Plasmonic filter is in favor of state-of-the-art color filters which show superior optical performances when assisted by extraordinary optical transmission (EOT). Researchers have recently highlighted the possibilities of plasmonic color filters (PCFs) for use in industrial applications. However, previous results have demonstrated the functions of PCFs as stand-alone components and have provided few explanations about the optimization of these structures. Moreover, previously reported results of PCFs were demonstrated in too tiny area, and fabrication methods are one of the main obstacles to supplant conventional dye-based color filters despite of offering good performance from high accuracy of patterns. In this respect, here we report a study on PCFs which are highly adjustable for industrial applications by giving an analytic design method and the fabrication process for large-area.
In section 2.1, we provide a design method of plasmonic color filters that offers unique analytic insights. In a metallic hole array system, an efficiently EOT-mediated structure is investigated through simulations using both symmetric and non-symmetric structures. A dielectric overlayer along the cylindrical wall assists with mediating the SP resonance at an energy level similar to that in a thin continuous film. Optimized filtering characteristic is obtained when the holes are filled with the dielectric material, and the planar surface of the structure is advantageous when integrated onto other devices.
Next, we report a large plasmonic color filter (PCF) of primary colors fabricated with laser interference lithography (LIL), firstly reported to best of our knowledge in section 2.2. From the suggested whole fabrication process, hole arrays with the periodicity of hundreds nm are produced in a 2.5 cm × 2.5 cm sized whole sample area. The Aluminum surfaces are surrounded by Lithium florid scaled on the penetration depth for matching surface plasmon modes. All filters of primary colors show peak transmittance of ~20%. Although the poor uniformity in the size of holes results in low transmission and broad bandwidth, the results show high feasibility for PCFs to be applicable to the industrial devices. In addition, the modified fabrication process without metal-etching step provided better reproducibility of metallic hole patterns.
In chapter 3, we suggest a novel plasmonic color filter structure for better performances. Despite of high transmittance, metallic nano-hole array shows undesired transmission in the lower wavelength range due to the higher surface plasmon modes. In order to achieve good color purity, we adopted a one-dimensional photonic crystal structure to suppress undesired transmission and finally the filtering characteristics are improved.
On the other hand, the periodic hole arrays accompany angle-variant optical response due to the phase matching conditions. This causes color-shift in PCFs consisted of hole arrays in accordance with light path of the incident light. In this respect, angle-dependent optical response were investigated with poly-periodic hole arrays. For the oblique incidence, the poly-periodic patterns provided degrading the amount of transmission instead of the color-consistence. This is similar to the light transmission through the LCs, and color consistency in accordance to the incident angle is more adjustable for using hole arrays as color filter devices.
Lastly, we propose the active plasmonic devices. The anisotropic shape of holes resulted in varying transmission intensity according to the polarized state of the light. In addition, dually periodic arrays acted as a chromatic polarizer. These examples showed more potential to use the metallic aperture arrays in the industrial applications.
In summary, we provide more realistic designing method of PCFs and suggest fabrication process which is more suitable for large area and mass production. More advanced techniques to achieve good color purity and angle invariant color showed higher possibility as display components. We expect these results will enlarge the usage of the plasmonic color filters, and give higher contributions of PCFs to the industrial development in nanotechnology.
표면 플라즈몬은, 금속 표면에 입사되는 전자기장 (빛)에 의해 여기되어, 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하면서 금속 표면을 따라 전파되는 전자기파이다. 극소 면적에서 외부 빛과 강하게 상호작용하여 공진을 일으키므로, 광을 다루는 분야에서 연구가 많이 이루어져 왔으며, 특히 광통신, 바이오센서, 분자 이미징, 태양전지, 디스플레이 등에 응용되어 왔다. 본 연구에서는 플라즈모닉 현상을 이용한 새로운 컬러필터 기술을 제안하고자 한다.
컬러필터는 디스플레이뿐만 아니라 CMOS, CCD 등의 이미지 센서로도 활용 되어 디지털기기에서 색상을 구현하는 핵심부품이다. 컬러필터는 염료 및 안료를 기반으로하여 필터링 특성이 재료에 의해 제한되어 재료 합성기술이 중요하지만 그 기술 난이도가 높은 편이며, 유기재료는 빛과 열에 불안정성을 띠기 때문에 소자의 활용 수명도 낮다. 또한 디스플레이나 이미지 센서 등에 활용되기 위해, 마스킹을 이용한 광 리소그래피 과정이 많이 요구되어 공정도 복잡하고 까다로운 편이다. 한편, 플라즈모닉 필터는 쉽게 구할 수 있는 금속 및 유전물질을 이용하여 비교적 단순한 구조의 설계만으로 다양한 색상을 구현할 수 있는 신개념의 컬러 필터 기술이다. 수십~수백 나노미터 급의 금속 및 유전박막으로 구성되기 때문에, 투명하고 플렉시블한 소자로의 응용도 가능한 기술이다.
나노 크기의 구멍을 가진 금속 박막에서는 플라즈몬 공명의 영향으로 특정 파장대역의 빛이 개구율을 능가하는 양이 투과될 수 있다 (Extraordinary optical transmission, EOT). 이 플라즈몬 공명을 가시광 영역의 적/녹/청색에 해당하는 빛에 매치하여 각 색상에 대하여 향상된 투과도를 얻어내는 것이 플라즈모닉 컬러 필터 기술이다. 현재까지의 플라즈모닉 관련 연구에서는 나노 패터닝을 위해 전자빔 리소그래피나 나노 임프린팅 기술 등을 이용하고 있는데, 이 방법들은 공정 시간과 비용, 수율 면에서 불리하다. 또한 플라즈모닉 필터 독립형 (Stand-alone) 으로서 기능성만 보고되어왔으나 그 구조를 최적화하는 설명은 부족했다. 이런 관점에서 본 연구에서는 플라즈모닉 필터 기능의 최적화를 위한 설계방안과 대면적에 유리한 공정방법을 제안함으로써 필터의 상용가능성을 높이는 것이 목적이다.
먼저 2.1장에서 플라즈모닉 필터 구조 내에서의 광학 분석을 통한 설계방안을 모색했다. 금속 홀 어레이 구조 내에서 EOT 현상을 효율적으로 일으키기 위한 방안을 모색하기 위해 대칭 및 비대칭 구조에서의 광학시뮬레이션을 실행하였다. 원통형의 홀 벽면을 따라 유전물질이 둘러쌓인 구조에서는 연속적인 박막 구조에서와 동일한 에너지 준위에서 플라즈몬 공명이 발생한다. 홀 내부가 유전물질로 가득 채워질 만큼의 두께로 쌓였을 때 최고 투과도 및 필터의 특성이 최적화 되며 평탄화된 표면은 다른 디바이스와의 집적에 유리하다.
다음 장에서는, 플라즈모닉 필터의 구현 방법에 대하여 제안한다. 레이저 인터피어런스 리소그래피를 이용하여 기존 마이크로 미터 수준의 필터를 2.5 cm x 2.5 cm 면적에 구현하였으며, 이는 현재까지 보고된 결과 중 최고 수준이다. 금속 양쪽 경계면에 발생하는 표면 플라즈몬의 공명모드를 일치시키기 위해 알루미늄 표면(기판 반대쪽 경계면)에 리튬 플로라이드를 표면 플라즈몬 침투 두께 (penetration depth) 크기만큼 쌓아주었다. 제작된 적/녹/청 색의 필터는 20% 수준의 투과도를 나타냈다. 시뮬레이션을 통한 계산 결과와 비교하여 투과대역이 넓고 투과도가 낮아지는 것의 주요 원인은 제작된 홀 패턴의 균일도가 떨어지는 것으로 분석되었으며, 이를 개선하기 위해 금속 에칭과정을 생략하여 공정방법 및 필터 특성 향상 가능성을 제시하였다.
3장에서는 플라즈모닉 컬러필터의 특성 개선을 위한 연구를 소개한다. 높은 투과도 등 많은 장점이 있지만, 금속 홀 어레이 구조는 패턴의 주기성에서 기인하는 몇 가지 특성으로 인해 필터로의 용도에 불리한 점이 있다. 공명의 다차원 모드가 짧은 파장대역에서 발생하는데 이는 불필요한 색상의 일부 투과를 일으켜 색순도를 저하시키는 주요 원인이다. 제안된 구조에서, 1차원 광결정구조를 이용하여 불필요한 파장대역의 빛의 투과를 저하시키고 투과대역의 peak 또한 조정하여 필터링 특성을 개선하였다.
한편, 주기적인 패턴에서 플라즈몬 공명이 일어날 경우, 각도에 따라 공명 특성을 결정하는 phase matching 상태가 변하기 때문에 빛의 진행 방향에 따라 공명 대역이 변하고, 컬러 필터의 경우 시야각에 따른 색상 변화로 나타나게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 국부적으로 주기적인 패턴을 다양한 디멘젼으로 흐트려 배치시킨 poly-periodic 패턴을 이용하여 시야각이 변하여도 색상이 변하지 않는 특성을 계산을 통해 획득하였다. 이 구조에서는 수직입사에서 비스듬하게 입사방향이 변할 때 색상은 고정되지만 투과도가 저하되는 문제점이 발생하지만, 이는 기존 액정 디스플레이에서 액정 배향상태로 인한 시약각 특성과 같은 결과를 나타내는 것으로, 보다 디스플레이 디바이스로 활용 가능함을 보였다고 할 수 있다.
마지막으로, 플라즈모닉 필터의 다양한 활용도를 위한 방안을 제시한다. 앞선 장에서 설명한 필터의 나노 홀 구조에서 홀 패턴의 주기성 혹은 홀 모양을 비등방성으로 설계하여 입사되는 빛의 편광형태에 따라 투과특성이 변하는 것을 이용하여, 색계 폴라라이져, 플라즈모닉 폴라라이져 필터 등의 새로운 개념의 능동형 플라즈모닉 소자를 구현할 수 있다. 또 산화물 박막필름 트랜시즈터와 결합하여 광안정성을 확보할 수도 있다.
이상으로 본 연구를 통해 대면적 및 대량생산에 적합한 플라즈모닉 컬러필터의 설계 및 공정 방법을 제안하였다. 색순도 향상, 시야각에 따른 색상 변화를 막기 위한 새로운 구조를 제시하였으며, 디스플레이 소자로서의 높은 활용 가능성을 제시했다. 또한 비등방성 패턴을 이용하여 필터의 다양한 활용 예시도 제안하였다. 이 연구를 통하여 플라즈모닉 컬러필터의 이용도를 확대하여 나노 기술의 산업적 응용에 도움이 되리라 예상한다.
