우수한 반사방지막을 얻기 위하여 코팅 층의 구조를 나노입자구조로 만들어 코팅 층에 입사하는 빛을 분산시키거나, 코팅 층의 매질을 다양하게 선택하여 굴절률을 제어하여 반사율을 낮추는 기술이 제안되고 있다. 본 논문에서는 코팅 층의 굴절률 분포를 변화시켜 우수한 반사방지막을 얻는 방법 중 기존논문에서 제시되었던 5차 함수의 굴절률 분포와 제안하는 구배형 굴절률 분포의 반사방지막 특성을 비교하였다. 분석에 사용된 반사방지막 구조는 각각 3, 6, 9층 구조로서 총 두께 180 nm 이고, 입사파의 파장 범위는 300 nm ~ 1100 nm 이다. 각 각 서로 다른 층수에서 반사율을 비교하기 위하여 단층인 경우의 전달매트릭스를 구하고 3, 6, 9층의 구조에서의 반사율을 구하였다. 그 결과 3층의 구조 일 때 제안하는 구배형 굴절률 분포가 약 600 nm ~ 1100 nm 파장 범위에서 5차 함수의 굴절률 분포보다 더 낮은 반사율을 보였다. 향후 이 결과는 가시광선(적색)과 근적외선 영역에 사용되는 광소자 및 광 필터에 응용 가능하리라 판단된다.
우수한 반사방지막을 얻기 위하여 코팅 층의 구조를 나노입자구조로 만들어 코팅 층에 입사하는 빛을 분산시키거나, 코팅 층의 매질을 다양하게 선택하여 굴절률을 제어하여 반사율을 낮추는 기술이 제안되고 있다. 본 논문에서는 코팅 층의 굴절률 분포를 변화시켜 우수한 반사방지막을 얻는 방법 중 기존논문에서 제시되었던 5차 함수의 굴절률 분포와 제안하는 구배형 굴절률 분포의 반사방지막 특성을 비교하였다. 분석에 사용된 반사방지막 구조는 각각 3, 6, 9층 구조로서 총 두께 180 nm 이고, 입사파의 파장 범위는 300 nm ~ 1100 nm 이다. 각 각 서로 다른 층수에서 반사율을 비교하기 위하여 단층인 경우의 전달매트릭스를 구하고 3, 6, 9층의 구조에서의 반사율을 구하였다. 그 결과 3층의 구조 일 때 제안하는 구배형 굴절률 분포가 약 600 nm ~ 1100 nm 파장 범위에서 5차 함수의 굴절률 분포보다 더 낮은 반사율을 보였다. 향후 이 결과는 가시광선(적색)과 근적외선 영역에 사용되는 광소자 및 광 필터에 응용 가능하리라 판단된다.
The various techniques proposed previously to obtain a good antireflection(AR) coating induce a scattering of incident light by nanoparticles or control the refractive index by using different materials. This paper compares a suggested graded index profile with the quintic index profile previously s...
The various techniques proposed previously to obtain a good antireflection(AR) coating induce a scattering of incident light by nanoparticles or control the refractive index by using different materials. This paper compares a suggested graded index profile with the quintic index profile previously suggested for producing an index profile that gives good performance from an AR coating. We assume the structure of the AR coating has three, six, and nine layers with 180 nm total thickness. The wavelength of incident light ranges from 300 nm to 1100 nm. We use the transfer matrix theory for a single layer to obtain the reflectivity of three, six, and nine layers. The reflectivity of two different index profiles with three, six, and nine layers is compared. As a result, the suggested graded index profile shows lower reflectivity than the quintic index profile with three layers, especially in the wavelength range from about 600 nm to 1100 nm. Therefore, we expect that these results can be applied to optical devices and filters in the range from visible(red) to near infrared.
The various techniques proposed previously to obtain a good antireflection(AR) coating induce a scattering of incident light by nanoparticles or control the refractive index by using different materials. This paper compares a suggested graded index profile with the quintic index profile previously suggested for producing an index profile that gives good performance from an AR coating. We assume the structure of the AR coating has three, six, and nine layers with 180 nm total thickness. The wavelength of incident light ranges from 300 nm to 1100 nm. We use the transfer matrix theory for a single layer to obtain the reflectivity of three, six, and nine layers. The reflectivity of two different index profiles with three, six, and nine layers is compared. As a result, the suggested graded index profile shows lower reflectivity than the quintic index profile with three layers, especially in the wavelength range from about 600 nm to 1100 nm. Therefore, we expect that these results can be applied to optical devices and filters in the range from visible(red) to near infrared.
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문제 정의
본 연구에서는 기존의 연구에서 우수한 반사율 특성을 보인 5차 함수 굴절률 분포와 구배형 굴절률 분포에서의 반사율을 분석하고 비교하고자 한다. 기존의 5차 함수 굴절률 분포n5(d)는
가설 설정
영역 1은 공기 이며 굴절률 n0이고, 영역 2는 반사방지막으로 굴절률 nc 이고 단층 또는 다층으로 구성 되고 총 두께가 t 이며, 영역 3은 기판이고 굴절률 ns 이다. 이때 입사파는 반사방지막 층에 수직으로 입사한다고 가정한다.
4이다. 즉, ni 는 첫 번째 층의 굴절률을 나타내고 nf 는 마지막 층의 굴절률을 나타내므로 각 코팅 층의 굴절률 크기는 기판 쪽으로 갈수록 증가한다고 가정한다.
반사방지막을 9층의 구조로 구성하고 총 두께는 180nm 이고, 각층의 두께는 같다고 가정한다. 이때 반사방지막으로 입사하는 파장의 범위는 300 nm ∼ 1100 nm이고 반사방지막이 5차 와 구배형 굴절률 분포일 때의 반사율을 각 각 비교하였다.
반사방지막을 6층의 구조로 구성하고 앞 절의 9층의 경우와 마찬가지로 총 두께는 180 nm 이고, 각층의 두께는 같다고 가정한다. 구배형 굴절률 분포의 반사율을 변화시키기 위하여 굴절률 분포 변화인자 K 의 값을 0 < K ≤ 10 범위 내에서 변화시키면서 반사율 특성을 분석 및 조사하였다.
반사방지막을 3층의 구조로 구성하고 앞 절의 6층의 경우와 마찬가지로 총 두께는 180 nm 이고, 각층의 두께는 같다고 가정한다. 구배형 굴절률 분포의 반사율을 변화시키기 위하여 굴절률 분포 변화인자 K 의 값을 0 < K ≤ 10 범위 내에서 변화시키면서 반사율 특성을 분석 및 조사하였다.
제안 방법
본 논문에서는 코팅 층의 구조를 3층, 6층, 9층으로 가정하고 입사파의 파장 범위를 300 nm ∼ 1100 nm 로 확장하여 5차 함수 굴절률 분포와 구배형 굴절률 분포 일 때의 반사율을 시뮬레이션을 통하여 비교 및 분석하였다.
제안된 구배형 굴절률 분포는 보편적인 구배형 광섬유(graded index optical fiber)의 코어와 클래딩의 굴절률 분포를 따른다. 구배형 광섬유에서 코어와 클래딩 사이의 굴절률 분포의 식은
이때 반사방지막으로 입사하는 파장의 범위는 300 nm ∼ 1100 nm이고 반사방지막이 5차 와 구배형 굴절률 분포일 때의 반사율을 각 각 비교하였다.
구배형 굴절률 분포의 반사율을 변화시키기 위하여 굴절률 분포 변화인자 K 의 값을 0 < K ≤ 10 범위 내에서 변화시키면서 반사율 특성을 분석 및 조사하였다.
2 까지 변화를 시켜도 구배형 굴절률 분포의 반사율은 5차 함수 굴절률 분포 보다 커서 반사방지막 특성이 다소 떨어짐을 확인하였다. 따라서 9층 구조에서 5차 함수굴절률 분포 보다 향상된 반사율 특성의 존재를 확인하기 위하여 K 의 값을 1.2 보다 크게 변화시키면서 반사율 특성을 조사하였다. 그림 3은 K의 값이 1.
무코팅과 단층의 구조에 비해서 5차 및 구배형 굴절률 분포에서 반사율이 9층의 경우와 마찬가지로 적다는 것을 알 수 있다. 6층 구조에서 5차 함수 굴절률 분포 보다 향상된 반사율 특성의 존재를 확인하기 위하여 K 의 값을 1.2 보다 크게 변화시키면서 반사율 특성을 조사하였다. 그림 6은 K 의 값이 1.
우수한 반사방지막을 얻기 위하여 다양한 기술이 제안되고 있는데 실례로서 빛의 분산효과를 주기 위하여 코팅의 외형적인 모양을 변형시키거나, 코팅 층의 굴절률을 제어하는 방법 등이 적용되고 있다. 본 논문에서는 코팅 층의 굴절률을 제어하기 위한 방법 중 구배형 광섬유의 경우를 응용한 구배형 굴절률 분포를 제안하였고, 3, 6, 9층의 다층의 구조에서 기존의 우수한 특성을 갖는 5차 함수 굴절률 분포 경우와 반사율을 비교 및 분석하였다. 그 결과로서 제안하는 구배형 굴절률 분포가 3층의 구조에서 기존의 5차 함수 굴절률 분포보다 약 600nm ~ 1100 nm 에서 더 낮은 반사율을 보이는 결과를 얻었다.
성능/효과
또한 기존의 우수한 반사율 특성을 보이는 5차 함수 굴절률 분포와 비교되는 구배형굴절률 분포가 제안되었고 그 결과로 구배형 굴절률 분포가 700 nm ∼ 800 nm 에서 5차 함수 굴절률 분포 보다 더 낮은 반사율 분포를 갖는다는 결과를 보였다[5].
각각의 경우 반사율을 비교해보면 무코팅 과 단층의 구조에 비해서 5차 및 구배형 굴절률 분포의 반사율이 적다는 것을 알 수 있다. 또한 K 의 값을 0 에서 1.2 까지 변화를 시켜도 구배형 굴절률 분포의 반사율은 5차 함수 굴절률 분포 보다 커서 반사방지막 특성이 다소 떨어짐을 확인하였다. 따라서 9층 구조에서 5차 함수굴절률 분포 보다 향상된 반사율 특성의 존재를 확인하기 위하여 K 의 값을 1.
즉, 9층 구조에서 K 의값이 1.7 에 가까워질 때 약 500 nm ∼ 1100 nm 파장범위에서 구배형 굴절률 분포의 반사율이 감소하다가 K의 값을 1.7 에서 10 까지 변화시키면 구배형 굴절률 분포의 반사율이 점차적으로 커져서 5차 함수 굴절률 분포에 비해서 반사방지막 특성이 나빠지는 것을 확인 할 수 있었다.
그리고 K의 값을 1.7 으로 증가시키면 그림 9에서 보듯이 본 연구에서 제안하는 구배형 굴절률 분포의 반사율이 약 600nm ∼ 1100 nm 에서 기존의 5차 함수 굴절률 분포의 반사율 보다 낮은 반사율을 보인다는 사실을 확인하였다.
그리고 K 의 값을 5 이상 10 까지 증가시켜도 가시광선(적색)과 근적외선 영역에서의 반사율 특성은 거의 변화하지 않고 오히려 300 nm ∼ 500 nm 파장대의 반사율이 커져서 반사방지막의 성능이 떨어진다는 것을 알 수 있었다.
즉, 3층 구조에서는 K 의 값이 1.2에서 5 사이에서는 가시광선과 근적외선 영역(약 600nm ∼ 1100 nm) 에서 5차 함수 굴절률 분포인 경우보다 구배형 굴절률 분포가 더 낮은 반사율을 보였다.
그림 10과 11에서 얻은 중요한 결과는 K 의 값이 5에서 10으로 증가하면 약 600 nm ∼ 1100 nm 에서 더 낮은 반사율을 보이나, K 의 값을 10 이상으로 증가시켜도 더 이상 반사율이 낮아지지 않고 오히려 300 nm ∼ 500 nm 파장대의 반사율이 커진다는 사실을 확인하였다.
그림 8에서 무코팅 과 단층의 구조에 비해서 5차 및 구배형 굴절률 분포의 반사율이 6층의 경우와 마찬가지로 적다는 것을 알 수 있다. 또한 K 의 값이 1.2 일 때 5차 함수굴절률 분포와 구배형 굴절률 분포의 경우의 반사율이 거의 일치하는 흥미로운 결과를 확인하였다. 그리고 K의 값을 1.
본 논문에서는 코팅 층의 굴절률을 제어하기 위한 방법 중 구배형 광섬유의 경우를 응용한 구배형 굴절률 분포를 제안하였고, 3, 6, 9층의 다층의 구조에서 기존의 우수한 특성을 갖는 5차 함수 굴절률 분포 경우와 반사율을 비교 및 분석하였다. 그 결과로서 제안하는 구배형 굴절률 분포가 3층의 구조에서 기존의 5차 함수 굴절률 분포보다 약 600nm ~ 1100 nm 에서 더 낮은 반사율을 보이는 결과를 얻었다. 따라서 향후 이 결과는 가시광선(적색)과 근적외선 영역에서 사용되는 광소자 및 광 필터에 적용 가능하리라 판단된다.
후속연구
그 결과로서 제안하는 구배형 굴절률 분포가 3층의 구조에서 기존의 5차 함수 굴절률 분포보다 약 600nm ~ 1100 nm 에서 더 낮은 반사율을 보이는 결과를 얻었다. 따라서 향후 이 결과는 가시광선(적색)과 근적외선 영역에서 사용되는 광소자 및 광 필터에 적용 가능하리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반사방지막의 성능은 무엇에 의해 결정되는가?
반사방지막(Antireflection(AR) coating)의 성능은 넓은 파장대에 걸쳐서 낮은 반사율의 획득 여부에 의해서 결정된다. 반사방지막의 성능을 향상시키기 위하여 다양한 방법이 제안되고 있으며 실례로서 실리콘나이트라이드 층 위에 실리콘 또는 금속 나노입자를 입혀서 입사파가 나노입자 의해서 분산(scattering) 되는 효과를 발생시켜 낮은 반사율를 얻거나[1], 실리콘 기판위에 SiO2 나노막대를 배열시켜 낮은 반사율을 얻는다[2].
우수한 반사방지막을 얻기 위해 제안되는 방법으로 무엇이 있는가?
우수한 반사방지막을 얻기 위하여 다양한 기술이 제안되고 있는데 실례로서 빛의 분산효과를 주기 위하여 코팅의 외형적인 모양을 변형시키거나, 코팅 층의 굴절률을 제어하는 방법 등이 적용되고 있다. 본 논문에서는 코팅 층의 굴절률을 제어하기 위한 방법 중 구배형 광섬유의 경우를 응용한 구배형 굴절률 분포를 제안하였고, 3, 6, 9층의 다층의 구조에서 기존의 우수한 특성을 갖는 5차 함수 굴절률 분포 경우와 반사율을 비교 및 분석하였다.
구배형 광섬유의 경우를 응용한 구배형 굴절률 분포를 적용한 반사방지막은 어디에 적용이 가능할 것으로 예상되는가?
그 결과로서 제안하는 구배형 굴절률 분포가 3층의 구조에서 기존의 5차 함수 굴절률 분포보다 약 600nm ~ 1100 nm 에서 더 낮은 반사율을 보이는 결과를 얻었다. 따라서 향후 이 결과는 가시광선(적색)과 근적외선 영역에서 사용되는 광소자 및 광 필터에 적용 가능하리라 판단된다.
참고문헌 (7)
M. Beye, A. S. Maiga, F. Ndiaye, "The Effect of the SiN Optical Constants on the Performances of a New Antireflection Coating Concept", 2013 IEEE Conference on Clean Energy and Technology(CEAT), pp. 373-378, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/CEAT.2013.6775659
J. Q. Xi, Jong Kyu Kim, E. F. Schubert, Dexian Ye, T. M. Lu, and Sha주-Yu Lin, " Very Low-refractive-index Optical Thin Films Consisting of an Array of $SiO_2$ Nanorod", Optics Letters, vol. 31, no. 5, pp. 601-603, Mar. 2006. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.31.000601
M. Kuo, D. J. Poxson, et al., "Realization of a Near-perfect Antireflection Coating for Silicon Solar Energy Utilization", Optics Letters, vol. 33, no. 21, pp. 2527-2529, Nov. 2008. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.8.000584
C. B. Kim, "The Study on the Antireflection Coating Design Scheme According to the Index Profile in the Thin-Film Silicon Solar Cell", Journal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 13, no. 9, pp. 4139-4145, Sep. 2012. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.9.4139
Joseph C. Palais, "Fiber Optic Communications", pp. 125-126, Prentice Hall, 5th edition, 2002.
J. W. Lim, S. J. Yun, H. T. Kim, "Optical AlTiO Films Grown by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47, pp. 6934-6937, Aug. 2008. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.47.6934
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