in the region A1, and a composite layer 210, 220 (see FIG. 2 and FIG. 4) may be formed as a resonant layer in the region A2.
  • the region A1 and the region A2 may be formed as a composite layer, and any one of the material, the size, the volume fraction, the interparticle spacing, and the dielectric matrix-based material of the particles forming the composite layer may be formed differently.
  • the particle layers 224 and 6 included in the unit layer u included in the region A1 are configured such that the unit layers (u, FIG. 6) are stacked to form a composite layer.
  • the particle arrangement structure in the particle layer 224, the material constituting the particle layer 224, the thickness of the dielectric layer 222 (see FIG. 6), the number of unit layers, and the material constituting the dielectric layer 222 Is the thickness of the particle layer 224 of the unit layer (u) included in the A2 region, the particle arrangement structure in the particle layer 224, the material constituting the particle layer 224, the thickness of the dielectric layer 222, the number of unit layers and the dielectric It may be different from any one of the materials that make up the layer 222. Therefore, the physical characteristics of the resonant layer may be different from each other, and thus, characteristics such as color and saturation implemented in the region A1 and the region A2 may be different from each other.
  • the color expressed in the transparent substrate 150 of the color structure 6 may be gradated to change characteristics of saturation, color, etc. according to the position in the substrate.
  • the gradation process may be performed by depositing a resonant layer while tilting the glass substrate 150.
  • FIG. 11A is a plan view illustrating a state viewed from an upper surface of the transparent substrate 150.
  • the resonance layer and the mirror layer may be formed in one region A3 of the transparent substrate 150 to express colors, but the resonance layer and the mirror layer may be formed in the other region A4.
  • the transparent substrate 150 may be exposed.
  • FIG. 11B is an enlarged plan view of a part of the color structure on the upper surface of the transparent substrate 150.
  • the transparent substrate 150 includes a region A6 on which a resonant layer and a mirror layer are formed, and a plurality of transmission regions A5 through which light is transmitted because no resonant layer and a mirror layer are formed.
  • the transmission region A5 in which the resonant layer and the mirror layer are not formed may have a circular cross section, as shown in the illustrated embodiment, and the diameter r may be several to several hundred ⁇ m. Therefore, the user may not sense that the transmission region A5 formed in the color structure is formed, and the light transmittance may be provided together with the color, thereby feeling the aesthetics.
  • the transmission region A5 may have a polygonal cross section such as a triangle or a quadrangle.
  • the dimension of the transmissive area of the polygon may be formed to be large enough to provide light transmission with the color to the user.
  • the housing includes a transparent housing 160.
  • the transparent housing 160 may be a glass housing or a synthetic resin housing, and may be reinforced.
  • the resonant layer 260 and the mirror layer 360 may be sequentially stacked in the transparent housing 160.
  • the resonant layer 260 may be any one of the semiconductor layer and the composite layer described above, and may be patterned in a specific pattern.
  • the mirror layer 260 may be any one of the mirror layers described above.
  • a haze structure 500 may be formed on an outer surface of the transparent housing 160 or a surface of the transparent housing 160 facing the resonance layer 260 (FIGS. 7A and 7B). Reference).
  • the mobile terminal can be appealed to consumers' emotions in terms of aesthetics by providing metallic texture and metallic luster with vivid colors. Furthermore, it is resistant to ultraviolet rays and provides the advantage of being environmentally friendly due to the absence of dyes.
  • a layer that absorbs a corresponding wavelength component by resonating at a specific wavelength of light has been named by a different name depending on the material, such as a semiconductor layer or a composite layer, but functionally resonates at a specific wavelength.
  • the same function may be performed as a resonant layer that absorbs the wavelength component and resonates, and the resonant layer may be formed to a thickness of 200 nm or less.
  • the color structure described above may be implemented in a single embodiment only, or a plurality of embodiments may be implemented together.
  • the color structure may be implemented by including both a haze structure and a cover pattern.
  • the color structure may be implemented by forming a haze structure on both sides of the transparent substrate.
  • FIG. 13A illustrates a reflectance spectrum according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline silicon is used as the semiconductor layer 200 and aluminum (Al) is used as the mirror layer.
  • Al aluminum
  • the wavelength band in which maximum absorption occurs due to resonance is shifted to the red band.
  • the thickness of the semiconductor layer 200 is 10 to 15 nm
  • the wavelength band of the blue band is absorbed and the color of the color structure is mainly seen as a yellow and red-based color, but when the thickness is greater than 25 nm, the color of the red region is absorbed.
  • the color of the structure is mainly blue.
  • the reflectance dip is not deep due to the low absorption coefficient, and as a result of using high reflectivity aluminum (Al) as the mirror layer, the background reflectance is high in the wavelength band where resonance absorption is not generated.
  • the structure as a whole has a light pastel color.
  • FIG. 14A illustrates reflectance spectra according to a thickness of a semiconductor layer when amorphous silicon is used as the semiconductor layer 200 and aluminum (Al) is used as the mirror layer. ) Is a diagram showing the contrast of the color shown by the color structure according to the thickness of the semiconductor layer.
  • the thickness of the semiconductor layer 200 may be reduced even when amorphous silicon is used. It can be seen that as the wavelength band of resonance light absorption increases, the band shifts to the red band. On the other hand, since the absorption coefficient of amorphous silicon is larger than that of crystalline silicon, the light absorption is increased, so the depth of reflectance dip is deepened and the overall background reflectance is also lowered. Accordingly, the color structure using amorphous silicon as the resonant layer has a lower brightness and a darker color than the case of using crystalline silicon.
  • the center wavelength of the resonance absorption stage according to the thickness is shifted to the red band with a larger width than when using crystalline silicon, and the absorption stage exists in the visible light band when the thickness of the semiconductor layer 200 is 35 nm or more. It has a pale yellow color.
  • FIG. 15A illustrates a reflectance according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline germanium (Ge) is used as the semiconductor layer 200 and aluminum (Al) is used as the mirror layer. ) Is a diagram showing the contrast of the color shown by the color structure according to the thickness of the semiconductor layer.
  • the reflectance level is different at the wavelength below 600 nm, but the overall reflectance curve shows a clear reflectance dip due to the resonance light absorption from 600 nm and above. . Since the resonant light absorption behavior becomes apparent only in a part of the infrared band among the visible light region between 380 nm and 780 nm, it can be seen that the color change according to the thickness is limited with reference to FIG. 15 (b). This is due to the optical constant dispersion characteristics of the crystalline germanium, and finally, when a single semiconducting material is used as the resonant layer, it may show that there is a limit in the variability in color depending on the chemical composition regardless of its thickness.
  • FIG. 16A illustrates the reflectivity according to the thickness of the semiconductor layer when crystalline silicon is used as the semiconductor layer 200 and molybdenum (Mo) having low reflectivity is used as the mirror layer.
  • Mo molybdenum
  • the maximum absorption wavelength shifts to red.
  • the molybdenum mirror layer is used, the reflectance of the light reflection is formed very low at 10% or less, and the line width is also asymmetrically extended to the long wavelength region, thereby forming a low reflectance band. In the wavelength range of 400nm to 500nm, a peak curve showing the maximum reflectance is formed, and the color of green and blue is overall.
  • the mirror layer when the mirror layer is formed of a metal having a high reflectance, the color represented by the color structure has a high brightness, and a pale color of pastel tones is displayed, but the mirror layer is formed of a metal having a low reflectance. When formed, it may be advantageous to display a dark saturated color.
  • FIG. 17 is a view showing wavelengths and reflectances of the provided light of the color structure 2 (see FIG. 2) using the composite layer 210 (see FIG. 3) formed by alternately stacking a layered semiconductor layer and a dielectric layer.
  • gallium arsenide (GaAs) and germanium were used as semiconductor layers, and SiO 2 layers were used as dielectric layers. Reflectance curves are shown for the thicknesses of the individual semiconductor and dielectric layers of 3 nm, 7 nm, 5 nm and 5 nm, respectively. In this case, the semiconductor layer and the dielectric layer are alternately stacked by three layers each. Unlike the case of using the single-layer semiconductor layer of FIGS.
  • FIG. 18 is a stacked unit according to the presence or absence of a mirror layer and selection of a mirror layer material in a color structure (see FIG. 4) using the composite layer 220 (see FIG. 6) formed by alternately stacking a plurality of unit layers u.
  • the figures show experimental measurements of changes in the optical absorbance curve versus wavelength according to the nominal thickness of the layer in the layer. The number of stacked unit layers was set to five layers.
  • FIG. 18A illustrates a case in which there is no mirror layer 320 (see FIG. 4), and FIG. 18B illustrates a case in which the mirror layer 320 is formed of silver (Ag) having high reflectivity.
  • FIG. 18A illustrates a case in which there is no mirror layer 320 (see FIG. 4)
  • FIG. 18B illustrates a case in which the mirror layer 320 is formed of silver (Ag) having high reflectivity.
  • the particle layer 224 included in the unit layer u is formed of silver particles
  • the dielectric layer 222 is formed by depositing a thin film of silica (SiO 2 ).
  • the nominal thickness of the silver particle layer was changed to 1 nm (a), 1.5 nm (b), 2 nm (c) and 3 nm (d), and the thickness of the silica layer was fixed at 5 nm.
  • a 5 nm-thick silica dielectric buffer layer was inserted at the interface between the mirror layer and the particle layer.
  • the wavelengths of resonance light absorption in the specimens manufactured by varying the nominal thickness of the particle layer included in the unit layer u have a slight red shift. While only visible and hardly changed, it can be seen that as the nominal thickness increases, the overall absorbance increases proportionally.
  • the presence of the mirror layer 320 also increases the resonant light absorption intensity, but increases the nominal thickness of the silver particle layer in the stacked unit layer u. Accordingly, it can be seen that the resonant light absorption wavelength can be shifted red. The shift of the light absorption peak is accompanied by a change in color. Furthermore, when the mirror layer 320 is formed of a metal having a high reflectance, the base absorbance is low but has a high absorption peak under the same conditions as when the mirror layer 320 is formed of a metal having a low reflectance. The narrower the width of the wavelength band, the sharper the absorption curve.
  • the selectivity of wavelength components absorbed at all wavelengths of light may be increased.
  • the total wavelength of light may be increased.
  • the overall base absorption is increased at, which is advantageous for expressing low brightness colors, and the line width of the absorption peak is somewhat wider to absorb wider wavelength components.
  • FIG. 19 is a color provided by a color structure without a mirror layer based on the spectra shown in FIG. 18, and a color and high reflectivity provided by a color structure including a mirror layer made of molybdenum (Mo), which is a material having a low reflectivity.
  • Mo molybdenum
  • Silver is a graph that analyzes color coordinates of a color provided by a color structure including a mirror layer with Ag.
  • CIE L * a * b * color space standardized in 1976 by the Commission Internationale d'Eclairage (CIE) were obtained.
  • a second degree observer color response function was used for the calculation and a D65 light source was applied.
  • the color provided by the color structure without the mirror layer is not vivid due to the small chroma value. Furthermore, it can be seen that the displayed color coordinates are densified and the range of colors that can be expressed is narrow.
  • the color coordinates of the colors provided by the color structure forming the mirror layer have a greater saturation value than the color coordinates of the color structure provided by the color structure without the mirror layer, so that the displayed color is clearer.
  • the color coordinates are extended and distributed in a wide range, thereby increasing the range of colors that can be displayed.
  • a variety of high color saturation can be achieved by simple process control that changes only the nominal thickness of the particle layer without changing the material system constituting the composite.
  • the hue and saturation range indicated by the color structure are different from each other. You can choose to use it.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a difference in haze factor according to the haze structure 500 (see FIG. 7) and a difference in color and surface glossiness displayed by the color structure 4.
  • 20 (a) and 20 (d) are schematic diagrams of a dispersion structure formed to have different haze factor values by varying the size and placement density of microbeads that scatter light.
  • the haze structure 500 shown in FIG. 20 (a) has a haze factor value of 53% on average as shown in FIG. 20 (b), and the dispersion structure formed at a relatively high density is shown in FIG. 20 (e). As shown, it has a relatively high haze factor value of 97.5%.
  • the colored structure on which the haze structure 500 having a haze factor of about 53% is formed shows a metallic texture of semi-gloss characteristics, and has a high haze as shown in FIG. 20 (f).
  • the color provided by the color structure in which the haze structure 500 having the factor is formed has a matte matte characteristic.
  • FIG. 21 is a graph illustrating light reflection spectra of color structures according to the presence or absence of a haze structure and selection of a transparent substrate surface on which the haze structure is located, separately from specular reflection components and scattered light reflection components.
  • the resonant layer of the color structure a composite layer formed by repeating five unit layers composed of a silica dielectric layer and a silver particle layer was used. In the state where the thickness of the dielectric layer was fixed at 5 nm, only the nominal thickness of the particle layer was changed to 1 nm, 1.5 nm, and 2 nm, respectively, to prepare specimens.
  • the mirror layer a 100 nm thick silver thin film was deposited on the resonant layer, and a 5 nm thick silica was inserted into the buffer layer between the mirror layer and the composite layer.
  • Figure 21 (a) is a graph measuring the specular reflection component in the color structure without the haze structure 500
  • Figure 21 (b) is a haze structure 500 having a haze factor of about 53% on the outer surface of the transparent substrate
  • the scattering light reflection component of the color structure is measured for each of the formed structure (Conf. A) and the formed structure (Conf. B) at the interface between the transparent substrate and the resonant layer.
  • FIG. 21A light reflected from the color structure without the haze structure 500 is dominated by the specular reflection component and the scattered light reflection component is extremely insignificant (not shown).
  • the light reflected from the color structure having the haze structure 500 is represented by a large increase in the scattered light reflecting component as shown, and the overall scattered light reflection spectrum shape does not include the haze structure. It can be seen that there is a tendency to be very similar to the spectra of specular reflection components observed in untested specimens. The position of the center wavelength of the resonant light absorption according to the nominal thickness of the silver particle layer is also very similar. In the case of the colored structure manufactured with the haze structure, if the composition of the composite layer is the same, the haze irrespective of the viewing angle due to the scattered light component This means that color can be observed that is similar to color structures without structures.
  • the haze factor of the haze structure it is possible to control the ratio of the specular reflection component to the scattered light so that the metallic gloss can be artificially controlled in the gloss-semi-gloss-matte texture range for the purpose.
  • the structure (Conf. B) formed at the interface of the transparent substrate and the resonance layer as shown in FIG. 7 (b) has a haze structure formed on the outer surface of the transparent substrate as shown in FIG. Compared with A), the scattered light reflection component is found to be higher, which is attributed to the fact that a high level difference is formed at the interface of the mirror layer 330 and that the resonance layer 230 is also formed to correspond to the haze structure 500. .
  • the color structure having the haze structure 500 has an increased light reflecting component compared to the color structure without the haze structure 500 so that the color structure must be observed only within a specific specular angle range. Lowers.
  • FIGS. 21 (a) and (b) show the viewing angle dependence of the metallic color represented by the real picture of the color structure specimens having the spectra shown in FIGS. 21 (a) and (b) according to the angle relationship with the light source.
  • the first row is color structures in which the haze structure 500 is not formed
  • the second row is color structures in which the haze structure 500 is formed according to the embodiment shown in FIG. 7 are color structures in which a haze structure 500 according to the embodiment shown in FIG. 7B is formed.
  • Fig. 22A is a diagram showing a state in which specular reflection is performed. It can be seen that the color itself of the color structures arranged in the first row, second row, and third row is almost similar regardless of the presence or absence of the haze structure. The difference is the degree of gloss, while the colored structures (first row) produced without the haze structure exhibit the same metallic luster as the mirror surface, while the colored structures placed in the second and third rows have some light due to the haze structure. It is scattered and shows the metallic texture of semi-gloss characteristic. However, it should be noted that the letters shown on the wall are projected only on the specimens placed in the first row of FIG. 22 (a) and not on the other specimens.
  • the scattered light reflection of the color structures Conf. A arranged in the second row can be seen in the spectrum of FIG.
  • the relatively low component ratio gives a more pronounced metallic luster effect
  • the color structure (Conf. B) arranged in the third row is a little more matte due to the relatively high scattered light reflection component. Show characteristics.
  • Fig. 22B is a view showing a state observed outside the angle at which specular reflection is made.
  • the colored structures arranged in the first row have low scattered light components because there is no haze structure 500. Therefore, there is no scattering component when observed outside the angle at which specular reflection is made, which makes it difficult to observe color and has a darker feature.
  • the scattered light component due to the haze structure can be observed to experience a color almost similar to the color observed in the specular reflection condition.
  • the color is dark because the scattered light reflection component of the color structure arranged in the second row is relatively low and the specular component is high.
  • the color structure disposed in the third row maintains the same color as the color observed under the specular reflection condition of FIG. 22 (a) by the relatively high scattered light reflection component.
  • the color structure without the haze structure 500 may implement colors having a distinct metallic gloss, such as a mirror surface, but the color is not easy to observe when the color is out of the angle range where specular reflection occurs due to the high viewing angle dependency of the displayed colors. You may not.
  • a color structure designed to have a relatively high haze factor including the haze structure 500, can realize a matte texture color of low gloss, and because the scattered light reflection component is significantly increased, the viewing angle dependency is low and wide. Relatively identical colors can be observed in the range.
  • Color structures designed to have a relatively low haze factor including the haze structure 500, can realize a semi-glossy metallic texture with more metallic luster than when the haze factor is high. It can be chosen arbitrarily in the middle of and matte condition.
  • the color structure according to the present exemplary embodiment may express various colors by changing the wavelength band absorbed by a simple material combination, and may express colors ranging from matte to matte. Therefore, high-quality colors can be implemented by using in portable terminal housings, windows, and color glass such as mobile phones and portable tablets. In addition, it is also possible to adjust the reflection color of the light provided through the transparent substrate for application to the internal reflection color control of the window type solar cell.

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Abstract

본 실시예에 의한 컬러 구조물은 투명 기판과, 투명 기판 위에 위치하고, 빛의 특정 파장에 공진하여 빛의 특정 파장 성분을 흡수하는 공진층(resonance layer) 및 공진층 상부에 위치하여 빛을 반사하는 미러층을 포함한다.

Description

컬러 구조물
본 기술은 컬러 구조물에 관한 것이다.
모재에 색상을 부여하는 칼라 코팅 기술은 감성적 디자인의 핵심요소로 제품의 구매가치를 높이고 소비자의 선택에 막대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 심미적 측면에서 소비자 감성에 가장 크게 어필하는 색상은 금속광택 색상으로 스마트폰과 같은 모바일 디바이스는 물론 소비 가전 분야, 자동차 외장재, 건축물 내외장재등에서도 고급화 추세에 따라 그 채택비중이 점차 늘어나고 있는 추세이다.
종래의 금속광택 색상을 구현하는 방법으로는 단순히 철, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 몰리브덴 등과 같은 금속 모재를 사용하여 금속소재 자체의 색상을 이용하거나, 알루미늄 등의 금속모재 표면을 양극 산화 처리한 뒤 미세기공에 염료를 채워 색상을 띠도록 하는 방법이 사용되었다. 하지만, 염료를 사용하는 공정은 환경 친화적이지 않으며 자외선 등에 취약할 뿐만 아니라 표현되는 색상의 선명도가 낮고 금속 질감 등에 한계가 존재하였다.
본 실시예는 상기한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 투명 기판의 일면에 다양한 금속 광택 및 질감을 표현하는 높은 채도의 색상을 발색할 수 있으며, 고급감이 강화되고 환경 안정성을 향상시킨 다양한 색상을 표시할 수 있으며, 유기 염료를 사용하지 않는 컬러 구조물을 제공하는 것이 주된 목적 중 하나이다.
본 실시예에 의한 컬러 구조물은 투명 기판과, 투명 기판 위에 위치하고, 빛의 특정 파장에 공진하여 빛의 특정 파장 성분을 흡수하는 공진층(resonance layer) 및 공진층 상부에 위치하여 빛을 반사하는 미러층을 포함한다.
본 실시예의 컬러 구조물에 의하면, 다양한 금속광택과 질감 표현이 가능하며, 높은 채도의 색상을 표시하는 것이 가능하다. 나아가, 본 실시예에 의한 컬러 구조물에 의하면 우수한 색상 가변성이 제공되고 시야각 의존성이 제어된다.
도 1, 도 2, 도 4, 도 7(a) 및 도 7(b), 도 9는 컬러 구조물의 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a), (b)는 복합체 층의 서로 다른 실시예들을 개요적으로 나타낸 도면이며, 도 3의 (c)는 복합체 층의 또 다른 실시예를 개요적으로 나타낸 단면도이다.
도 5의 (a)와 (c)는 복합체 층을 이루는 단위 층의 개요를 도시한 단면도이고, 도 5의 (b)와 (d)는 단위층의 개요를 도시한 도면이다.
도 6은 복합체 층의 실시예를 개요적으로 도시한 단면도이다.
도 8의 (a) 내지 (c)는 헤이즈 구조물의 구현예를 도시한 도면이다.
도 10의 (a)와 (b)는 컬러 구조물을 투명 기판의 상면에서 바라본 상태를 도시한 평면도이다.
도 11은 본 실시예에 의한 투광성을 가지는 컬러 구조물의 개요를 도시한 평면도이다.
도 12는 본 실시예의 컬러 구조물을 휴대 전화용 하우징에 적용한 개요를 도시한 도면이다.
도 13(a)는 반도체층으로 결정질(crystal) 실리콘을 사용하고, 미러층으로 알루미늄(Al)을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 13(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 표시하는 색을 도시한 도면이다.
도 14(a)는 반도체층(200)으로 비정질 실리콘을 사용하고, 미러층으로 알루미늄을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 14(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색을 도시한 도면이다.
도 15(a)는 반도체층으로 결정질 저머늄을 사용하고, 미러층으로 낮은 반사도를 가지는 몰리브데늄을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 15(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색을 도시한 도면이다.
도 16(a)는 반도체층으로 결정질 실리콘을 사용하고, 미러층으로 낮은 반사도를 가지는 몰리브데늄을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 16(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색을 도시한 도면이다.
도 17은 반도체 층과 유전체 층을 교번 적층하여 형성된 복합체 층을 이용한 컬러 구조물의 제공된 빛의 파장과 반사율을 도시한 도면이다.
도 18은 복수의 단위층을 교번 적층하여 형성된 복합체 층을 이용한 컬러 구조물에서 미러층의 유무 및 미러층 물질선택에 따라 적층된 단위층내 입자층의 공칭두께에 따른 파장 대비 흡수도 곡선의 변화 도시한 도면들이다.
도 19는 미러층의 유무 및 미러층의 특성에 따라 컬러 구조물이 제공하는 색의 색좌표를 분석한 그래프이다.
도 20은 헤이즈 구조물에 따른 헤이즈 팩터의 차이와 그에 따라 컬러 구조물이 표시하는 색감 차이를 도시한 도면이다.
도 21(a)는 헤이즈 구조물이 없는 컬러 구조물에서 정반사 성분을 측정한 그래프이고, 도 21(b)는 헤이즈 구조물이 있는 컬러 구조물에서 산란 성분을 측정한 그래프이다.
도 22(a)와 (b)는 컬러 구조물의 시야각 의존성을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서 "두께"란 별도로 정의되지 않는 경우 공칭 두께(nominal thickness)를 의미한다. 이하, 공칭두께란 박막의 성장이 layer-by-layer 성장모드로 진행하여 연속층(continuous layer)으로 형성되어 있다고 가정하였을 때의 두께를 의미한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 컬러 구조물을 설명한다. 도 1은 컬러 구조물(1)의 어느 한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 컬러 구조물(1)은 투명 기판(100)과 가시광 영역에서 흡광 계수(extinction coefficient, k)가 0이 아닌 반도체층(200)과 반도체층(200) 상의 미러층(mirror layer, 300)을 포함한다. 투명 기판(100)은 가시광 대역에서 광학적으로 투명한 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 투명 기판(100)은 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 아크릴 등의 투명한 합성 수지 기판일 수 있다. 다른 예로, 투명 기판(100)은 유리 기판(glass substrate)일 수 있으며, 강화 처리될 수 있다. 다른 실시예로, 투명 기판(100)은 반투명 혹은 유색기판일 수 있다.
반도체 층(200)은 가시광 영역에서 흡광계수(k)가 0이 아닌 반도체로 형성될 수 있다. 일 예로, 반도체 층(200)은 실리콘(Si), 갈륨 비소(Ga-As), 저머늄(Ge) 등의 반도체로 형성될 수 있다.
미러층(300)은 반도체 층(200)을 투과한 빛을 반사한다. 일 실시예로, 미러층(300)은 금속, 금속성 질화물, 금속성 탄화물, 이들의 화합물 및 이들의 복합물을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 미러층(300)은 높은 반사율을 가지는 금속으로 형성될 수 있으며, 일 예로, 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 및 금(Au)을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 및 그 합금에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 예로, 미러층(300)은 낮은 반사율을 가지는 금속으로 형성될 수 있다. 낮은 반사율을 가지는 금속은 가시광 파장 대역에서 30% 내지 80%의 반사도 값을 가지는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 타이타늄(Ti), 인듐(In), 주석(Sn), 납(Pb), 안티모니(Sb) 및 비스무트(Bi)를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 및 그 합금 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 낮은 반사율을 가지는 금속으로 미러층(300)을 형성할 때, 컬러 구조물에서 발색되는 색상은 다소 어두우나 채도가 높고 고급스런 색감을 표현할 수 있다.
백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 크롬(Cr)은 높은 반사율을 가지는 금속 그룹과 낮은 반사율을 가지는 금속 그룹으로 동시에 포함되어 있다. 그러나, 상기 물질층이 형성되는 두께에 따라 반사율이 변화할 수 있으므로, 이들은 서로 다른 두 그룹에 포함될 수 있다.
또 다른 예로, 미러층(300)은 금속성 질화물 또는 금속성 탄화물로 형성될 수 있다. 일 예로, 금속성 질화물은 타이타늄-나이트라이드(Ti-N), 알루미늄-나이트라이드(Al-N), 크로뮴-나이트라이드(Cr-N) 및 지르코늄-나이트라이드(Zr-N) 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 금속성 탄화물은 타이타늄-카바이드(Ti-C, 크로뮴-카바이드(Cr-C), 아이언-카바이드(Fe-C), 코발트-카바이드(Co-C), 니켈-카바이드(Ni-C) 및 지르코늄-카바이드(Zr-C) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
금속성 질화물 이나 금속성 탄화물은 그 조성에 따라 고유의 금속성 색상을 나타낸다. 따라서, 이들 물질을 미러층(300)으로 사용시 본 실시예에 따른 반도체 층에 의해 유도되는 색상과 색채 혼합(color mixing) 효과를 가져와 표현할 수 있는 색상 범위를 확대할 수 있다는 효과가 제공된다.
일 실시예로, 미러층(300)은 10nm 이상의 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 미러층(300)의 두께가 10nm 이상, 수십 나노미터 이하인 경우에는 하프 미러(half mirror)의 특성을 가질 수 있다. 미러층의 두께가 하프 미러의 특성을 가지는 경우, 상기 미러층의 두께는 미러층을 이루는 금속의 침투 깊이(skin depth)보다 작다.
계속하여 도 1을 참조하면, 투명 기판(100)을 투과한 빛의 특정 파장 성분은 반도체 층(200)과 미러층(300)으로 구성된 비대칭 파브리-페롯 공진기 구조에 의해 공진 특성을 나타낸다. 공진을 일으키는 파장 성분은 반도체 층(200)에서 광학적 임피던스 매칭에 의한 완전 광흡수(perfect absorption) 거동을 보여준다. 컬러 구조물(1) 외부에서 그 특정 파장 성분 대역이 제거된 빛을 관찰하므로 컬러 구조물은 감색기구 색상(Subtractive color)을 가지는 것으로 보인다. 반도체 층(200)의 두께(d)를 조절하거나, 반도체 층(200)을 이루는 물질을 조절하여 공진이 일어나는 빛의 파장을 제어할 수 있다. 따라서, 컬러 구조물(1)이 표시하는 색을 제어할 수 있다.
이때, 반도체 층을 이루는 반도체 물질의 높은 굴절율과 흡광계수로 인해 얇은 두께에서도 투명기판과 반도체 층 계면에서 반사되는 빛의 성분과 반도체 층과 미러층 계면에서 반사되는 빛의 성분간에 180도 위상차를 발생시키는 것이 가능하다. 흡광계수의 존재는 계면 반사성분의 위상을 크게 변화시키기 때문에, 단순 광경로차에 의한 위상차보다 훨씬 큰 범위 내에서 총 위상차 변화를 야기시킬 수 있다. 빛의 파장보다 충분히 작은 두께에서의 공진광흡수로 인해 발현되는 색상의 입사각 의존성이 감소하는 장점이 있다.
도 2는 컬러 구조물(2)의 다른 실시예의 개요를 도시한 단면도이다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다. 도 2를 참조하면, 컬러 구조물(2)은 투명 기판(110), 복합체 층(composite layer, 210) 및 미러층(310)을 포함한다.
도 3의 (a), (b)는 복합체 층(210)의 서로 다른 실시예들을 개요적으로 나타낸 도면이며, 도 3의 (c)는 복합체 층(210)의 또 다른 실시예를 개요적으로 나타낸 단면도이다. 도 3의 (a)는 입자(p)들이 유전체 층(dielectric material layer, 212)을 기지상으로 하여 그 안에 독립된 형태로 3차원 적으로 분산된 구조인 맥스웰-가넷 구조(Maxwell-Garnett structure)로 배치된 것을 도시한다. 입자(p)들은 금속 입자(particle)이거나, 반도체 입자일 수 있다.
도 3의 (b)는, 입자(p)들이 유전체 층(212) 내에 형태가 정해지지 않은 부정형(不定形)을 가지며, 입자(p)들이 서로 연결되어 네트워크를 이루며 3차원 적으로 분산된 구조인 브루그만 구조(Bruggeman structure)로 배치된 것을 도시한다. 입자(p)들은 금속 입자(particle)이거나, 반도체 입자일 수 있다. 여기서는 구분의 편의를 위해 광흡수성 물질을 입자로 표현하고 있으나, 실제로는 분산입자와 기지상간의 구분이 어렵도록 혼재된 구조를 의미한다.
도 3의 (a), (b) 로 예시된 실시예에서, 복합체 층을 구성하는 물질 중 어느 하나는 빛의 파장보다 작은 입자(p)인 나노구조체로 이루어지며, 나노 구조체간 거리도 빛의 파장보다 작을 수 있다. 일 예로, 입자(p)들의 크기(dimension)는 수~ 수백 나노미터일 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 어떠한 기하학적 구조도 본 발명에 따른 복합체 층에 적용될 수 있다. 또한, 복합체 층을 구성하는 나노 구조체 물질은 하나 이상일 수 있다.
또한, 입자(p)들이 배치된 평균 간격은 공진이 이루어지는 빛의 파장보다 작을 수 있다. 상기한 조건을 만족하면 빛은 복합체 층(210)을 서로 다른 두 물질로 구분하여 거동하는 것이 아니라 하나의 유효매질(effective medium)로 거동하며, 해당 유효매질의 광학적 특성은 두 물질이 섞여있는 기하학적 구조와 개별 물질의 광학상수 및 상대적 분율 등에 의존하는 수학적 조합으로 결정된다.
도 3의 (a) 및 (b)로 예시된 실시예와 같은 복합체 층(210)에서는, 유전체와 입자를 구성하는 물질은 물론, 유전체 층(212)에 분산된 입자(p)의 형상 및 부피비(volume fraction)을 제어함으로써 파장에 따른 굴절율(refractive index, n) 및 흡수 계수(k)의 분산특성을 제어할 수 있다. 이에 따라 복합체 층(210)에서 공진하는 빛의 파장을 제어할 수 있다.
일 예로, 맥스웰-가넷 기하 구조를 갖는 복합체의 유효 유전 상수는 아래의 수학식 1로, 브루그만 기하구조를 갖는 복합체의 유효유전상수는 수학식 2로 표현된다. 수학식 1과 수학식 2는 구형의 입자를 가정한 가장 단순한 예를 보여주나, 실제로는 입자의 형상과 입자간 상호작용 등도 고려하여 유효유전상수가 결정된다. 하기식에서 금속이나 반도체와 같은 광흡수성 물질로 이루어진 입자의 유전상수가 복소값을 갖기 때문에 이를 포함하는 복합체의 유효유전상수 역시 실수항과 허수항을 갖는 복소값을 나타내게 된다. 유전상수는 복소굴절율의 제곱에 해당한다.
Figure PCTKR2018009160-appb-M000001
Figure PCTKR2018009160-appb-M000002
(εeff:유효 유전 상수, εA:입자의 유전 상수,εD:유전체 기지상 층의 유전 상수, pA: 입자의 부피분율, pD: 유전체 기지상층의 유전상수)
도 3의 (c)는 유효 매질을 형성하는 복합체 구성의 또 다른 예시를 보여주는 것으로, 유전체 층(212)과 물질층(214)이 적층된 층상 구조(layered structure)를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이 물질층(214)은 유전체 층(212)과 교번 적층되어 복합체 층(210)을 형성할 수 있다. 일 예로, 물질층(214)은 금속 물질로 형성되거나, 반도체 물질로 형성될 수 있다.
물질층(214)의 두께 또는 유전체 층(212)의 두께 중 어느 하나 이상은 공진이 이루어지는 빛의 파장보다 충분히 작을 수 있다. 이러한 조건을 만족하면 빛은 복합체 층(210)에서 하나의 유효 매질 처럼 거동하고, 그 광학적 특성은 위의 예와 마찬가지로 기하구조에 바탕을 둔 두 물질의 유전상수의 수학적 조합으로 결정된다(하기 수학식 3). 이 경우, 층상구조의 비등방성으로 인해 유효유전상수 역시 층상구조에 수평한 방향의 입사광 전기장 성분과 수직방향 성분에 대해 다르게 나타나는 특징이 있다.
Figure PCTKR2018009160-appb-M000003
(εeff ,//:층상구조와 수평한 방향의 입사광 전기장 성분에 대한 유효 유전 상수, εeff,⊥:층상구조와 수직한 방향의 입사광 전기장 성분에 대한 유효 유전 상수)
도 3의 (a), (b)에서 도시된 입자(p) 및 (c)에서 도시된 물질층(214)은 광학적 거동이 자유 전자 모델로 설명되는 금속 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, Ag, Au, Cu, Al, Mg, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Sn, Pb, Sb, 및 Bi 로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 및 이들의 합금 중 어느 하나일 수 있다.
도 3의 (a), (b)에서 도시된 입자(p) 및 (c)에서 도시된 물질층(214)은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, Si, Ge, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InSb, GeSe, GeTe, GaP, InAs, CuBr, AgBr, CuCl, InP 및 상기 물질들을 포함하는 고용체 및 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
도 3의 (a), (b) 및 (c)에서 유전체 층(212)은 광학적으로 투명하거나 광흡수가 적은 물질로, 유기재료, 무기재료, 이들의 혼합물 또는 복합물 등이 제한없이 사용될 수 있다. 일 예로, SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, ZnO, ZrO2, In2O3, SnO2, CdO, Ga2O3, Y2O3, WO3, V2O3, BaTiO3 및 PbTiO3 등의 산화물, Si3N4, Al3N4 등의 질화물, InP, GaP 등의 인화물, ZnS, As2S3 등의 황화물, MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF 등의 불화물 및 이들의 혼합물 또는 화합물로 구성된 무기재료, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA),폴리디메틸 실록산(Poly dimethyl siloxane; PDMS), 환형 폴리올레핀, 스티렌계 중합체 또는 테플론(Teflon) 등의 유기재료 또는 이들의 혼합물 또는 복합물을 사용할 수 있다.
도 2 및 도 3의 입자(p)가 금속 입자이거나, 물질층이 금속 물질층인 실시예에서, 빛이 입사되면 금속 입자(p) 내 자유전자들이 입사광의 전기장에 따라 진동한다. 자유 전자의 진동 운동은 유전체에 의해 유전 구속(dielectric confine)된다. 이에 따라 거대 쌍극자 모멘트가 유발되고, 유발된 거대 쌍극자 모멘트는 금속 입자 주변의 국부 전기장의 크기를 증가시킨다.
유전 구속 효과에 의한 금속 입자내 자유전자 구름의 집단 진동은 고유진동수를 갖고 양자화되는데 이를 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance) 현상이라 부른다. 표면 플라즈몬 공진 현상이 발생하면, 공진 파장 대역의 빛에 대한 광 흡수가 크게 증가한다. 표면 플라즈몬 공진파장을 중심으로 나노복합체의 복소값을 갖는 유효유전상수(complex effective dielectric constants)의 분산특성은 현저한 변화를 수반하기 때문에, 이를 공진층으로 사용하는 본 발명에 따른 컬러 구조물은 고채도의 색상을 나타내며, 기하구조, 입자의 형상 및 크기, 상대적 부피분율 등의 기하학적 구조 인자의 제어와 물질조합에 의해 임의제어가 가능한 향상된 색상 가변능을 가질 수 있다.
도 2 및 도 3의 입자(p)가 반도체 입자이거나, 물질층이 반도체 층인 실시예에서, 반도체 입자의 크기가 전자-정공의 거리와 비슷하거나 작아지면 양자구속효과(quantum confinement effect)에 의하여 반도체의 에너지 밴드갭(band gap)이 입자의 크기에 따라 변하는 등 물리적 성질이 변화한다. 밴드갭을 중심으로 복소 유효유전상수의 분산특성이 변화하기 때문에, 반도체 입자층을 포함하는 복합체의 기하학적 구조 인자를 제어함으로써 이를 공진층으로 사용하는 본 발명에 따른 컬러구조물의 색상 가변능을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 컬러구조물(2)에서 흡수가 일어나는 빛의 공진 주파수는 복합체층(210)의 기하학적 구조인자와 물질계 조합에 따라 결정될 수 있다. 칼라구조물(2)의 공진 파장은 공진층으로 사용되는 광흡수형 복합체층(210)의 복소 유효 유전상수(εeff)와 두께에 의존한다.
복합체층(210)의 유효 유전상수(εeff)는 상기 수학식 1 내지 3에서 표시된 바와 같이 복합체 층(210)을 구성하는 물질 조합 및 기하구조에 따라 결정된다. 복합체 층(210)의 굴절율(n)과 흡수 계수(k)는 복합체 층(210)에 포함된 입자(p)를 이루는 물질, 유전체 물질, 입자(p)의 크기 및 형상, 입자(p)들 사이의 간격, 구성물질간 상대적 부피분율, 물질층(214)을 이루는 물질, 물질층(214)의 두께, 유전체 층(212)의 두께 및 부르그만 구조 또는 맥스웰 가넷 구조와 같은 기하구조 등 복합체층(210)의 물리적 특성에 따라 결정된다.
따라서, 상기한 요인들을 제어하여 흡수가 일어나는 빛의 공진 주파수를 제어할 수 있으며, 그에 따라 컬러 구조물(2)의 색채를 제어할 수 있다. 상기 예시에서는 한 가지 종류의 입자가 포함된 복합체를 예시하고 있으나 두 가지 이상의 서로 다른 물질로 이루어진 입자가 포함되어 복합체가 구성되는 것도 가능하다. 상기한 바와 같이 단일재 물질이 아닌 복합체형 유효매질을 사용하게 되면, 구조적 설계에 의해서 광학상수의 분산특성을 급격한 변화를 갖도록 인위적으로 제어할 수 있게 되어 색상 가변능과 색 선명도를 향상시킬 수 있다.
구조적 내구성과 표면조도가 제어된 투명기판을 모재로 사용하고 그 하부에 후행공정을 통해 복합체층을 배치함으로써 고급감을 주는 글로스 광택효과를 부여함은 물론 구조나 물성을 안정적으로 유지하고 내환경성을 갖추는데 유리한 환경을 제공한다.
도 4는 컬러 구조물(3)의 다른 실시예의 개요를 도시한 단면도이다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다.
도 4를 참조하면, 컬러 구조물(3)은 투명 기판(120), 복합체 층(composite layer, 220) 및 미러층(320)을 포함한다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다. 일 실시예로, 컬러 구조물(3)은 복합체 층(220)와 미러층(320)의 사이에 위치하는 유전체 버퍼층(420)를 더 포함할 수 있다.
도 5의 (a)와 (c)는 복합체 층(220)을 이루는 단위 층(unit layer, u)의 개요를 도시한 단면도이고, 도 5의 (b)와 (d)는 단위층(u)의 개요를 3차원적으로 도시한 도면이다. 도 5의 (a)와 (b)를 참조하면, 입자(p)는 맥스웰-가넷 구조를 가질 수 있으며, 유전체 층(222) 내 동일 평면상에 독립된 섬(island) 구조를 갖는 불연속막 형태의 입자층(224)으로 배치될 수 있다. 도 5의 (c)와 (d)를 참조하면, 입자(p)는 브루그만 구조를 가질 수 있으며, 유전체 층(222) 내 동일 평면상에 네트워크 구조의 불연속막 형태의 입자층(224)으로 배치될 수 있다.
입자층(224)의 입자크기가 빛의 파장보다 작고, 입자층과 유전체층의 두께가 공진이 이루어지는 빛의 파장보다 작으면 빛이 복합체 층(220)에서 하나의 물질로 이루어진 것처럼 거동하는 것은 위에서 설명된 바와 같다. 또한 입자층(224) 사이의 간격은 1nm ~ 30nm 이하일 수 있다.
도 6은 복합체 층(220)의 실시예를 개요적으로 도시한 단면도이다. 도 6을 참조하면, 복합체 층(220)은 유전체 층(220) 내에 입자들이 동일 평면 상에 층상으로 배치되어 형성된 입자층(224)을 포함하는 단위층(u)이 적층되어 형성될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 단일한 단위층(u)으로 복합체 층(220)을 형성할 수 있다.
도 4 내지 도 6에 예시된 실시예와 같이 복합체 층(220)을 입자층과 유전체 층이 교대로 적층된 다층형 층상구조로 형성하면 입자층(224)을 구성하는 물질의 공칭 두께를 제어함으로써 입자층의 유효두께(t1)를 결정하는 복합체내 입자의 크기와 부피비(volume fraction)를 독립적으로 용이하게 제어할 수 있고, 결과적으로 n 값과 k 값을 용이하게 제어할 수 있다.
일 예로, 입자가 전체 부피에 고르게 분산된 경우와 금속 물질이 층상으로 배치된 경우에서 복합체층 전체 부피에서 자치하는 금속 입자의 부피비가 서로 동일하다고 하더라도 일종의 복합체층으로 가정할 수 있는 단위 입자층내 입자의 상대 부피비가 크게 인식되어 빛의 거동에 영향을 주는 유효매질의 광학적 특성은 두 경우에 차이가 나기 때문이다.
일 실시예로, 입자층(224)을 금속 나노 입자로 형성하는 경우에, 입자층(224)의 공칭 두께 뿐만 아니라 입자층(224)을 구성하는 물질과 유전체 층(222)을 구성하는 물질의 화학적 결합력도 복합체 층(220)이 공진하여 흡수하는 빛의 파장에 영향을 미친다.
일반적으로 입자층(224)을 구성하는 물질과 유전체 층(222)을 구성하는 물질 사이의 결합력이 작은 경우, 금속 물질층을 증착하면, 금속 물질층은 성장초기에 도 5의 (a), (b)로 도시된 것과 같이 layer-by-layer 성장모드의 연속막을 형성하지 못하고 독립된 섬 형태의 구조를 갖는 섬 성장모드(island growth mode)로 성장한다. 이때, 입자층(224)의 유효두께(t1)는 금속입자의 크기에 의존하여 결정되며, 금속입자가 성장하는 단계에서는 입자층(224)의 공칭두께에 비례해서 증가하는 경향을 갖는다. 아울러, 입자층(224)의 공칭 두께가 증가함에 따라 이웃 입자와 합체하면서 늘어나거나 찌그러진 형태를 가진다. 공칭 두께가 더욱 증가하면 독립되어 있던 입자들이 서로 결합하면서 도 5의 (c), (d)로 예시된 형태와 같이 퍼콜레이션(percolation)된 네트워크의 형상을 띠게 된다.
반면, 입자층(224)을 구성하는 물질과 유전체 층(222)을 구성하는 물질 사이의 결합력이 큰 경우에는 입자층(224)의 공칭 두께가 작을 때에도 금속 입자는 도 5의 (c), (d)로 예시된 것과 같이 납작하게 찌그러진 형상 또는 퍼콜레이션(percolation)된 네트워크 구조를 갖게 된다. 다시 말해, 입자층(224) 공칭 두께의 변화는 금속 입자의 형상, 크기 및 면밀도를 변화시키고, 이는 국소 표면 플라즈몬 공진현상에 영향을 미친다.
이에 따라 입자층(224)의 유효 유전상수가 변화하여 복합체 층(220)의 광반사도가 최소가 되는 임피던스 매칭 조건이 변화하고, 구현 색상의 휴(Hue) 값이 달라져 최종적으로 구현되는 색상을 변화시킨다.
일 실시예에서, 서로 동일한 물리적 특성을 가지는 복수의 단위층들을 적층하여 복합체층(220)을 형성할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 복수의 단위층들을 적층하고, 입자층의 공칭 두께를 조절함으로써 복합체 층(220)의 n 값과 k 값의 조절 범위를 확장할 수 있다. 결과적으로, 복합체 층의 광학적 특성을 제어할 수 있어 광을 흡수하는 흡수도를 증가시킬 수 있으며, 흡수 하는 파장 대역을 변화시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 서로 다른 물리적 특성을 가져서 서로 다른 파장을 흡수하는 단위층을 적층하여 복합체층(220)을 형성할 수 있다. 즉, 어느 한 단위층(u)에 포함된 입자층(224)의 두께, 입자층(224) 내의 입자 배치 구조, 입자층(224)을 이루는 물질, 유전체 층(222)의 두께 및 유전체 층(222)을 이루는 물질 중 어느 하나가 다른 단위층(u)에 포함된 입자층(224)의 두께, 입자층(224) 내의 입자 배치 구조, 입자층(224)을 이루는 물질, 유전체 층(222)의 두께 및 유전체 층(222)을 이루는 물질과 상이한 단위층들을 서로 적층하여 복합체 층(220)을 형성할 수 있다.
이러한 경우, 예를 들면, 적색 영역의 파장대를 주로 흡수하는 단위층과 청색 영역의 파장대를 주로 흡수하는 단위층을 적층하여 복합체층을 형성하면 적색 영역과 청색 영역대가 흡수되어 두 영역대의 사이에 있는 녹색 영역대의 색채를 구현할 수 있다.
다른 실시예로, 입자층(224)을 반도체 입자로 형성하는 경우에도 단위 입자층을 구성하는 반도체 입자의 유전상수가 양자구속효과에 의해 영향 받는다는 점을 제외하면, 금속 입자층을 사용한 경우와 유사한 거동을 기대할 수 있다. 일 예로, 입자층의 공칭두께를 제어하게 되면, 반도체 입자의 크기를 변화시킬 수 있고 양자구속효과에 따른 밴드갭 에너지를 용이하게 제어할 수 있다. 밴드갭을 중심으로 복소 유효유전상수의 분산특성이 현저하게 변화하기 때문에, 반도체 단위 입자층과 유전체층의 다층형 층상구조로 이루어진 복합체를 공진층으로 사용하는 본 발명에 따른 컬러 구조물의 색상 가변능이 향상될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 컬러 구조물(3)은 유전체 버퍼층(dielectric buffer layer, 420)을 더 포함한다. 버퍼층(420)은 복합체 층(220)과 미러층(320) 사이에 발생할 수 있는 전도성 커플링을 방지할 수 있다. 버퍼층(420)은 유전체 층(222)과 제조 공정을 용이하게 하기 위하여 동일한 유전체 층으로 형성될 수 있으나, 서로 다른 유전체 물질로 형성하는 것도 가능하다. 일 실시예로, 버퍼층(420)은 전도성 커플링을 막을 수 있도록 1nm ~30nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 그 이상으로 두께가 증가하면 전체 복합체 층에서 입자의 유효 부피분율 감소가 두드러져 복소유전상수의 분산특성변화가 약화되고 색상 가변능이 저하되는 현상이 발생한다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 컬러 구조물(4)의 개요를 도시한 단면도이다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다. 도 7을 참조하면, 컬러 구조물(4)은 투명 기판(130), 빛의 특정 파장에 공진하는 공진층(230), 미러층(330) 및 빛을 산란하는 헤이즈 구조물(500)을 포함한다. 공진층(230)은 위에서 설명된 반도체 층(200) 및 복합체 층(210, 220) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 컬러 구조물(4)는 공진층(230)과 미러층(330) 사이에 위치하는 유전체 버퍼층(420, 도 4 참조)을 더 포함할 수 있다.
헤이즈 구조물(500)은 도 7(a)로 도시된 실시예와 같이 투명 기판(100)에 헤이즈 구조물(500)이 외부로 노출되도록 위치할 수 있다. 또한, 헤이즈 구조물(500)은 도 7(b)로 도시된 실시예와 같이 투명 기판(100)과 공진층(200)이 마주하는 면에 위치할 수 있다. 도 7(b)로 도시된 실시예에 의하면, 공진층(230)은 헤이즈 구조물(500)에 의하여 형성된 고저차에 따라 상응하여 고저차를 가지도록 형성될 수 있으며, 미러층(330)과 공진층(230) 사이의 계면도 고저차를 가질 수 있다.
도시되지 않은 실시예에 의하면 헤이즈 구조물(500)은 헤이즈 구조물(500)를 덮어 평탄하게 하는 평탄화 층을 더 포함할 수 있다. 평탄화 층의 굴절율은 헤이즈 구조물(500)의 굴절율과 다른 값을 가질 수 있다. 일 예로, 헤이즈 효과를 고려하면, 굴절율 차이가 발생하면 충분하므로 평탄화층의 굴절율은 상기 엠보싱 구조의 굴절율과 다른 것이 바람직하며, 엠보싱 구조의 굴절율보다 낮은 것이 바람직하다.
평탄화 층은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 평탄화 층은 유리질 및 고분자 소재 중 어느 하나일 수 있다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 헤이즈 구조물(500)의 구현예를 도시한 도면이다. 도 8의 (a)를 참조하면, 헤이즈 구조물(500)은 투명 기판(100)에 볼록(convex) 구조 및/또는 오목 구조(concave) 구조가 불규칙적으로 형성된 것일 수 있다. 일 예로, 불규칙적인 볼록 구조와 오목 구조는 투명 기판(130)을 기계적 그라인딩(grinding) 처리하여 형성되거나, 미세한 크기의 연마 입자를 고속으로 분사하여 투명 기판(130) 표면을 연마하는 샌드 블라스팅(sand blasting)처리하여 형성될 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 헤이즈 구조물(500)은 규칙적으로 형성된 엠보싱(embossing) 구조일 수 있다. 일 예로, 헤이즈 구조물(500)은 HSQ(Hydrogen silsesquioxane), 규산나트륨 등의 물유리(waterglass) 및 고분자 레진 중 어느 하나 이상의 물질을 미리 정해진 형태를 가지는 몰드(mold)로 찍어서(imprint) 형성될 수 있다. 상기 물질로 엠보싱 구조를 직접 형성하거나 혹은 이들 패턴을 에칭마스크로 하여 투명기판표면을 식각하여 엠보싱 구조를 형성하는 것도 가능하다.
도 8의 (c) 및 (d)를 참조하면, 헤이즈 구조물(500)은 불규칙적으로 형성된 엠보싱(embossing) 구조일 수 있다. 일 예로, 헤이즈 구조물(500)은 도 8의 (c)와 같이 타이타늄옥사이드(TiO2), 실리콘옥사이드(SiO2) 및 폴리머 등의 유전체 마이크로 비드(micro bead)를 표면에 직접 분산 코팅하거나 혹은 이들 유전체 마이크로 비드보다 굴절율이 작은 유리질 막 및 고분자 필름안에 분산시켜 사용할 수 있다. 또 다른 예로, 도 8의 (d)와 같이 낮은 융점을 가지는 금속 박막을 열처리 후, 산화 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
헤이즈 구조물(500)릍 통하여 총 반사되는 광 대비 산란되는 광의 성분의 비율은 헤이즈 팩터(haze factor)로 정의될 수 있다. 헤이즈 팩터는 아래의 수학식 4와 같이 헤이즈 구조물(500)에서 정반사되는 광 성분(Lr)과 산란되는 광 성분(Ls)을 포함하는 총 반사되는 광에서 산란광 성분(Ls)의 비율로 정의된다.
Figure PCTKR2018009160-appb-M000004
(Lr: 정반사되는 광 성분, Ls: 산란되는 광 성분)
본 실시예에 의한 헤이즈 구조물(500)의 헤이즈 팩터(haze factor) 값은 0.05 내지 0.99 중 어느 한 값일 수 있다. 헤이즈 팩터 값이 0에 근접할수록 헤이즈 구조물(500)을 통하여 산란되는 광 성분이 적음을 의미한다. 따라서, 컬러 구조물(4)로 구현되는 색은 유광 처리된 금속질감을 뚜렷하게 나타내나, 시야각 의존성이 높아 정반사 조건이 아닌 경우에는 어둡게 보일 수 있다.
반면에 헤이즈 팩터 값이 1에 근접할수록 헤이즈 구조물(500)을 통하여 산란되는 광 성분이 큰 것을 의미한다. 따라서, 컬러 구조물(4)로 구현되는 색에서 금속성 유광효과는 약해지나 반유광 혹은 매트(matte), 무광택 특성이 강해지며, 시야각 의존성이 낮아져 보는 방향에 상관없이 균일한 색감을 느낄 수 있다.
일 실시예로, 헤이즈 팩터 값은 기계적 그라인딩(grinding)을 수행하는 그라인더를 조절하거나, 샌드 블라스팅을 수행하는 연마 입자의 크기를 조절하여 불규칙적인 요철 구조의 크기, 깊이 및 높이를 조절하여 수행될 수 있다(도 8(a) 참조). 다른 실시예로, 헤이즈 팩터 값은 규칙적 엠보싱 구조를 형성하는 물질을 변경하여 엠보싱 구조의 굴절율을 조절하여 수행하거나, 투명 기판 상에 위치하는 엠보싱 구조의 크기, 높이, 간격 및 밀도 등을 조절하여 수행될 수 있다(도 8(b) 참조). 다른 실시예로, 헤이즈 팩터 값은 불규칙적 엠보싱 구조를 형성하는 물질을 변경하여 엠보싱 구조의 굴절율을 조절하거나, 엠보싱 구조가 배치되는 밀도를 조절하여 수행될 수 있으며, 분산 코팅되는 마이크로 비드(miocro bead)의 크기 및 밀도를 조절하여 수행될 수 있다(도 8(c) 참조). 또한, 열처리 공정의 시간, 온도 등의 공정 조건 및 산화 공정의 조건을 제어하여 헤이즈 팩터 값을 조절할 수 있다(도 8(d) 참조).
헤이즈 구조물(500)은 투명 기판(100)의 일부 영역에 형성될 수 있다. 일 예로, 미리 정해진 영역에 헤이즈 구조물(500)을 형성하여 그 영역은 무광 혹은 반유광 질감처리하고, 이외 부분을 유광성 금속 광택을 가지도록 할 수 있다. 또는 그 반대로 일부 영역만을 유광 처리할 수 있다. 이와 같은 방식으로 어느 일 영역 혹은 특정 패턴에만 헤이즈 특성을 상이하게 부여함으로써 심미적 장식효과를 강하게 줄 수 있고, 컬러 구조물(4)이 포함된 제품의 명칭, 제품 제조사, 제조사 마크, 수요처 문양, 장식패턴 등을 표시할 수 있다.
도 9는 컬러 구조물(5)의 개요를 도시한 단면도이다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다. 도 9를 참조하면, 컬러 구조물(5)은 투명 기판(140), 빛의 특정 파장에 공진하는 공진층(240), 미러층(340) 및 공진층(240)의 측면을 덮는 커버 패턴(640)을 포함한다.
공진층(240)은 위에서 설명된 반도체 층(200) 및 복합체 층(210, 220) 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 컬러 구조물(5)은 위에서 설명된 헤이즈 구조(500)를 더 포함할 수 있다.
커버 패턴(640)은 수분, 산소, 황 등의 외부 물질이 공진층(240)의 측면을 통하여 내부로 침투하여 산화, 부식 및 변색 등의 목적하지 않은 반응을 일으키는 것을 방지한다. 커버 패턴(640)은 도 9(a)로 예시된 실시예와 같이 산화막, 질화막 등의 패시베이션 막을 패터닝하여 형성할 수 있다. 다른 실시예로, 도 9(b)로 예시된 실시예와 같이 공진층(240)을 덮도록 미러층(340)을 형성하여 커버 패턴(640)을 형성할 수 있다.
도 10의 (a)와 (b)는 컬러 구조물(6)을 투명 기판(150)의 상면에서 바라본 상태를 도시한 평면도이다. 이하에서는 위에서 설명된 요소와 동일하거나 유사한 요소는 구체적인 설명을 생략할 수 있다. 도 10의 (a)를 참조하면, 컬러 구조물(6)의 투명 기판(150)은 복수의 영역들(A1, A2)로 분할될 수 있으며, 영역별로 서로 다른 물리적 특징을 가지는 공진층이 형성될 수 있다.
일 예로, 영역 A1에는 단일 반도체 층(200, 도 1 참조)이 공진층으로 형성되고, 영역 A2에는 복합체 층(210, 220, 도 2 및 도 4참조)이 공진층으로 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 영역 A1과 영역 A2을 복합체 층으로 형성하되, 복합체 층을 이루는 입자의 물질, 크기, 부피 분율, 입자간 간격, 유전체 기지상의 물질중 어느 하나는 상이하게 구성되도록 형성할 수 있다. 또 다른 실시예로, 영역 A1과 영역 A2를 단위층(u, 도6 참조)이 적층되어 복합체층을 형성하도록 구성하되 영역 A1에 포함된 단위층(u)에 포함된 입자층(224, 도 6 참조)의 두께, 입자층(224) 내의 입자 배치 구조, 입자층(224)을 이루는 물질, 유전체 층(222, 도 6 참조)의 두께, 단위 층의 개수 및 유전체 층(222)을 이루는 물질 중 어느 하나는 A2 영역에 포함된 단위층(u)의 입자층(224)의 두께, 입자층(224) 내의 입자 배치 구조, 입자층(224)을 이루는 물질, 유전체 층(222)의 두께, 단위층의 개수 및 유전체 층(222)을 이루는 물질 중 어느 하나와 상이할 수 있다. 따라서, 공진층의 물리적 특징이 서로 상이하여 영역 A1과 영역 A2에서 구현되는 색상, 채도 등의 특징이 서로 상이할 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 컬러 구조물(6)의 투명 기판(150)에서 발현되는 색은 계조(gradation) 처리되어 기판내 위치에 따라 채도, 색상 등의 특징이 달라질 수 있다. 일 실시예로, 계조 처리는 유리 기판(150)을 기울인 상태에서 공진층을 증착하여 수행될 수 있다.
도 11의 (a) 및 (b)는 컬러 구조물(7)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 11의 (a)는 투명 기판(150)의 상면에서 바라본 상태를 도시한 평면도이다. 도 11(a)를 참조하면, 투명 기판(150)의 어느 한 영역(A3)에서는 공진층과 미러층이 형성되어 색상이 발현될 수 있으나, 다른 영역(A4)에서는 공진층과 미러층이 형성되지 않고 투명 기판(150)이 노출될 수 있다.
도 11의 (b)는 투명 기판(150)의 상면에서 컬러 구조물의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다. 도 11(b)를 참조하면, 투명 기판(150)에는 공진층과 미러층이 형성된 영역(A6)과 공진층과 미러층이 형성되지 않아 광을 투과하는 복수의 투과 영역(A5)들이 위치한다. 공진층과 미러층이 형성되지 않은 투과 영역(A5)은 도시된 실시예와 같이 원형 단면을 가질 수 있으며, 그 직경(r)은 수 내지 수백 μm 일 수 있다. 따라서, 사용자는 컬러 구조물에 형성된 투과 영역(A5)이 형성된 것을 감지하지 못하고, 색채와 함께 투광성이 제공되어 그에 따른 심미감을 느낄 수 있다.
도시되지 않은 다른 실시예에 의하면 투과 영역(A5)은 삼각형, 사각형 등의 다각형 단면을 가질 수 있다. 다각형의 투과 영역의 크기(dimension)은 사용자에게 색채와 함께 투광성을 제공하기에 충분한 크기로 형성될 수 있다.
도 12는 본 실시예에 의한 컬러 구조물을 휴대 단말의 하우징(housing)에 적용한 것을 예시한 도면이다. 용이한 이해와 설명을 위하여 각 층의 두께를 과장하여 도시하였다. 도 12를 참조하면, 하우징(housing)은 투명 하우징(160)을 포함한다. 일 예로, 투명 하우징(160)은 유리 하우징, 합성 수지 하우징일 수 있으며, 강화 처리될 수 있다.
투명 하우징(160)의 내부에는 공진층(260)과 미러층(360)이 순차적으로 적층될 수 있다. 공진층(260)은 위에서 설명된 반도체층, 복합체 층 중 어느 하나일 수 있으며, 특정한 패턴으로 패턴될 수 있다. 미러층(260)은 위에서 설명된 미러층 들 중 어느 하나일 수 있다. 도시되지 않았지만, 투명 하우징(160)의 외부 또는 투명 하우징(160)이 공진층(260)과 마주하는 면에는 헤이즈 구조물(500)이 형성될 수 있다(도 7(A), 도 7(B) 참조).
컬러 구조물이 형성된 하우징(housing)을 채용하여 휴대 단말에 선명한 색상과 함께 금속 질감 및 금속 광택을 부여하여 심미적 측면에서 소비자 감성에 가장 크게 어필할 수 있다. 나아가, 자외선에 강하며, 염료를 사용하지 않아 환경 친화적이라는 장점이 제공된다.
이상 설명된 실시예들에서, 빛의 특정 파장에 공진을 일으켜 해당 파장 성분을 흡수하는 층으로 반도체 층, 복합체 층 등과 같이 재질에 따라 서로 다른 이름으로 명명되었으나, 기능적으로는 특정 파장에 공진을 일으켜 해당 파장 성분을 흡수하여 공진하는 공진층으로 동일한 기능을 수행할 수 있으며, 이러한 공진층은 200nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 이상 설명된 컬러 구조물은 단일한 실시예만으로 구현되거나, 복수의 실시예들이 함께 구현될 수 있다. 일 예로, 컬러 구조물은 헤이즈 구조물과 커버 패턴이 모두 포함되어 구현될 수 있으며, 다른 예로는 투명 기판의 양면에 모두 헤이즈 구조물을 형성하여 컬러 구조물을 구현하는 것도 가능하다.
구현예 및 실험예
이하에서는 도 13 내지 도 22를 참조하여 컬러 구조물의 구현예와 실험예를 살펴본다. 도 13(a)는 반도체층(200)으로 결정질(crystal) 실리콘을 사용하고, 미러층으로 알루미늄(Al)을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 13(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 표시하는 색의 명암을 도시한 도면이다.
도 13(a)와 도 13(b)를 참조하면, 반도체 층(200)의 두께가 증가함에 따라 공진하여 최대 흡수가 일어나는 파장대가 적색 대역으로 이동함을 알 수 있다. 반도체 층(200)의 두께가 10~15nm 인 경우에서 청색 대역의 파장대가 흡수되어 컬러 구조물의 색채는 주로 노랑 및 붉은색 계열의 색상으로 보여지나, 25nm 이상의 두께에서는 적색 영역의 파장이 흡수되므로 컬러 구조물의 색채는 주로 청색 계열을 띠게 된다. 또한, 본 구현예에서는 결정질 실리콘의 특성상 낮은 흡광 계수로 인해 반사도 dip이 깊지 않을 뿐 아니라, 고 반사율의 알루미늄(Al)을 미러층으로 사용한 결과 공진흡수가 일어나지 않는 파장 대역에서의 배경 반사도가 높아 컬러 구조물은 전체적으로 옅은 파스텔톤의 색상을 나타낸다.
도 14(a)는 반도체층(200)으로 비정질(amorphous) 실리콘을 사용하고, 미러층으로 알루미늄(Al)을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 14(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색의 명암을 도시한 도면이다.
도 14(a)와 도 14(b)를 참조하면, 결정질 실리콘을 반도체 층으로 사용하는 경우(도 13(a) 참조)와 유사하게 비정질 실리콘을 사용하는 경우에도 반도체 층(200)의 두께가 증가함에 따라 공진 광흡수가 일어나는 파장대가 적색 대역으로 이동함을 알 수 있다. 반면, 비정질 실리콘의 흡광계수가 결정질 실리콘에 비해 크기 때문에 광흡수도가 증가하여 반사도 dip의 깊이가 깊어지고 전체적인 배경 반사도도 낮아짐을 알 수 있다. 이에 따라, 비정질 실리콘을 공진층으로 사용하는 컬러구조물은 결정질 실리콘을 사용하는 경우에 비해 명도가 낮고 짙은 색상을 나타낸다.
반면, 두께에 따른 공진 흡수단의 중심파장은 결정질 실리콘을 사용하는 경우에 비해 보다 큰 폭으로 적색대역으로 이동하게 되어, 반도체 층(200)의 두께가 35 nm 이상에서는 가시광 대역에서 흡수단이 존재하지 않고 옅은 황색 계열의 색상을 나타낸다.
도 15(a)는 반도체층(200)으로 결정질 저머늄(Ge)을 사용하고, 미러층으로 알루미늄(Al)을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 15(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색의 명암을 도시한 도면이다.
결정질 저머늄을 공진층으로 사용한 경우, 600 nm 이하 파장에서는 반사도 수준의 차이는 있지만 전반적으로 평평한 반사도 곡선을 보이다가 600 nm 이상에서 부터 공진 광흡수에 의한 반사도 dip이 명확해 지고 있음을 알 수 있다. 380 nm ~ 780 nm 사이의 가시광 영역중 적외선 대역 일부에서만 공진광흡수 거동이 분명해 지기 때문에 도 15(b)를 참조하면 두께에 따른 색상변화가 제한되어 나타남을 알 수 있다. 이는 결정질 저머늄의 광학상수 분산특성에 기인하며, 결국 단일재 반도성 물질을 공진층으로 사용하는 경우에는 그 두께와 상관없이 화학적 조성에 따라 색상 가변능에 한계가 있을 수 있음을 보여준다.
도 16(a)는 반도체층(200)으로 결정질 실리콘을 사용하고, 미러층으로 낮은 반사도를 가지는 몰리브덴(Mo)을 사용한 경우에 반도체 층의 두께에 따른 반사도를 도시한 도면이고, 도 16(b)는 반도체 층의 두께에 따라 컬러 구조물이 보여주는 색의 명암을 도시한 도면이다.
도 16(a)와 도 16(b)를 참조하면, 이전 예시와 마찬가지로 반도체 층(200)의 두께가 증가함에 따라 최대 흡수 파장이 적색으로 이동함을 알 수 있다. 반면, 몰리브덴 미러층을 사용함에 따라 광반사도 dip 자체의 반사도가 10% 이하로 매우 낮게 형성되고 있으며 그 선폭 역시 비대칭적으로 장파장영역으로 넓어져 낮은 반사도 대역을 형성함을 알 수 있다. 상대적으로 400nm~500nm 파장대역에서 최대 반사율을 나타내는 피크곡선이 형성되고 전체적으로 녹색 및 푸른 색 계열의 색상을 띈다.
몰리브덴과 같이 가시광 파장대역에서 30% 내지 80%정도의 낮은 반사도를 갖는 물질을 미러층으로 사용하면, 전체적인 배경 반사도 수준이 낮은 가운데 특정파장대역에서 공진광흡수 곡선을 형성하기 때문에 명도는 낮지만 채도가 높은 선명한 색상을 구현하는 것이 용이해진다.
도 13과 도 16에서 확인할 수 있는 바와 같이 높은 반사율을 가지는 금속으로 미러층을 형성하면 컬러 구조물로 표시되는 색상은 명도가 높아 파스텔 톤의 옅은 색상이 표시되지만, 낮은 반사율을 가지는 금속으로 미러층을 형성하면 채도가 높은 짙은 색상을 표시하는데 유리할 수 있다.
도 17은 층상 구조의 반도체 층과 유전체 층을 교번 적층하여 형성된 복합체 층(210, 도 3 참조)을 이용한 컬러 구조물(2, 도 2 참조)의 제공된 빛의 파장과 반사율을 도시한 도면이다. 도 17을 참조하면, 반도체층으로 갈륨비소(GaAs)와 저머늄을 사용하고 유전체층으로는 SiO2 층을 사용하였다. 개별 반도체층과 유전체층의 두께를 각기 3 nm, 7 nm와 5 nm, 5 nm 로 한 경우에 대한 반사도 곡선을 보여준다. 이때, 반도체층과 유전체층은 각기 3층씩 교번 적층된 경우이다. 도 13 내지 도 16의 단일재 반도체층을 사용한 경우와 달리, 반도체층과 유전체층을 교번적층하여 층상구조의 복합체층을 형성하면 특정파장을 중심으로 단파장 대역의 빛은 차단되고 장파장 대역의 빛만 반사되는 일종의 에지(edge) 필터형 스펙트럼이 표시됨을 알 수 있다. 이러한 조합으로 노랑색 내지 빨간색 계열의 선명한 색상 구현이 용이해 질 수 있다.
도 18은 복수의 단위층(u)을 교번 적층하여 형성된 복합체 층(220, 도 6 참조)을 이용한 컬러 구조물(3, 도 4 참조)에서 미러층의 유무 및 미러층 물질선택에 따라 적층된 단위층내 입자층의 공칭두께에 따른 파장 대비 흡광도(optical absorbance) 곡선의 변화를 실험측정하여 도시한 도면들이다. 적층된 단위층의 개수는 다섯층으로 설정되었다. 도 18(a)는 미러층(320, 도 4 참조)이 없는 경우를 도시하고, 도 18 (b)는 높은 반사도를 가지는 은(Ag)으로 미러층(320)을 형성한 경우를 도시하며, 도 18의 (c)는 낮은 반사도를 가지는 몰리브덴(Mo)으로 미러층을 형성한 경우를 도시한다. 본 구현예에서, 단위층(u)에 포함된 입자층(224)은 은 입자(silver particle)로 형성하였으며, 유전체 층(222)은 실리카(SiO2) 박막을 증착하여 형성하였다. 은 입자층의 공칭두께는 1 nm(a), 1.5 nm(b), 2 nm(c), 3 nm(d)로 바꿔가며 실험하였고, 실리카층의 두께는 5 nm로 고정하였다. 미러층과 입자층과의 계면에는 5 nm 두께의 실리카 유전체 버퍼층을 삽입하였다.
도 18(a)를 참조하면, 미러층(320)이 없는 경우에는 단위층(u)에 포함된 입자층의 공칭두께를 변화시켜 가며 제작한 시편들에서 공진광흡수가 일어나는 파장은 약간의 적색편이만 보이고 거의 변화하지 않는 반면, 공칭두께 증가에 따라 전체적인 흡광도의 세기는 이에 비례해서 증가함을 알 수 있다.
그러나, 도 18(b)와 도 18(c)를 참조하면, 미러층(320)이 존재하면 공진 광흡수 세기도 증가하지만, 적층되는 단위층(u)내 은 입자층의 공칭두께를 증가시킴에 따라 공진광흡수 파장을 적색 편이시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 광흡수 피크의 이동은 색상의 변화를 수반하게 된다. 나아가, 반사율이 높은 금속으로 미러층(320)을 형성한 경우에는 반사율이 낮은 금속으로 미러층(320)을 형성한 경우에 비하여 동일한 조건에서도 기저흡수도는 낮은 반면 높은 흡수피크를 가지며, 흡수하는 파장 대역의 폭이 더 좁아 흡수 곡선이 더 첨예하다.
따라서, 반사율이 높은 금속으로 미러층(320)을 형성하면 빛의 전체 파장에서 흡수되는 파장 성분의 선택도를 증가시킬 수 있으며, 반사율이 낮은 금속으로 미러층(320)을 형성하면 빛의 전체 파장에서 전반적인 기저 흡수도가 증가하여 낮은 명도의 색을 표현하는데 유리하며 흡수피크의 선폭이 다소 넓어져서 보다 넓은 대역의 파장 성분을 흡수할 수 있다.
도 19는 도 18에 도시한 스펙트럼들에 기초하여 미러층이 없는 컬러 구조물이 제공하는 색과, 낮은 반사도를 가지는 물질인 몰리브덴(Mo)으로 미러층을 포함하는 컬러 구조물이 제공하는 색 및 높은 반사도를 가지는 은(Ag)으로 미러층을 포함하는 컬러 구조물이 제공하는 색의 색좌표를 분석한 그래프이다. 색구현능을 정량적으로 평가하기 위해 국제조명위원회(Commission Internationale d' Eclairage, CIE)에서 1976년도에 표준화한 CIE L*a*b* 색공간을 적용하여 제작된 시편들의 색좌표를 구하였다. 계산을 위해 2도 관찰자 색대응 함수를 사용하였고 D65 광원을 적용하였다.
도 19를 참조하면, 미러층이 없는 컬러 구조물이 제공하는 색은 작은 채도(chroma) 값으로 인하여 색상이 선명하지 않다. 나아가, 표시된 색좌표가 밀집되어 있어 표현할 수 있는 색상의 범위가 좁은 것을 알 수 있다.
그러나, 미러층을 형성한 컬러 구조물이 제공하는 색들의 색좌표들은 미러층이 없는 컬러 구조물이 제공하는 색의 색좌표에 비하여 큰 채도 값을 가져 표시되는 색상이 더 선명하다. 나아가, 색좌표들이 넓은 범위로 확장되어 분포하고 있어 표시할 수 있는 색상의 범위가 넓어짐을 확인할 수 있다. 결과적으로, 복합체를 구성하는 물질계의 변경 없이도 입자층의 공칭두께만을 변화시키는 단순공정제어에 의해 채도가 높은 다양한 색상구현이 가능함으로 알 수 있다.
또한, 반사도가 낮은 물질로 미러층을 형성하는 경우 및 반사도가 높은 물질로 미러층을 형성하는 경우에 컬러 구조물로 표시하는 색상(hue)과 채도범위가 서로 다르므로 용도와 표시하고자 하는 색상에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
도 20은 헤이즈 구조(500, 도 7 참조)에 따른 헤이즈 팩터의 차이와 그에 따라 컬러 구조물(4)이 표시하는 색감과 표면광택도의 차이를 도시한 도면이다. 도 20(a)와 (d)는 빛을 산란시키는 역할을 하는 마이크로 비드의 크기와 배치 밀도를 달리하여 서로 다른 헤이즈 팩터 값을 가지도록 형성된 분산 구조의 개요도들이다. 도 20(a)로 도시된 헤이즈 구조(500)는 도 20(b)로 도시된 바와 같이 평균적으로 53%의 헤이즈 팩터 값을 가지며, 상대적으로 높은 밀도로 형성된 분산 구조는 도 20(e)로 도시된 것과 같이 97.5%의 상대적으로 높은 헤이즈 팩터 값을 가진다.
도 20(c)를 참조하면, 53 %정도의 헤이즈 팩터를 가지는 헤이즈 구조(500)가 형성된 컬러 구조물은 반유광(semi-gloss) 특성의 금속성 질감을 나타내며, 도 20(f)와 같이 높은 헤이즈 팩터를 가지는 헤이즈 구조(500)가 형성된 컬러 구조물이 제공하는 색은 무광의 매트질감(matte) 특성을 가진다.
도 21은 헤이즈 구조물의 유무 및 헤이즈 구조물이 위치하는 투명기판상 면의 선택에 따른 컬러구조물의 광반사 스펙트럼을 정반사 성분과 산란광반사 성분을 구분하여 측정하고 도시한 그래프이다. 컬러구조물의 공진층으로는 실리카 유전체층과 은 입자층으로 구성된 단위층이 5층 반복되어 형성된 복합체층을 적용하였다. 유전체층의 두께를 5 nm 로 고정한 상태에서, 입자층의 공칭두께만 각기 1 nm, 1.5 nm, 2 nm로 변화시켜 가며 시편을 제작하였다. 미러층은 공진층 위에 100 nm 두께의 은 박막을 증착하여 사용하였고 미러층과 복합체층 사이에는 5 nm 두께의 실리카를 버퍼층으로 삽입하였다.
도 21(a)는 헤이즈 구조물(500)이 없는 컬러 구조물에서 정반사 성분을 측정한 그래프이고, 도 21(b)는 53% 정도의 헤이즈 펙터를 갖는 헤이즈 구조물(500)이 투명기판의 외부면에 형성된 구성(Conf. A)과 투명기판과 공진층 계면에 형성된 구성(Conf. B) 각각에 대해 컬러 구조물의 산란 광반사 성분을 측정한 그래프이다. 도 21(a)를 참조하면, 헤이즈 구조물(500)이 없는 컬러 구조물에서 반사되는 빛은 정반사 성분이 지배적이며 산란광반사 성분은 극히 미미(미도시)하게 나타난다. 따라서 정반사되는 각도에서 컬러 구조물을 관찰하여야 목적하는 색채가 선명하게 나타나고 정반사되는 각도에서 벗어나 시편을 관찰하게 되면 색상을 확인하기 어려울 정도로 어둡게 보이게 된다. 이는 심미적인 금속광택을 느끼게 하는 원인이기도 하지만 시야각 의존성이 높을 수 있다.
도 21(b)를 참조하면, 헤이즈 구조물(500)을 구비한 컬러 구조물에서 반사되는 빛은 도시된 바와 같이 산란광 반사성분의 비중이 크게 증가하여 나타나며, 전체적인 산란광 반사 스펙트럼 형상이 헤이즈 구조물을 구비하지 않은 시편에서 관찰되는 정반사 성분의 스펙트럼과 매우 유사한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 은 입자층의 공칭두께에 따른 공진광흡수 중심파장의 위치도 매우 유사한데, 이는 헤이즈 구조물을 구비한 상태에서 제작된 컬러 구조물의 경우에 복합체층의 구성이 동일하면 산란광 성분에 의해 시야각에 상관없이 헤이즈 구조물을 구비하지 않은 칼라 구조물과 유사한 색상을 관찰할 수 있음을 의미한다. 나아가, 헤이즈 구조물의 헤이즈 펙터를 조절함에 의해 산란광 대비 정반사 성분의 비를 제어할 수 있어 금속성 광택을 목적에 맞게 유광-반유광-매트질감 범위에서 인위적으로 제어하는 것이 가능해 진다.
또한, 동일한 조건에서 헤이즈 구조물이 도 7(b)로 도시된 바와 같이 투명기판과 공진층 계면에 형성된 구성(Conf. B)이 도 7(a)로 도시된 투명기판 외부면에 형성된 구성(Conf. A)에 비하여 산란광 반사성분이 높은 것으로 파악되며, 이것은 미러층(330)의 계면에 고저차가 형성된 것과, 공진층(230)도 헤이즈 구조물(500)에 상응하도록 형성된 것이 요인이 된 것으로 파악된다.
헤이즈 구조물(500)을 구비한 컬러구조물은 헤이즈 구조물(500)이 없는 컬러구조물에 비해 산란되는 광반사 성분이 증가하여 특정 정반사 각도 범위 내에서만 컬러 구조물을 관찰하여야 목적하는 색상이 발현되는 시야각 의존성이 낮아진다.
도 22(a)와 (b)는 도 21(a)와 (b)에 도시된 스펙트럼을 갖는 컬러구조물 시편들의 실물사진으로 표현되는 금속성 색상의 시야각 의존성을 확인할 수 있도록 광원과의 각도관계에 따라 도시된 도면이다. 각 도면에서 첫 번째 행은 헤이즈 구조물(500)이 형성되지 않은 컬러 구조물들이며, 두 번째 행은 도 7의 (a)로 도시된 실시예에 따른 헤이즈 구조물(500)이 형성된 컬러 구조물들이며, 세번째 행은 도 7의 (b)로 도시된 실시예에 따른 헤이즈 구조물(500)이 형성된 컬러 구조물들이다.
도 22(a)는 정반사가 이루어지는 상태를 도시한 도면이다. 헤이즈 구조물의 유무 및 구성과 상관없이 첫 번째행, 두 번째행, 그리고 세 번째 행에 배치된 컬러구조물들의 색상 자체는 거의 유사하게 표현되었음을 알 수 있다. 차이점은 광택의 정도이며, 헤이즈 구조물을 구비하지 않고 제작된 컬러구조물(첫 번째 행)이 거울면과 같은 금속 광택을 나타내는 반면 두 번째, 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물들은 헤이즈 구조에 의하여 일부 광이 산란되어 반유광 특성의 금속질감을 나타낸다는 점이다. 다만, 벽면에 도시된 글자는 도 22(a) 첫 번째 행에 놓인 시편들에만 투영되고, 다른 시편들에는 투영되지 않은 상태임을 유의하여야 한다.
또한, 두 번째 행에 배치된 컬러 구조물과 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물을 대비하면, 도 21(b)의 스펙트럼에서 알 수 있듯이 두 번째 행에 배치된 컬러 구조물(Conf. A)의 산란광반사 성분비가 상대적으로 낮아 금속성 광택효과가 조금 더 두드러지는 색감을 보여주고 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물(Conf. B)은 상대적으로 높은 산란광 반사 성분으로 인하여 조금 더 무광의 매트(matte)질감에 가까운 특성을 보인다.
도 22(b)는 정반사가 이루어지는 각에서 벗어나서 관찰한 상태를 도시한 도면이다. 첫 번째 행에 배치된 컬러 구조물들은 헤이즈 구조물(500)이 없으므로 산란광 성분이 낮다. 따라서, 정반사가 이루어지는 각도에서 벗어나서 관찰하면 산란되는 성분이 없어 색상 관찰이 용이하지 않고 어둡게 보이는 특징이 있다. 그러나, 두 번째, 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물들은 정반사가 이루어지는 각도에서 벗어나 관찰하여도 헤이즈 구조에 의한 산란광 성분이 관찰되어 정반사 조건에서 관찰되는 색상과 거의 유사한 색상을 경험할 수 있다.
두 번째 행에 배치된 컬러 구조물과 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물을 대비하면, 두 번째 행에 배치된 컬러 구조물의 산란광반사 성분이 상대적으로 낮고 정반사 성분이 높아 색상이 어둡게 관찰됨을 알 수 있다. 반면, 세 번째 행에 배치된 컬러 구조물은 비교적 높은 산란광 반사 성분에 의해 도 22(a)의 정반사 조건에서 관찰된 색상과 거울 동일한 색상을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 헤이즈 구조물(500)을 포함하지 않은 컬러 구조물은 거울면과 같은 뚜렷한 금속광택을 가지는 색채를 구현할 수 있으나, 표시되는 색채의 시야각 의존성이 높아 정반사가 이루어지는 각도 범위를 벗어나면 색채 관찰이 용이하지 않을 수 있다.
반면, 헤이즈 구조물(500)을 포함하여 비교적 높은 헤이즈 팩터를 가지도록 설계된 컬러 구조물은 광택 특성이 낮은 무광의 매트(matte) 질감 색채를 구현할 수 있으며, 산란광 반사 성분이 현저히 커지기 때문에 시야각 의존성이 낮아 넓은 범위에서 비교적 동일한 색채를 관찰할 수 있다.
헤이즈 구조물(500)을 포함하여 비교적 낮은 헤이즈 팩터를 가지도록 설계된 컬러 구조물은 헤이즈 팩터가 높은 경우에 비하여 금속성 광택이 더 많이 살아 있는 반유광의 금속질감 색채를 구현할 수 있으며, 이때 시야각 의존성은 유광조건과 무광조건의 중간정도에서 임의적으로 선택될 수 있다.
본 실시예에 의한 컬러 구조물은 단순한 재료조합으로 흡수하는 파장대역을 변화시켜 다양한 색을 표출할 수 있으며, 금속성의 광택을 발현하는 색채에서 무광에 가까운 색채까지 표현할 수 있다. 따라서, 휴대 전화, 휴대용 타블렛 등의 휴대용 단말 하우징, 창호 및 색유리에 사용하여 고급스런 색을 구현할 수 있다. 나아가, 투명 기판을 통하여 제공되는 광의 반사색을 조절하여 창호형 태양 전지의 내부반사색 제어 용도로의 응용도 가능하다.
상기에 기재되어 있음.

Claims (31)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 위치하고, 빛의 특정 파장에 공진하여 상기 빛의 상기 특정 파장 성분을 흡수하는 공진층(resonance layer) 및
    상기 공진층 상부에 위치하여 상기 빛을 반사하는 미러층(mirror layer)을 포함하는 컬러 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진층은,
    반도체 층(semiconductor layer)인 컬러 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진층은 상기 특정 파장에 반응하는 전자를 제공하는 제1 물질과, 상기 제1 물질의 상기 전자를 구속(confine)하는 제2 물질을 포함하는 복합체 층(composite layer)으로,
    상기 특정 파장은 상기 복합체 층의 물리적 특성에 의하여 결정되고,
    상기 제1 물질의 크기 및 상기 제2 물질의 크기 중 적어도 하나는 상기 특정 파장 보다 작은 컬러 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 물질은 금속 물질 및 반도체 물질 중 어느 하나이고,
    상기 제2 물질은 유전체 물질(dielectric material)인 컬러 구조물.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복합체 층은,
    입자(particle) 형태의 상기 제1 물질이 상기 제2 물질 내에 3차원적으로 분산되어 위치하는 맥스웰-가넷(Maxwell-Garnett) 구조를 가지고, 상기 입자의 직경은 상기 특정 파장에 비하여 작은 컬러 구조물.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복합체 층은,
    부정형(不定形)의 상기 제1 물질이 상기 제2 물질 내에 서로 연결되어 네트워크를 이루며 3차원적으로 분산되어 위치하는 브루그만(Bruggemann) 구조를 가지고, 상기 제1 물질의 크기는 상기 특정 파장에 비하여 작은 컬러 구조물.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복합체 층은,
    상기 제1 물질의 층과 상기 제2 물질의 층이 적층된 구조로, 상기 제1 물질의 층의 두께와 상기 제2 물질의 층의 두께 중 적어도 어느 하나는 상기 특정 파장에 비하여 작은 컬러 구조물.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제2 물질은 제2 물질층을 이루고, 상기 제1 물질은 불연속막으로 상기 제2 물질층 내에 동일 평면에 위치하되,
    상기 제2 물질층의 두께는 상기 불연속막 두께보다 큰 컬러 구조물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 불연속막은 상기 평면상 맥스웰-가넷 구조 및 브루그만 구조 중 어느 하나의 구조를 가지는 컬러 구조물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 불연속막의 두께 및 상기 제2 물질층의 두께 중 적어도 어느 하나는 상기 특정 파장에 비하여 작은 컬러 구조물.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복합체 층은 복수개가 적층된 컬러 구조물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 불연속막 사이의 간격은 30nm 이하인 컬러 구조물.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수개 적층된 복합체 층들 중 적어도 하나의 복합체 층에 포함된 상기 제1 물질 불연속막의 두께, 상기 제1 물질의 배치 구조, 상기 제1 물질을 이루는 물질, 상기 제2 물질층의 두께 및 상기 제2 물질층을 이루는 물질은 각각 다른 복합체 층에 포함된 상기 제1 물질 불연속막의 두께, 상기 제1 물질의 배치 구조, 상기 제1 물질을 이루는 물질, 상기 제2 물질층의 두께 및 상기 제2 물질층을 이루는 물질 중 어느 하나와 상이한 컬러 구조물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 구조물은 상기 공진층의 측면을 덮는 커버 패턴을 더 포함하는 컬러 구조물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 구조물은 상기 공진층과 상기 미러층 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 컬러 구조물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께는 30nm 이하인 컬러 구조물.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 구조물은,
    상기 투명 기판이 상기 공진층과 마주하는 면에 형성되어 상기 빛을 산란하는 헤이즈(haze) 구조를 더 포함하는 컬러 구조물.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 구조물은, 상기 투명 기판에 외부로 노출되도록 위치하여 상기 빛을 산란하는 헤이즈(haze) 구조를 더 포함하는 컬러 구조물.
  19. 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤이즈 구조는,
    엠보싱(embossing) 구조 및 불규칙적 요철 구조 중 어느 하나를 포함하는 컬러 구조물.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 헤이즈 구조는
    상기 엠보싱(embossing) 구조 및 불규칙적 요철 구조 중 어느 하나를 덮어 표면을 평탄화하는 평탄화 층을 더 포함하되,
    상기 평탄화 층의 굴절율은 상기 엠보싱 구조의 굴절율과 상이한 값을 가지는 컬러 구조물.
  21. 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤이즈 구조는, 정반사광과 산란광을 포함하는 전체 반사되는 광에 대한 상기 산란광의 비율로 정의되는 헤이즈 팩터(haze factor)의 값이 0.05 내지 0.99 중 어느 한 값을 가지는 컬러 구조물.
  22. 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤이즈 구조는 상기 투명 기판 중 일부 영역에 형성된 컬러 구조물.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 미러층은,
    두께 10nm 이상의 금속, 금속성 질화물, 금속성 탄화물, 이들의 화합물 및 이들의 복합물을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 컬러 구조물.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 금속은 Sn, Mg, Ag, Al 및 Au를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 및 합금에서 선택된 어느 하나를 포함하는 컬러 구조물.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 금속은 가시광 파장 대역에서 30% 내지 80%의 반사도를 가지는Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, In, Sn, Pb, Sb 및 Bi를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질 및 합금 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 컬러 구조물.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 금속성 질화물은 Ti-N, Al-N, Cr-N 및 Zr-N 중 어느 하나를 포함하며,
    상기 금속성 탄화물은 Ti-C, Cr-C, Fe-C, Co-C, Ni-C 및 Zr-C 중 어느 하나를 포함하는 컬러 구조물.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 공진층이 형성되는 유리 기판의 표면은 제1 영역과 제2 영역으로 나뉘고,
    상기 제1 영역에 포함된 상기 제1 물질 불연속막의 두께, 상기 제1 물질의 배치 구조, 상기 제1 물질을 이루는 물질, 상기 제2 물질층의 두께 및 상기 제2 물질층을 이루는 물질은 각각 상기 제2 영역에 포함된 상기 제1 물질 불연속막의 두께, 상기 제1 물질의 배치 구조, 상기 제1 물질을 이루는 물질, 상기 제2 물질층의 두께 및 상기 제2 물질층을 이루는 물질 중 적어도 어느 하나와 상이한 컬러 구조물.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 구조물은,
    단말의 하우징, 창호, 거울 및 태양 전지에 포함된 컬러 구조물.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 투명 기판은 복수의 영역으로 구획되되,
    상기 복수의 영역중 일 영역은 상기 빛이 투과하되,
    상기 복수의 영역 중 타 영역에 상기 공진층 및 상기 미러층이 위치하는 컬러 구조물.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 일 영역은 상기 미리 정해진 투과율로 상기 빛을 투과하는 영역인 컬러 구조물.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 공진층(resonance layer)의 두께는 200nm 이하인 컬러 구조물.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116018534A (zh) * 2020-07-16 2023-04-25 Lg电子株式会社 可变颜色结构和电子装置
KR102477303B1 (ko) * 2020-09-29 2022-12-13 한국유리공업 주식회사 다층 박막 코팅이 구비된 투명 기재 및 그 제조 방법
KR102562139B1 (ko) * 2021-01-25 2023-07-31 한밭대학교 산학협력단 색상 조절이 가능한 칼코겐화물-금속산화물 나노복합체 필름과 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 투명 광전 소자
DE102021200675A1 (de) * 2021-01-26 2022-07-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Interferenzfilter, Verfahren zu seiner Herstellung und seiner Verwendung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006208057A (ja) * 2005-01-25 2006-08-10 Taiyo Yuden Co Ltd プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法
KR100961488B1 (ko) * 2007-12-20 2010-06-08 한국과학기술연구원 금속 나노복합체 코팅층 및 이의 형성방법
KR20110131719A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 (주)에이엠피테크놀로지 금속 나노입자들을 이용하여 칼라를 제어하는 광학 윈도우 및 그 제조 방법
KR101499487B1 (ko) * 2013-10-31 2015-03-18 한국과학기술연구원 플라즈모닉 나노 칼라 코팅층 및 이의 형성 방법
KR101764104B1 (ko) * 2015-10-21 2017-08-16 주식회사 상보 가변피치를 갖는 복합 광학 시트

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2969388B1 (fr) * 2010-12-17 2013-08-23 Commissariat Energie Atomique Dispositif de photodetection.
JP2013086469A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Shin Etsu Polymer Co Ltd 電波透過性装飾部材およびその製造方法
KR101874282B1 (ko) * 2018-01-08 2018-07-03 주식회사 엘지화학 장식 부재 및 이의 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006208057A (ja) * 2005-01-25 2006-08-10 Taiyo Yuden Co Ltd プラズモン共鳴構造体，その制御方法，金属ドメイン製造方法
KR100961488B1 (ko) * 2007-12-20 2010-06-08 한국과학기술연구원 금속 나노복합체 코팅층 및 이의 형성방법
KR20110131719A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 (주)에이엠피테크놀로지 금속 나노입자들을 이용하여 칼라를 제어하는 광학 윈도우 및 그 제조 방법
KR101499487B1 (ko) * 2013-10-31 2015-03-18 한국과학기술연구원 플라즈모닉 나노 칼라 코팅층 및 이의 형성 방법
KR101764104B1 (ko) * 2015-10-21 2017-08-16 주식회사 상보 가변피치를 갖는 복합 광학 시트

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