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KR20190028142A - The structural color filter using multicavity resonances - Google Patents

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KR20190028142A
KR20190028142A KR1020170115221A KR20170115221A KR20190028142A KR 20190028142 A KR20190028142 A KR 20190028142A KR 1020170115221 A KR1020170115221 A KR 1020170115221A KR 20170115221 A KR20170115221 A KR 20170115221A KR 20190028142 A KR20190028142 A KR 20190028142A
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아주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명을 통해서 각도 의존성이 낮고, 고효율, 고순도 및 고투과율을 나타내는 구조색 필터를 제공할 수 있고, 상기 본 발명의 구조색 필터는 반도체층에 두께에 따라 RGB를 조절할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a structural color filter having low angle dependency, high efficiency, high purity, and high transmittance. In the structural color filter of the present invention, RGB can be adjusted depending on the thickness of the semiconductor layer.

Description

멀티캐비티 공명을 이용한 구조 색 필터{THE STRUCTURAL COLOR FILTER USING MULTICAVITY RESONANCES}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a structure color filter using multi-cavity resonance,

본 발명은 컬러필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 멀티캐비티 공명을 이용하여 입사 각도에 대한 의존성이 낮으며 고순도 및 고투과 특성을 동시에 나타내는 구조색 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a color filter, and more particularly, to a color filter having a low dependence on an incident angle using multi-cavity resonance and exhibiting high purity and high transmission characteristics at the same time.

컬러 필터는 액정표시 기술, 광학 측정 시스템, 발광 다이오드, CMOS 이미지 센서 등과 같은 다양한 영역에 사용되고 있다. 그러나 종래 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터가 주로 사용되었는데, 염료나 안료는 연속적인 자외선 조사, 고온, 습기에 대해 민감하기 때문에, 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터는 성능이 빠르게 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 종래 컬러 필터에서 화소 크기를 줄이기 위해서는 복잡하고 고도로 정확한 얼라인먼트 공정이 필수적으로 요구되는 문제점이 있었다.Color filters are used in various fields such as liquid crystal display technology, optical measurement systems, light emitting diodes, CMOS image sensors and the like. However, color filters based on organic dyes and chemical pigments have been mainly used. Since dyes and pigments are sensitive to continuous ultraviolet radiation, high temperature and humidity, organic dyes and chemical pigments (pigments) ) Has a problem that the performance of the color filter is deteriorated rapidly. In addition, in order to reduce the pixel size in such a conventional color filter, a complex and highly accurate alignment process is necessarily required.

종래 유기 염료(dye)나 화학적 안료(pigment) 등에 기초한 컬러 필터의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 구조색 필터(structural color filter)가 최근에 많은 관심을 받고 있다. 이러한 구조색 필터는 높은 효율, 높은 해상도, 작은 화소 크기, 장기 안정성 및 비광퇴색(nonphotobleaching)을 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이러한 구조색 컬러 필터에서는, 현재까지 일반적으로 포톤 공명 모드나 플라즈몬 공명 모드 중 하나를 촉발시키기 위해 가시광 파장 이하의 폭을 갖는 은(Ag)이나 금(Au)의 나노구조를 주로 활용하였다. Ag 및 Au는 다른 금속과 비교하여 가시광 영역 스펙트럼에서 낮은 광학 흡수 손실을 가지기 때문이다.In order to solve the above-mentioned problems of color filters based on conventional organic dyes and chemical pigments, a structural color filter has received a lot of attention in recent years. Such structured color filters have the potential to achieve high efficiency, high resolution, small pixel size, long term stability and nonphotobleaching. In order to trigger one of the photon resonance mode and the plasmon resonance mode, the structure color filter mainly utilizes the nanostructure of silver (Ag) or gold (Au) having a width less than the wavelength of visible light. Ag and Au have a lower optical absorption loss in the visible light spectrum as compared with other metals.

그러나 Ag나 Au는 현재의 CMOS 제조방법에 적용될 수 없을 뿐만 아니라 비싸다는 문제점이 있다. 또한, Ag나 Au를 사용하는 구조색 필터는 낮은 성능 효율, 시간에 따른 현저한 색 퇴화를 나타내는 문제점이 있다. 골드 물질은 468 nm에서 Au 물질의 대간 전이(interband transition)를 발생시키고, Ag 물질은 산화 또는 황화가 되기 때문이다. 또한, 색 생성에 있어서 광의 입사 각도에 비민감한 성능 특성을 구현하는 것 역시 해결되어야 하는 과제 중 하나이다.However, there is a problem that Ag or Au is not only applicable to current CMOS manufacturing methods, but also expensive. In addition, a structural color filter using Ag or Au has a problem of showing poor performance efficiency and remarkable color degradation with time. The gold material causes an interband transition of the Au material at 468 nm, and the Ag material is oxidized or sulfided. In addition, realizing performance characteristics that are insensitive to the angle of incidence of light in color generation is also one of the problems to be solved.

이러한 각도 비민감 성능 특성을 달성하기 위하여, 다양한 구조색 필터들이 제안되었다. 그러나, 다수의 복잡한 리소그래피(lithographic) 공정이 필요하였고, 손실있는 재료(lossy materials)에 광학적 간섭 효과를 이용하는 것은 효율을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 효율성 및 색순도는 트레이드 오프(trade off) 관계로써, 고효율이면서 동시에 고순도인 구조 색 필터를 얻는 것은 어렵기 때문에, 이러한 문제점을 개선하기위한 방법이 필요한 실정이다.In order to achieve such angular non-sensitive performance characteristics, various structure color filters have been proposed. However, many complicated lithographic processes were required, and the use of optical interference effects on lossy materials not only greatly reduced efficiency, but also efficiency and color purity tradeoffs, resulting in high efficiency At the same time, it is difficult to obtain a high-purity structural color filter, and therefore, a method for improving such a problem is needed.

본 발명의 일 목적은 각도 의존성이 낮으면서도 고효율, 고순도 및 고투과성을 갖는 구조색 필터를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a structural color filter having a low degree of angle dependency and high efficiency, high purity and high permeability.

본 발명의 일 목적을 위한 구조색 필터는 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함한다.The structure color filters for one purpose of the present invention include first to third metal layers spaced apart from one another and arranged sequentially; A first semiconductor layer disposed between the first metal layer and the second metal layer; And a second semiconductor layer disposed between the second metal layer and the third metal layer.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층들은 은(Ag)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first to third metal layers may include silver (Ag).

일 실시예에서 상기 금속층의 두께는 10 nm 내지 50 nm일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the metal layer may be between 10 nm and 50 nm.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first and second semiconductor layers may comprise zinc sulphide (ZnS).

일 실시예에서 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the light emitting device may further include a first antireflection layer disposed on the first metal layer and a second antireflection layer disposed under the third metal layer.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 반사방지층 및 제2 반사방지층은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first and second semiconductor layers include zinc sulfide (ZnS), and the first and second anti-reflection layers may include zinc sulfide (ZnS).

일 실시예에서 상기 제1 반사방지층 및 제2 반사방지층의 두께는 상기 제1 및 제2 반도체층 각 두께의 40 % 내지 60 %일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the first antireflection layer and the second antireflection layer may be 40% to 60% of the thickness of the first and second semiconductor layers.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층된 것일 수 있다.In one embodiment, the first to third metal layers and the first and second semiconductor layers may be stacked on a flexible substrate.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께를 조절함으로써, RGB를 구현할 수 있다.In one embodiment, RGB may be implemented by adjusting the thickness of the first and second semiconductor layers.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 95 nm 내지 115 nm 일 때 적색을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the first and second semiconductor layers include zinc sulfide (ZnS), and red when the thickness of the first and second semiconductor layers is 95 nm to 115 nm, respectively.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 60 nm 내지 80 nm 일 때 녹색을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the first and second semiconductor layers comprise zinc sulfide (ZnS), and may be green when the thickness of the first and second semiconductor layers is 60 nm to 80 nm, respectively.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 30 nm 내지 50 nm 일 때 청색을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the first and second semiconductor layers include zinc sulfide (ZnS), and may exhibit blue when the thickness of the first and second semiconductor layers is 30 nm to 50 nm, respectively.

본 발명을 통해서, 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함하고, 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함하므로써, 입사각 각도 의존성이 낮아진 구조색 필터를 제공할 수 있고, 상기 본 발명의 구조색 필터는 고효율, 고순도, 고투과율을 나타내며 상기 반도체층의 두께를 조절하여 RGB를 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 구조색 필터는 복잡한 제조 공정이 필요없으므로, 다양한 분야에서 쉽게 응용될 수 있다.According to the present invention, first to third metal layers which are spaced apart from each other and arranged sequentially; A first semiconductor layer disposed between the first metal layer and the second metal layer; And a second semiconductor layer disposed between the second metal layer and the third metal layer, the first antireflection layer disposed on the first metal layer and the second antireflection layer disposed under the third metal layer The structure color filter of the present invention exhibits high efficiency, high purity, and high transmittance, and RGB can be realized by adjusting the thickness of the semiconductor layer. Further, since the structure color filter of the present invention does not require a complicated manufacturing process, it can be easily applied in various fields.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면들이다.
도 3 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 구조색 필터를 분석한 결과를 나타낸 도면들이다.
1 and 2 are diagrams illustrating a structure color filter according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 19 are views showing the result of analyzing the structure color filter according to the embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having ", etc. is intended to specify that there is a feature, step, operation, element, part or combination thereof described in the specification, , &Quot; an ", " an ", " an "

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하 본 발명의 실시예들에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only a few embodiments of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터(100)는 기판(200), 제1 금속층(310), 제2 금속층(320), 제3 금속층(330), 제1 반도체층(410), 제2 반도체층(420), 제1 반사방지층(antireflection, AR)(510) 및 제2 반사방지층(520)을 포함할 수 있다.1 is a diagram illustrating a structure color filter according to an embodiment of the present invention. 1, a structural color filter 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a substrate 200, a first metal layer 310, a second metal layer 320, a third metal layer 330, Layer 410, a second semiconductor layer 420, a first antireflection (AR) layer 510, and a second antireflection layer 520.

구조색 필터(100)는 기판(200) 상에 제2 반사방지층(510), 제1 금속층(310), 제1 반도체층(410), 제2 금속층(320), 제2 반도체층(420), 제3 금속층(330) 및 제1 반사방지층(520)이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 다르게 말해서 구조색 필터(100)는 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330), 제1 금속층(310)과 제2 금속층(320) 사이에 배치된 제1 반도체층(410) 및 제2 금속층(320)과 제3 금속층(330) 사이에 배치된 제2 반도체층(420)을 포함할 수 있고, 제1 금속층(310) 상부에 배치된 제1 반사방지층(520) 및 제3 금속층(330) 하부에 배치된 제2 반사방지층(510)을 더 포함할 수 있다.The structure color filter 100 includes a second antireflection layer 510, a first metal layer 310, a first semiconductor layer 410, a second metal layer 320, a second semiconductor layer 420, The third metal layer 330, and the first antireflection layer 520 may be stacked. In other words, the structure color filter 100 includes first to third metal layers 310, 320 and 330 spaced apart from each other, a first semiconductor layer 310 disposed between the first metal layer 310 and the second metal layer 320, And a second semiconductor layer 420 disposed between the second metal layer 320 and the third metal layer 330. The first semiconductor layer 310 may include a first antireflection layer 520 and a third anti-reflection layer 510 disposed under the third metal layer 330.

상기 기판(200)의 물질 및 구조는 금속층(310, 320, 330)들과 반도체층(410, 420)들을 안정적으로 지지할 수 있다면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 기판(150)으로는 유리 기판, 절연성 고분자 기판 또는 반도체 기판 등이 사용될 수 있으며, 플렉서블 기판일 수 있다.The material and structure of the substrate 200 are not particularly limited as long as they can stably support the metal layers 310, 320, and 330 and the semiconductor layers 410 and 420. For example, the substrate 150 may be a glass substrate, an insulating polymer substrate, a semiconductor substrate, or the like, or may be a flexible substrate.

이때, 가시광 영역에서 무시할 수 있는 광 흡수율로 높은 굴절율을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체 재료인 ZnS가 광학 매질로서 반도체층에 포함될 수 있고, 가시광 파장 범위에서 가장 높은 반사율과 가장 낮은 광 흡수율을 나타내는 Ag가 금속층에 포함되어 금속성 거울로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 구조색 필터는 반도체층 및 금속층이 교대로 반복되어 적층된 여러개의 박막층으로 구성될 수 있다. 다르게 말하면, 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330)은 높은 반사율 및 낮은 광흡수 특성을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어 은(Ag), 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있고, Ag로만 이루어진 얇은 필름 형태의 Ag층 일 수 있다. 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들은 높은 굴절율을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 ZnS로만 이루어진 얇은 필름 형태의 ZnS층 일 수 있다.At this time, ZnS, which is a wide bandgap semiconductor material having a high refractive index with a negligible light absorptivity in the visible light region, can be included in the semiconductor layer as an optical medium, and Ag, which exhibits the highest reflectance and the lowest light absorption rate in the visible light wavelength range, And can be used as a metallic mirror. That is, the structure color filter may be composed of a plurality of thin film layers in which a semiconductor layer and a metal layer are alternately repeated and laminated. In other words, the first to third metal layers 310, 320, and 330 may include metals having high reflectance and low light absorption characteristics. For example, silver (Ag), gold (Au), or aluminum (Al), and may be a thin film type Ag layer made only of Ag. The first and second semiconductor layers 410 and 420 may include a semiconductor material having a high refractive index, for example, a thin film ZnS layer made of only ZnS.

본 발명의 구조색 필터는 예를 들어 Ag층 및 ZnS층이 교대로 반복되어 적층된 구조를 포함할 수 있고, Ag층 및 ZnS층이 상하대칭으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 일례로 Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조일 수 있고, ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층으로 적층된 구조일 수 있으며, Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조일 수 있다.The structure color filter of the present invention may include, for example, a structure in which an Ag layer and a ZnS layer are alternately repeatedly stacked, and may include a structure in which an Ag layer and a ZnS layer are stacked in a vertically symmetrical manner. Zn layer, an Ag layer, an Ag layer, an Ag layer, a Zn layer, an Ag layer, an Ag layer, an Ag layer, a Zn layer, and an Zn layer Layer-Ag layer.

한편, 도 1에 나타낸 상기 구조색 필터 내부 2 개의 ZnS 층에서, 가시 파장의 거의 동일한 위치에 여러 개의 페브리-페로(Fabry-Perot) 공명을 생성하면, 가시광의 특정 부분을 색 생성을 위해 선택적으로 고효율로 투과할 수 있으며, 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들 두께에 따라 이를 조절 할 수 있다.On the other hand, when a plurality of Fabry-Perot resonances are generated at almost the same position of the visible wavelengths in the two ZnS layers in the structure color filter shown in Fig. 1, a specific portion of visible light is selectively And it can be controlled according to the thickness of the first and second semiconductor layers 410 and 420.

일 실시예에서 제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330)의 두께는 10 nm 내지 50 nm 일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the first to third metal layers 310, 320 and 330 may be between 10 nm and 50 nm.

제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 황화아연(ZnS)을 포함할 수 있고, 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)의 두께는 각각 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들의 각 두께의 40 % 내지 60 %일 수 있다. 예를 들어 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 제1 및 제2 반도체층(410, 420)들의 50 % 정도의 두께를 갖는 ZnS로 이루어진 필름 형태일 수 있다.The first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510 may include zinc sulfide (ZnS), and the thicknesses of the first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510 may be, respectively, 2 < / RTI > semiconductor layers 410 and 420, respectively. For example, the first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510 may be in the form of a film made of ZnS having a thickness of about 50% of the first and second semiconductor layers 410 and 420.

제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)은 제1 및 제3 금속층(310, 320, 330)과 공기 또는 유리 등 간의 계면에서 반사를 완화시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)에 의해 본 발명의 구조색 필터(100)는 투과율이 향상될 수 있다. The first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510 may mitigate reflection at the interface between the first and third metal layers 310, 320, and 330 and the air or glass. Therefore, the structure color filter 100 of the present invention can be improved in transmittance by the first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510.

제1 내지 제3 금속층(310, 320, 330), 제1 및 제2 반도체층(410, 420) 및 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510)들은 전자빔 증발(E-beam evaporation) 증착기를 이용하여 기판 상에 증착시켜 형성할 수 있다.The first to third metal layers 310, 320 and 330, the first and second semiconductor layers 410 and 420 and the first and second antireflection layers 520 and 510 are formed by E-beam evaporation ) Evaporator on a substrate.

일 실시예에서 본 발명의 구조색 컬러필터는 제2 반사방지층-제1 금속층-제1 반도체층-제2 금속층-제2 반도체층-제3 금속층-제1 반사방지층으로 구성될 수 있고, 다르게 말하면 하부 반사방지층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-상부 반사방지층으로 구성될 수 있다.In one embodiment, the structural color filter of the present invention may comprise a second antireflection layer-a first metal layer-a first semiconductor layer-a second metal layer-a second semiconductor layer-a third metal layer-a first antireflection layer, The lower antireflection layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-upper antireflection layer.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 도면이다. 구체적으로 도 2는 유리기판(3 × 3 cm2) 상에 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따라 특정한 RGB 색상으로 제조된 구조색 필터를 통해 배경이 생생하게 투과되어 보이는 것을 광학 이미지로 나타낸 것이다. 상기 일 실시예에 따른 구조색 필터는 고유한 RGB 색상을 가질 수 있으며, 상기 구조색 필터를 통해 배경을 명확하게 볼 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 이러한 특성을 갖는 본 발명의 구조색 필터를 제조하기 위해서는 복잡한 리소그래피 공정이 필요없기 때문에 보다 넓은 크기의 다양한 디스플레이 장치에도 쉽게 적용할 수 있으며, 플렉서블한 기판에도 적용할 수 있다.2 is a diagram illustrating a structure color filter according to an embodiment of the present invention. 2 illustrates a structural color filter according to an embodiment of the present invention fabricated on a glass substrate (3 × 3 cm 2 ). Referring to FIG. 2, The optical image shows that the background is vividly transmitted through the structured color filter. The structure color filter according to the embodiment can have a unique RGB color and the background can be clearly seen through the structure color filter. On the other hand, since the complicated lithography process is not required to manufacture the structural color filter of the present invention having such characteristics, it can be easily applied to various display devices of a wider size and can be applied to a flexible substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께를 조절함으로써, 도 2에 나타낸 것과 같이 RGB를 구현할 수 있다.By adjusting the thicknesses of the first and second semiconductor layers of the structure color filter according to an embodiment of the present invention, RGB can be realized as shown in FIG.

일 예로 상기 제1 및 제2 제1 및 제2 반도체층의 두께가 각각 독립적으로 95 nm 내지 115 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 20 nm 내지 40 nm 일 때 적색을 나타낼 수 있다.For example, when the thicknesses of the first and second first and second semiconductor layers are independently 95 nm to 115 nm and the thicknesses of the first to third metal layers are independently 20 nm to 40 nm, .

다른 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 독립적으로 60 nm 내지 80 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 25 nm 내지 45 nm 일 때 녹색을 나타낼 수 있다.In another embodiment, the thicknesses of the first and second semiconductor layers are independently 60 nm to 80 nm, and the thicknesses of the first to third metal layers are each independently 25 nm to 45 nm. .

또 다른 실시예에서 상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 독립적으로 30 nm 내지 50 nm이고, 상기 제1 내지 제3 금속층의 두께가 각각 독립적으로 20 nm 내지 40 nm 일 때 청색을 나타낼 수 있다.In another embodiment, the thickness of the first and second semiconductor layers may be independently from 30 nm to 50 nm, and the thickness of each of the first to third metal layers may be blue to 20 nm to 40 nm independently have.

일 실시예에서 상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층될 수 있다.In one embodiment, the first to third metal layers and the first and second semiconductor layers may be stacked on a flexible substrate.

도 3 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 특성을 분석한 결과를 나타낸 도면들로, 일 예로 서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층; 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및 상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층을 포함하고, 상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함하는 구조색 컬러필터를 사용하여 비교 평가한 결과를 나타내었다.FIGS. 3 to 19 are views showing the results of analyzing the characteristics of the structural color filter according to an embodiment of the present invention. For example, the first to third metal layers are spaced apart from one another and are sequentially arranged. A first semiconductor layer disposed between the first metal layer and the second metal layer; And a second semiconductor layer disposed between the second metal layer and the third metal layer, the first antireflection layer disposed on the first metal layer and the second antireflection layer disposed under the third metal layer The results are shown in Fig.

구체적으로 도 3은 본 발명의 구조색 필터에 대해 수직 입사된 입사광에 대한, 투과 시뮬레이션 분광 곡선(a) 및 실제 측정된 분광 곡선(b)를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 각각의 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층의 두께가 104 nm 및 32 nm(적색), 70 nm 및 34 nm(녹색), 그리고 40 nm 및 28 nm(청색)인 구조로부터 각각 적색, 녹색 및 청색(RGB) 색상을 생성할 수 있으며, 이때 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510) 상기 제1 및 제2 반도체층의 절반 정도의 두께(예를 들어 각각 52 nm, 35 nm 및 20 nm)일 수 있다. 도 3의 (a)는 수직 입사 투과 시뮬레이션 분광 곡선이며, 실제 측정된 분광 곡선을 나타낸 도 3의 (b)와 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 도 3의 (a) 및 (b)는 모두 투과 분광 곡선에서 이중 피크를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.Specifically, FIG. 3 shows the transmission simulated spectroscopic curve (a) and the actually measured spectroscopic curve (b) for incident light perpendicularly incident on the structured color filter of the present invention. Referring to FIG. 3, the thickness of each of the first and second semiconductor layers and the first to third metal layers is 104 nm and 32 nm (red), 70 nm and 34 nm (green), and 40 nm and 28 nm Blue, and blue, respectively, wherein the first antireflection layer 520 and the second antireflection layer 510 may have a thickness of about half the thickness of the first and second semiconductor layers, (E. G., 52 nm, 35 nm and 20 nm, respectively). Fig. 3 (a) is a vertical incidence transmission simulation spectral curve, and it can be confirmed that it substantially coincides with Fig. 3 (b) showing the actually measured spectral curve. 3 (a) and (b) both show a double peak in the transmission spectroscopy curve.

구체적으로 도 4는 도 3의 나타낸 분광 곡선들로부터 계산된 색좌표의 CIE 1931 색공간 색도 다이아그램(chromaticity diagram)를 나타낸 것으로, 색순도를 확인할 수 있다. 도 4를 참조하면, 도 3에 나타낸 시뮬레이션 결과(profiles)(검은 원형) 및 실제 측정 결과(검은 사각형)들로부터 계산된 색 좌표 (x, y)를 색공간(color space)에 비교하여 나타낸 것이다. 각각 RGB 색에 대해 실제 측정된 색공간의 색좌표는 적색(0.641, 0.324), 녹색(0.355, 0.527) 및 청색(0.156, 0.136)으로 나타났고, 시뮬레이션의 색공간은 적색(0.667, 0.316), 녹색(0.353, 0.520) 및 청색(0.155, 0.412)이었다. 도 4를 보면 본 발명의 구조색 필터가 나타내는 색 영역의 범위가 넓으므로, 본 발명의 구조색 필터를 이용하면 광범위한 색상을 나타낼 수 있는 컬러필터를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 상당히 높은 기울기(즉, 높은 Q- 인자)를 가진 경우 뿐만 아니라, 높은 색순도를 달성하는데 필수적인 오프 공명 파장 성분을 크게 억제한 경우에도 60 % 이상의 투과율을 나타낼 수 있다는 것 또한 확인할 수 있다. 색순도는 공명을 청색( 또는 적색)의 짧은( 또는 긴) 파장으로 이동시키거나(shifting) 제1 내지 제3 금속층의 두께를 증가시킴으로써 더욱 향상시킬 수 있다.Specifically, FIG. 4 shows a CIE 1931 color space chromaticity diagram of the color coordinates calculated from the spectral curves shown in FIG. 3, and the color purity can be confirmed. Referring to FIG. 4, the color coordinates (x, y) calculated from the simulation results (black circles) and the actual measurement results (black squares) shown in FIG. 3 are compared with the color space . The color coordinates of the actual measured color space for each RGB color were red (0.641, 0.324), green (0.355, 0.527) and blue (0.156, 0.136) (0.353, 0.520) and blue (0.155, 0.412). Referring to FIG. 4, since the color gamut of the color filter of the present invention is wide, it can be seen that a color filter capable of displaying a wide range of colors can be produced by using the structure color filter of the present invention. It can be confirmed that the transmittance can be not less than 60% even when the off-resonance wavelength component, which is essential for achieving high color purity, is greatly suppressed, as well as in the case of having a significantly high slope (i.e., high Q-factor). The color purity can be further improved by shifting the resonance to a short (or long) wavelength of blue (or red) and increasing the thickness of the first to third metal layers.

구체적으로 도 5는 구조색 필터의 일 실시예를 비교하여 나타낸 것이다. 도 5에 점선은 Ag층-ZnS층-Ag층으로 구성된 구조색 필터의 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 실선은 ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 구성된 구조색 필터의 투과 분광 곡선을 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 구성된 구조색 필터를 나타낸 실선은 공명의 선명도(sharpness of the resonance) 및 색순도에 영향을 주지 않으면서 현저하게 향상된 휘도(luminance)를 나타내는 것을 알 수 있다. 이때 실선은 도 3의 (a)와 동일한 곡선이다. ZnS 또는 Ag는 각각 구조색 필터에서 적색, 녹색 및 청색(RGB)을 생성하는데 사용될 수 있고, 반사방지층은 ZnS을 포함할 수 있고, 구조색 필터를 구성하는 ZnS층 두께의 절반 두께일 수 있다. 예를 들어 ZnS층 및 Ag층의 두께가 각각 104 nm 및 32 nm, 70 nm 및 34 nm 또는 40 nm 및 28 nm라면, 반사방지층은 상기 ZnS층의 절반 두께인 52 nm, 35 nm 또는 20 nm일 수 있다.Specifically, FIG. 5 shows a comparison of one embodiment of the structure color filter. 5, the dotted line shows the simulation transmission spectral curve of the structural color filter composed of the Ag layer-ZnS layer-Ag layer, and the solid line shows the ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag- The transmission spectral curve of the structure color filter is shown. Referring to FIG. 5, the solid line indicating the structure color filter composed of the ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag-ZnS layer does not affect the sharpness of the resonance and color purity It can be seen that it exhibits remarkably improved luminance. The solid line at this time is the same curve as shown in Fig. 3 (a). ZnS or Ag can each be used to produce red, green and blue (RGB) in the structured color filter, and the antireflective layer can comprise ZnS and can be half the thickness of the ZnS layer constituting the structural color filter. For example, if the thicknesses of the ZnS and Ag layers are 104 nm and 32 nm, 70 nm and 34 nm or 40 nm and 28 nm, respectively, then the antireflective layer will have a thickness of 52 nm, 35 nm or 20 nm .

투과 분광 곡선(투과 스펙트럼)은 분광계(V-770 UV-Visible-Near Infrared Spectrophotometer, JASCO)로 측정하였다. 수직 입사각, 각도 분해 투과 분광 곡선 및 전기장의 강도등을 평가하기 위해 전송 매트릭스 방법(transfer matrix method)을 기반으로 광학 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 분광 엘립소미터(spectroscopic ellipsometer) (Elli-SE, Ellipso Technology Co.)로 Ag층 및 ZnS층의 굴절률을 측정하였고 광학 시뮬레이션에 사용하였다. Transmission spectroscopy (transmission spectrum) was measured with a spectrometer (V-770 UV-Visible-Near Infrared Spectrophotometer, JASCO). Optical simulation was performed based on the transfer matrix method to evaluate vertical incidence angles, angular decomposition transmission spectroscopy curves, and the strength of the electric field. The refractive index of the Ag layer and ZnS layer was measured with a spectroscopic ellipsometer (Elli-SE, Ellipso Technology Co.) and used for optical simulation.

청색에 대한 시뮬레이션 투과 분광 곡선은 430 nm에서 효율이 63.49 % 인 단 하나의 공명 피크만을 나타내는 반면, 실제로 측정된 투과 분광 곡선은 395 nm 및 474 nm에서 효율이 52.14 % 및 34.51 %인 두 개의 피크를 나타냈고 비교적 넓은 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 차이는 엘립소미터에 의해 모델링되고 시뮬레이션에 사용된 ZnS의 흡수 계수가, 실제 컬러 필터 제조 시의 ZnS의 흡수 계수보다 다소 높을 수 있기 때문에 발생하는 것으로 시뮬레이션 결과로부터 390 nm에서 억제된 공명을 산출할 수 있다. 시뮬레이션 분광 곡선과 비교하여 실제 측정된 분광 곡선에서 낮은 투과 효율을 갖는 넓은 공명 현상(broad resonance behavior)은 제조된 컬러필터에서 Ag 두께가 더 얇아진 것으로 볼 수 있다. 이로인해 감소된 반사 효과 및 그에 따른 약한 간섭 효과가 나타날 수 있다. 반면 시뮬레이션에서 녹색의 공명은 508 nm 및 574 nm에서 70.85 % 및 55.37 %의 효율성을 나타내고, 적색의 경우는 652 nm 및 737 nm에서 71.93 % 및 50.29 %의 효율성을 나타내는데, 실제 측정된 결과에서도 녹색은 517 nm 및 582 nm에서 65.05 % 및 49.85 %의 효율을 나타내고 적색은 655 nm 및 741 nm에서 67.42 % 및 48.48 %의 효율을 나타내므로 거의 일치하는 것으로 볼 수 있다.The simulated transmission spectroscopy curve for blue exhibits only one resonance peak with an efficiency of 63.49% at 430 nm, whereas the actual measured transmission spectroscopy shows two peaks with efficiencies of 52.14% and 34.51% at 395 nm and 474 nm, respectively And exhibits a relatively broad spectrum. This difference is caused by the fact that the absorption coefficient of ZnS used in simulation modeled by ellipsometry may be somewhat higher than the absorption coefficient of ZnS in actual color filter manufacturing. From the simulation results, can do. The broad resonance behavior with low transmission efficiency in the measured spectroscopic curves compared to the simulated spectroscopic curves can be seen as the thinner Ag thickness in the manufactured color filters. This may result in a reduced reflection effect and hence a weaker interference effect. On the other hand, in the simulation, the green resonance showed 70.85% and 55.37% efficiency at 508 nm and 574 nm, and the red case showed 71.93% and 50.29% efficiency at 652 nm and 737 nm, The efficiencies of 65.05% and 49.85% are shown at 517 nm and 582 nm, respectively, and the red colors are almost the same as 67.42% and 48.48% efficiency at 655 nm and 741 nm, respectively.

본 발명의 구조색 필터의 블로킹 능력(Blocking capabilities)은 컬러필터를 통과할 때, 광 에너지의 감쇠 정도인 광학 밀도(optical density, OD)를 통해서 나타낼 수 있고, 이를 계산하기 위해서 하기의 계산식(1)이 이용된다. 이 때 T는 투과율을 나타낸다.The blocking capabilities of the structured color filter of the present invention can be represented by optical density (OD), which is a degree of attenuation of light energy, when passing through a color filter. ) Is used. Where T is the transmittance.

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

계산식을 통해 계산된 OD 값이 낮으면 광에너지의 감쇠 정도가 낮은 것을 의미하므로, 투과가 잘되는 것을 나타낸다.When the OD value calculated through the calculation formula is low, it means that the degree of attenuation of the light energy is low, which indicates that the transmission is good.

구체적으로 도 6은 본 발명의 투과 시뮬레이션 분광 곡선 및 측정된 투과 분광 곡선으로부터 얻어진, 본 발명의 구조색 필터가 가진 RGB 색상의 OD 값을 나타낸 것으로, 낮은 OD 값을 나타낼수록 높은 투과율을 가지는 것을 의미하고 높은 OD 값을 나타낼수록 낮은 투과율을 가지는 것을 의미한다. 도 6을 참조하면, 공명 파장(resonant wavelengths)에서는 낮은 OD 값을 나타내지만, RGB 색상에 대해 오프 공명 파장에서는 높은 OD 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명의 구조색 필터가 투과율이 높다는 것을 나타낸다. 본 발명의 구조색 필터의 성능을, 다층 박막 구조의 광학적 간섭 효과에 의존하는, 상업적으로 이용 가능한 이색성(dichroic) 컬러필터의 성능과 비교한 결과, 이색성 컬러필터가 본 발명의 구조색 필터보다 높은 투과율을 나타낼 수 있다. 이것은 이색성 컬러필터의 경우, 광흡수 특성을 갖는 금속층이 컬러필터에 영향을 주지 않기 때문이다. 그러나 이색성 컬러필터는 입사각에 매우 민감하고, 본 발명의 구조색 필터는 광각 성능(wide-angle performance)을 나타내므로 본 발명의 구조색 필터가 더 유용하게 사용될 수 있다.Specifically, FIG. 6 shows the OD values of the RGB colors of the structural color filter of the present invention obtained from the transmission simulation spectral curve and the measured transmission spectral curve of the present invention. The lower the OD value, the higher the transmittance And a higher OD value indicates a lower transmittance. Referring to FIG. 6, although it shows a low OD value at the resonant wavelengths, it is confirmed that the OD value is high at the off resonance wavelength with respect to the RGB colors. Therefore, the structure color filter of the present invention shows a high transmittance. As a result of comparing the performance of the structure color filter of the present invention with the performance of a commercially available dichroic color filter depending on the optical interference effect of the multilayer thin film structure, A higher transmittance can be exhibited. This is because, in the case of a dichroic color filter, the metal layer having light absorption properties does not affect the color filter. However, the dichroic color filter is very sensitive to the incident angle, and the structural color filter of the present invention exhibits a wide-angle performance, so that the structural color filter of the present invention can be more usefully used.

도 7은 반사방지층의 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션의 투과 분광 곡선을 나타낸 것으로, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 녹색에서의 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 도 7을 참조하면, 아래에서부터 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타내며, 검은색 선의 경우 상부 및 하부 모두 반사방지층이 없으므로(예를 들어, Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층), 공명에서도 약 40 % 미만의 가장 낮은 투과 효율을 나타낸다. 그리고 빨간색 선과 파란색 선의 경우는 Ag와 공기 또는 유리 등의 계면(interface)에서 강한 반사가 발생할 수 있어 투과율이 낮게 나타날 수 있다. 반면 대칭적인 반사방지층을 갖는 경우(예를 들어, ZnS을 포함하는 반사방지층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS을 포함하는 반사방지층)를 나타내는 녹색 선의 경우에는 급격한 경사를 유지하면서 높은 투과율을 나타내고, 고효율 및 고순도의 색을 나타낸다. 반사방지층을 대칭적으로 배치함으로써 Ag와 공기 또는 유리 사이의 상부 및 하부 계면에서 반사가 현저하게 완화되어 투과율이 향상되기 때문이다.Fig. 7 shows the transmission spectroscopic curves of the simulations for comparison of the presence or absence of the antireflection layer. The simulated transmission spectroscopic curves in green were compared for each case with no antireflection layer and antireflection layer. Referring to FIG. 7, the black, blue, red, and green lines from below indicate the case where there is no antireflection layer at both the top and bottom, only the bottom antireflection layer, only the top antireflection layer, (For example, Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer) in the case of the black line, and the lowest transmission efficiency of less than about 40% even in the resonance . In the case of the red line and the blue line, strong reflection may occur at the interfaces of Ag and air or glass, and the transmittance may be low. On the other hand, in the case of a green line indicating a symmetrical antireflection layer (for example, an antireflection layer including an antireflection layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS including ZnS) While exhibiting high transmittance and exhibiting high efficiency and high purity color. By arranging the antireflection layers symmetrically, the reflection at the upper and lower interfaces between Ag and air or glass is remarkably relaxed and the transmittance is improved.

구체적으로 도 8은 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 녹색을 나타내는 구조 색 필터(510 nm)의 계산된 2D 등고선 플롯(2D contour plot)을 나타낸 것이다. 510 nm에서 ZnS의 굴절률이 약 2.37임을 고려할 때, 최적화된 두께는 약 35 nm 였다. 반사방지층의 두께는 2.5보다 큰 굴절률을 갖는 재료를 사용함으로써 감소될 수 있긴 하지만, 그러한 고굴절률을 나타내는 무손실(lossless) 재료는 찾기 어려우며, ZnS와 이산화티탄(TiO2)이 사용될 수 있다. 반사방지층의 효과는 기판에서 입사 매체까지의 전체 구조의 표면 어드미턴스(surface admittance) 변화를 나타내는 광학 어드미턴스 다이어그램(optical admittance diagram)을 사용하여 나타내었다.Specifically, Figure 8 shows a computed 2D contour plot of a structured color filter (510 nm) showing green with both top and bottom antireflective layers as the transmittance change for the refractive index and film thickness variations of the antireflective layer will be. Considering that the refractive index of ZnS is about 2.37 at 510 nm, the optimized thickness was about 35 nm. Although the thickness of the antireflective layer can be reduced by using a material having a refractive index greater than 2.5, lossless materials exhibiting such a high refractive index are difficult to find, and ZnS and titanium dioxide (TiO 2 ) can be used. The effect of the antireflective layer is shown using an optical admittance diagram showing the surface admittance change of the entire structure from the substrate to the incident medium.

광학 어드미턴스(optical admittance)(Y)는 임피던스의 역수이며, 가시적인 주파수 범위에서 미세한 자기 효과는 광학 어드미턴스가 유전율의 제곱근(즉, 굴절율)과 동일하도록 영향을 줄 수 있다. 임피던스는 아래의 계산식(2)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이때 μ는 투과율, ε는 유전율을 나타낸다.The optical admittance (Y) is the reciprocal of the impedance, and a fine magnetic effect in the visible frequency range can affect the optical admittance to be equal to the square root of the permittivity (i.e., the refractive index). Impedance can be expressed using the following equation (2). Where μ is the transmittance and ε is the permittivity.

Figure pat00002
(2)
Figure pat00002
(2)

본 발명의 구조색 필터의 광학 특성은 복합적인 평면에서 어드미턴스 궤적(admittance locus)으로써 시각적으로 나타낼 수 있다. 무손실 유전체층 및 완벽한 전기 전도체의 광학 어드미턴스는 단순하게 원형 궤적을 나타내지만, 금속 및 반도체의 어드미턴스 궤적은 광흡수로 인해 나선형으로 나타난다. 상기 구조색 필터의 광학 어드미턴스는 기판의 한 지점에서 시작하고, 박막 두께 및 광학 특성 모두 어드미턴스 궤적을 변화시킬 수 있다. 다층 구조의 끝점(ending point)과 공기의 어드미턴스(1, 0) 사이의 불일치를 통해서 전체 구조에서 얼마나 큰 반사가 일어나는지를 알 수 있다. 이를 통해서 끝점과 공기의 어드미턴스 간의 차이를 최소화함으로써 반사가 완화됨을 확인 할 수 있다.The optical characteristics of the structured color filter of the present invention can be visually represented as an admittance locus in a complex plane. Although the optical admittance of a lossless dielectric layer and a perfect electrical conductor shows a simple circular trajectory, the admittance trajectories of metals and semiconductors appear spirally due to light absorption. The optical admittance of the structured color filter starts at one point on the substrate and can change the admittance trajectory of both the film thickness and optical properties. The discrepancy between the ending point of the multilayer structure and the admittance (1, 0) of the air indicates how large the reflection occurs in the entire structure. This minimizes the difference between the endpoint and the admittance of the air, thus confirming that the reflection is relaxed.

반사율은 하기의 계산식(3)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이때 Yi 및 Yt는 입사 매체 및 종단점에서의 어드미턴스이다.The reflectance can be expressed by the following equation (3). Where Y i and Y t are the admittance at the incident medium and at the end points.

Figure pat00003
(3)
Figure pat00003
(3)

구체적으로 도 9는 510 nm(녹색)에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 도 9의 9-1은 반사방지층이 없는 경우, 도 9의 9-2는 반사방지층이 있는 경우를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 반사방지층이 없는 경우(9-1)에는 광학 어드미턴스의 빨간점으로 표시되는 끝점(4.65, -1.03)이 공기의 어드미턴스(1, 0)와 차이가 크게 나타나므로 43.57 %의 큰 반사율을 나타내고, 대조적으로 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우(9-2)에는 빨간점으로 표시된 끝점(1.08, -0.21)이 공기의 어드미턴스(1, 0)와 큰 차이가 없어, 반사율이 1.12 % 정도로 작게 나타났다.9 shows an optical admittance diagram according to the presence or absence of an antireflective layer at 510 nm (green). FIG. 9-1 shows the case where there is no antireflection layer, and FIG. 9-2 shows the case where there is an antireflection layer . 9, the end point (4.65, -1.03) indicated by the red dot of the optical admittance is largely different from the admittance (1, 0) of the air in the case of the absence of the antireflection layer (9-1) (1.08, -0.21) indicated by red dots are not significantly different from the admittances (1, 0) of air in the case where the antireflection layer is present on both the upper and lower sides (9-2) Was about 1.12%.

구체적으로 도 10의 (a)는 청색에서 본 발명의 반사방지층 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션의 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 이때 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타낸다. 도 10의 (b)는 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 425 nm에서 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 청색을 나타내는 구조색 필터의 계산된 2D 등고선 플롯을 나타낸 것이다. 도 10의 (c) 및 (d)는 구체적으로 425 nm에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 (c)는 반사방지층이 없는 경우로 49.27 %의 높은 반사율이 확인되었고, (d)는 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우로 1.62 %의 낮은 반사율이 확인되었다.Specifically, FIG. 10 (a) shows the transmission spectroscopic curve of the simulation for comparing the presence or absence of the antireflection layer of the present invention in the blue color, and for each case with the antireflection layer and the antireflection layer, Were compared. The black, blue, red, and green lines indicate structures with no antireflective layer at the top and bottom, with only the bottom antireflective layer, with only the top antireflective layer, and with both antireflective layers at the top and bottom. 10 (b) shows a calculated 2D contour plot of the structure color filter showing blue with both top and bottom antireflective layers at 425 nm as the transmittance change for the refractive index and film thickness variation of the antireflective layer. 10 (c) and 10 (d) show an optical admittance diagram according to the presence or absence of the antireflection layer at 425 nm. (C) shows a high reflectance of 49.27% without the antireflection layer, The reflectance of 1.62% was confirmed in the case where the antireflection layer was present on both the top and bottom.

구체적으로 도 11의 (a)는 적색에서 본 발명의 반사방지층 유무를 비교하기 위해 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 나타낸 것이고, 반사방지층이 없는 경우와 반사방지층이 있는 각각의 경우에 대해, 시뮬레이션 투과 분광 곡선을 비교하였다. 이때 검정색, 파란색, 빨간색 및 초록색 선은 각각 상단 및 하단 모두 반사방지층이 없는 경우, 하단 반사방지층만 있는 경우, 상단 반사방지층만 있는 경우 및 상단 및 하단 모두 반사방지층이 있는 구조를 나타낸다. 도 11의 (b)는 반사방지층의 굴절률 및 필름 두께 변화에 대한 투과율 변화로서, 650 nm에서 상부 및 하부 모두 반사방지층을 갖는 적색을 나타내는 구조색 필터의 계산된 2D 등고선 플롯을 나타낸 것이다. 도 11의 (c) 및 (d)는 구체적으로 425 nm에서 반사방지층 유무에 따른 광학 어드미턴스 다이어그램을 나타낸 것으로 (c)는 반사방지층이 없는 경우로 56.52 %의 높은 반사율이 확인되었고, (d)는 상부 및 하부 모두에 반사방지층이 있는 경우로 4.39 %의 낮은 반사율이 확인되었다.Specifically, FIG. 11 (a) shows a simulation transmission spectroscopic curve for comparing the presence or absence of the antireflection layer of the present invention in red, and in each case of the absence of the antireflection layer and the antireflection layer, a simulation transmission spectral curve Respectively. The black, blue, red, and green lines indicate structures with no antireflective layer at the top and bottom, with only the bottom antireflective layer, with only the top antireflective layer, and with both antireflective layers at the top and bottom. Figure 11 (b) shows a calculated 2D contour plot of the structural color filter showing the red color with the antireflective layer both at the top and bottom at 650 nm as the transmittance change for the refractive index and film thickness variation of the antireflective layer. 11 (c) and 11 (d) show an optical admittance diagram in accordance with the presence or absence of the antireflection layer at 425 nm. (C) shows a high reflectance of 56.52% in the absence of the antireflection layer, When the reflection preventing layer was present on both the top and bottom, a low reflectance of 4.39% was confirmed.

제1 내지 제3 금속층과 제1 및 제2 반도체층, 그리고 제1 반사방지층(520) 및 제2 반사방지층(510) 두께 변화에 의한 영향을 평가예를 통해 확인하였다.The influence of the thicknesses of the first to third metal layers, the first and second semiconductor layers, and the first and second anti-reflection layers 520 and 510 was confirmed through an evaluation example.

구체적으로 도 12는 수직 입사에서 청색에 대한, 제1 내지 제3 금속층의 두께(예를 들어 28 nm의 Ag층)는 고정하고 제1 및 제2 반도체층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), 제1 및 제2 반도체층의 두께(예를 들어 40 nm의 ZnS층)는 고정하고, 제1 내지 제3 금속층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)을 나타낸 것이며, 도 12의 (c)는 도 12의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산 된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1 및 제2 반도체층(ZnS층)의 두께가 감소함에 따라, 공명은 짧은 파장 영역으로 이동하는 것을 확인하였고, 이를 통해서 제1 및 제2 반도체층, 즉 ZnS층의 두께가 감소할수록 500 nm 이상의 파장은 투과되는 대신에 반사될 수 있다는 것을 알 수 있다. 보다 더 짧은 파장에서 ZnS층의 광흡수(optical absorption)로 인해 투과 효율은 감소하지만 색의 순도는 더 향상될 수 있다. 금속성 거울, 즉 제1 내지 제3 금속층(예를 들어 Ag층)의 두께가 증가할수록 스펙트럼은 날카로운 형태로 나타나는데, 금속층들의 두께가 증가하여 표면에서 반사가 증가되었기 때문이다. 또한 다이아그램 상에 나타낸 각 경우의 색 좌표를 표시하고 있는 도 12의 (c)를 통해서, 단파장 영역(shorter wavelength regime)으로의 공명 이동(resonance shift)과 금속층들의 두께 증가가 모두 색순도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 35 nm 두께의 Ag층 (이 때, ZnS층의 두께는 40 nm) 및 28 nm 두께의 ZnS층 (이 때, Ag층의 두께는 28 nm) 각각의 색 공간을 계산한 결과, 각각 (0.150, 0.063) 및 (0.160, 0.063)으로 나타났고, 두 경우 모두, 액정 표시 장치의 파란색에 대한 표준 색 공간인 (0.150, 0.060)과 상당히 유사한 것을 확인할 수 있다.Specifically, FIG. 12 shows the simulation transmission spectral curves (a (a), (a), and (b)) according to the thicknesses of the first and second semiconductor layers by fixing the thicknesses of the first to third metal layers ), A normal incidence transmission spectroscopic curve (b) according to the thicknesses of the first to third semiconductor layers, and the thicknesses of the first and second semiconductor layers (for example, 40 nm of the ZnS layer) (C) shows the color coordinates calculated from the transmission spectroscopic curves shown in Figs. 12 (a) and 12 (b) in the CIE 1931 chromaticity diagram. 12 (a) and 12 (b), it was confirmed that as the thickness of the first and second semiconductor layers (ZnS layers) decreases, the resonance moves to a shorter wavelength region, It can be seen that as the thickness of the two semiconductor layers, that is, the ZnS layer, decreases, wavelengths of 500 nm or more can be reflected instead of being transmitted. At shorter wavelengths, the optical absorption of the ZnS layer reduces the transmission efficiency, but the purity of the color can be further improved. As the thickness of the metallic mirror, that is, the first to third metal layers (for example, the Ag layer) increases, the spectrum appears sharp because the thickness of the metal layers increases and the reflection at the surface increases. 12 (c) showing the color coordinates of each case shown on the diagram, the resonance shift to the shorter wavelength regime and the increase in the thickness of the metal layers both improve the color purity. Can be seen. On the other hand, the color space of the 35 nm thick Ag layer (in this case, the ZnS layer thickness of 40 nm) and the 28 nm thick ZnS layer (in this case, the Ag layer thickness of 28 nm) 0.150, 0.063) and (0.160, 0.063), respectively. In both cases, it can be seen that it is quite similar to the standard color space (0.150, 0.060) for blue of the liquid crystal display device.

구체적으로 도 13은 수직 입사에서 녹색에 대한, 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층들의 두께에 따른 분석 결과를 나타낸 것으로, Ag층의 두께(예를 들어 34 nm)는 고정하고 ZnS층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), ZnS층의 두께(예를 들어 70 nm)는 고정하고, Ag층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)을 나타낸 것이며, 도 13의 (c)는 도 13의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, Ag층의 두께가 증가함에 따라 공명 효과(resonance effects)가 강하게 나타나는 것을 알 수 있다. 42 nm 두께의 Ag층(이 때, ZnS층의 두께는 70 nm)의 색 공간을 계산한 결과, (0.325, 0.606)으로 나타났고, 두 경우 모두, 액정 표시 장치의 녹색에 대한 표준 색 공간인 (0.300, 0.600)과 상당히 유사하므로 색순도가 우수하다고 볼 수 있다. 그러나, ZnS층의 두께를 변경함으로써 공명 변화가 발생할 수 있고, 이로 인해 표준 녹색 색상과 차이가 증가할 수 있다. 이러한 내용을 확인하기 위해서 도 13의 (c)를 참고하면, 70 nm 보다 감소된 두께의 예로 64 nm 두께의 ZnS층(이 때, Ag층의 두께는 34 nm)의 색좌표(검정색 삼각형)를 계산한 결과, 청색 영역으로 조금 이동된 (0.258, 0.429)로 나타났고, 70 nm 보다 증가된 두께의 예로 76 nm 두께의 ZnS층(이 때, Ag층의 두께는 34 nm)의 색좌표(검은 별표)를 계산한 결과, 노란색 영역으로 조금 이동된 (0.426, 0.533)으로 나타났다. 본 발명의 구조색 필터에서 상기 ZnS층의 두께를 감소시키거나 증가시킴으로써, 상대적으로 더 짧은 파장 성분 또는 더 긴 파장 성분이 스펙트럼 특성에 포함될 수 있기 때문에 위와 같은 차이가 발생할 수 있다.Specifically, FIG. 13 shows an analysis result according to the thickness of the first and second semiconductor layers and the first to third metal layers with respect to green in normal incidence, wherein the thickness (for example, 34 nm) of the Ag layer is fixed Simulation transmission spectroscopic curve (a) and ZnS layer thickness (for example, 70 nm) are fixed according to the thickness of the ZnS layer, and the vertical incidence transmission spectroscopic curve (b) according to the thickness of the Ag layer is shown. (C) shows the color coordinates calculated from the transmission spectroscopic curves shown in Figs. 13 (a) and 13 (b) in the CIE 1931 chromaticity diagram. Referring to FIG. 13, it can be seen that resonance effects are strongly exhibited as the thickness of the Ag layer increases. The color space of the 42 nm thick Ag layer (here, the thickness of the ZnS layer is 70 nm) was calculated to be (0.325, 0.606). In both cases, the standard color space for green of the liquid crystal display device (0.300, 0.600), so that the color purity is excellent. However, by changing the thickness of the ZnS layer resonance changes can occur, which can increase the difference from the standard green color. 13 (c), the color coordinates (black triangle) of a 64 nm thick ZnS layer (in this case, the thickness of the Ag layer is 34 nm) is calculated as an example of the thickness reduced to 70 nm As a result, a slight shift to the blue region (0.258, 0.429) and an increase in thickness over 70 nm are shown by the color coordinates (black asterisk) of the 76 nm thick ZnS layer (in this case, the Ag layer thickness is 34 nm) (0.426, 0.533), which was slightly shifted to the yellow region. Such a difference may occur because, by reducing or increasing the thickness of the ZnS layer in the structured color filter of the present invention, relatively shorter wavelength components or longer wavelength components can be included in the spectral characteristics.

구체적으로 도 14는 수직 입사에서 적색에 대한, 제1 및 제2 반도체층 및 제1 내지 제3 금속층들의 두께에 따른 분석 결과를 나타낸 것으로, Ag층의 두께(예를 들어 32 nm)는 고정하고 ZnS층의 두께에 따른 시뮬레이션 투과 분광 곡선(a), ZnS층의 두께(예를 들어 104 nm)는 고정하고, Ag층의 두께에 따른 수직 입사 시뮬레이션 투과 분광 곡선(b)를 나타낸 것이며, 도 14의 (c)는 도 14의 (a) 및 (b)에 나타난 투과 분광 곡선으로부터 계산된 색좌표를 CIE 1931 색도 다이아그램에 나타낸 것이다. 도 14를 참조하면, 적색에 대한 투과 분광 곡선의 경우 짧은 파장 범위에서 2 차 공명 피크가 나타났다. 도 14의 (a)를 보면, ZnS층의 두께를 증가시킴에 따라 2 차 공명도 증가하는 것으로 보이며, 도 14의 (c)에 나타난 것과 같이 색순도도 저하될 수 있다. 116 nm 두께의 ZnS층(이 때 Ag층의 두께는 32 nm)을 이용한 구조의 색 좌표(검은색 별)는 (0.443, 0.181)이며 마젠타 색(magenta color)을 나타낸다. 도 14의 (b)에 나타난 투과 분광 곡선을 보면, Ag층의 두께를 증가시킴에 따라 2차 공명이 감소되고, 그래프가 보다 더 날카로운 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있고, 도 14의 (c)를 함께 보면, 이 경우에는 색순도도 저하되지 않은 것을 알 수 있다. 색 공간을 계산해 본 결과로는 38 nm 두께의 Ag층(이 때 ZnS층의 두께는 104 nm)의 경우 (0.689, 0.297)로 나타났고, 액정 표시 장치의 적색에 대한 표준 색 공간은 (0.640, 0.330)으로 유사한 것을 확인할 수 있다.Specifically, FIG. 14 shows an analysis result according to the thickness of the first and second semiconductor layers and the first to third metal layers with respect to red in normal incidence, wherein the thickness (for example, 32 nm) of the Ag layer is fixed The simulation transmission spectroscopic curve (a) according to the thickness of the ZnS layer, the thickness of the ZnS layer (for example, 104 nm) and the vertical incidence transmission spectroscopic curve (b) according to the thickness of the Ag layer are shown, (C) shows the color coordinates calculated from the transmission spectroscopic curves shown in Figs. 14 (a) and 14 (b) in the CIE 1931 chromaticity diagram. Referring to FIG. 14, a transmission spectroscopic curve for red shows a second resonance peak in a short wavelength range. 14 (a), the secondary resonance seems to increase as the thickness of the ZnS layer is increased, and the color purity may also decrease as shown in Fig. 14 (c). The color coordinates (black color) of the structure using the 116 nm thick ZnS layer (the Ag layer thickness is 32 nm) is (0.443, 0.181) and shows magenta color. 14 (b), it can be seen that secondary resonance is reduced as the thickness of the Ag layer is increased, and that the graph appears in a more sharp shape, and FIG. 14 (c) Together, it can be seen that the color purity is not lowered in this case. As a result of the calculation of the color space, the 38 nm thick Ag layer (here, the ZnS layer thickness was 104 nm) (0.689, 0.297), and the standard color space for the red color of the liquid crystal display device was 0.640, 0.330).

구체적으로 도 15의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 전기장 세기 분포를 나타낸 것이고, 도 15의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 두번째 및 세번째 중간 ZnS층(2nd ZnS 및 3rd ZnS)에서 약간 동일하지 않은 파장에서 전기장이 집중되는 2 개의 영역이 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 컬러 필터 구조의 구성이 완벽하게 대칭이 아니므로, 미세하게 이동된 파장에서 공명이 나타나기 때문에 발생하는 것이다. ZnS층에 강한 광학 장(optical field)은 가시 영역에서의 공명과 관련이 있으며, 따라서 색 생성을 위한 높은 투과율과 관련이 있다. 도 15의 (d)를 보면, 파장의 함수로써 두 번째(실선) 및 세 번째(점선) 중간 ZnS층에서 2π로 나누어 계산된 순 위상 변화를 나타내며, 주 공명 모드 및 2 차 공명 모드의 위치를 나타낸다. 비교해 본 결과 두 ZnS층에서 유사한 위상 변화를 나타내는 것을 알 수 있다. 도 15의 (a)에 나타낸 것과 같이 청색의 주 공명 파장은 두 번째 중간 ZnS층에서 374 nm 및 461 nm, 세 번째 중간 ZnS층에서 410 nm로 나타나며, 이들 모두는 중간 ZnS층에서 전기장이 강하게 증가되는 위치와 잘 일치한다. 이러한 공명은 또한 도 3의 (a)에 나타난 투과 분광 곡선과 일치한다. 녹색의 경우 위상 변화 계산으로부터 얻어진 공명은 두 번째 중간 ZnS층의 508 nm 및 590 nm에서 발생하는 것으로 나타났고, 세 번째 중간 ZnS층의 514 nm 및 582 nm에서 발생하는 것으로 나타났는데, 이는 도 3의 (a)에 나타난 투과 분광 곡선과 일치한다. 마찬가지로 적색의 경우에도 두 번째 중간 ZnS층의 652 nm 및 746 nm에서 발생하는 것으로 나타났고, 세 번째 중간 ZnS층의 659 nm 및 737 nm에서 발생하는 것으로 나타났다.15 (a) to 15 (c) illustrate electric field intensity distributions of the structure color filter according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 15 (a) to 15 (c) It can be seen that there are two regions in the ZnS layer (2 nd ZnS and 3 rd ZnS) where the electric field is concentrated at slightly unequal wavelengths. This is because the structure of the color filter structure is not perfectly symmetrical, and resonance appears at the slightly shifted wavelength. The strong optical field in the ZnS layer is related to the resonance in the visible region and is thus related to the high transmittance for color generation. FIG. 15 (d) shows the net phase shifts calculated by dividing the second (solid line) and third (dotted line) middle ZnS layers by 2π as a function of wavelength, and shows the positions of the main resonance mode and the second resonance mode . As a result of comparison, it can be seen that the two ZnS layers show a similar phase change. As shown in FIG. 15 (a), the main resonance wavelength of blue is 374 nm and 461 nm in the second middle ZnS layer and 410 nm in the third middle ZnS layer, all of which strongly increase the electric field in the middle ZnS layer It coincides well with the position where it is. This resonance also coincides with the transmission spectroscopy curve shown in Fig. 3 (a). In the case of green, the resonance obtained from the phase change calculation appeared at 508 nm and 590 nm of the second intermediate ZnS layer, and at 514 nm and 582 nm of the third intermediate ZnS layer, (a). < tb >< TABLE > Similarly, in the case of red, it appears to occur at 652 nm and 746 nm in the second intermediate ZnS layer, and at 659 nm and 737 nm in the third intermediate ZnS layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조 색 필터는 단순히 증착 공정만을 통해서 제조될 수 있기 때문에 플렉서블한 기판 상에서도 쉽게 제조할 수 있다. 본 발명의 RGB 컬러 필터를 플라스틱 기판(예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)) 상에서 제조하여 밴딩 변형에 따른 광학 성능을 확인하였다.The structure color filter according to an embodiment of the present invention can be easily manufactured even on a flexible substrate because it can be manufactured only through a deposition process. The RGB color filter of the present invention was fabricated on a plastic substrate (for example, polyethylene terephthalate (PET)) to confirm the optical performance according to the banding deformation.

구체적으로 도 16의 (a) 및 (b)는 곡률 반경의 함수로써, RGB 컬러에 대한 공진 파장의 투과율 및 위치를 측정하여 나타낸 것이며, 최대 10 mm 까지의 곡률 반경에 대해 투과율 및 공명 모두 큰 변화가 없었고, 곡률반경이 5 mm인 경우에는 공명 위치는 유지하면서 투과율의 최대 값이 약 1 % 내지 5 % 정도 감소하였다. 다른 곡률 반경에서 측정된 투과 분광 곡선은 도 16의 (d)에 나타내었는데(이때 실선은 곡률 반경이 80 nm, 큰 점선은 40 nm, 그리고 작은 점선은 5 nm), 큰 변화가 없음을 확인했다. 그리고 도 16의 (c)는 다중 밴딩 평가 결과를 나타낸 것으로, 녹색 필터의 최대 투과율이 3000 회 밴딩 평가에서도 변하지 않음을 확인 할 수 있다.Specifically, FIGS. 16A and 16B show the transmittance and the position of the resonance wavelength with respect to the RGB color as a function of the radius of curvature, and show a large change in transmittance and resonance for the radius of curvature up to 10 mm And when the radius of curvature was 5 mm, the maximum value of the transmittance was reduced by about 1% to 5% while maintaining the resonance position. The transmission spectroscopic curves measured at different curvature radii are shown in FIG. 16 (d) (the curvature radius is 80 nm, the large dotted line is 40 nm, and the small dotted line is 5 nm) . FIG. 16 (c) shows the multi-banding evaluation result, and it can be confirmed that the maximum transmittance of the green filter does not change even in the evaluation of the banding of 3,000 times.

도 17을 보면, 상기 구조색 필터를 구부린 경우에도 청색, 녹색 및 적색을 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있고, 각각의 색을 나타내는 필터들 모두 배경이 명확하게 투과되어 보이는 것을 알 수 있다.17, it can be seen that blue, green, and red are well represented even when the structural color filter is bent, and it can be seen that the background of each of the filters showing each color is clearly transmitted.

도 16 및 17에 나타낸 본 발명의 구조색 필터가 갖는 특성은 잠재적으로 플렉서블 광전자 장치, 전자종이 디스플레이 및 웨어러블 전자 장치와 같은 다양한 실제 응용이 가능하다는 것을 의미한다.The characteristics of the inventive structural color filters shown in Figures 16 and 17 potentially mean that various practical applications such as flexible optoelectronic devices, electronic paper displays and wearable electronic devices are possible.

상대적으로 굴절률이 높은 물질을 사용하면 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 경사 입사각으로 빛이 구조물에 입사 시, 구조로의 굴절을 감소시킬 수 있다. 측정된 ZnS의 굴절율은 600 nm에서 약 2.4로 각도 의존 특성을 감소시키기에 충분히 높은 값으로 볼 수 있다.If a relatively high refractive index material is used, the refraction of the structure can be reduced when the light enters the structure at an oblique incident angle according to Snell's law. The refractive index of the measured ZnS is about 2.4 at 600 nm and can be seen to be high enough to reduce the angle dependent properties.

구체적으로 도 18의 (a) 내지 (c)는 시뮬레이션 각도-분해 투과 분광 곡선을 나타내고 있으며, 공명은 p 편광 광 조사(p-polarized light illumination)에서 70 ° 이상의 입사각에서도 변하지 않으며, 날카로운 공명 형태를 유지할 수 있다. 도 18의 (d) 내지 (f)는 실제 측정된 각도-분해 투과 특성을 나타낸 것으로 시뮬레이션 결과와 실제 측정값이 잘 일치하는 것으로 볼 수 있다. 상부 및 하부 반사방지층들은 위상보상층으로 기능 할 수 있기 때문에 모두 각도 보상 성질(angle-insensitive property)에 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.Specifically, Figures 18 (a) to 18 (c) show the simulation angle-decomposition transmission spectroscopy curves, resonance does not change at an incident angle of 70 ° or more in p-polarized light illumination, . FIGS. 18 (d) to 18 (f) show the actually measured angular-decomposition transmission characteristics, which can be seen to be in good agreement between the simulation results and the actual measured values. It can be seen that both the top and bottom antireflective layers can function as a phase compensation layer and thus all may affect angle-insensitive properties.

구체적으로 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터의 구조 차이에 따른 비교예를 나타낸 도면이다. 먼저 도 18의 (a)는, 금속층이 Ag층이고, 반도체층이 ZnS층인 경우, Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조색 필터의 반사방지층(이 경우 ZnS) 도입 여부에 따른 투과율 변화를 비교한 것으로, 반사방지층이 없는 경우 어두운 초록색으로 나타내었고, 반사방지층이 상하부 모두에 있는 경우를 밝은 형광 초록색으로 나타내었다. 비교 결과, Ag층-ZnS층-Ag층으로 적층된 구조의 경우에도 반사방지층을 상하부 모두에 도입하면, 투과율이 증가하는 것을 확인 할 수 있으나, 투과 분광 곡선의 폭이 증가함으로 색순도가 저하될 수 있다. 도 19의 (b)는 Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층의 투과 분광 곡선을 나타낸 것으로 투과 분광 곡선의 폭을 넓힐 수 있으나, 투과율이 낮아지며, (c)에서처럼 Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층 상부 또는 하부 한 쪽에 반사방지층을 적층시킴으로써 투과율 상승이 가능하다. 또한 상하부 모두에 반사방치층을 도입할 경우 투과율을 매우 증가시킬 수 있으며 Ag층-ZnS층-Ag층의 경우와는 달리 추가적인 선폭 변화가 없어 색순도의 감소를 억제할 수 있다.19 is a view showing a comparative example according to the structure difference of the structure color filter according to an embodiment of the present invention. 18A is a graph showing a change in transmittance according to whether an antireflection layer (in this case, ZnS) is introduced or not of a structural color filter laminated with an Ag layer-ZnS layer-Ag layer when the metal layer is an Ag layer and the semiconductor layer is a ZnS layer . When no antireflection layer was present, it was shown as dark green. When the antireflection layer was present in both the upper and lower portions, it was shown as bright fluorescent green. As a result of comparison, it can be confirmed that the transmittance increases by introducing the antireflection layer in both the upper and lower portions even in the case of the structure in which the Ag layer, the ZnS layer and the Ag layer are stacked. However, since the width of the transmission spectroscopic curve is increased, have. 19B shows the transmission spectroscopic curves of the Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer, which can broaden the transmission spectroscopy curve, but the transmittance is low and the Ag layer-ZnS Layer-Ag layer-ZnS layer-The Ag transmission layer can be increased by stacking an antireflection layer on the upper or lower side of the Ag layer. In addition, when the reflective layer is introduced into both the upper and lower portions, the transmittance can be greatly increased, and unlike the case of the Ag layer-ZnS layer-Ag layer, there is no additional line width change and the decrease in color purity can be suppressed.

컬러필터의 성능 측면에서 투과 분광 곡선의 폭이 좁을수록 색순도 측면에서는 높은 색순도를 나타낼 수 있기는 하나, 밝기를 증가시키기 위해서는 백라이트의 밝기를 매우 증가시켜야 하는 어려움이 발생할 수 있다. 이러한 측면에서, 고순도 파장 범위 내에서 가능한 많은 빛을 내보낼 수 있어야 우수한 컬러필터로 사용할 수 있다. 그러므로, 고색순도 구현이 가능한 범위의 폭과 가파른 기울기를 가진 분광곡선이 높은 투과율을 가질수록 효과적이기 때문에, 상기 본 발명의 일 실시예로서 ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag층-ZnS층-Ag-ZnS층으로 적층된 구조색 필터를 포함하는 구조색 필터의 경우, 가장 좋은 효과를 나타낼 수 있다.In terms of the performance of the color filter, the smaller the width of the transmission spectroscopic curve, the higher the color purity in terms of color purity. However, it may be difficult to increase the brightness of the backlight in order to increase the brightness. In this regard, it should be possible to export as much light as possible within a high purity wavelength range, and thus be used as an excellent color filter. Therefore, as the spectral curve having a width and a steep slope in which the high color purity can be realized has a high transmittance, the ZnS layer-Ag layer-ZnS layer-Ag layer-ZnS layer- In the case of the structural color filter including the structural color filter laminated with the Ag-ZnS layer, the best effect can be obtained.

본 발명의 구조색 필터는 안료 착색을 기반으로 색을 생성하는 것이 아니라, 빛과 구조의 상호작용을 이용하여 가시 광선 영역에서 고효율로 색을 생성할 수 있다. 그러므로 화학공정 및 오래 지속되는 조명 등에서도 더 오래 유지될 수 있고, 색 생성 효율이 높으며, 높은 안정성, 쉬운 확장성, 높은 해상도, 비광퇴색(nonphotobleaching), 재생산을 위한 충실도(fidelity) 및 얇은 크기(slim dimension)를 나타낼 수 있으며, 평면 박막 구조(planar thin-film structures), 나노 구조에서 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonances in nanocavities), 서브 파장 도파관 나노 구조에서 가이드-모드 공명(guided-mode resonances in subwavelength waveguide nanostructures) 및 광자 결정(photonic crystals)에서 광학 간섭 효과를 활용할 수 있다.The structured color filter of the present invention can generate color with high efficiency in the visible light region by using interaction of light and structure, instead of generating color based on pigment coloring. Therefore, it can be maintained even longer in chemical processes and long-lasting illumination, high color production efficiency, high stability, easy scalability, high resolution, nonphotobleaching, fidelity for reproducibility, slim dimensions and can be expressed in planar thin-film structures, in surface plasmon resonances in nanocavities in nanostructures, in guided-mode resonances in subwavelengths in subwavelength waveguide nanostructures waveguide nanostructures, and photonic crystals.

본 발명을 통해서 유전체 매체(dielectric media)와 광학적으로 얇은 금속 박막의 교차층(alternating layers)으로 구성된 구조색 필터의 다중 공명을 이용하여, 광각 투과 구조색 필터를 제공할 수 있다. 본 발명의 구조색 필터는 대칭적인 구조(in a symmetric configuration)를 포함함으로써 최적화된 반사방지층의 광학 반사방지 코팅(Optimized antireflection coatings) 효과를 나타낼 수 있고 색순도를 크게 저하시키기 않으면서 동시에 크게 향상된 투과율을 나타낼 수 있다. 특히, 가시 광선 범위에서 높은 굴절률을 갖는 물질이 상기 반사방지층에 존재하면 각도에 의존하는 특성(angle dependent property)이 현저하게 감소되어 70 ° 이상의 넓은 수용 각(wide acceptance angles) 범위를 가질 수 있다. 이를 통해 높은 굴절률을 갖는 캐비티(cavity) 매질이 구조 내부로의 굴절각을 작게 한다는 것을 알 수 있다.Through the present invention, it is possible to provide a wide-angle transmission structure color filter using multiple resonance of a structure color filter composed of dielectric media and alternating layers of optically thin metal films. The structured color filter of the present invention can exhibit an optimized antireflection coating effect of an optimized antireflection layer by including an in a symmetric configuration and can achieve a significantly improved transmittance without significantly degrading color purity . In particular, when a material having a high refractive index in the visible light range is present in the antireflection layer, the angle dependent property is significantly reduced to have a wide acceptance angles range of 70 ° or more. As a result, it can be seen that the refractive index of the cavity medium having a high refractive index is reduced.

한편, 본 발명의 구조색 필터는 간단하게 박막 증착 방법을 통해서 제조될 수 있므로 대규모 생산이 가능하고, 다양한 응용 분야 적용할 수 있다. 더욱이 값 비싸고 복잡한 리소그래피 방법을 사용하지 않고 단순 증착 공적만으로 구조색 필터를 제조할 수 있기 때문에 유연한 플랫폼과 쉽게 도입해볼 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조색 필터를 플라스틱 기판 상에 제조하여 밴딩(bending) 변형 효과를 확인해 본 결과, 광학 특성은 5 mm 밴딩 반경 조건(5 mm bending radius condition) 및 3000 회 이상의 밴딩 평가 이후에도 거의 변하지 않았으므로 보다 더 다양한 연구 분야로의 가능성을 확장할 수 있다. 따라서 발명의 구조색 필터는 디스플레이(displays), 위조 방지 태그(anticounterfeiting tags), 광 변조기(light modulators), 착색 된 태양 전지(colored solar cells) 및 화학 센서(chemical sensors) 등과 같은 다양한 연구 분야에서 사용될 수 있다.On the other hand, since the structural color filter of the present invention can be manufactured through a simple thin film deposition method, it can be mass-produced and applied to various application fields. Furthermore, since a structural color filter can be manufactured only by simple vapor deposition without using an expensive and complicated lithography method, it can be easily introduced with a flexible platform, and a structural color filter according to an embodiment of the present invention can be manufactured on a plastic substrate As a result of checking the bending deformation effect, the optical properties are almost unchanged after 5 mm bending radius condition and over 3,000 banding evaluations, thus expanding the possibilities for more diverse research fields . Thus, the inventive structure color filters can be used in a variety of research fields such as displays, anticounterfeiting tags, light modulators, colored solar cells and chemical sensors, .

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

Claims (12)

서로 이격되고 순차적으로 배치된 제1 내지 제3 금속층;
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 배치된 제1 반도체층; 및
상기 제2 금속층과 상기 제3 금속층 사이에 배치된 제2 반도체층;을 포함하는,
구조색 필터.
First to third metal layers spaced apart from each other and arranged sequentially;
A first semiconductor layer disposed between the first metal layer and the second metal layer; And
And a second semiconductor layer disposed between the second metal layer and the third metal layer,
Structure color filter.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 금속층들은 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 1,
Characterized in that the first to third metal layers comprise silver (Ag)
Structure color filter.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 금속층 각각의 두께는 10 nm 내지 50 nm 인 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
3. The method of claim 2,
Wherein each of the first to third metal layers has a thickness of 10 nm to 50 nm.
Structure color filter.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 1,
Characterized in that the first and second semiconductor layers comprise zinc sulphide (ZnS)
Structure color filter.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속층 상부에 배치된 제1 반사방지층 및 상기 제3 금속층 하부에 배치된 제2 반사방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 1,
Further comprising a first antireflection layer disposed on the first metal layer and a second antireflection layer disposed under the third metal layer.
Structure color filter.
제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
상기 제1 및 제2 반사방지층들은 황화아연(ZnS)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
6. The method of claim 5,
Wherein the first and second semiconductor layers comprise zinc sulphide (ZnS)
Wherein the first and second anti-reflective layers comprise zinc sulphide (ZnS).
Structure color filter.
제6항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반사방지층의 두께는 상기 제1 및 제2 반도체층 각 두께의 40 % 내지 60 %인 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 6,
Wherein the thickness of the first and second anti-reflection layers is 40% to 60% of the thickness of each of the first and second semiconductor layers.
Structure color filter.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 금속층과 상기 제1 및 제2 반도체층은 플렉서블 기판 상에 적층된 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 1,
Wherein the first to third metal layers and the first and second semiconductor layers are stacked on a flexible substrate.
Structure color filter.
제1항에 있어서,
상기 반도체층들의 두께를 조절함으로써, RGB를 구현하는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
The method according to claim 1,
And the thickness of the semiconductor layers is adjusted to realize RGB.
Structure color filter.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 95 nm 내지 115 nm 일 때 적색을 나타내는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
10. The method of claim 9,
Wherein the first and second semiconductor layers comprise zinc sulphide (ZnS)
Wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer exhibit a red color when the thickness of the first and second semiconductor layers is 95 nm to 115 nm, respectively.
Structure color filter.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 60 nm 내지 80 nm 일 때 녹색을 나타내는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
10. The method of claim 9,
Wherein the first and second semiconductor layers comprise zinc sulphide (ZnS)
Wherein the first and second semiconductor layers exhibit green when the thickness of the first and second semiconductor layers is 60 nm to 80 nm, respectively.
Structure color filter.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반도체층들은 황화아연(ZnS)을 포함하고,
상기 제1 및 제2 반도체층들의 두께가 각각 30 nm 내지 50 nm 일 때 청색을 나타내는 것을 특징으로 하는,
구조색 필터.
10. The method of claim 9,
Wherein the first and second semiconductor layers comprise zinc sulphide (ZnS)
Wherein the first and second semiconductor layers exhibit blue when the thickness of the first and second semiconductor layers is 30 nm to 50 nm, respectively.
Structure color filter.
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