실리콘 입자에서 생기는 미 산란을 이용한 가시광영역에서의 반사율과 흡수율 조절 연구

국문 초록 (Abstract)

나노 소자를 활용하여 가시광 영역의 빛을 조절하는 다양한 연구들이 진행되고 있는데 대표적으로 absorber, filter, lens 그리고 reflector 등이 있다. 이러한 소자들은 plasmon resonance을 이용한 금속 소자들이 많이 활용되고 있는데 plasmon resonance을 이용한 금속 소자들은 에너지 손실이라는 문제점을 가지고 있다. 그래서 금속 소자 대신에 에너지 손실이 적은 유전체를 이용한 소자들이 최근 많이 연구되고 있다. 유전체 입자에 빛을 입사시키면 Mie resonance의 일종인 electric dipole과 magnetic dipole 생기게 된다. Electric dipole의 경우에는 입사하는 전기장에 의하여 형성이 되고 magnetic dipole의 경우에는 회전하는 전류에 의하여 생기게 된다. Mie resonance의 큰 특징으로는 입자의 모양에 크게 영향을 받는 다는 것과 파장에 따라서 특정한 방향성을 가진다. 예로 electric dipole과 magnetic dipole이 생기는 파장의 사이의 영역의 파장에서는 후방산란이 크게 나타난다. 본 학위 논문에서는 silicon 입자에서 생기는 Mie resonance의 특징을 활용한 3가지의 구조를 제안한다.
첫 번째 연구는 perfect absorber 연구로 은 (Ag) 기판 위에 silicon 입자들을 주기적으로 배열한 구조로 silicon 입자에서 빛을 입사시켰을 때에 Mie resonance로 생기는 산란과 은 (Ag) 기판에서 반사되어 나온 빛과의 위상 차로 생기는 간섭형상에 의하여 가시광 영역에서 두개의 높은 흡수 peak이 생기게 된다. Silicon 입자에서 생기는 흡수는 입자의 크기와 간격에 silicon 입자와 은 (Ag) 기판과의 거리 차이에 크게 영향을 받는다.
두 번째 연구는 silicon 입자들이 주기적으로 배열된 색 반사체에 대한연구로 Mie resonance의 특징인 electric dipole과 magnetic dipole사이의 파장영역에서 후방산란이 커지는 것을 활용하여 입자의 크기와 간격을 변화시켰을 때 다양한 색이 나타나며 넓은 범위의 시야 각을 가진다.
세 번째 연구는 silicon의 구조가 U 형태로 된 색 반사체에 대한 연구로 Mie resonance의 일종인 magnetic dipole을 이용하여 매우 좁은 반치폭과 높은 반사율로 순도가 높은 색을 나타내며 색은 구조의 크기와 간격에 영향을 받으며 다양한 색을 나타내는 것이 가능하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nano-optical devices have attracted a large amount of interest due to their ability to effectively control light on the nanoscale. Recently, nanostructured reflectors which has specific color reflectance for the white light incidence have been studied based on the plasmonic resonances of nanostructures However, these plasmonic resonances have the serious drawback of energy loss in the visible range, which deteriorates the performance and limits their miniaturization for practical use. Thus, low absorption dielectrics have been studied for use in nano-optical devices. The dielectric particles exhibit resonant Mie scattering due to electric dipoles, magnetic dipoles, and higher-order resonances. The magnetic dipole response of dielectric particles is due to the circular displacement currents inside the particle being excited by incident light. Further, the resonant wavelengths of the electric dipoles and magnetic dipoles modes have resonant shifts according to the scale and shape of the nanoparticles.
We propose a perfect absorber based on an array of silicon nanoparticles above a metal substrate that exhibits two high absorbance peaks in the visible range resulting from Mie resonances. The wavelengths of these peaks depend heavily on the diameter of the silicon nanoparticles. The absorbance of the silicon particles is enhanced using destructive interference between the Mie scattering and reflections from the metal mirror, which was confirmed by investigating the effects of the air gap
We propose a color reflector based on the array of the silicon nanoparticles, which shows various color spectrum depending on the structure parameters over whole visible spectrum range due to electric dipole and magnetic dipole. In addition, spectral responses for different viewing angle are also investigated and the reflecting color in the given structure is maintained over broad viewing angle.
We propose a full color reflector based on the array of the dielectric U-shape resonator. The structure have various spectrum depending on the size and period over whole visible region due to magnetic dipole of Mie resonance. In addition, U-shape resonators have large color space because of narrow full width at half maximum of 25 nm.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. Mie resonance in silicon particle 3
• Ⅲ. 시뮬레이션 실험 6
• 1. Double resonance perfect absorption in dielectric nanoparticle array 6
• 1) 서론 6
• 2) 연구결과 7
• 3) 결론 13
• 2. Printing color using Mie scattering of silicon nanoparticle array 14
• 1) 서론 14
• 2) 연구결과 15
• 3) 결론 21
• 3. Printing color using magnetic resonant of U shape dielectric array 21
• 1) 서론 21
• 2) 연구결과 22
• 3) 결론 26
• Ⅳ. 결론 28
• 참고문헌 29
• 국문 초록 32
• ABSTRACT 34