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KR102139639B1 - 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치 - Google Patents

그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치 Download PDF

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KR102139639B1
KR102139639B1 KR1020180058834A KR20180058834A KR102139639B1 KR 102139639 B1 KR102139639 B1 KR 102139639B1 KR 1020180058834 A KR1020180058834 A KR 1020180058834A KR 20180058834 A KR20180058834 A KR 20180058834A KR 102139639 B1 KR102139639 B1 KR 102139639B1
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KR
South Korea
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graphene
light
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selection switch
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김기수
김예경
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(주)엠씨케이테크
재단법인차세대융합기술연구원
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Abstract

본 발명은 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공한다.

Description

그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치{GRAPHENE TRANSPARENT ELECTRODE AND LCoS BASED WAVELENGTH SELECTIVE SWITCH COMPRISING THE SAME}
본 발명은 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치에 관한 것으로, 구체적으로 가시광 영역에서 우수한 광 투과도를 가짐과 동시에 적외선 영역에서는 이보다 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치에 관한 것이다.
광 네트워크들은 파장 선택적 스위치(Wavelength Selective Switch, WSS)를 사용하여 광 파장 신호들을 발신지(source)로부터 수신지(destination)까지 동적으로 라우팅 한다. 구체적으로, 광통신을 통해 대량의 정보를 다중파장신호로 하나의 광섬유를 통해 전달하며, 여러 파장으로 구성된 입력신호에서 특정 파장의 신호를 임의의 출력포트로 전달하기 위해서는 파장 선택 스위치(WSS)가 필요한 것이다.
기존에는 마이크로 전자기계(MEMS) 미러(mirror) 기반의 파장 선택 스위치가 개발되었으나, 최근에는 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자 기반의 파장 선택 스위치가 포트 확장성이 뛰어나고, 얼라이먼트 등에 유리한 장점이 있어 새로운 기술로 부각되고 있다.
상기 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자는 투명전극을 갖는 투명전극층과, 개별적으로 어드레스(address) 가능한 픽셀들의 2차원 어레이로 분할된 실리콘 기판 사이에 개재된 액정 재료를 포함한다. 구체적으로, 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치에 대한 입사광은 차등위상지연(Differential Phase Delay)를 통해 조정되며, 이는 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 백플레인과 액정(Liquid Crystal)층에 의해 진행된다. 이를 위해 공통전극으로, 투명전극층이 필요하다. 이러한 투명전극은 광통신에 사용되는 광량의 손실을 최소화하기 위해 적외선 파장대에서 투명한 성질이 필요하고, 투명전극층의 광 투과도는 반사광의 강도에 중요한 영향을 미친다.
구체적으로, 한국공개특허 2003-0062886호에서는 현재 대표적으로 사용되고 있는 투명전극소재인 인듐-주석 산화물(Indiumtin-oxide, ITO)을 투명전극으로 사용하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 개시하고 있다. 이러한 인듐-주석 산화물(ITO)을 투명전극으로 사용한 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치는, 400~700nm 파장대의 가시광 영역에서는 투명한 성질을 만족하는 반면 1500nm 이상의 적외선 파장대에서는 투명한 성질 및 광 투과도가 급격하게 저하되고, 이에 따라 적외선 파장대에서 광통신에 사용되는 소자의 광 출력이 현저히 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 적외선 파장대에서 인듐주석산화물(ITO)을 투명전극으로 사용하기 위해서는 추가적인 박막 증착을 통해 투과도를 향상시켜야 하므로 추가 공정 도입으로 인한 투명전극 제작 비용이 증가하여 상용화가 어려운 점이 있었다.
한국공개특허 2003-0062886호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는 가시광 영역에서 우수한 광 투과도를 가짐과 동시에 적외선 영역에서는 이보다 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는 간단한 공정만으로도 적외선 영역에서 낮은 면저항 값을 가지며, 투명한 성질을 유지할 수 있는 그래핀 투명전극을 제공할 수 있어 상용화가 용이한 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판 및 상기 기판 상에 전사된 한 층 이상의 그래핀을 포함하고, 상기 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서 98% 이상의 광 투과도를 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 투명전극을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 그래핀은 하기의 조건 (a) 및 (b)를 모두 만족할 수 있다.
(a) 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 500~700nm의 파장대에서의 광 투과도보다 높을 것
(b) 상기 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 100% 이상일 것
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 그래핀은 하기의 조건 (c)를 더 만족할 수 있다.
(c) 하기 관계식 1을 만족할 것
[관계식 1]
T1500-T550 ≥2.0(%)
(T1500 : 1500nm 파장대에 그래핀의 광 투과도(%), T550 : 550nm 파장대에서의 그래핀의 광 투과도(%))
또한, 본 발명은 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 형성된 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 있어서, 상기 실리콘 백플레인층과 액정층 사이에 형성되어 광 변조를 유발하는 반사층 픽셀 전극;및 상기 액정층과 유리 기판층 사이에 형성된 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 그래핀 투명전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1000~1600nm의 모든 파장대에서 광 반사율이 72% 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1500~1600nm의 모든 파장대에서 광 반사율이 80% 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 하기의 조건 (d) 및 (e)를 모두 만족할 수 있다.
(d) 1000~1400nm의 파장대에서 RG ≤ RI 일 것
(e) 1500~1600nm의 파장대에서 RG ≥ RI 일 것
(RG : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%)I : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 포함되는 투명전극으로 그래핀 대신 인듐-주석 산화물(ITO)을 이용하는 경우의 광 반사율(%)
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1530~1565nm 파장대에서 하기의 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
1.7 ≤ (RG - RI )/RI ×100 ≤ 4.0
(RG : 그래핀 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%), RI : 인듐-주석 산화물(ITO) 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%))
이하, 본 발명에 사용되는 용어에 대하여 간략히 설명한다.
용어 "그래핀(graphene)"이란, 복수 개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 2차원의 필름 형태로 형성(통상 sp2결합)된 것을 의미한다. 그래핀을 구성하는 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라, 상기 그래핀의 형태는 달라질 수 있다. 그래핀은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 복수 개 적층되어 복수 층을 형성하고 있는 것도 가능하며, 최대 100nm까지의 두께일 수 있다.
본 발명은 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공한다.
또한, 본 발명은 적외선 영역에서 낮은 면저항 값을 가짐과 동시에 투명한 성질을 유지할 수 있어 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등으로 활용할 수 있는 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀의 투과도 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치의 구조도이다.
도 3은 광파장 대역 구분표이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치의 반사율 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 통상적인 인듐-주석 산화물(Indiumtin-oxide, ITO)을 투명전극으로 사용하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치는 400~700nm 파장대의 가시광 영역에서는 투명한 성질을 만족하는 반면 1500nm 이상의 적외선 파장대에서는 투명한 성질 및 광 투과도가 급격하게 저하되고, 이에 따라 적외선 파장대에서 광통신에 사용되는 소자의 광 출력이 현저히 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 적외선 파장대에서 인듐주석산화물(ITO)을 투명전극으로 사용하기 위해서는 추가적인 박막 증착을 통해 투과도를 향상시켜야 하므로 추가 공정 도입으로 인한 투명전극 제작 비용이 증가하여 상용화가 어려운 점이 있었다.
이에 본 발명은 기판 및 상기 기판 상에 전사된 한 층 이상의 그래핀을 포함하고, 상기 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서 98% 이상의 광 투과도를 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 투명전극을 제공하여 상술한 문제점의 해결을 모색하였다.
이를 통해, 본 발명은 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 적외선 영역에서 낮은 면저항 값을 가짐과 동시에 투명한 성질을 유지할 수 있어 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등으로 다양한 분야에 활용 가능한 장점이 있다.
먼저, 상기 기판에 대해 설명한다. 상기 기판은 기판 상에 전사된 한 층 이상의 그래핀을 포함할 수 있는 것으로 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용될 수 있는 것이면 제한이 없으나, 바람직하게는 투명한 물질로 평평한 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 PET(polyethylene terephthalate), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 웨이퍼(wafer) 중 하나를 사용할 수 있으며, 플렉시블(flexible)한 재질을 사용할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 그래핀 투명전극에 포함되는 그래핀에 대해 설명한다.
상기 그래핀은 탄소원자의 강한 공유결합으로 형성된 단원자층으로 이루어진 2차원 평면 구조를 갖는 탄소 나노소재로, 높은 전하 이동도와 열전도도 및 뛰어난 내화학성의 특성을 가진다. 또한, 상기 그래핀의 단일층 두께는 탄소 원자 하나의 크기에 불과하여 약 0.25~0.35nm일 수 있다. 상기 그래핀은 금속성의 특성을 가져, 층 방향으로 전도성을 가지며, 전하 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 커서 고속 전자 소자를 구현할 수 있다. 상기 그래핀은 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 가지고 있으며, 두께가 얇아, 평판 표시 소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 및 나노 크기의 전자소자로의 응용성이 크다. 상기 그래핀을 이용하면 반도체 공정 기술을 이용하여 소자를 제조하기 용이하며, 특히 대면적 집적화가 용이한 이점이 있다.
본 발명은 이러한 그래핀을 이용한 그래핀 투명전극을 제공하며, 본 발명에 포함되는 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하이며, 상기 면저항 범위를 만족할 때 1500~1700nm의 파장대에서 광 투과도가 98%이상이다. 바람직하게는 상기 그래핀의 면저항이 350Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서 99% 이상의 광 투과도를 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 그래핀의 면저항이 300Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서 100% 이상의 광 투과도를 가질 수 있다. 일반적으로 그래핀의 광학전도도(optical conductivity)는 넓은 파장대에서 일정한 값으로 알려져 있으나, 그래핀 표면에서 전하 밀도의 증가를 통한 도핑을 하게 되면 적외선 영역에서 광학전도도를 억제할 수 있다. 광학전도도가 낮으면 적외선 파장에서 흡수되는 빛의 양이 줄어들게 되며 따라서 적외선 영역에서 투과도는 증가하게 된다.
통상적으로 그래핀의 광학전도도(optical conductivity)는 넓은 파장대에서 일정한 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명은 그래핀 표면에서 전하 밀도의 증가를 통한 도핑이 이루어져 적외선 영역에서 광학전도도가 억제되고, 이에 따라 적외선 파장에서 흡수되는 빛의 양이 줄어들게 되어 적외선 영역에서의 투과도가 향상되는 효과가 있다.
이에 따라 본 발명의 그래핀은 적외선 영역인 1500~1700nm의 파장대에서 낮은 면저항 값을 가짐과 동시에 현저히 향상된 광 투과도를 가져, 1500~1700nm의 파장대에서도 투과도가 거의 100%에 근접한 값을 가져 다른 투명전극 소재에 비하여 우수한 광특성을 보유하는 효과가 있다.
이와 관련하여, 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀의 투과도 그래프이다. 상기 그래프를 참조하면, 본 발명에 포함되는 그래핀은 1500nm이상의 파장대에서 현저히 향상된 투과도를 가짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 그래핀만의 투과도는 550nm에서 96.6%의 높은 값을 가짐과 동시에, 1500nm에서도 100.8%의 높은 값을 가져 적외선 영역에서 오히려 투과도가 현저히 향상되는 효과가 있음을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 1500nm 이상의 영역에서도 그래핀과 PET 전체 투과도는 조금씩 감소하여 2000nm 이상에서는 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 본 발명의 그래핀만의 투과도는 1500nm 이상에서 안정적으로 높은 값을 보이며, 이는 2000nm 이상의 영역에서도 유지되어 본 발명의 그래핀이 전체 파장대에 걸쳐 우수한 투과도를 가지는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
그래핀 투명전극은 전도 특성에 따라 다양한 응용분야에 활용될 수 있는데, 본 발명의 그래핀은 면저항이 400Ω/sq 이하이어야 한다. 만일 상기 그래핀의 면저항이 400Ω/sq를 초과하는 경우에는 1500~1700nm의 파장대에서 광 투과도가 96% 보다 현저히 저하하게 되고, 투명전극으로 사용하기 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 만일 상기 광 투과도가 적외선 영역인 1500~1700nm의 파장대에서 96% 미만인 경우에는, 그래핀이 상기 파장대에서 투명한 성질을 유지하기 어렵고, 이에 따라 광통신에 사용되는 광량의 손실을 최소화하기가 어려운 문제점이 발생할 수 있다. 그 결과, 입사광이 투명전극층을 투과하는 동안 광 손실이 발생하게 되어 반사광의 강도가 현저히 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 그래핀은 하기의 조건 (a) 및 (b)를 모두 만족할 수 있다.
(a) 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 500~700nm의 파장대에서의 광 투과도보다 높을 것
(b) 상기 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 100% 이상일 것
본 발명에 포함되는 그래핀은 가시광선 영역인 500~700nm 파장대에서의 광 투과도보다 적외선 영역인 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 더 우수하다. 또한, 적외선 영역인 1500~1700nm의 파장대에서는 면저항이 400Ω/sq이하일 때 100% 이상의 현저히 높은 광투과도를 만족할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 그래핀은 하기의 조건 (c)를 더 만족할 수 있다.
(c) 하기 관계식 1을 만족할 것
[관계식 1]
T1500-T550 ≥ 2.0(%)
(T1500 : 1500nm 파장대에서 그래핀의 광 투과도(%), T550 : 550nm 파장대에서의 그래핀의 광 투과도(%))
본 발명의 그래핀은 1500nm 파장대에서의 광 투과도(T1500)가 550nm 파장대에서의 광 투과도(T550) 보다 2%이상 높을 수 있다. 만일 T1500-T550가 2% 미만인 경우에는 적외선 파장대에서 투명전극의 투명한 성질이 급격히 저하되고, 투명전극에 의한 광량의 손실이 다량 발생하여 반사광의 강도가 저하되어 광통신 분야에 적합하지 못한 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 형성된 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 있어서, 상기 실리콘 백플레인층과 액정층 사이에 형성되어 광 변조를 유발하는 반사층 픽셀 전극; 및 상기 액정층과 유리 기판층 사이에 형성된 상기의 어느 한 그래핀 투명전극;을 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제공한다. 이에 따라 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 그래핀 투명전극을 포함하는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 적외선 영역에서 낮은 면저항 값을 가짐과 동시에 투명한 성질을 유지할 수 있어 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등으로 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.
먼저, 본 발명에 이용되는 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자에 대해 설명한다. 실리콘액정 소자는 빛의 회절현상을 이용하여 각 픽셀에 위치한 반사판에서 입사광의 방향을 제어하는 방식으로, 움직이는 부품이 없어 진동에 강하고 포트확장성 및 견고성이 우수하며 채널 별 손실 보상, 파장변위 보상, 입출력 채널 모니터링의 기능을 용이하게 수행할 수 있는 장점을 가진다. 실리콘액정 소자는 화소 전극의 구성을 실리콘 백플레인 상에 구성하여 반사형으로 제작된다.
상기 실리콘액정 소자는 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 형성되어 있다. 상기 실리콘 백플레인층은 실리콘 웨이퍼 기판이며, 상기 유리 기판층은 소자의 터치부를 구성하고, 상기 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 주입되어 초소형 디스플레이 소자인 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자를 구성한다.
상기 액정층의 양단에 인가되는 전압에 따라 액정층의 위상 상태가 변하는 특성을 이용하여, 입사되는 광신호가 닿는 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자 영역에 표시된 특정 이미지패턴에 따라 임의의 각도로 입사광을 편향시켜 반사시키는 역할을 하게 된다. 일반적으로 입력되는 광신호의 구경이 단일 픽셀의 크기보다 커서 다수의 픽셀을 통해 광신호가 반사되는 것이다. 본 발명의 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자 기반의 파장 선택 스위치는, 입사광이 실리콘액정(liquid crystal on silicon, LCoS) 소자에서 표시되는 이미지패턴에 따라 실리콘액정 소자에 입사되는 각각의 파장을 각각 다른 각도로 반사시킨다.
또한, 상기 실리콘 백플레인층과 액정층 사이에는 광 변조를 유발하는 반사층 픽셀 전극이 형성된다. 상기 반사층 픽셀 전극은 입력되는 광의 강도를 변화시켜 광에 신호를 싣는 광 변조를 유발하여 광통신에 사용될 수 있다. 상기 반사층 픽셀 전극은 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 전극을 사용할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 반사 전극일 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치의 구조도이다. 상기 도면을 참조하면, 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 존재하고, 상기 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 반사층 픽셀 전극이 형성되어 있다. 또한, 상기 유리 기판층과 액정층 사이에 그래핀 투명전극이 형성되어 있어, 광이 입사되면 상기 그래핀 투명전극을 2번 통과하게 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 광량의 손실을 최소화하기 위해서 상기 그래핀 투명전극이 적외선 파장대에서 투명한 성질을 유지하는 것이 필요하며, 투명전극의 투과도가 반사광의 강도에 중요한 영향을 미쳐, 그래핀 투명전극의 우수한 투과도가 필요함을 확인할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 그래핀 투명전극 중 어느 하나가 상기 액정층과 유리 기판층 사이에 형성되어 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 구성할 수 있다. 이를 통해, 가시광 영역 및 적외선 영역 모두에서 우수한 광 투과도를 가질 뿐만 아니라, 적외선 영역에서는 가시광 영역에 비하여 현저히 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있는 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치를 제공할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등으로 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1000~1600nm의 모든 파장대에서 광 반사율이 72% 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는, 1500~1600nm의 모든 파장대에서 광 반사율이 80% 이상일 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 1000~1600nm 범위에 속하는 모든 파장에서 광 반사율이 72% 이상일 수 있고, 이와 동시에 1500~1600 nm 범위에 속하는 모든 파장에서 광 반사율이 80%이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 본 발명의 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 하기의 조건 (d) 및 (e)를 모두 만족할 수 있다.
(d) 1000~1400nm의 파장대에서 RG ≤ RI 일 것
(e) 1500~1600nm의 파장대에서 RG ≥ RI 일 것
(RG : 그래핀 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%), RI : 인듐-주석 산화물(ITO) 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%))
이 때, 상기 RG는 상술한 본 발명의 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율을 의미하며, RI는 본 발명의 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 포함되는 상기 액정층과 유리 기판층 사이에 형성된 그래핀 투명전극 대신에 해당 기술 분야에서 통상적으로 이용되는 인듐-주석 산화물(ITO)을 이용하는 경우의 광 반사율을 의미한다.
이를 통해 본 발명은 1500~1600nm 파장대의 적외선 영역에 적합한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제공할 수 있으며, 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등 적외선을 이용하는 다양한 기술 분야에 활용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 3은 광파장 대역 구분표이고, IUT-T(International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) 광파장 대역 구분에 따르면 중장거리 전송을 위해서는 C 밴드 (1530nm ~ 1565nm), L 밴드 (1565nm ~ 1625nm)와 U 밴드 (1625nm ~ 1675nm)의 파장을 가지는 광원이 사용된다. 이 중 C 밴드는 중장거리 전송에 이용되는 저손실대역으로, 상기 파장대에서의 광 투과도를 향상시켜 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 향상시킬 필요성이 있다.
이에 본 발명은 광통신에 사용되는 상기 C 밴드, 즉 1530nm ~ 1565nm 파장대에서 현저히 향상된 광 반사율을 가지는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제공한다. 이와 관련하여, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면,
본 발명의 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1530~1565nm 파장대에서 하기의 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
1.7 ≤ (RG - RI )/RI ×100 ≤ 4.0
(RG : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%), RI : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 포함되는 투명전극으로 그래핀 대신 인듐-주석 산화물(ITO)을 이용하는 경우의 광 반사율(%))
상기 관계식 2는 바람직하게는 1.7 ≤ (RG - RI )/RI ×100 ≤ 3.8일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.7 ≤ (RG - RI )/RI ×100 ≤ 3.6일 수 있다.
이를 통해 본 발명은 C 밴드 영역에서 광 반사율이 현저히 우수하여, 해당 파장 영역에서의 사용이 적합한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 실리콘액정 소자 기반의 파장 선택 스위치의 반사율 그래프이다. 상기 그래프를 참조하면, 본 발명의 그래핀 투명전극을 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 1500~1600nm 파장대에서 현저히 높은 반사율을 가져, 적외선을 이용하는 다양한 기술 분야에 활용할 수 있음을 알 수 있다.
결국, 본 발명의 그래핀 투명전극 및 이를 포함하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치는 가시광 영역에서 우수한 광 투과도를 가짐과 동시에 적외선 영역에서는 이보다 향상된 광 투과도를 가져 적외선 파장대의 광통신에 사용되는 소자의 광 출력을 현저히 향상시킬 수 있어 적외선 이미징, 적외선 센서, 적외선 발광체 등 적외선을 이용하는 다양한 기술 분야에 활용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명한다.
실시예 1
35℃의 Cu 판을 CVD로 장입하였다. 상기 로에 약 1000℃에서 CH4를 약 5분 동안 30 sccm의 속도로 흘려 주었다. 그 다음, H2 분위기 하에서, 600℃까지 60℃/min의 속도로, 상온까지 40℃/min의 속도로 냉각하여, Cu 상에 그래핀을 형성하였다. Cu 및 그래핀의 적층체를 (NH4)S2O8 4 wt% 수용액에 120분 동안 침지하여 Cu를 제거하였다. 이렇게 얻어진 그래핀을 3 wt%의 1,2,4-벤조트리아진, 3 wt%의 H2O2, 9 wt%의 H2SO4 및 잔부의 물을 포함하는 조성물에 40분 동안 침지하여 도핑 그래핀을 얻었다. 상기 도핑 그래핀을 이용한 유리 기판상에 구비된 그래핀 투명전극을 준비하였다. 다음으로, 실리콘 백플레인층 상에 반사층 픽셀전극을 구비하고, 밀봉재(sealing material)를 도포하였다. 그 후, 액정을 도포하여 액정층을 형성하였다. 상기 액정층 상에 유리 기판층 상에 형성된 그래핀 투명전극을 합지하고, 상기 밀봉재를 경화하여 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치를 제조하였다.
비교예 1
상기 그래핀 투명전극 대신에 인듐-주석 산화물(ITO) 전극을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실험예 1. 반사율 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 반사율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 4의 그래프에 나타내었다. 하기 표 1의 반사율의 증가율은 소수점 둘째자리까지 반올림하여 나타내었다.
표 1
Figure 112018050874300-pat00001
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 그래핀 투명전극을 포함하는 실시예 1은 비교예 1에 비하여 반사율이 현저히 우수함을 알 수 있다. 특히, 1500nm 이상에서는 현저히 우수한 증가율을 보이며, 1565nm에서는 3.49%의 높은 증가율을 보여 본 발명의 반사율이 현저히 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 실리콘 백플레인층과 유리 기판층 사이에 액정층이 형성된 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 있어서,
    상기 실리콘 백플레인층의 상부면과 액정층 하부 사이에 형성되어 광 변조를 유발하는 반사층 픽셀 전극; 및
    상기 액정층 상부와 유리 기판층 하부면 사이에 형성되고, 기판 및 상기 기판 상에 전사된 한 층 이상의 그래핀을 포함하는 그래핀 투명전극
    을 포함하고,
    상기 그래핀은 면저항이 400Ω/sq이하일 때 1500~1700nm의 파장대에서 98% 이상이고, 1500~1700nm의 파장대에서의 광 투과도가 500~700nm의 파장대에서의 광 투과도보다 높으며,
    상기 유리 기판층, 상기 그래핀 투명전극 및 상기 액정층을 차례대로 통과하는 입사광은 상기 반사층 픽셀 전극에 의해 반사되어 상기 액정층, 상기 그래핀 투명전극 및 상기 유리 기판층을 차례대로 통과하여 반사광으로 출력되고,
    상기 입사광에 대한 상기 반사광의 광 반사율은 1000~1400nm의 파장 범위에서는 72.9%~78.2%이고, 1500~1600nm의 파장 범위에서는 80.2%~83.7%이며,
    1000~1600nm의 파장 범위에서, 1200nm와 1300nm 사이의 광 반사율의 변화율은 나머지 파장대에서 100nm 단위로 변할 때 광 반사율의 변화율보다 큰
    실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    하기의 조건 (d) 및 (e)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치.
    (d) 1000~1400nm의 파장대에서 RG ≤ RI 일 것
    (e) 1500~1600nm의 파장대에서 RG ≥ RI 일 것
    (RG : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%), RI : 상기 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치에 포함되는 투명전극으로 그래핀 대신 인듐-주석 산화물(ITO)을 이용하는 경우의 광 반사율(%))
  8. 제4항에 있어서,
    1530~1565nm 파장대에서 하기의 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치.
    [관계식 2]
    1.7 ≤ (RG - RI )/RI ×100 ≤ 4.0
    (RG : 그래핀 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%), RI : 인듐-주석 산화물(ITO) 투명전극을 이용한 실리콘액정 소자를 이용한 파장 선택 스위치의 광 반사율(%))
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