2차원 포토닉결정 및 그것을 사용한 도파로 및 공진기(TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL, AND WAVEGUIDE ANDRESONATOR USING THE SAME)

(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)

(51) 。Int. Cl.
G02B 6/12 (2006.01)
G02B 6/02 (2006.01)
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2007년03월28일
10-0700751
2007년03월21일
(21) 출원번호 10-2005-7005380 (65) 공개번호 10-2005-0061492
(22) 출원일자 2005년03월29일 (43) 공개일자 2005년06월22일
심사청구일자 2005년03월29일
번역문 제출일자 2005년03월29일
(86) 국제출원번호 PCT/JP2004/001468 (87) 국제공개번호 WO 2004/086102
국제출원일자 2004년02월12일 국제공개일자 2004년10월07일
(30) 우선권주장 JP-P-2003-00084893 2003년03월26일 일본(JP)
(73) 특허권자 티디케이가부시기가이샤
일본 도쿄도 추오구 니혼바시 1죠메 13반 1고
(72) 발명자 에노키도 야스시
일본 도쿄도 추오구 니혼바시 1죠메 13반 1고 티디케이가부시기가이샤
나이
(74) 대리인 서대석
김창선
심사관 : 김종찬
전체 청구항 수 : 총 11 항
(54) 2차원 포토닉결정 및 그것을 사용한 도파로 및 공진기
(57) 요약
정방격자(104)는 원주구조체(101)에 의해 형성되며, 포토닉결정(100)은 그와같은 정방격자(104)의 주기적 배열에 의해
형성된다. 원주구조체(101)의 중심점간의 거리는 정박격자(104)의 격자상수를 구성한 단위길이로 얻게된다. 정방격자
(104)의 대략 중앙에 원주구조체(102)가 제공되며, 유전체영역(103)은 원주구조체(101) 및 원주구조체(102) 주위에 제공
된다. 이 구조에 의해 어느 공통 주파수 영역에서 TE파의 포토닉밴드갭 및 TM파에 대한 포토닉밴드갭을 형성되게 함으로
완전밴드갭을 형성할 수 있다.
대표도
도 2
특허청구의 범위
등록특허 10-0700751
- 1 -
청구항 1.
복수의 단위격자의 주기적 2차원 배열에 의해 형성된 2차원 포토닉결정에 있어서,
단위격자의 각 격자점에 배열된 프리즘형상 제1 유전체 영역,
단위격자의 대략 중앙에 배열된 프리즘형상 제 2 유전체영역, 및
상기 제 1 유전체영역과 상기 제 2 유전체영역에 인접되면서 이들 제1유전체 영역 및 제2유전체영역 주위에 배열된 제 3
유전체영역으로 이루어지고,
상기 제 3 유전체영역은 상기 제1유전체 영역과 상기 제 2 유전체영역의 상대유전율과는 다른 상대유전율을 가지며,
상기 단위격자는 정방정계격자이고,
상기 제 1 유전체영역과 상기 제 2 유전체영역은 대략 원통형 형상인 동시에 다음 관계식
0.4a≤r1 r2≤0.6a
를 만족하며, 상기 관계식에서 r1은 원주형 제 1 유전체영역의 반경, r2는 원주형 제 2 유전체영역의 반경, 그리고 a는 정
방정계 격자의 격자축의 단위길이를 나타내는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 2.
삭제
청구항 3.
삭제
청구항 4.
삭제
청구항 5.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 유전체영역의 상대유전율(ε1)은 상기 제 2 유전체영역의 상대유전율(ε2)과 동일한 것을 특징으로 하는 2차원
포토닉결정.
청구항 6.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 유전체영역의 상대유전율(ε1)은 상기 제 2 유전체영역의 상대유전율(ε2)보다 작은 것을 특징으로 하는 2차원
포토닉결정.
청구항 7.
제1항에 있어서,
등록특허 10-0700751
- 2 -
상기 제 3 유전체영역의 상대유전율(ε3)은 적어도 ε3>ε1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 8.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 유전체영역의 상대유전율(ε1), 상기 제 2 유전체영역의 상대유전율(ε2) 및 상기 제 3 유전체영역의 상대유전율
(ε3)은 다음 관계식
ε3>ε1, 및 ε2/ε1>20
를 만족하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 9.
제1항에 있어서,
상기 제1유전체 영역 및 상기 제2유전체영역은 공기로 형성되며, 상기 제3유전체영역은 세라믹물질을 함유한 유전체물질
에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 10.
제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유전체영역 및 상기 제 2 유전체영역은 세라믹물질을 함유한 유전체물질로 형성되고 상기 제 3 유전체영역은 공
기로 형성된 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 11.
제1항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유전체 영역, 상기 제 2 유전체 영역 및 상기 제 3 유전체영역은 세라믹을 함유한 유전체 물질로 형성된 것을 특
징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 12.
제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정방정계 격자의 격자축의 단위길이는 2차원 포토닉결정에 입사하는 광선 또는 전자파의 주파수에 따라 상위한 것을
특징으로 하는 2차원 포토닉결정.
청구항 13.
제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 2차원 포토닉결정을 함유함을 특징으로 하는 포토닉결정 도파로에 있어서,
2차원 포토닉결정의 주기적 격자배열에 선형결함이 형성되는 것을 특징으로 하는 포토닉결정 도파조.
등록특허 10-0700751
- 3 -
청구항 14.
제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 2차원 포토닉결정을 함유함을 특징으로 하는 포토닉결정 공진기에 있어서,
2차원 포토닉결정의 주기적 격자배열에 점형상결함이 형성되는 것을 특징으로 하는 포토닉결정 공진기.
명세서
기술분야
본 발명은 광선같은 전자파를 제어하는 장치에 사용하는 포토닉결정에 관한 것이며, 상세하게는 완전포토닉 밴드갭을 소
정의 파장길이 영역에 형성할 수 있는 2차원 포토닉결정 및 그것을 사용하는 도파로 및 공진기에 관한 것이다.
배경기술
근래에, 포토닉결정은 광선같은 전자파를 제어하는 장치로써 점점 중요한 역할을 하고 있다. 포토닉결정은 광선같은 전자
파의 파장에 비교할 수 있는 주기적 유전율을 가진 결정구성 영역에 유전율의 주기적변화를 나타내는 주기적 구성부재이
며, 인공적 주기적 구조에 의하여 새로운 전자특성(electromagnetic characteristics)을 실현할 수가 있다. 그와같은 구조
는 그 전자파가 굴절률의 주기적 분포에 의해 브래그(Bragg)반사를 받게 됨으로 광선같은 전자파에 밴드갭을 형성하여,
원자핵의 주기적 전위에 의한 전자(electrons)의 브래그반사로 반도체물질에 밴드갭을 형성하는 것이 특징이다. 포토닉결
정에 있어서, 그와같은 밴드갭은 포토닉밴드갭이라 불리우며, 빛같은 전자파가 존재하지 않는 그와같은 포토닉밴드갭은
광선같은 전자파를 임의로 제어하게 된다.
광선과같이 전자파의 전파를 모든 방향에서 억제하는 밴드갭은 완전밴드갭으로 불리운다. 그와같은 완전밴드갭이 그안에
점결함 또는 직선결함을 형성하여 만들어지는 것이 가능한 경우에는, 초소형장치가 포토닉결정내에 제조된다. 예를들면,
포토결정내에 일부분의 주기를 인공적으로 교란하는 경우에는, 결함레벨이 포토닉밴드갭에 형성되어 광선과 같은 전자파
가 그러한 레벨에만 존재하게 되며, 그러한 현상을 예를들면 공진기에 사용할 수가 있다. 또한, 직선결함을 형성하는 경우
에는, 광선같은 전자파는 결함의 정렬에 따라 전파하나, 결함 이외의 다른 영역에서는 전파할 수가 없다. 그리하여 최소형
도파로가 형성된다.
그러므로, 포토닉밴드갭의 특성을 이용하기 위해 완전밴드갭을 가진 포토닉결정을 제조하는 것이 필요하다. 광역완전밴드
갭을 가진 포토닉결정구조로서, 야브로노바이트(Yablonovite)구조 (예로서, 특허문헌 1) 우드파일(Wood file)구조 (예로
서, 비특허문헌 1)같은 3차원 주기성구조(이후, 3차원 포토닉결정이라함)를 가진 포토닉결정이 알려져있다. 그와같은 결
정은 광역완전밴드갭을 가진다. 그러나, 그의 구조때문에 제조하기가 매우 어렵다. 또, 포토닉결정을 구성하는 복수의 유
전체물질중의 하나가 공기일 경우, 유전체물질이 3차원으로 배치되어 일정한 다이아몬드 및 오팔구조에서와 같이 비접촉
상태에 있게될 때에는, 3차원 주기성구조는 유지될 수가 없다.
한편, 2차원 주기성구조(이하, 2차원 포토닉결정으로 칭함)를 가진 포토닉결정은 3차원 포토닉결정과 비교하여 보다 용이
하게 제조된다. 예를들면, 완전밴드갭을 가진 2차원 포토닉결정으로서, 원형홀(예로서, 특허문헌 2)에 의해 형성된 3각 격
자배열로 구성된 2차원 포토닉결정이 알려져 있다. 또한, 비교적 용이하게 제조가능한 구조로서 원형홀 또는 원통에 의해
형성된 4각격자배열을 가진 2차원 포토닉결정이 알려져 있다.
또, 포토닉결정은 2 또는 2이상의 유전체물질로 형성되며, 통상적으로 2개의 물질이 사용되고, 그중의 하나는 제조의 용이
성과 저손실 때문에 흔히 공기로 이루어진다. 예를들면, 3각격자구조 또는 4각격자구조로 형성된 상기 2차원 포토닉결정
에서는 그와 같은 3각격자 또는 4각격자는 공기에 의해 형성된다.
특허문헌 1; USP No. 5,172,267
특허문헌 2; JPA No. 2001-272555 (파라그래프[0023], 도1)
비특허문헌 1; E.Knobloch, A. Deane,J. Toomre and D.R.Moore,
등록특허 10-0700751
- 4 -
Contemp. Math.,56,203(1986)
그러나, 특허문헌2에 기재된 3각격자로 구성된 2차원 포토닉결정에서는, 가장 넓은 안전밴드갭이 0.48의 r/a(여기서, r은
원통홀의 반경, a는 포토닉결정의 격자상수이다.)에 대한 것이 얻어진다. 그러므로, 원형홀간의 두께는 0.04a같이 작게되
며, 그러한 포토닉결정은 제조하기가 매우 힘들다.
또한, 정방격자가 원형홀로 형성된 경우, 정방구조로 형성된 2차원 포토닉결정은 입사전자파의 TE파(transverse electric
wave)에 밴드갭을 나타낸다. 그러나 TM파(transverse magnetic wave)에는 밴드갭을 나타내지 않는다. 한편, 정방적계
격자가 형성된 경우에는 TM파에 밴드갭을 나타내는 TE파에는 밴드갭을 나타내지 않는다. 그러므로, 완전밴드갭은 그와
같은 정방격자에 의해 구성된 2차원 포토닉결정에서는 얻을수가 없다.
그러므로, 완전밴드갭을 얻기위하여 용이하게 제조되어 모든 입사각에서 TE파 및 TM파에 밴드갭을 나타내는 2차원 포토
닉결정이 요구된다. 한편, 포토닉결정은 일반적으로 반도체 제조기술 및 포토형성기술에 의해 제조되므로 사용되는 재료
는 반도체재료와 포토설정 가능한 수지로 제조된다. 이들 재료는 상대적으로 작은 상대유전율을 가진다. 그러므로, 광역밴
드갭을 얻기가 어렵다. 포토설정가능한 수지에 세라믹분말을 혼합하는 방법은 공지되어 있다. 그러나, 상대유전율이 대수
혼합규정(logarithmic mixing rule)에 의해 지배되고 대체로 수지의 상대유전율에 의해 영향을 받음으로 얻을수가 없다.
따라서, 광역밴드갭은 얻기가 어렵다.
발명의 상세한 설명
본발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 그 목적은 제조하기 용이하고 모든 입사각의 TE파 및 TM파에 완전밴
드갭을 가진 2차원 포토닉결정 및 그 결정을 사용하는 도파로와 공진기를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 높은
상대 유전율의 단일 세라믹물질을 사용하여 광대역 완전밴드갭을 가진 2차원 포토닉결정 및 그 결정을 사용하는 도파로와
공진기를 제공하는 것이다.
본발명의 또다른 목적은 공기 이외의 유전체물질을 사용하여 2차원 포토닉결정자체의 강도를 증가시킴으로 제조하기 용
이한 2차원 포토닉결정을 제공하는 것이다. 또한, 본발명은 공기이외의 유전체물질을 사용하여 보다 광역의 완전밴드갭을
형성하여 2차원 포토닉결정을 사용한 비교적 소형장치를 성취하는 것이며, 또 본발명은 밴드갭을 용이하게 얻을 수 있어
높은 상대유전율의 세라믹물질을 사용하므로 손실을 감소시키는 2차원 포토닉결정을 사용한 도파로와 공진기를 제공하는
것이다.
본발명의 2차원 포토닉결정은 복수의 단위격자의 주기적 2차원 배열에 의해 형성된 2차원 포토닉결정이며, 단위격자의
각 격자점에 배열된 프리즘형상의 제1유전체영역, 단위격자의 대략 중앙에 배열된 프리즘형상의 제2 유전체영역 및 제1
과 제2유전체영역에 인접되게, 그리고 주위에 배열된 제3유전체영역을 함유한 것을 특징으로한다. 또한, 본발명의 2차원
포토닉결정은 제3유전체영역이 제1 및 제2 유전체영역의 상대유전율과는 다른 상대유전율을 가진것을 특징으로 한다.
본발명에 잇어서, 단위격자는 정방격자인것이 바람직하며, 또한 제1 유전체영역과 제2 유전체영역은 대체로 원주형상을
가지며, 다음 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.4a≤r1 r2≤0.6a
여기서, r1은 원주 제1유전체 영역의 반경, r2는 원주 제2유전체 영역의 반경이며, a는 정방격자의 격자축의 단위길이를
나타낸다.
또한, 제1 유전체영역의 상대유전율(ε1)은 제2 유전체영역의 상대유전율(ε2)과 동일하거나 작다. 또, 제3 유전체영역의
상대유전율(ε3)은 최소한 ε3>ε1 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또, 제1 유전체영역의 상대유전율(ε1), 제2 유전체영역의 상대유전율(ε2) 및 제3 유전체영역의 상대유전율(ε3)은 다음관
계를 만족하는 것이 바람직하다.
ε3>ε1 및 ε2>ε1>20
등록특허 10-0700751
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제1 및 제2 유전체영역은 공기로 형성되며 제3 유전체영역은 세라믹물질을 함유한 절연체 물질에 의해 형성된다.
또한, 제1, 제2 및 제3 유전체영역은 세라믹물질을 함유한 유전체물질에 의해 형성된다.
또, 정방격자의 격자축의 단위길이는 광선 또는 2차원 포토닉결정에 입사하는 전자파에 따라 다른것이 바람직하다.
또한, 본발명의 포토닉결정 도파조는 직선결함이 2차원 포토닉결정의 주기적 격자배열로 형성된 상기한 2차원 포토닉결
정을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또, 본발명의 포토닉결정 공진기는 점형상 결함이 2차원 포토닉결정의 주기적 격자배열로 형성된 상기 2차원 포토닉결정
을 함유한 것을 특징으로 한다.
실시예
다음, 본발명의 실시예를 도 1 ~ 도 8을 참조하여 설명한다. 도 1은 본발명을 표현하는 포토닉결정구조를 나타내는 투시
도이고, 도 2는 본발명의 한 실시예에서 유전체영역의 배열을 설명하는 평면도이다. 또한, 도 3 및 도 6은 본발명의 실시예
에 관한 것이며, 도 4 및 도 7은 본발명의 실시예 2에 관계하며, 도 5 및 도 8은 본발명의 실시예 3에 관한 것이다.
먼저, 본설명에 사용되는 용어를 설명한다.
"2차원 포토닉결정"은 소정 평면에 대략 평행방향으로 유전율의 2차원 주기적 구조를 가진 주기적 구조체를 의미한다.
또한, "단위격자"는 2차원 포토닉격자를 구성하는 최소 주기적 단위에 의해 형성된 구조체를 의미하며, 가장 외측에 위치
한 구조체 또는 유전체영역을 연결하여 형성된 2차원 형상을 가진다.
또, "완전밴드갭"은 상기의 소정평면에 대체로 평행인 방향에서 2차원 포토닉결정에 입사하는 광선같은 전자파를 모든 입
사각에 대해서 소정량 또는 그 이하로 감쇠할 수 있는 상태를 의미하며, 더욱 상세하게는 점결함 또는 직선결함의 형성으
로 공진기 또는 도파로 등의 최소장치를 제조할 수 있는 범위로 입사전자파를 감소시킬 수 있는 밴드갭을 의미한다.
다음, 본발명을 표현하는 포토닉결정의 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1에서, 본발명을 표현하는 포토닉결정(100)은 복수의 제 1 원주구조체(101), 복수의 제 2 원주구조체(102) 및 원주구
조체(101)와 원주구조체(102) 주위에 제공된 유전체영역(103)으로 구성된다. 제 1 원주구조체(101)는 제 1 유전체영역을
구성하며, 제 2 원주구조체(102)는 제 2 유전체영역을 구성한다. 이 구성부품때문에 포토닉결정(100)은 2차원 주기적 구
조를 가진다. 다음, 본 실시예의 구조를 더욱 상세히 설명한다.
도 2에서, 제 1 원주구조체(101)는 정방격자(104)를 구성하여, 본 실시예의 포토닉격자는 이와 같은 정방격자(104)가 주
기적으로 배열되는 주기적 구조를 가진다. 그러므로, 포토닉결정(100)에서 정방격자(104)는 단위격자를 구성한다. 또한,
정방격자(104)의 측면은 격자상수로서 획득되는 길이"a"를 가진다. 또, 제 2 원주구조체(102)는 대략 각 정방격자(104)의
중앙에 제공되며, 유전체영역(103)이 제 1 원주구조체(101)와 제 2 원주구조체(102) 주위에 제공된다. 도 2는 본 발명의
포토닉격자의 다만 한 부분을 나타내지만, 실제로는 도 2에 나타난 구조가 주기적으로 배열된다.
제 1 원주구조체(101) 및 제 2 원주구조체(102)는 제 1 원주구조체(101)의 반경 r1 및 제 2 원주구조체(102)의 반경 r2으
로 실제로 원통형상을 취하도록 구성된다. 또한, 상대유전율은 제 1 원주구조체(101)에서 ε1, 제 2 원주구조체(102)에서
ε2, 및 제 3 원주구조체(103)에서 ε3로 취하여진다.
완전밴드갭은 제 1 원주구조체(101)의 유전율(ε1)과 반경(r1), 제 2 원주구조체(102)의 유전율(ε2)과 반경(r2) 및 적절한
조건하에서 제 3 유전체영역(103)의 유전율(ε3)을 변경하여 실현되며, 소정의 구조는 다음 실시예에서 설명된다.
등록특허 10-0700751
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또, 제 1 유전체영역, 제 2 유전체영역 및 제 3 유전체영역은 세라믹물질, 반도체물질, 수지 등 또는 공기에 의해 구성된다.
세라믹물질로서, 예를들면 BaO-TiO2, BaO-Nd2O3-TiO2, TiO2 , 또 Al2O3가 사용된다. 또, 반도체재료로서, 예를들면
GaAs, Si 또 SiO2가 사용되며, 수지성 재료로서, 폴리비닐리덴불화물수지, 멜라닌수지, 요소수지, 또는 폴리비닐불화물수
지등의 높은 유전율의 폴리머물질이 사용된다.
상기의 결정구조를 가진 본 발명의 포토닉결정은 다음과 같은 유리한 효과를 나타낸다.
2차원 포토닉결정구조는 단위격자로서 격자점에 제 1 유전체영역을 가진 정방격자를 사용하고, 정방격자의 대략 중앙에
제 2 유전체영역을 제공하고, 또 그격자에 인접하여 제 3 유전체영역을 제공하여 형성됨으로 TE파에의 포토닉밴드갭 및
TM파에의 포토닉밴드갭은 모든 입사각에 대하여 일정한 공통주파수 영역에 형성된다. 그리하여 완전밴드갭을 실행된다.
또한, 제 1 및 제 2 유전체영역에 대해 공기이외의 유전체물질의 사용으로 용이하며 넓은 완전밴드갭을 가진 2차원 포토닉
결정의 제조를 할 수가 있다. 공기이외의 유전체물질은 공기를 사용하는 경우와 비교하여 손실이 증가된다. 그러나 그러한
손실은 높은 상대유전율을 가진 세라믹물질을 사용하여 완화시킬 수가 있으므로 저손실을 유도할 수가 있다.
다음, 본 실시예의 포토닉결정을 소정의 실시예에 의해 설명한다.
[실시예 1]
먼저, 실시예 1을 설명한다. 실시예 1의 포토닉결정(100)에 있어서, 제 1 원주구조체(101)가 제 1 유전체영역으로 존재하
는 부분 및 제 2 원주구조체(102)가 제 2 절연영역으로 존재하는 부분은 빈 상태이며 공기에 의해 구성된다. 그러므로, 제
1 원주구조체(101) 및 제 2 원주구조체(102)는 상대유전율(ε1=ε2=1.0)을 가진다. 또, 제 3 유전체영역(103)은 10.4의 상
대유전율(ε3)을 가진 물질로 구성된다.
실시예 1에서, 완전밴드갭의 폭은 제 1 원주구조체의 반경(r1) 및 제 2 원주구조체(102)의 반경(r2)를 변화시켜 실시된 시
뮬레이션에 의해 계산된다. 구체적으로, 시뮬레이션은 완전밴드갭의 폭을 계산하기 위해 0.1a~0.5a의 범위내에서 원통반
경(r1) 및 원통반경(r2)를 각각 변경하여 이루어지며, 계산의 결과는 도 3에 요약되었다.
도 3의 표에서, 완전밴드갭의 폭은 %의 단위로 나타난다. 완전밴드갭의 폭에 대한 상세한 계산방법은 추후에 설명한다. 그
러나 표에 나타난 완전밴드갭의 폭(%)은 완전밴드갭이 어느 주파수범위에 대해 연속적으로 존재하는 경우에는 그와 같은
주파수 범위를 그 주파수범위의 중앙주파수로 나누어서 얻은 값으로 표시된다. 도 3의 표에서, "-"을 가진 행은 완전밴드
갭이 그행에 상응한 원주반경(r1) 및 원주반경(r2)에 대해서 형성되지 않을것을 의미한다. 시뮬레이션의 결과로, 0.1a의
원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 0.35a의 원주반경(r2)에 대하여는 6.39%의 폭을 나타내며, 0.40a의 원주반경(r2)
에 대하여는 2.70%의 폭을 나타내었다. 또, 0.2a의 원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 0.25a의 원주반경(r2)에 대하
여는 2.48%의 폭, 0.3a의 원주반경(r2)에 대하여는 2.65%의 폭, 그리고 0.35a의 원주반경(r2)에 대하여는 2.60%의 폭을
나타내었다. 또, 0.3a의 원주반경(r1)의 경우에는, 완전밴드갭은 0.2a의 원주반경(r2)에 대하여는 4.07%의 폭, 0.25a의
원주반경(r2)에 대하여는 2.23%의 폭, 그리고 0.3a의 원주반경(r2)에 대하여는 1.96%의 폭을 나타내었다. 또, 0.4a의 원
주반경(r1)의 경우에는, 완전밴드갭은 0,05a의 원주반경(r2)에 대하여는 2.70%의 폭, 그리고 0.1a의 원주반경(r2)에 대
하여는 1.81%의 폭을 나타내었다.
그러므로, 완전밴드갭은 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1) 및 제 2 원주구조체(102)의 반경(r2)이 다음 관계를 만족하는
범위내에서 얻어진다.
0.4a≤r1 r2≤0.6a
또, 사용될 물질은 특히 제한되지 않으며, 제 3 유전체영역(103)에서 상대유전율(ε3)이 10.4를 나타내는 어떠한 재료도 동
일한 결과를 가져온다. 세라믹물질은 유리하며, 그러나 반도체물질 또는 수지는 상대유전율(ε3)가 10.4를 얻을 수 있는한
사용된다. 또한, 상대유전율(ε3)이 10.4가 아닐때에도 아마 얻을 수 있을 것이다. 예를들면, 사파이어같은 세라믹물질을
사용하는 경우에는 사파이어는 9.4의 상대유전율(ε3)을 가지므로 광대역밴드갭을 얻을 수가 있다. 또, 재료는 그러한 세라
믹물질에 제한되지 않으나, GaAs같은 반도체물질은 제한된다. 12~13의 상대유전율(ε)을 가진 GaAs는 세라믹물질에서와
같이 광역밴드갭을 제공하는 것으로 사료된다.
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그다음, 완전밴드갭은 사용될 전자파의 주파수(전자파의 파장)에 따라 격자상수를 변경하여 형성된다. 예를 들면, 완전밴
드갭이 밀리파(millimeter wave)의 예로서 300GHz 주파수의 전자파에 대해서 격자상수 a=0.5mm를 채택하여 형성되는
경우에는, 완전밴드갭은 격자상수 a=50mm를 채택하여 마이크로파의 예로서 주파수 3GHz의 전자파에 대하여 실현할 수
있다. 이와같은 방법으로, 완전밴드갭은 사용될 전자파에 따라 본발명의 포토닉결정의 격자상수(a)를 적절히 변경하여 밀
리파영역에서부터 마이크로파 영역까지 전자파에 대하여 얻을 수 있다. 또, 소정의 주파수에 대한 격자상수는 사용될 재료
의 상대유전율을 증가시키므로 작게 만들 수 있다. 그러므로, 본발명의 포토닉결정이 도파로 또는 공진기등의 장치에 사용
되는 경우에서, 그러한 장치는 높은 상대유전율의 물질을 사용하여 크기를 작게할 수 있다.
[실시예 2]
다음 실시예 2를 설명하며, 실시예 2의 포토닉결정(100)에 있어서, 제 1 유전체영역을 구성하는 제 1 원주구조체(101)는
상대유전율 ε1=10을 가진 물질로 구성되며, 한편 제 2 원주구조체(102)는 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1)과 동일한 반
경(r2)를 가진다. 또, 제 3 유전체영역(103)은 비어있으며 공기에 의해 구성된다. 그러므로, 제 3 유전체영역(103)은 상대
유전율 ε3=1.0을 가진다.
실시예 2에서, 완전밴드갭의 폭은 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1) 및 제 2 원주구조체(102)의 반경(r2)를 변경하여 수
행된 시뮬레이션에 의해 계산된다. 더욱 상세하게는 시뮬레이션은 완전밴드갭의 폭을 계산하기 위해 0.2a~0.3a의 범위내
에서 원주반경(r1) (=원주반경 r2)를 변경하여 그리고 10~50의 범위내에서 상대유전율(ε2)를 변경하여 수행된다. 계산의
결과는 도 4에 요약되었다. 도 4의 표에서, "-"를 가진 행은 그 행에 대응하는 원주반경(r1) 및 상대유전율(ε2)에 대해 형
성된다.
시뮬레이션의 결과로, 0.2a의 원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 20의 상대유전율(ε2)에 대하여 2.65%의 폭을 나타
내고, 또 30의 상대유전율(ε2)에 대하여 2.84%의 폭, 40의 상대유전율(ε2)에 대하여 1.35%의 폭, 그리고 50의 상대유전
율(ε2)에 대하여 2.72%의 폭을 나타내었다. 또한 0.25a의 원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 20의 상대유전율에 대
하여 1.03%의 폭, 30의 상대유전율(ε2)에 대하여 2.05%의 폭, 40의 상대유전율(ε2)에 대하여 1.72%의 폭 및 50의 상대
유전율(ε2)에 대하여 1.88%의 폭을 나타내었다. 또, 0.3a의 원통반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 40의 상대유전율(ε3)
에 대하여 1.96%의 폭 및 50의 상대유전율(ε3)에 대하여 5.61%의 폭을 나타내었다.
그러므로, 완전밴드갭은 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1)과 제2 원주구조체(102)의 반경(r2)가 다음관계를 만족하며,
0.40a≤r1 r2≤0.60a
또, 제 1원주구조체(101)의 상대유전율(ε1)과 제 2 원주구조체(102)의 상대유전율(ε2)이 다음관계를 만족하는 범위내에
서 얻어진다.
또한, 실시예 1에서와 같이 완전밴드갭은 입사전자파의 주파수(파장)에 따라 포토닉결정의 격자상수를 변화시켜 밀리파에
서 마이크로파로 주파수범위내에서 얻어진다.
[실시예 3]
다음, 실시예 3을 설명한다. 실시예 3의 포토닉결정에서, 제 1 유전체영역을 구성하는 제 1 원주구조체(101)의 부분은 공
기로 구성된다. 그러므로, 제 1 원주구조체(101)의 부분은 상대유전율 ε1=1.0을 가진다. 또 제 2원주구조체(102)는 제 1
원주구조체(101)의 반경(r1)과 동일한 반경(r2)를 가진다. 또한, 제 3 유전체영역(103)은 상대유전율ε3=10.4의 재료로
구성된다.
실시예 3에서, 완전밴드갭의 폭은 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1)과 제 2 원주구조체(102)의 상대유전율(ε2)를 변경하
여 계산된다. 더욱 상세하게는 0.2a~0.3a의 범위내에서 완전밴드갭의 폭을 계산하기 위해 원주반경(r1)(=원주반경(r2))
를 변경하여 또 4.0~50의 범위내에서 상대유전율(ε2)을 변경하여 시뮬레이션이 시행된다. 계산의 결과를 도 5에 요약하
였다. 도 5의 표에서, "-"을 가진 행은 완전밴드갭이 원주반경(r1)(=원주반경(r2)) 및 그행에 대응하는 상대유전율(ε2)에
대해서 형성되지 않는것을 의미한다.
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시뮬레이션의 결과로, 0.25a의 원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 50의 상대유전율(ε2)에 대해서 12.67%의 폭을 나
타냈으며, 또한 0.3a의 원주반경(r1)의 경우에는 완전밴드갭은 22의 상대유전율(ε2)에 대하여는 3.56%의 폭, 22의 상대
유전율(ε2)에 대하여는 3.56%의 폭 그리고 50의 상대유전율(ε2)에 대하여는 20.87%의 폭을 나타내었다.
그러므로, 완전밴드갭은 제 1 원주구조체(101)의 반경(r1)과 제 2 원주구조체(102)의 반경(r2)가 다음 관계를 만족하며:
0.50a≤r1 r2≤0.60a
또, 제 1 원주구조체(101)의 상대유전율(ε1)과 제 2 원주구조체(102)의 상대유전율(ε2)이 다음관계를 만족하는 영역내에
서 얻어진다.
ε2/ε1≥20
또한, 실시예 1에서와 같이, 완전밴드갭은 입사전자파의 주파수(파장)에 따라 포토닉결정의 격자상수를 변경하여, 밀리파
에서 마이크로파까지의 주파수범위내에서 얻을 수 있다.
다음, 전술한 시뮬레이션에 의해 완전밴드갭의 폭을 계산하는 방법을 설명한다. 본발명을 구현하고 있는 포토닉결정의 포
토닉밴드갭을 계산하기 위해 포토닉결정용 전송특성 시뮬레이터 "트란라이트"(translight)를 채택하였다. 이 소프트웨어
는 안드류 레이놀드(Andrew Reynolds)씨가 그가 그래스고(Glasgow)대학에 주재하는 동안 그에 의하여 개발되었으며,
계산을 위해 트랜스퍼 매트릭스방법을 사용하였다. 그것은 원통 및 다각형 프리즘을 임의배열한 조립에 의해 형성된 포토
닉결정구조에서 임의 입사각의 입사전자파(TE파 및 TM파)에 대한 반사 및 전송특성을 계산한다.
다음, 도 1을 참조하여 전자파의 입사각을 설명한다. 편의상 원주구조체가 주기적으로 정방격자에 배열되는 면에 수직인
방향을 z축이라 부른다. 또, 포토닉결정(100)내에 전자파(105)의 수직인입의 방향을 y축이라 부르며, y축과 z축에 수직인
방향을 x축이라 부른다. 또한, 전자파(105)의 입사각(θ)이 수직으로 (y축방향) 포토닉결정(100)에 입사하여 x축 방향으
로 작아져서 x축에 평행방향에서 0°가 될때, 전자파의 입사각(θ)을 90°로 채택한다. 전자파(105)의 입사각을 θ=0°~90°
의 범위내에서 임의로 선택되며, 반사와 전송특성을 임의주파수영역에 대해 얻을 수 있다.
시뮬레이터는 반사와 전송특성이 요구되는 포토닉결정구조의 형성, 주파수범위, 전자파(TE파 및 TM파)의 입사각범위 및
사용물질의 상대유전율을 사용하여 포토닉결정구조의 반사 및 전송특성을 계산하며, 계산시 0~90°의 입사각범위가 사용
되었다. 본발명을 구현하는 포토닉결정(100)은 x-y면에 대하여 대칭이므로, 그러한 입사각 범위에서 x-z면으로 입사하
는 모든 입사 전자파에 대한 계산을 할 수 있다.
시뮬레이터에 의한 계산에 의해 전자파(TE파 및 TM파)의 각 입사각에서 주파수에 따라 반사 및 전송감쇠가 제공되었다.
밴드갭생성은 전송감쇠가 20dB 또는 그 이상의 경우 인식되었다. 밴드갭이 모든 입사각(θ=0~90°)에 대해서 일정주파수
에서 생성되는 경우에는, 완전밴드갭은 그와같은 주파수에서 형성된다. 완전밴드갭이 일정주파수를 넘어 연속적으로 존재
하는 경우, 완전밴드갭의 폭(%)은 그러한 범위의 중심주파수로 그 주파수의 범위를 분할함으로서 형성되며, 또 완전밴드
갭이 분리한 주파수범위에서 분리되어 존재하는 경우에는 완전밴드갭의 폭은 0.001~1.000의 표준화 주파수 범위내에 존
재하는 밴드갭의 폭을 합하여 계산되었다.
다음, 본실시예의 2차원 포토닉결정의 제조방법을 설명한다. 예를들면, 동시하소(simultaneous calcining)기술이 세라믹
물질로 2차원 포토닉결정을 제조하는 경우에 사용되며, 반도체막 형성기술은 반도체재료로 2차원 포토닉결정을 제조하는
경우 사용된다. 또, 포토형성 방법은 포토설정수지로 2차원 포토닉결정을 하는 경우에 사용된다.
먼저, 세라믹물질로 2차원 포토닉결정을 제조하는 방법을 설명한다. 도 6은 실시예 1에서 포토닉결정(100)의 제조방법을
나타낸다. 우선 먼저, 도 6(a)에 나타난 것 같이, 복수의 녹색시트(601)가 제 3 유전체영역(103)을 구성한 세라믹물질로
제조되고, 그다음(b)에서 같이, 복수의 녹색시트(601)가 금속몰드에서 중첩되어 가열하에 가압에 의해 적층된다. 그다음,
(c)에서와 같이 적층판은 소정의 마스크를 사용하여 금속몰드에서 건조에칭되어 주기적으로 배열된 복수의 원통홀(602
및 603)을 형성한다. 실시예 1에서, 원통홀(602)은 제 1 유전체영역을 구성하며, 한편 원통홀(603)은 제 2 유전체영역을
구성한다.
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다음, 도 7을 참조하여 실시예 2를 설명한다. 먼저, 도 7(a)에서 녹색시트(701)가 제 1 유전체영역을 구성하는 제 2 원주구
조체(102)에 대해 세라믹물질로 제조된다. 그다음, 도 7(b)에서와 같이, 제 1 원주구조체에 대한 녹색시트(701) 및 그위에
중첩된 제 2 원주구조체에 대한 복수의 녹색시트(702)가 가열하에 가압에 의해 적층된다.
그 다음, (b)의 단면인 도 7(c)에서 제 2 유전체영역은 제 1 유전체영역이 노출될때까지 소정의 마스크를 사용하여 소정영
역에 건조에칭에 의해 제거되어, 그리하여 주기적으로 배열된 복수의 원통홀(703)을 형성한다. 다음, 도 7(d)에서와 같이,
제 1 유전체영역을 구성한 실린더(704)가 원통홀에서 에피택시얼결정성장에 의해 상부면까지 형성되고, 마찬가지로 제 2
유전체영역을 구성한 원통(705)은 원통홀에서 에피택시얼 결정성장에 의해 형성되었다. 또, 건조에칭은 도 7(e)에 나타난
것 같은 원통(704 및 705)을 형성하기 위해 소정의 마스크로 시행된다. 원주(704)는 제 1원주구조체(101)를 구성하며, 원
통(705)은 제 2 원주구조체(102)를 구성한다.
다음, 실시예 3에서 포토닉결정(100)의 제조방법을 도 8을 참조하여 설명한다. 먼저, 도 8(a)에서와 같이, 녹색시트(801)
는 제 2 유전체영역을 구성하는 제 2 원주구조체(102)에 대해 세라믹물질로 제조되며, 마찬가지로 녹색시트(802)는 제 3
유전체영역(103)에 대해 세라믹물질로 제조된다. 다음, 도 8(b)에서와 같이 제 2 원주구조체에 대해 녹색시트(801)와 그
위에 중첩된 제 3 유전체영역(103)에 대해 복수의 녹색시트(802)가 금속몰드에 배치되어 가열하에 가압에 의해 적층된다.
다음, 단면개관(b)인 도 8(c)에서 제 3 유전체영역은 소정의 마스크를 사용할때 소정영역에서 건조에칭에 의해 제 2 유전
체영역을 구성하는 물질이 노출될 때까지 제거된다. 그다음, 도 8(d)에서와 같이 제 2 유전체영역(804)은 원통홀에서 에피
택시얼성장에 의해 상부면까지 형성된다. 다음, 건조에칭이 소정의 마스크로 시행되고, 도 8(e)에서와 같이 주기적으로 배
열되어 제 1 유전체영역을 구성한 복수의 원통홀(805)을 형성한다.
그후, 적층판은 소정의 형상으로 분할되고 하소(calcine)되어 상위한 유전체부재가 동시에 하소되는 포토닉결정을 얻게된
다. 이와같은 공정을 통하여, 제 1 유전체영역은 공기로 구성되며, 한편 제 2 유전체영역은 세라믹물질의 제 2 원주구조체
(102)에 의해 형성되고, 또 제 3 유전체영역(103)은 제 2 유전체영역의 물질과는 상위한 세라믹물질로 그 주위에 형성된
다.
반도체물질로 본발명의 2차원 포토닉결정을 제조하는 경우, 마스크패턴은 사진석판기술로 제조되고 소정의 형상이 건조
에칭에 의해 얻어진다. 또한, 사진형성방법에 있어서, 유체상태에서 사진보정수지는 자외선 빔으로 방사되어 방사영역만
폴리머반응을 일으키며, 이때 사진설정수지는 소정의 형상으로 경화된다.
[기타 실시예]
다음 설명에서, 2차원 포토닉결정은 정방단위격자를 가진 것으로 가정한다. 그러나 그러한 경우는 제한되지 않는다. 도 9
는 본발명의 포토닉결정의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 9의 포토닉결정(900)은 복수의 제 1 원주구조체(901), 복수의
제 2 원주구조체(902) 및 제 1 원주구조체(901)와 제 2 원주구조체(902) 주위에 제공된 유전체영역(903)으로 구성된다.
이경우, 제 1 원주구조체(901)는 제 1 유전체영역을 구성하며, 제 2 원주구조체(902)는 제 2 유전체영역을 구성한다.
도 9에서, 제 1 원주구조체(901)는 등변3각형의 정점에 위치하여 3각격자(904)를 구성한다. 따라서, 포토닉결정(900)은
3각단위격자(904)가 주기적으로 배열되는 주기성 구조를 가진다. 제 2 원주구조체(902)는 각 3각격자부재(904)의 대략
중앙(중력중심의 부근)에 제공되며, 절연체영역(904)은 제 1 원주구조체(901) 및 제 2 원주구조체(902)의 주위에 제공된
다. 도 9는 다만 포토닉결정(900)의 부분을 나타낸다. 그러나 사실상, 도 9의 구조는 주기적으로 배열된다.
완전밴드갭은 제 1 원주구조체(901)의 유전율(ε1)과 반경(r1), 제 2 원주구조체(902)의 유전율(ε2)과 반경(r2) 및 제 3 원
통구조부재(903)의 유전율(ε3)과 반경(r3)을 적절한 조건하에서 변경하므로 3각격자에서도 실행할 수가 있다.
도 10은 본 발명의 포토닉결정의 또다른 실시예를 나타낸다. 도 10의 포토닉결정은, 복수의 제 1 원주구조체(951), 복수의
원주구조체(952) 및 제 1 원주구조체(951)와 제 2 원주구조체(952) 주위에 공급된 유전체영역(953)으로 구성된다. 이경
우, 제 1 원주구조체(951)는 제 1 유전체영역을 구성하며, 제 2 원주구조체(952)는 제 2 유전체영역을 구성한다.
도 10에서와 같이, 제 1 원주구조체(951)은 등변 6각형의 정점에 위치하므로 6각형격자(954)를 구성한다. 그러므로, 포토
닉결정(950)은 6각형단위결정(954)이 주기적으로 배열되는 주기성구조를 갖는다. 제 2 원주구조체(952)는 각 6각형격자
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(954)의 대략 중앙(중력중심부근)에 제공되며, 제 3 유전체영역을 구성한 유전체영역(953)은 제 1 원주구조체(951)와 제
2 원주구조체(952) 주위에 제공된다. 도 10은 포토닉결정(950)의 부분만을 나타내나, 실제로 도 10에 나타난 구조는 주기
적으로 배열된다.
완전밴드갭은 제 1 원주구조체의 유전율(ε1)과 반경(r1), 제 2 원주구조체(952)의 유전율(ε2)과 반경(r2) 및 제 3 유전체
영역(903)의 유전율(ε3)을 적절한 조건하에 변경함으로서 6각형 격자에서 실현될 수 있다. 앞에서 설명한 것 같이, 제 1
유전체영역,제 2 유전체영역 및 제 3 유전체영역의 유전율과 원통반경을 적절히 조정함으로서 등변 다각형 형상의 단위격
자에서도 완전밴드갭을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 제 1, 제 2 및 제 3 유전체영역은 원통형 형상에 제한되지 않으나 다각형 프리즘 형상을 가질 수 있다. 또, 단위격자
는 등변다각형 형상에 제한되지 않으나, 용이한 2차원배열을 허용하는 형상을 가지며, 또 포토닉결정은 여러종류의 단위
격자에 의해 형성된다.
본발명의 포토닉결정은 여러장치에 응용되며, 장치의 크기는 포토닉결정을 사용하여 초소형으로 만들 수 있다. 예를들면,
본 발명의 포토닉결정은 도파로를 제조하기위해 사용될 수 있다. 그 경우, 직선결함을 포토닉결정에 삽입하므로서, 결함레
벨이 그 직선결함의 부분에 형성되며, 전자파가 그러한 결함레벨에서만 존재한다. 그러므로, 도파로는 포토닉밴드갭에 의
해 형성된다.
광선에 대한 광도파로의 경우에는 그러한 광도파로는 수백나노미터(nm)이하의 크기를 가지므로 광파이버에 비하여 10배
이상 작은 공간내에서 광선을 제한할 수 있다. 또, 포토닉결정으로 제조된 도파로는 가파른 굴곡에서도 외부에 광선의 산
란된 누설을 일으키지 않는다. 그에따라 초소형 회로가 실행된다.
또한, 본발명의 포토닉결정구조는 전자파가 그와같은 점결함의 부분에만 존재하여 밴드갭을 둘러싸서 그안에 감금됨으로
그안에 점결함을 삽입하여 초소형 공진기에 응용될 수 있다.
산업상 이용 가능성
본발명의 포토닉결정은 제 1 유전체영역에 의해 형성되고, 주기적으로 배치되는 각 정방격자의 대략중앙에 제 2 유전체영
역을 제공하며, 또 그 주위에 제 3 유전체영역을 제공함으로 완전밴드갭을 실행할 수 있다. 또한, 그와같은 포토닉결정은
단위격자로서 정방격자를 가진 2차원 포토닉격자이므로 포토닉결정을 용이하게 제조할 수 있다.
또, 상대유전율의 물질, 특히 세라믹물질을 단독으로 사용하여 광대역 완전밴드갭을 가진 2차원 포토닉결정을 제조하는
것이 가능하다.
또, 사용되는 전자파의 파장에 따라 정방격자의 격자상수를 변경하여 미리파에서 마이크로파에 이르기까지 파장영역의 전
자파에 대한 완전밴드갭을 얻을 수가 있다.
또, 공기이외의 유전체물질을 가진 주기적으로 배열된 정방격자를 구성하여 포토닉결정을 사용한 광대역 밴드갭 및 장치
의 크기를 감소시키는 것이 가능하다.
더욱 본발명의 포토닉결정은 도파로 또는 공진기에 사용됨으로 이들 장치의 최소화를 기할 수가 있는 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은, 본발명을 표현하는 포토닉결정구조를 나타낸 투시도이다.
도 2는, 본발명의 실시예에서 유전체영역의 배열을 나타내는 평면도이다.
도 3은, 본발명의 실시예 1에서 포토닉결정의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도이다.
도 4는, 본발명의 실시예 2에서 포토닉결정의 시뮬레이션 결과를 나타내는 표이다.
도 5는, 본발명의 실시예 3에서 포토닉결정의 시뮬레이션 결과를 나타내는 표이다.
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도 6은, 본발명의 실시예 1에서 포토닉결정의 제조공정을 나타내는 도이다.
도 7은, 본발명의 실시예 2에서 포토닉결정의 제조공정을 나타내는 도이다.
도 8은, 본발명의 실시예 3에서 포토닉결정의 제조공정을 나타내는 도이다.
도 9는, 다른 실시예에서 포토닉결정을 나타내는 개략도이다.
도10은, 또 다른 실시예에서 포토닉결정을 나타내는 개략도이다.
도면
도면1
도면2
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도면3
도면4
도면5
도면6a
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도면6b
도면6c
도면7a
도면7b
도면7c
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도면7d
도면7e
도면8a
도면8b
도면8c
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도면8d
도면8e
도면9
도면10
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