KR101826740B1 - 다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 음향광학 소자는 제 1 재료로 이루어진 제 1 층, 제 4 재료로 이루어진 제 3 층, 및 서로 유전율이 다른 제 2 재료와 제 3 재료가 교호하여 배치된 제 2 층을 포함하는 다층 나노 구조의 음향광학 매질을 포함할 수 있다. 제 1 층과 제 3 층은 서로 마주하여 배치되며, 제 2 층은 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치될 수 있다. 제 1 내지 제 4 재료는, 광의 증폭이 가능한 이득 특성, 음향광학 효과를 갖는 음향광학 특성, 및 유전율의 실수부가 음(-)인 특성 중에서 적어도 하나의 특성을 갖는 재료들 및 유전체의 조합을 포함할 수 있다. 개시된 실시예들에 따르면, 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은 표면 플라즈몬 효과로 인해 강한 비등방 굴절률을 가질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 등에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금속과 유전체 등으로 이루어진 다층 나노 구조의 음향광학 매질을 이용하여 출력광의 회절 각도 범위를 증가시키거나 회절 각도 특성을 조절할 수 있는 음향광학 소자 및 이를 이용한 광 스캐너, 광 변조기, 디스플레이 장치 등에 관한 것이다.
음향광학 효과(acousto-optic effect)란 음파나 초음파로 매질(medium)의 밀함과 소함 정도를 변화시킴으로써 매질 내에서 빛의 굴절률이 주기적으로 변화하는 효과이다. 이러한 음향광학 효과로 인해 매질은 위상 격자로서 작용할 수 있으므로, 상기 매질에 입사하는 빛을 회절시킬 수 있다. 또한, 이러한 음향광학 효과를 갖는 매질을 통상적으로 음향광학 매질이라고 부른다. 음향광학 매질에 의한 회절광의 강도와 회절각은 각각 음파의 강도와 주파수에 따라서 변화하는 성질이 있다. 따라서, 상술한 성질을 갖는 음향광학 매질의 표면에, 예를 들어, 초음파 발생기와 같은 음파 발생기를 장착한 구조의 음향광학 소자는 빛을 진폭 변조하는 광 변조기 또는 빛을 편향시키는 광 스캐너 등에서 다양하게 응용될 수 있다.
그런데, 기존의 자연계에 존재하는 음향광학 매질을 그대로 이용한 음향광학 소자들은 음향광학 매질의 제한된 광학적 비등방성 및 음향광학 변환율에 의하여 출력광의 회절각에 제약이 있었다. 즉, 기존의 음향광학 소자의 경우, 출력광의 회절각 범위가 충분히 넓지 못하다. 따라서, 광 스캐너, 광 변조기, 디스플레이 등의 다양한 광학적 응용 분야에서, 음향광학 소자를 사용할 때 좁은 회절각 범위를 보완하기 위한 별도의 광학계 등이 필요하다. 이는 전체적인 시스템의 크기를 크게 만들거나 해상도를 저하시키는 원인이 될 수 있다. 이에 따라, 음향광학 매질을 다양한 형태로 구조화하여 음향광학 소자의 회절각 범위를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
다층 나노 구조의 음향광학 매질을 이용하여 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킨 음향광학 소자를 제공한다.
또한, 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 음향광학 소자는, 다층 나노 구조의 음향광학 매질; 및 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은, 유전율이 각각 다른 적어도 두 개의 재료가 서로 교호하여 배치된 제 2 층; 및 상기 제 2 층의 하부면에 배치되며 제 1 재료로 이루어진 제 1 층과, 상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층 중에서 적어도 하나의 층;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 층은 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 내지 제 4 재료는, 광의 증폭이 가능한 이득 특성, 음향광학 효과를 갖는 음향광학 특성, 및 유전율의 실수부가 음(-)인 특성 중에서 적어도 하나의 특성을 갖는 재료들 및 유전체의 조합을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 이득 물질은 GaN, Al1-xGaxN, In1-xGaxN(여기서, 0 < x < 1), 산화 아연, CdS, 유기물 결정 및 이득성 염료 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 유전체는 예컨대, SiO2 및 공기 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료는, 예컨대, Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka, ITO, AZO, GZO, IZO, TiN, TaN, HfN, ZrN 및 그래핀 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택되며, 상기 제 1 내지 제 4 재료 중에서 적어도 하나는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 층은 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함하며, 상기 제 2 층의 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 또는 제 3 층의 표면에 평행한 방향을 따라 서로 교호하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 재료와 제 3 재료가 교호하는 주기는 가시광선의 공기 중에서의 파장보다 작을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 재료와 제 3 재료의 종횡비가 4보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 재료와 제 3 재료는 각각 일직선 막대의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 음파 발생기는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 일측면에 접하여 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 음향광학 소자는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 적어도 하부 또는 일측면과 접하는 기판을 더 포함하며, 상기 음파 발생기는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 일측에 인접한 상기 기판의 상부면에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 2 층은 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 층의 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 또는 제 3 층의 표면에 직교하는 방향을 따라 서로 교호하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 내지 제 4 재료는, 광의 증폭이 가능한 이득 물질, 음향광학 효과를 갖는 음향광학 재료, 이득 물질과 음향광학 재료 이외의 유전체, 및 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료 중에서 선택된 어느 하나의 재료를 각각 포함하며, 상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택되고, 상기 제 2 재료와 제 3 재료 중에서 어느 하나는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료일 수 있다.
여기서, 상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 2 층은 하나의 제 2 재료, 및 상기 제 2 재료와 유전율이 다르며 상기 제 2 재료 내에 규칙적으로 배열되어 있는 다수의 제 3 재료를 포함할 수 있다.
상기 음향광학 소자는, 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 입사하는 입사광이 상기 제 2 층을 따라 진행하도록 입사광을 안내하는 광 커플링 소자를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 커플링 소자는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 상부 표면에 배치된 프리즘 또는 회절 격자층일 수 있다.
다른 유형에 따른 광 스캐너는, 기판; 제 1 음향광학 소자; 제 2 음향광학 소자; 및 상기 제 1 음향광학 소자에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 음향광학 소자는, 상기 기판 내에 배치된 제 1 음향광학 매질, 및 상기 제 1 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 1 음파 발생기를 포함하고, 상기 제 2 음향광학 소자는, 상기 기판 내에서 상기 제 1 음향광학 매질에 인접하여 배치된 제 2 음향광학 매질, 및 상기 제 2 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 2 음파 발생기를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 음향광학 매질은 각각, 유전율이 각각 다른 적어도 두 개의 재료가 서로 교호하여 배치된 제 2 층; 및 상기 제 2 층의 하부면에 배치되며 제 1 재료로 이루어진 제 1 층과, 상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층 중에서 적어도 하나의 층;을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 음향광학 소자는 입사광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치되며, 상기 제 2 음향광학 소자는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 입사광을 편향시키도록 배치될 수 있다.
한편, 또 다른 유형에 따르면, 디스플레이 패널; 및 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치가 제공될 수 있으며, 상기 음향광학 소자 어레이는 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수 있다.
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 하나의 화소행(pixel row)과 대응할 수 있다.
또 다른 유형에 따르면, 광을 제공하는 광원; 광원으로부터 제공된 광을 회절시키는 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및 상기 음향광학 소자 어레이에 의해 회절된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
예를 들어, 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키며, 하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다.
또한, 다른 유형에 따르면, 상술한 구조의 음향광학 소자; 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 상부에 배치되어 시료를 담기 위한 용기; 및 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에서 회절된 광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 센서가 제공될 수 있다.
개시된 음향광학 소자는 다층 나노 구조의 음향광학 매질을 이용함으로써 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킬 수 있다. 또한, 개시된 실시예들에 따르면, 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은 표면 플라즈몬 효과로 인해 강한 비등방 굴절률을 가질 수 있다. 그 결과, 반복 패턴을 갖는 층의 종횡비(aspect ratio)를 높이지 않더라도 충분한 비등방 굴절률을 얻을 수 있다. 따라서, 음향광학 매질의 제조 공정이 용이하게 된다. 또한, 개시된 실시예들에 따르면, 음향광학 매질의 재료 선택의 자유도가 높아질 수 있다. 이러한 음향광학 소자는 광 스캐너, 광 변조기, 디스플레이, 센서 등과 같은 다양한 장치들에 응용되어, 상기 장치들의 크기를 소형화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 보이는 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 음향광학 소자에 광을 입사시키기 위한 광 커플링 소자의 예들을 각각 보이고 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 광 스캐너의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 이용한 센서를 개략적으로 도시한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 보이는 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 음향광학 소자에 광을 입사시키기 위한 광 커플링 소자의 예들을 각각 보이고 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 광 스캐너의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 음향광학 소자를 이용한 센서를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향광학 소자(100)는 다층 나노 구조의 음향광학 매질(acousto-optic medium)(10) 및 상기 음향광학 매질(10)에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기(16)를 포함할 수 있다. 또한, 다층 나노 구조의 음향광학 매질(10)은 제 1 재료(12a)로 이루어진 제 1 층(12), 유전율이 서로 다른 다수의 제 2 재료(13a)와 다수의 제 3 재료(13b)가 서로 교호하여 배치된 제 2 층(13) 및 제 4 재료(15a)로 이루어진 제 3 층(15)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 층(12)과 제 3 층(15)은 서로 마주하여 배치될 수 있으며, 상기 제 2 층(13)은 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 제 2 층(13)의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 사이에서 수평 방향(즉, 제 1 층(12)과 제 3 층(15)의 표면에 평행한 방향)을 따라 서로 교호할 수 있다. 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)가 교호하는 주기는 음향광학 소자(100)에서 제어하고자 하는 빛(예를 들어, 가시광선)의 파장(특히, 공기 중에서의 파장)보다 작을 수 있다. 비록 도 1에는 제 1 층(12)과 제 3 층(15)이 모두 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 중에서 어느 하나의 층만이 선택적으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 상기 음향광학 매질(10)은 제 1 층(12)과 제 2 층(13)만을 포함할 수도 있으며, 또는 제 2 층(13)과 제 3 층(15)만을 포함할 수도 있다. 또한, 도 1에는 2개의 재료(13a, 13b)가 교번하는 것으로 도시되어 있으나, 서로 다른 유전율을 각각 갖는 3가지 이상의 재료(예를 들어, 3개의 매질)이 서로 교번하는 것도 가능하다.
제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a)는, 예를 들어, 광의 증폭이 가능한 이득 특성, 음향광학 효과를 갖는 음향광학 특성, 및 유전율의 실수부가 음(-)인 특성 중에서 적어도 하나의 특성을 갖는 재료일 수 있다. 예를 들어, 유전율의 실수부가 음(-)인 특성을 갖는 재료로는 Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka 등의 금속이나 이들 금속의 합금이 사용될 수 있다. 또한, 상술한 금속 대신에 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 다른 재료, 예컨대 ITO(indium tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZO(indium zinc oxide) 등과 같은 산화물, 또는 TiN(titanium nitride), ZrN(zirconium nitride), TaN(tantalium nitride), HfN(hafnium nitride) 등과 같은 질화물, 또는 그래핀(graphene) 등이 사용될 수도 있다. 이하에서는, 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 다른 재료도 금속의 범주에 포함되는 것으로 간주한다. 광의 증폭이 가능한 이득 특성을 갖는 이득 물질로는, 예를 들어, 광의 증폭이 가능한 GaN, Al1-xGaxN, In1-xGaxN(여기서, 0 < x < 1) 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체나 상기 반도체를 포함하는 양자 우물 구조 또는 양자점 구조, 산화 아연(ZnO), CdS 또는 유기물 결정(organic crystal)이나 이득성 염료 등이 사용될 수 있다. 음향광학 특성을 갖는 음향광학 재료로는 예를 들어 LiNbO3, ZnO, GaN 등이 사용될 수 있다. 또한, 이득 특성이나 음향광학 특성을 갖지 않는 일반적인 유전체 재료로서 SiO2와 같은 투명한 유전체도 제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a)로서 사용될 수 있다. 유전체 재료의 종류에는 특별히 제한이 없으며, 특히 공기(air)도 유전체 재료로서 사용될 수 있다.
제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a)는 상술한 이득 물질, 음향광학 재료, 유전체(이하에서 유전체는 이득 물질과 음향광학 재료 이외의 다른 유전체를 의미한다) 및 금속의 어떠한 조합도 포함할 수 있으며, 제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a) 중에서 적어도 두 재료는 동일할 수도 있다. 다만, 서로 교호하여 배치되는 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택된다. 예를 들어, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 서로 다른 유전율을 갖는 유전체일 수도 있으며, 또는 제 2 재료(13a)는 금속이고 제 3 재료(13b)는 유전체일 수도 있고, 또는 제 2 재료(13a)는 이득 물질이고 제 3 재료(13b)는 금속일 수도 있다. 또한, 상술한 이득 물질, 음향광학 재료, 유전체 중에서 일부는 선택되지 않을 수도 있지만, 제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a) 중에 적어도 하나는, 후술하는 표면 플라즈몬 효과를 일으키기 위하여, 금속이어야 한다.
상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 음향광학 매질(10)은 매우 다양한 재료의 조합이 가능하며, 음향광학 매질(10)을 구성하는 데 있어서 재료 선택의 자유도가 높다. 따라서, 요구되는 특성에 따라 음향광학 매질(10)을 매우 다양하게 설계할 수 있다. 일 예로서, 도 1에 도시된 음향광학 매질(10)에서 제 1 층(12)은 이득 물질, 제 2 층(13)의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 각각 금속과 투명 유전체, 제 3 층(15)은 공기(air)일 수 있다. 이 경우, 제 2 층(13)의 높이는 예를 들어 약 50~300nm 정도일 수 있으며, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)가 교번하는 주기(즉, 피치)는 예를 들어 약 50~300nm 정도일 수 있다. 또한, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)의 종횡비(aspect ratio)(즉, 폭에 대한 높이의 비)는 대략 4 또는 그 이하일 수 있다. 따라서, 종횡비가 4 이상으로 크기 않아도 되기 때문에, 제 2 층(13)의 제조가 비교적 용이할 수 있다.
음파 발생기(16)는 음향광학 매질(10)의 일측면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 화살표로 표시된 바와 같이, 음파 발생기(16)는 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)가 교번하는 수평 방향을 따라 음파가 진행하도록, 음향광학 매질(10)의 일측면에 배치될 수 있다. 그러나, 음파 발생기(16)의 위치는 실시예에 따라 변경될 수도 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자(110)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 음향광학 소자(110)는 도 1에 도시된 것과 동일한 구조의 음향광학 매질(10), 상기 음향광학 매질(10)의 적어도 하부나 일측면과 접하는 기판(11), 및 상기 음향광학 매질(10)의 일측면과 인접한 기판(11)의 상부면에 배치된 음파 발생기(16)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 층(13)의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 서로 교번하는 일직선 막대의 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 음파 발생기(16)는 음향광학 매질(10)의 표면에 반드시 직접 배치될 필요는 없으며, 음파를 전달할 수 있는 매질(도 2의 예에서는 기판(11))을 사이에 두고 음향광학 매질(10)과 인접하여 배치될 수도 있다.
이하, 도 2에 도시된 음향광학 소자(110)의 동작에 대해 상세하게 설명한다. 이하에 설명하는 음향광학 소자(110)의 동작은 도 1에 도시된 음향광학 소자(100) 및 후술하는 다른 실시예들에 따른 음향광학 소자들에도 동일하게 적용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 음향광학 매질(10)의 일측면 부근에 배치된 음파 발생기(16)에 전기 신호를 인가하면, 그 전기 신호에 대응하여 소정의 진폭과 주파수를 갖는 초음파와 같은 음파가 발생한다. 음파 발생기(16)에서 발생한 음파는, 도 2의 화살표로 표시된 바와 같이, 음향광학 매질(10)의 내부를 소정의 속도로 진행하게 된다. 이때, 음파는 음향광학 매질(10) 내에서 밀함(compression)과 소함(rarefaction)을 반복하면서 진행한다. 이에 따라, 음향광학 매질(10)의 내부를 진행하는 음파의 밀함 또는 소함에 대응하여, 음향광학 매질(10) 내의 국소적인 밀도도 반복적으로 변화하게 된다. 이러한 국소적인 밀도의 변화는 국소적인 굴절률의 변화를 가져올 수 있다. 결과적으로, 음향광학 매질(10) 내에 음파가 진행하게 되면, 음파의 진행 방향을 따라 음파의 파장과 같은 주기로 굴절률의 주기적인 변동이 발생하게 된다. 예를 들어, 음파의 반복적인 밀함과 소함에 대응하여 음향광학 매질(10) 내부의 굴절률이 반복적으로 증가/감소하게 된다. 그러면 광학적인 관점에서 볼 때, 음향광학 매질(10) 내에 주기적인 형태의 회절 격자가 형성되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 제 1 내지 제 3 층(12, 13, 15)을 포함하는 다층 나노 구조의 음향광학 매질(10)은 광 또는 표면 플라즈몬에 대해 일종의 평판 도파로(slab waveguide)의 역할을 할 수 있다. 즉, 음향광학 매질(10)의 상부로 입사한 광(L)은 제 2 층(13), 또는 제 2 층(13)과 제 1 층(12) 사이의 계면, 또는 제 2 층(13)과 제 3 층(15) 사이의 계면을 따라 진행하게 된다. 이때, 진행하는 광은 음향광학 매질(10) 내의 금속과 유전체의 계면에서 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 발생시킬 수 있다. 표면 플라즈몬이란 금속과 유전체의 계면에서 발생하는 일종의 표면 전자기파이다. 표면 플라즈몬은, 금속과 유전체의 계면에 빛이 입사할 때, 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 것이다. 예컨대, 제 1 층(12)이 이득 물질, 제 2 층(13)의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)가 각각 금속과 투명 유전체, 제 3 층(15)이 공기(air)인 경우, 제 2 층(13)과 제 1 층(12) 사이의 계면 및 제 2 층(13)과 제 3 층(15) 사이의 계면에서 표면 플라즈몬이 발생할 수 있다.
이렇게 특정 방향으로 파장보다 충분히 작은 구조를 갖는 음향광학 매질(10)의 내부에 빛(L)이 입사되어 표면 플라즈몬의 형태로 진행할 경우, 음향광학 매질(10)은, 복굴절 물질과 같이, 표면 플라즈몬의 진행 방향에 따라 굴절률이 크게 달라지는 비등방성을 갖게 된다. 표면 플라즈몬이 진행하는 음향광학 매질(10) 내로 음파가 진행하게 되면, 이러한 강한 비등방 굴절률로 인해, 표면 플라즈몬 형태의 빛은 제 2 층(13)을 따라 진행하는 동안 크게 회절될 수 있다. 이는 보강간섭을 만족시키는 회절동작 각도 범위가 늘어나기 때문이다. 따라서, 음향광학 매질(10)은 기존의 음향광학 매질에 비하여 높은 회절각도 동작 범위를 제공할 수 있다. 여기서, 회절각은 음향광학 매질(10)에 의해 회절된 광 중에서 0차 회절광(L0)과 1차 회절광(L1)의 각도 차이(θ)로 정의될 수 있다. 음향광학 매질(10)에 의한 광의 회절각 및 회절된 광의 세기는 각각 음파의 주파수와 강도에 따라 제어될 수 있다. 또한, 음파의 주파수와 강도는 음파 발생기(16)에 인가되는 전기 신호의 세기와 주파수에 의해 결정될 수 있다. 따라서 음파 발생기(16)에 인가되는 전기 신호를 적절히 조절함으로써, 음향광학 매질(10)에서의 광의 회절을 제어하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예에 따르면, 제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a) 중에서 어느 하나가 이득 물질을 포함함으로써, 광 손실을 보상할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층(12)이 이득 물질인 경우, 광학적 또는 전기적인 방법으로 제 1 층(12)에 에너지를 주입하여 이득 물질을 활성화시키면, 표면 플라즈몬의 금속 도파 손실을 보상할 수 있다. 따라서, 음향광학 매질(10) 내의 전체 영역에서 강한 비등방 굴절률을 유지할 수 있다. 또한, 입사광(L)이 제 2 층(13)을 따라 진행하는 동안 발생하는 광 손실을 보상하여, 출력된 0차 회절광(L0)과 1차 회절광(L1)의 세기를 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예들의 경우, 제 2 층(13)의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 긴 막대의 형태를 가지며, 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 사이에서 수평 방향(즉, 제 1 층(12)과 제 3 층(15)의 표면에 평행한 방향)을 따라 서로 교호하도록 배치되어 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3 및 도 4는 또 다른 실시예에 따른 음향광학 소자(120)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도 및 사시도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)는 얇은 판의 형태를 가지며, 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 사이에서 수직(vertical) 방향(즉, 제 1 층(12)과 제 3 층(15)의 표면에 직교하는 방향)을 따라 서로 교호하도록 배치될 수 있다. 따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 음향광학 매질(20)은 제 1 재료(12a)로 이루어진 제 1 층(12), 상기 제 1 층(12) 위에 서로 교호하여 반복적으로 적층된 다수의 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)를 포함하는 제 2 층(13) 및 제 4 재료(15a)로 이루어진 상기 제 2 층(13) 상의 제 3 층(15)을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 음향광학 소자(120)의 경우, 제 2 층(13) 내에서 표면 플라즈몬을 발생시키기 위하여, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b) 중에서 어느 하나는 금속을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 음향광학 소자(120)의 나머지 구성 및 동작은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 대해 설명한 구성 및 동작과 같을 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4에는 음파 발생기(16)가 음향광학 매질(20)의 일측면에 직접 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 별도의 기판을 마련하고 기판의 상부에 음파 발생기(16)를 배치할 수도 있다.
교호하는 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)를 포함하는 제 2 층(13)은 그 외에도 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 도 5는 또 다른 실시예에 따른 음향광학 매질(30)과 음향광학 소자(130)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 상기 음향광학 매질(30)은 제 1 재료(12a)로 이루어진 제 1 층(12), 제 4 재료(15a)로 이루어진 제 3 층(15), 및 제 1 층(12)과 제 3 층(15) 사이에 전체적으로 채워진 제 2 재료(13a)와 상기 제 2 재료(13a) 내에 규칙적으로 배열된 다수의 제 3 재료(13b)를 갖는 제 2 층(13)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 제 3 재료(13b)는 제 2 재료(13a)를 관통하여 제 1 층(12) 및 제 3 층(15)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 그러나, 다수의 제 3 재료(13b)는 제 2 재료(13a) 내에 규칙적으로 분산되어 있는 구나 원통의 형태를 가질 수 있다. 이러한 제 3 재료(13b)는 제 2 재료(13a) 내에서 매트릭스 형태 또는 벌집 형태 등으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 이 경우에도, 음향광학 매질(30)의 내부를 진행하는 광은 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)를 반복하여 통과하므로, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b)가 교호하여 배치된 것으로 볼 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제 1 내지 제 4 재료(12a, 13a, 13b, 15a)는, 도 1 및 도 2의 실시예와 마찬가지로, 이득 물질, 음향광학 재료, 유전체 및 금속 중에서 선택된 어느 하나의 재료를 각각 포함할 수 있다. 만약, 제 3 재료(13b)가 제 2 재료(13a) 내에 규칙적으로 분산 및 매립되는 경우에는, 도 4의 실시예에서와 같이, 제 2 재료(13a)와 제 3 재료(13b) 중에서 어느 하나는 금속을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 음향광학 소자(130)의 나머지 구성 및 동작은 앞서 설명한 실시예들의 구성 및 동작과 같을 수 있다. 도 5에는 음파 발생기(16)가 음향광학 매질(30)의 일측면에 직접 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 별도의 기판을 마련하고 기판의 상부에 음파 발생기(16)를 배치할 수도 있다.
상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)들에서, 광은 음향광학 매질(10, 20, 30)의 제 3 층(15)에 입사한 후, 제 2 층(13)을 따라 진행할 수 있다. 이 경우 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 외부에서 방출된 광을 제 3 층(15)을 통해 제 2 층(13)으로 안내하기 위한 광 커플링 소자를 더 포함할 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 음향광학 매질(10, 20, 30)에 광을 입사시키기 위한 광 커플링 소자의 예들을 각각 보이고 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 광 커플링 소자로서 프리즘(17)을 사용할 수 있다. 프리즘(17)은 음향광학 매질(10, 20, 30)의 상부 표면, 즉 제 3 층(15)의 상부 표면에 배치될 수 있다. 음향광학 매질(10, 20, 30)이 제 1 층(12)과 제 2 층(13)만을 포함하는 경우에는, 제 2 층(13)의 상부 표면 위에 프리즘(17)이 배치될 수도 있다. 프리즘(17)은 외부에서 방출된 광을 굴절시켜 음향광학 매질(10, 20, 30)의 제 2 층(13)으로 안내할 수 있다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 프리즘(17) 대신에 회절 격자층(18)을 광 커플링 소자로서 사용할 수도 있다. 일정한 주기의 미세한 회절 패턴들을 갖는 회절 격자층(18)은 입사광을 회절시켜 음향광학 매질(10, 20, 30)의 제 2 층(13)으로 안내할 수 있다. 도 6b에는 제 3 층(15)의 상부 표면 전체에 회절 격자층(18)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 회절 격자층(18)은 제 3 층(15)의 상부 표면의 일부에만 배치될 수도 있다. 또한, 음향광학 매질(10, 20, 30)이 제 1 층(12)과 제 2 층(13)만을 포함하는 경우에는, 제 2 층(13)의 상부 표면 위에 회절 격자층(18)이 배치될 수도 있다. 상술한 프리즘(17)이나 회절 격자층(18) 이외에, 프레넬 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 굴절 렌즈(예컨대, 볼록 렌즈) 등과 같은 광학 소자를 광 커플링 소자로서 사용할 수도 있다.
상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 예를 들어, 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 광의 회절 정도에 따라 0차 회절광의 세기를 조절할 수 있으므로, 그 자체로 0차 회절광에 대한 광 변조기가 될 수 있다. 예를 들어, 음향광학 매질(10, 20, 30)에 음파를 인가하지 않으면 입사광이 회절되지 않으므로, 입사광은 거의 손실 없이 음향광학 매질(10, 20, 30)을 통과할 것이다. 그러나, 음향광학 매질(10, 20, 30)에 음파를 인가하여 입사광을 회절시키는 경우에는, ±1차 회절광이 발생하므로 음향광학 매질(10, 20, 30)을 통과하는 0차 회절광의 세기가 약해질 것이다. 그리고, 회절 정도에 따라 1차 회절광에 더 많은 에너지가 분배된다면, 0차 회절광의 세기는 더욱 약해 질 수 있다. 따라서, 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 0차 회절광의 세기를 진폭 변조하는 광 변조기로서 역할을 할 수 있다.
또한, 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 1차 회절광의 회절각을 변화시킴으로써, 입사광을 소정의 각도로 편향시키는 광 스캐너에 적용될 수도 있다. 특히, 높은 회절각을 갖는 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)를 광 스캐너에 사용할 경우, 광 스캐너의 동작 범위(즉, 스캐닝 범위)를 넓힐 수 있으므로, 광 스캐너에 사용되는 광학계의 구성을 간단하게 할 수 있다. 특히, 회절각 범위를 증가시키기 위해 요구되는 별도의 광학계를 사용하지 않을 수 있다.
도 7은 상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)를 이용한 광 스캐너의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 7을 참조하면, 광 스캐너(150)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 배치된 제 1 음향광학 매질(111a), 기판(101) 내에서 제 1 음향광학 매질(111b)에 인접하여 배치된 제 2 음향광학 매질(111b), 제 1 음향광학 매질(111a)에 광을 입사시키는 광 커플링 소자(117), 제 1 음향광학 매질(111a)에 음파를 제공하는 제 1 음파 발생기(116a) 및 제 2 음향광학 매질(111b)에 음파를 제공하는 제 2 음파 발생기(116b)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 음파 발생기(116a)와 제 2 음파 발생기(116b)는 기판(101) 상에서 각각 제 1 음향광학 매질(111a)과 제 2 음향광학 매질(111b)의 측면에 인접하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 음향광학 매질(111a)과 제 2 음향광학 매질(111b)은 상술한 음향광학 매질(10, 20, 30) 중에서 어느 하나일 수 있다. 도 7에는 광 커플링 소자(117)로서 프리즘이 도시되어 있으나, 프리즘 이외에 상술한 회절 격자층, 프레넬 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 굴절 렌즈 등과 같은 다른 광학 소자를 광 커플링 소자로서 사용할 수도 있다.
제 1 음향광학 매질(111a)과 제 1 음파 발생기(116a)는 제 1 음향광학 소자를 구성하며, 예를 들어 광을 수평 방향으로 편향시키도록 배치될 수 있다. 또한, 제 2 음향광학 매질(111b)과 제 2 음파 발생기(116b)는 제 2 음향광학 소자를 구성하며, 예를 들어 광을 수직 방향으로 편향시키도록 배치될 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 광 커플링 소자(117)를 통해 제 1 음향광학 매질(111a)에 입사한 광은 수평 방향으로 편향될 수 있으며, 수평 방향으로 편향된 광은 제 2 음향광학 매질(111b)에서 수직 방향으로 편향되어 출력될 수 있다. 따라서 광 스캐너(150)는 제 1 음파 발생기(116a) 및 제 2 음파 발생기(116b)에 인가되는 교류 전압의 세기 및 주파수를 변조함으로써, 입사광을 소정의 각도 범위 내에서 수평 및/또는 수직 방향으로 스캐닝할 수 있다. 도 7에는 도시된 광 스캐너(150)는 두 개의 음향광학 소자를 포함하고 있으나, 실시예에 따라 수평 또는 수직 방향으로만 광을 스캐닝하는 하나의 음향광학 소자만을 포함하거나, 어느 한 방향으로 광을 스캐닝하는 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수도 있다. 이러한 광 스캐너(150)는 예를 들어 레이저 영상투사장치, 레이저 프린터 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에도 적용 가능하다. 예를 들어, 도 8은 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)를 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 디스플레이 패널(200)의 화소와 동일한 폭을 가지며 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(210)들을 제작하고, 다수의 음향광학 소자(210)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 상기 디스플레이 패널(200)의 표면에 배열할 수 있다. 여기서, 음향광학 소자(210)는 상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)들 중에서 어느 하나일 수 있다. 그러면, 각각의 음향광학 소자(210)들은 디스플레이 패널(200)의 대응하는 화소행(pixel row)에서 표시되는 영상을 소정의 방향으로 편향시킬 수 있다.
예를 들어, 음향광학 소자(210)들 내의 음향광학 매질에 음파가 인가되지 않으면, 디스플레이 패널(200)의 각각의 화소에서 표시되는 영상은 편향되지 않고 그대로 음향광학 소자(210)들의 어레이를 통과한다. 이 경우, 도 8의 좌측에 표시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 2D 디스플레이 모드로 동작할 수 있다. 한편, 다중 시점 디스플레이 모드 또는 입체 영상 3D 디스플레이 모드에서, 각각의 음향광학 소자(210)는 각각의 화소에서 표시되는 영상을 편향시켜 다수 방향 정보의 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 음향광학 소자(210)들 중 일부는 영상을 시청자의 우안으로 편향시키고, 나머지는 영상을 시청자의 좌안으로 편향시킬 수 있다. 그러면, 도 8의 우측에 표시된 바와 같이, 시청자는 3D 영상을 감상할 수 있다.
상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치에도 적용이 가능하다. 도 9는 상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)를 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)는 광원(310), 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이 및 투사 광학계(330)를 포함할 수 있다. 광원(310)은 예를 들어 다수의 레이저들의 어레이일 수 있다. 또한, 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이는, 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(320)들을 제작하고, 이러한 다수의 음향광학 소자(320)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 배열함으로써 형성될 수 있다. 이때, 음향광학 소자(320)는 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키는 역할을 하며, 하나의 음향광학 소자(320)는 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다. 다수의 음향광학 소자(320)들로부터 회절된 홀로그램 행들은 투사 광학계(330)에 의해 소정의 공간 상에 투사되어 하나의 입체 영상을 형성할 수 있다.
또한, 상술한 음향광학 소자(100, 110, 120, 130)는 특정한 화학 물질이나 바이오 물질의 양 또는 존재 유무를 검출하는 센서에도 응용될 수 있다. 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 센서(400)는 도 1에 도시된 음향광학 매질(10), 음파 발생기(16), 상기 음향광학 매질(10)의 상부에 배치되어 시료(41)를 담기 위한 용기(40), 및 음향광학 매질(10)에서 회절된 광을 검출하는 광검출기(50)를 포함할 수 있다. 도 10a에는 도 1에 도시된 음향광학 매질(10)과 음파 발생기(16)를 포함하는 음향광학 소자(100)가 도시되어 있으나, 다른 실시예에 따른 음향광학 소자(110, 120, 130)가 사용될 수도 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 용기(40)의 바닥면(즉, 음향광학 매질(10)의 상부 표면)에는 시료(41) 내의 특정한 타깃 물질를 포획하기 위한 프로브(probe)가 더 배치될 수도 있다.
이러한 구성에서, 시료(41) 내에 타깃 물질이 포함되어 있지 않은 경우, 음향광학 매질(10)에 음파가 제공되는 동안 상기 음향광학 매질(10)에 입사한 광은, 도 10a에 도시된 바와 같이, 각도 θ1만큼 회절되어 광검출기(50)에서 검출될 수 있다. 여기서, 회절각은 제 3 층(15)과 시료(41)의 유전율 조합 및 음파의 파장 등에 따라 달라질 수 있다. 만약, 도 10b에 도시된 바와 같이, 시료(41) 내에 포함된 타깃 물질(42)이 프로브에 포획되는 경우에는, 타깃 물질(42)에 의해 제 3 층(15)과 시료(41)의 전체적인 유전율 조합 및 음파의 파장 등이 달라지게 되므로, 음향광학 매질(10)에 입사한 광의 회절각은 θ2로 변경되거나 회절되는 세기가 약해질 수 있다. 따라서, 이러한 회절각의 변화 및 변화량으로부터 타깃 물질(42)의 유무 및 타깃 물질(42)의 양을 계산하는 것이 가능하다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 30, 111a, 111b.....음향광학 매질
11, 101.....기판 12.....제 1 층
13.....제 2 층 15.....제 3 층
16, 116a, 116b.....음파 발생기 17.....프리즘
18.....회절 격자층 40.....용기
41.....시료 42.....타깃 물질
50.....광검출기
100, 110, 120, 130, 210, 320.....음향광학 소자
117.....광 커플링 소자 150.....광 스캐너
200.....디스플레이 패널 300.....홀로그래픽 디스플레이 장치
310.....광원 330.....투사 광학계
400.....센서
11, 101.....기판 12.....제 1 층
13.....제 2 층 15.....제 3 층
16, 116a, 116b.....음파 발생기 17.....프리즘
18.....회절 격자층 40.....용기
41.....시료 42.....타깃 물질
50.....광검출기
100, 110, 120, 130, 210, 320.....음향광학 소자
117.....광 커플링 소자 150.....광 스캐너
200.....디스플레이 패널 300.....홀로그래픽 디스플레이 장치
310.....광원 330.....투사 광학계
400.....센서
Claims (29)
- 다층 나노 구조의 음향광학 매질; 및
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함하며,
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은:
제 1 재료로 이루어진 제 1 층;
상기 제 1 층 위에 배치된 것으로, 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함하는 제 2 층; 및
상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층;을 포함하고,
상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택되며,
상기 제 1 재료와 제 4 재료 중에서 어느 하나의 재료는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 4 재료 중에서 적어도 하나의 재료는 광의 증폭이 가능한 이득 특성, 및 음향광학 효과를 갖는 음향광학 특성을 갖는 재료들 및 유전체의 조합을 포함하는 음향광학 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 이득 특성을 갖는 이득 물질은, GaN, Al1-xGaxN 또는 In1-xGaxN(여기서, 0 < x < 1)를 포함하는 반도체, 상기 반도체의 양자 우물 구조 또는 양자점 구조, 산화 아연, CdS, 유기물 결정 또는 이득성 염료 중에서 적어도 하나를 포함하는 음향광학 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 유전체는 SiO2 및 공기 중에서 적어도 하나를 포함하는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
유전율의 실수부가 음(-)인 특성을 갖는 재료는 Al, Ag, Au, Cu, Na 또는 Ka를 포함하는 금속, ITO, AZO, GZO 또는 IZO를 포함하는 산화물, TiN, TaN, HfN 또는 ZrN를 포함하는 질화물 및 그래핀 중에서 적어도 하나를 포함하는 음향광학 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층의 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 또는 제 3 층의 표면에 평행한 방향을 따라 서로 교호하도록 배치되는 음향광학 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 재료와 제 3 재료가 교호하는 주기는 가시광선의 공기 중에서의 파장보다 작은 음향광학 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 재료와 제 3 재료의 종횡비가 4보다 작은 음향광학 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 재료와 제 3 재료는 각각 일직선 막대의 형태를 갖는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 음파 발생기는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 일측면에 접하여 배치되어 있는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 적어도 하부 또는 일측면과 접하는 기판을 더 포함하며, 상기 음파 발생기는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 일측에 인접한 상기 기판의 상부면에 배치되어 있는 음향광학 소자. - 삭제
- 다층 나노 구조의 음향광학 매질; 및
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함하며,
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은:
제 1 재료로 이루어진 제 1 층;
상기 제 1 층 위에 배치된 것으로, 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함하는 제 2 층; 및
상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층;을 포함하고,
상기 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 및 제 3 층의 표면에 직교하는 방향을 따라 서로 교호하도록 배치되며,
상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택되며, 상기 제 2 재료와 제 3 재료 중에서 어느 하나는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료인 음향광학 소자. - 다층 나노 구조의 음향광학 매질; 및
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함하며,
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질은:
제 1 재료로 이루어진 제 1 층;
상기 제 1 층 위에 배치된 것으로, 하나의 제 2 재료 및 상기 제 2 재료와 유전율이 다르며 상기 제 2 재료 내에 규칙적으로 배열되어 있는 다수의 제 3 재료를 포함하는 포함하는 제 2 층; 및
상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층;을 포함하고,
상기 제 1 재료와 제 4 재료 중에서 어느 하나의 재료는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에 입사하는 입사광이 상기 제 2 층을 따라 진행하도록 입사광을 안내하는 광 커플링 소자를 더 포함하는 음향광학 소자. - 제 16 항에 있어서,
상기 광 커플링 소자는 상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 상부 표면에 배치된 프리즘 또는 회절 격자층인 음향광학 소자. - 기판;
제 1 음향광학 소자;
제 2 음향광학 소자; 및
상기 제 1 음향광학 소자에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;를 포함하며,
상기 제 1 음향광학 소자는, 상기 기판 내에 배치된 제 1 음향광학 매질, 및 상기 제 1 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 1 음파 발생기를 포함하고,
상기 제 2 음향광학 소자는, 상기 기판 내에서 상기 제 1 음향광학 매질에 인접하여 배치된 제 2 음향광학 매질, 및 상기 제 2 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 2 음파 발생기를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 음향광학 매질은 각각:
제 1 재료로 이루어진 제 1 층;
상기 제 1 층 위에 배치된 것으로, 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함하는 제 2 층; 및
상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층;을 포함하고,
상기 제 2 재료와 제 3 재료는 서로 다른 유전율을 갖도록 선택되며,
상기 제 1 재료와 제 4 재료 중에서 어느 하나의 재료는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 광 스캐너. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 4 재료 중에서 적어도 하나의 재료는, 광의 증폭이 가능한 이득 특성, 및 음향광학 효과를 갖는 음향광학 특성을 갖는 재료들 및 유전체의 조합을 포함하는 광 스캐너. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 층의 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 또는 제 3 층의 표면에 평행한 방향을 따라 서로 교호하도록 배치되는 광 스캐너. - 기판;
제 1 음향광학 소자;
제 2 음향광학 소자; 및
상기 제 1 음향광학 소자에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;를 포함하며,
상기 제 1 음향광학 소자는, 상기 기판 내에 배치된 제 1 음향광학 매질, 및 상기 제 1 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 1 음파 발생기를 포함하고,
상기 제 2 음향광학 소자는, 상기 기판 내에서 상기 제 1 음향광학 매질에 인접하여 배치된 제 2 음향광학 매질, 및 상기 제 2 음향광학 매질의 측면에 인접하도록 상기 기판 상에 배치된 제 2 음파 발생기를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 음향광학 매질은 각각:
제 1 재료로 이루어진 제 1 층;
상기 제 1 층 위에 배치된 것으로, 서로 교호하여 배치된 다수의 제 2 재료와 다수의 제 3 재료를 포함하는 제 2 층; 및
상기 제 2 층의 상부면에 배치되며 제 4 재료로 이루어진 제 3층;을 포함하고,
상기 제 2 층의 제 2 재료와 제 3 재료는 상기 제 1 층 또는 제 3 층의 표면에 직교하는 방향을 따라 서로 교호하도록 배치되며,
상기 제 2 재료와 제 3 재료 중에서 어느 하나는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 재료인 광 스캐너. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 음향광학 소자는 입사광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치되며, 상기 제 2 음향광학 소자는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 입사광을 편향시키도록 배치되는 광 스캐너. - 디스플레이 패널; 및
상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함하며,
상기 음향광학 소자 어레이는 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 12 항, 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 제 23 항에 있어서,
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 제 24 항에 있어서,
하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 하나의 화소행(pixel row)과 대응하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 광을 제공하는 광원;
광원으로부터 제공된 광을 회절시키는 것으로, 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 12 항, 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및
상기 음향광학 소자 어레이에 의해 회절된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 26 항에 있어서,
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 27 항에 있어서,
음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키며, 하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 12 항, 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 음향광학 소자;
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질의 상부에 배치되어 시료를 담기 위한 용기; 및
상기 다층 나노 구조의 음향광학 매질에서 회절된 광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 센서.
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|---|---|---|---|
| KR1020110063045A KR101826740B1 (ko) | 2011-06-28 | 2011-06-28 | 다층 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 |
| EP12172114.6A EP2541319B1 (en) | 2011-06-28 | 2012-06-15 | Acousto-optic device having multi-layer nanostructure |
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