본 논문에서는 은-산화막-은 구조의 박막형 에탈론 기반의 투과형 컬러필터를 제안하고 구현하였다. 제안된 박막형 소자는 전자빔 리소그래피 방식에 비해 넓은 유효면적을 갖고 적외선 대역에서의 차단 특성이 우수하다. 또한 금속의 분산특성 및 두께 그리고 기판의 영향 등을 고려하기 위하여 FDTD 방법을 도입함으로써 제안된 소자를 설계 및 분석하였다. 설계된 청색, 녹색, 적색 필터 소자의 산화막 캐비티 두께는 각각 100, 130, 160 nm였으며, 은 박막의 두께는 25 nm였다. 얻어진 측정결과를 살펴보면, 중심파장은 각각 480, 555, 650 nm, 대역폭은 각각 약 120, 100, 120 nm였으며 투과율은 약 60%였다. 그리고 빔의 입사각에 대한 상대적인 투과율 변화율은 ~1%/degree 였다.
본 논문에서는 은-산화막-은 구조의 박막형 에탈론 기반의 투과형 컬러필터를 제안하고 구현하였다. 제안된 박막형 소자는 전자빔 리소그래피 방식에 비해 넓은 유효면적을 갖고 적외선 대역에서의 차단 특성이 우수하다. 또한 금속의 분산특성 및 두께 그리고 기판의 영향 등을 고려하기 위하여 FDTD 방법을 도입함으로써 제안된 소자를 설계 및 분석하였다. 설계된 청색, 녹색, 적색 필터 소자의 산화막 캐비티 두께는 각각 100, 130, 160 nm였으며, 은 박막의 두께는 25 nm였다. 얻어진 측정결과를 살펴보면, 중심파장은 각각 480, 555, 650 nm, 대역폭은 각각 약 120, 100, 120 nm였으며 투과율은 약 60%였다. 그리고 빔의 입사각에 대한 상대적인 투과율 변화율은 ~1%/degree 였다.
A transmission type color filter based on a thin film Ag-$SiO_2$-Ag etalon was proposed and realized in a quartz substrate. The device could acquire infrared suppressed transmission and wide effective area compared to costly e-beam lithography and laser interference lithography. The FDTD ...
A transmission type color filter based on a thin film Ag-$SiO_2$-Ag etalon was proposed and realized in a quartz substrate. The device could acquire infrared suppressed transmission and wide effective area compared to costly e-beam lithography and laser interference lithography. The FDTD method was introduced to take into account the effect of the dispersion characteristics of the silver metal and the thickness thereof. Three different color filters were devised: The cavity length for the red, green and blue filters were 160 nm, 130 nm, and 100 nm respectively, with the metal layer unchanged at 25 nm. The observed center wavelengths were measured at 650 nm, 555 nm, and 480 nm for the red, green, and blue devices; the corresponding bandwidths were about 120 nm, 100 nm, and 120 nm; and the peak transmission for all was ~60%. Finally the relative transmission was measured to decline with the angle of the incident beam with the rate of 1%/degree.
A transmission type color filter based on a thin film Ag-$SiO_2$-Ag etalon was proposed and realized in a quartz substrate. The device could acquire infrared suppressed transmission and wide effective area compared to costly e-beam lithography and laser interference lithography. The FDTD method was introduced to take into account the effect of the dispersion characteristics of the silver metal and the thickness thereof. Three different color filters were devised: The cavity length for the red, green and blue filters were 160 nm, 130 nm, and 100 nm respectively, with the metal layer unchanged at 25 nm. The observed center wavelengths were measured at 650 nm, 555 nm, and 480 nm for the red, green, and blue devices; the corresponding bandwidths were about 120 nm, 100 nm, and 120 nm; and the peak transmission for all was ~60%. Finally the relative transmission was measured to decline with the angle of the incident beam with the rate of 1%/degree.
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문제 정의
본 논문에서는 간단한 구조이면서 대면적 구현에 용이한 에탈론 기반의 투과형 컬러필터를 구현하였다. 에탈론의 금속 반사층의 분산특성 및 두께 그리고 기판의 영향 등을 고려하여 제안된 소자의 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 박막형 에탈론 구조 기반의 컬러필터 구현을 목표로 하며, 제안된 소자의 구조는 그림 1에 나타나 있다. 이 소자는 가시광선 대역에서 균일한 분산과 저손실 특성을 갖는 쿼츠(quartz) 기판 위에 형성되며, 핵심인 공진용 캐비티는 한 쌍의 은 금속 반사층 사이에 집적된 산화막에 의해 얻어진다.
그 이유를 그림 5(b)의 계산 결과로부터 확인할 수 있는데 10%는 에탈론 필터의 반사에 의해서 나머지 30%는 금속 반사층의 흡수 때문인 것으로 예상되어 진다 [13, 14]. 이러한 에탈론 필터의 금속 반사층이 필터 특성에 미치는 다른 영향을 조사하였다. 금속 반사층의 두께 변화에 따른 대역폭 및 투과율 변화를 계산하였고 그 결과가 그림 6에 도시되어 있다.
또한, 구조물의 특성상 높은 투과율을 얻을 수 있었으며 캐비티의 두께 변화만으로 중심파장을 용이하게 변화시킬 수 있었다. 이러한 특성을 바탕으로 본 논문에서는 제작된 소자의 기본적인 전달 특성 그리고 빔의 입사각이 전달특성에 미치는 영향 등을 조사하였다.
제안 방법
4" 쿼츠 기판 위에 전자빔 증착 방법을 이용하여 두께 25 nm 의 은 박막을 형성하고, 이 위에 PECVD(plasma enhanced vapor deposition) 방식으로 각각 100, 130, 160 nm의 서로 다른 두께를 갖는 산화막을 형성하였다.
이 때 은의 분산특성은 그림 2에 도시된 바와 같은 Lorentz-Drude 모델로부터 얻어진 값을 적용하였다 [12]. 그리고 쿼츠 기판의 굴절률은 산화막의 분산특성으로 적용하였고, 은 박막의 두께는 가시광선 대역에서 높은 투과율을 고려하여 25 nm로 정하였다 [13].
다음으로 제작된 필터가 실제 응용을 고려하여 이상적인 평행빔이 아닌 입사각의 변화에 따른 필터의 전달특성을 관찰하였다. 그림 7에는 필터가 빔이 진행하는 방향(z)에 대하여 입사각 Θ의 변화에 따른 필터의 투과율 변화가 도시되어 있다.
에탈론의 금속 반사층의 분산특성 및 두께 그리고 기판의 영향 등을 고려하여 제안된 소자의 특성을 분석하였다. 또한, 실질적 으로 빔의 입사각에 따른 필터의 광 응답 특성 변화를 조사하였다.
본 논문에서는 금속 반사층(Ag) 사이에 산화막(SiO2) 캐비티(Cavity)가 형성된 박막형 에탈론(Etalon) 구조를 도입하여 청색, 녹색, 적색 세 가지 투과형 컬러필터를 제안하고 구현하였다. 이 소자는 기존의 다른 나노 구조물 형태의 컬러필터에 비해 구조가 간단하고 웨이퍼 스케일로 제작되기 때문에 유효 면적이 넓은 특성을 가진다.
본 논문에서는 간단한 구조이면서 대면적 구현에 용이한 에탈론 기반의 투과형 컬러필터를 구현하였다. 에탈론의 금속 반사층의 분산특성 및 두께 그리고 기판의 영향 등을 고려하여 제안된 소자의 특성을 분석하였다. 또한, 실질적 으로 빔의 입사각에 따른 필터의 광 응답 특성 변화를 조사하였다.
그러므로 실제적으로 보다 정확한 에탈론의 전달특성을 얻기 위해서는 금속의 유한한 두께와 분산특성 및 기판의 영향 등을 모두 고려해야 한다. 이를 목적으로 본 논문에서는 FDTD 방법 기반의 사용화된 툴인 OptiFDTD(캐나다 Optiwave)을 도입하여 금속의 두께와 분산특성을 모두 고려하여 제안된 소자의 특성을 분석하였다. 이 때 은의 분산특성은 그림 2에 도시된 바와 같은 Lorentz-Drude 모델로부터 얻어진 값을 적용하였다 [12].
제작된 필터의 특성을 측정하기 위하여 소자를 스테이지에 장착시키고 난 후, 할로겐 램프(Ocean Optics, 모델 LS-1)에서 나오는 빔을 소자에 수직으로 조사하고 스펙트럼 분석기(Ocean optics, 모델 USB 4000-VIS-NIR)를 사용하여 출력 빔을 검출하였다. 측정된 소자의 전달특성과 컬러 이미지가 그림 5(a)에 나타나 있다.
이론/모형
이를 목적으로 본 논문에서는 FDTD 방법 기반의 사용화된 툴인 OptiFDTD(캐나다 Optiwave)을 도입하여 금속의 두께와 분산특성을 모두 고려하여 제안된 소자의 특성을 분석하였다. 이 때 은의 분산특성은 그림 2에 도시된 바와 같은 Lorentz-Drude 모델로부터 얻어진 값을 적용하였다 [12]. 그리고 쿼츠 기판의 굴절률은 산화막의 분산특성으로 적용하였고, 은 박막의 두께는 가시광선 대역에서 높은 투과율을 고려하여 25 nm로 정하였다 [13].
성능/효과
측정된 소자의 전달특성과 컬러 이미지가 그림 5(a)에 나타나 있다. 각 소자 Dev B, Dev G, Dev R에 대하여 예상대로 적절한 청색, 녹색, 적색 대역의 컬러필터 특성을 보였다. 이들의 중심파장은 각각 480, 555, 650 nm 이며, 대역폭은 각각 약 120, 100, 120 nm이고 최대 투과효율은 약 60%였다.
이 소자는 기존의 다른 나노 구조물 형태의 컬러필터에 비해 구조가 간단하고 웨이퍼 스케일로 제작되기 때문에 유효 면적이 넓은 특성을 가진다. 그리고 적외선 대역에서의 우수한 차단 특성도 확인할 수 있었다. 또한, 구조물의 특성상 높은 투과율을 얻을 수 있었으며 캐비티의 두께 변화만으로 중심파장을 용이하게 변화시킬 수 있었다.
이들의 중심파장은 각각 480, 555, 650 nm 이며, 대역폭은 각각 약 120, 100, 120 nm이고 최대 투과효율은 약 60%였다. 그리고 적외선 대역의 투과율을 10%이하로 얻을 수 있었으며 전반적으로 이론적인 계산 결과와 비교 하였을 때 비교적 유사한 특성을 얻을 수 있었다.
금속 반사층의 두께 변화에 따른 대역폭 및 투과율 변화를 계산하였고 그 결과가 그림 6에 도시되어 있다. 금속 반사층의 두께(t)가 20 nm에서 35 nm로 증가함에 따라 투과율은 약 25% 감소하지만 대역폭은 132 nm에서 48 nm로 대폭 감소하여 롤오프 (roll-off) 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이 실험 결과로부터 금속 두께에 따라 투과율과 대역폭 간의 trade-off가 존재함을 확인할 수 있었다 [14].
그리고 적외선 대역에서의 우수한 차단 특성도 확인할 수 있었다. 또한, 구조물의 특성상 높은 투과율을 얻을 수 있었으며 캐비티의 두께 변화만으로 중심파장을 용이하게 변화시킬 수 있었다. 이러한 특성을 바탕으로 본 논문에서는 제작된 소자의 기본적인 전달 특성 그리고 빔의 입사각이 전달특성에 미치는 영향 등을 조사하였다.
예상대로 빔이 소자에 수직으로 입사할 경우 (θ=0ο ) 투과 효율은 최대였으며, 입사각이 증가함에 따라 점진적으로 감소하였다.
이들의 중심파장은 각각 460, 560, 650 nm로 청색(Dev B), 녹색(Dev G), 적색(Dev R) 필터로 각각 사용될 수 있음을알 수 있었다. 각 컬러필터의 대역폭은 130, 115, 110 nm이고, 최대 투과효율은 약 60%였다.
입사각이 0°에서 12°까지 증가할 때 ~1%/degree로 투과율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컬러필터는 주로 어디에 사용되어 왔나?
가시광선 대역의 특정 색을 선택하는데 사용되는 컬러필터는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서, 액정 디스플레이 소자, 유무기 발광 다이오드 소자 등을 구현하는데 널리 사용되어 왔다 [1-3]. 이 필터는 주로 스핀 코팅된 유기박막 형태로 상용화 되었으나, 최근에는 공정 단순화 등을 목적으로 전자빔 및 레이저 간섭 리소그래피(lithography) 방법에 의해 형성된 광파장 이하의 실리콘 및 금속 격자 구조가 시도되어 왔다 [4-6].
본 연구에서 투과형 컬러필터를 구현하기 위해 제안된 소자는 어떤 특성을 가지는가?
본 논문에서는 금속 반사층(Ag) 사이에 산화막(SiO2) 캐비티(Cavity)가 형성된 박막형 에탈론(Etalon) 구조를 도입하여 청색, 녹색, 적색 세 가지 투과형 컬러필터를 제안하고 구현하였다. 이 소자는 기존의 다른 나노 구조물 형태의 컬러필터에 비해 구조가 간단하고 웨이퍼 스케일로 제작되기 때문에 유효 면적이 넓은 특성을 가진다. 그리고 적외선 대역에서의 우수한 차단 특성도 확인할 수 있었다. 또한, 구조물의 특성상 높은 투과율을 얻을 수 있었으며 캐비티의 두께 변화만으로 중심파장을 용이하게 변화시킬 수 있었다. 이러한 특성을 바탕으로 본 논문에서는 제작된 소자의 기본적인 전달 특성 그리고 빔의 입사각이 전달특성에 미치는 영향 등을 조사하였다.
다층 박막형 컬러필터의 단점은?
또한, CMOS 공정을 이용하여 굴절률이 서로 다른두 개의 유전체 물질이 주기적으로 배열된 광자결정 구조에 결함층(defect layer)을 도입한 컬러필터가 보고되었다 [7-10]. 이러한 다층 박막형 컬러필터는 투과효율이 높은 장점이 있으나 고도의 증착 기술이 요구되며, 특히 700 nm 이상 파장 대역의 차단 특성이 부족하여 적외선 차단용 필터를 추가로 장착해야 하는 문제가 있다 [9].
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