KR20200072091A - 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체에 관한 것으로, 반사층; 상기 반사층 위에 형성된 액티브층; 상기 액티브층 위에 형성된 임피던스 매칭 층을 포함하며, 400 ~ 800 nm의 파장 대역에서 빛을 흡수하는 것을 특징으로 한다.

Description

입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체{Incident angle and polarization independent ultrathin broadband perfect absorbers}

본 발명은 보다 넓은 영역에서 높은 흡수를 보일 수 있는 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체에 관한 것이다.

미국특허 제9,952,096호에서는 λ의 사용 파장에서 반사성이고, 상기 비경 구형 표면을 갖는 기판 및 상기 기판의 비경면 위에 배치된 반사층을 포함하는 반사기와, 반사기 위에 배치된 유전체층으로서, 유전체층의 굴절률을 n으로하고, 유전체층의 적어도 하나의 상태에서 유전체층의 흡광계수 (k)를 0.5 이상으로 하며, 유전체층의 두께 h는 λ/4n보다 얇음에도 λ에서 공진기를 형성하는 장치를 제공하고 있다.

기존의 λ/4의 두께를 갖는 반사 방지 코팅과 다르게 미국특허 제9,952,096호의 반사 방지 코팅은 도 1에서와 같이 손실이 큰 반도체 물질 (Ge)/금속 (Au) 구조를 이용하여 이러한 통념을 깨고, λ/4보다 훨씬 얇은 (~ 20 nm) 두께에서 아주 낮은 반사율 (큰 흡수율)을 보인다. 이러한 방법은 초박막이 가능하다는 장점 외에도, 기존의 반사 방지 코팅과 다르게 빛의 입사각도 및 편광에 sensitive하지 않다는 큰 장점이 있다.

이에 도 2에서와 같이 이러한 특성을 컬러링을 하는 어플리케이션에 적용하였다. 초박막 저마늄(Ge)을 이용하여 아주 저렴하고, 다양한 색을 낼 수 있는 코팅을 할 수 있다.

미국특허 제9,952,096호는 컬러링에 초점을 맞추었지만, 본 발명은 광소자 (태양전지, 광 센서)에 초점을 맞추도록 한다.

광소자로 활용되기 위해서는 넓은 파장 대역에서 높은 흡수를 가져야하고, 빛의 입사각과 편광에 무의존성을 가져야 한다.

미국특허 제9,952,096호는 특정 파장에서만 아주 높은 흡수 (낮은 반사)를 보이는 데, 이는 저마늄(Ge)의 굴절률이 크기 때문에 공기와의 임피던스 매칭이 잘 되지 않기 때문이다.

미국특허 제9,952,096호(등록일자: 2018.04.24)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 보다 넓은 영역에서 높은 흡수를 보일 수 있는 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 반사층; 상기 반사층 위에 형성된 액티브층; 상기 액티브층 위에 형성된 임피던스 매칭층을 포함하며, 400 ~ 800 nm의 넓은 파장 대역에서 빛을 흡수하고 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체를 제공한다.

상기 임피던스 매칭 층은 0 ~ ±60 도의 입사각을 가지는 빛을 흡수하며, 편광에 무의존성을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 임피던스 매칭 층은 상기 액티브층을 공기로부터 보호하여, 상기 액티브층의 전기적 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체는 임피던스 매칭층을 이용하여 보다 넓은 영역대에서 보다 높은 흡수성을 보장할 수 있게된다.

그리고 종래의 λ/4보다 얇은 두께를 가지고, 나노 패터닝과 같은 복잡한 공정이 필요 없어 공정 비용의 감소를 보장한다.

또한 입사각, 편광에 무 의존성을 보이기 때문에 태양전지와 같은 광소자로 활용되었을 때, 높은 효율을 보일 것으로 예상된다.

더하여 임피던스 매칭층은 흡수를 높여주는 역할뿐만 아니라 전하 캐리어를 생성하는 액티브 층을 외부로부터 보호(passivation)하여 표면에서의 전하 캐리어 손실을 줄일 수 있기 때문에 높은 전기적인 특성을 얻을 수 있도록 한다.

뿐만 아니라, 저마늄 (Ge)으로 구현된 액티브층 뿐만 아니라 손실이 큰 다양한 반도체들 (MoS₂)도 동일한 방법이 적용 가능하도록 한다.

도 1 및 도 2은 종래의 기술에 따른 흡수체를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수체의 파장 기반의 빛 흡수능을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수체의 각도 및 편광 기반의 빛 흡수능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 흡수체를 MoS₂에 적용한 예를 도시한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체를 도시한 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체는 반사층(10), 상기 반사층 위에 형성된 액티브층(20) 상기 액티브층 위에 형성된 임피던스 매칭 층(30)을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은 임피던스 매칭층 (산화물)을 이용하여 기존의 흡수체(검은색 선)보다 높은 흡수를 보이는 흡수체를 이론, 실험적으로 구현하도록 한다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 흡수체는 이론, 실험적으로 400 ~ 800 nm에서 대부분의 빛을 흡수함을 알 수 있다.

임피던스 매칭 층(30)은 기존의 반사 방지 코팅인 λ/4보다 약 두 배 정도 얇다는 장점이 있다.

또한 이러한 임피던스 매칭층은 흡수 증가뿐만 아니라 실제 소자로 활용되었을 때, 전하 캐리어를 생성하는 액티브층(20)인 저마늄 (Ge)을 보호하고 표면에서의 전하 캐리어 손실을 줄여주기 때문에 전기적 능력을 향상시켜주는 역할도 한다.

그리고 도 5를 참고하면, 종래의 두 층으로 이루어진 흡수체에 비해서 훨씬 넓은 영역에서 더 큰 흡수를 한다는 것을 알 수 있다.

특히, 수직 입사 (0ㅀ)뿐만 아니라 높은 입사각(~ 60ㅀ)에서도 아주 많은 흡수를 유지하며, 편광에 무의존성을 보임을 알 수 있다.

이와 같이 구성되는 흡수체는 Ge뿐만 아니라 손실이 크고 굴절률이 큰 다양한 반도체에 대해서도 적용 가능하다는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 흡수체를 MoS₂에 적용한 예를 도시한 도면이다. 즉, MoS₂으로 구현된 층위에 Al₂O₃와 같은 산화물을 도포하여, 앞서 설명된 효과를 도출할 수 있도록 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 임피던스 매칭층을 이용하여 넓은 영역대에서 높은 흡수를 보이는 흡수체를 구현한다.

이는 종래의 λ/4보다 얇은 두께를 가지고, 나노 패터닝과 같은 복잡한 공정이 필요 없어 공정 비용의 감소를 보장한다.

또한 입사각, 편광에 무 의존성을 보이기 때문에 태양전지와 같은 광소자로 활용되었을 때, 높은 효율을 보일 것으로 예상된다.

그리고 임피던스 매칭층은 흡수를 높여주는 역할뿐만 아니라 전하 캐리어를 생성하는 액티브 층을 외부로부터 보호하는 역할(passivation)을 하기 때문에 높은 전기적인 특성을 얻을 수 있도록 한다.

뿐만 아니라, 저마늄 (Ge)으로 구현된 액티브층 뿐만 아니라 손실이 큰 다양한 반도체들 (MoS₂)도 동일한 방법이 적용 가능하도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. 반사층;
   상기 반사층 위에 형성된 액티브층;
   상기 액티브층 위에 형성된 임피던스 매칭 층을 포함하며,
   400 ~ 800 nm의 파장 대역에서 빛을 흡수하는 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체.
2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭층은
   0 ~ ±60 도의 입사각을 가지는 빛을 흡수하며, 편광에 무의존성을 가지는 것을 특징으로 하는 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체.
3. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 층은
   상기 액티브층을 보호하여 표면에서의 전하 캐리어 손실을 줄일 수 있기 때문에, 상기 액티브층의 전기적 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 입사각과 편광 무의존성을 갖는 초박막 넓은 대역 흡수체.

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