선명한 반사 구조색 구현을 위한 박막 적층 방식의 광학 구조 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Structural colors produced from the light-matter interaction could find various
applications including sensors, displays and surface decoration. In recent years,
numerous researches have made efforts to reproduce brilliant structural colors in
nature and plasmonic nanostructures are the representative approaches. Since the
size of the structures must be at subwavelength scale to generate plasmonic
effects, the fabrication process mostly relies on nanofabrication techniques, which
are neither scalable nor economical. Meanwhile, Metal-Insulator-Metal(MIM)
structure opens the door for realizing a lithography-free and scalable way to
manipulate light-matter interactions. MIM structures which consist of thin
continuous films are fabricated by common physical deposition methods and have
an advantage in color tuning by simply varying the thickness of the insulator layer.
MIM cavity acts as a band-stop filter which absorbs a narrow wavelength region
and reflects the rest of the spectrum and it results in indistinct reflection colors.
For the potential applications, the issue must be addressed. In this study, the
effects of optical structure and refractive indices of a top metallic layer are
investigated to generate vivid reflection colors. This study demonstrates a highly
absorbing GST thin film inserted Metal-Insulator-GST-Insulator-Metal(MIGIM)
structure to reduce the reflectance in certain visible range and improve color
saturation. In addition, thermally evaporated thin metal layer is applied to the top
metallic layer in the MIGIM structure to enhance color purity. FDTD(Finite
Difference Time Domain) simulation is carried out to compare the reflectance
between MIM and MIGIM. Significant reduction of reflection peaks, which arise
from a certain resonant condition, is observed. Therefore, Electric field and
Absorbed power profiles are also calculated to investigate the mechanism of light
absorption from GST. However, the reflection spectrum from the simulation
shows still lack of color saturations. Further simulation is conducted with adopting
the refractive indices of the top metallic layer from a thermally evaporated metal
film. The simulated reflection spectra show remarkable suppression in Red to
Near Infrared range and the narrow width of reflection peaks along the visible
range. Reflective structural color samples are experimentally fabricated, and the
simulation colors are validated by gradate colors on a silicon wafer.

국문 초록 (Abstract)

빛과 상호작용으로 발생하는 구조색은 센서, 평판 디스플레이 그리고 표면 장식 분야까지 광범위하게 활용이 가능하여 관련 연구가 최근 수년간 활발하게 진행되고 있다. 그중 자연적 표면 구조를 모방한 Phonic crystals와 diffraction gratings 등의 나노 구조는 물리적 크기와 주기를 변화하며 효과적으로 빛을 조절할 수 있다. 하지만 해당 구조를 제작하기 위한 나노 공정은 대면적화와 경제성 측면에서 한계가 존재하기 때문에 실용적인 방법으로 구조색 발현이 가능한 연구가 주목을 받고 있다. Insulator 내부에서 빛의 공명 흡수를 이용한 Fabry-Perot (FP) cavity 타입의 Metal-Insulator-Metal(MIM) 구조는 Lithography-free 형태의 범용적인 박막 증착 공정이 사용되며, Insulator 두께 변화만으로 색 조절이 가능한 장점이 있다.
반사 모드에서 MIM cavity는 Insulator 내부에 국소 파장 영역의 빛만 흡수하고 나머지 영역은 반사하는 Band-stop filter로 작용한다. 즉, 하얀색에서 특정 파장이 단계적으로 감하여 만들어지는 감법 색상을 나타내기 때문에 색의 선명도가 낮은 한계점을 가진다. 앞서 언급한 구조색의 활용 분야(센서, 디스플레이, 예술 등) 적용에 있어 선명도의 개선은 소자의 성능 향상과 밀접한 관련이 있다. 따라서 본 연구는 기존 MIM 구조에서 광학 구조와 굴절률 변화를 통해 선명한 반사 구조색을 얻는 데 그 목적이 있다. 절연체 내부에 흡수층인 Ge2Sb2Te5(GST)를 삽입하여 특정 파장에서 선택적으로 빛을 감쇄하는 Metal-Insulator-GST-Insulator-Metal(MIGIM) 구조를 설계하였다. 이를 통해 가시광 영역에서 불필요한 반사 peak을 제거하여 색의 채도를 높일 수 있을 것으로 예상하였다. 또한, 상단 금속층의 굴절률을 적절히 변화하면 더 개선된 반사 스펙트럼을 나타낼 것으로 보았다. 이를 FDTD(Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션 프로그램에 적용해 흡수층의 위치와 절연층의 두께에 따른 반사도, Electric field 및 Absorbed power를 분석하였다.
먼저 구조 변화에 의한 효과를 비교하기 위해 MIM과 MIGIM 구조를 설계하여 시뮬레이션을 진행하였다. GST를 제외한 모든 재료의 두께와 광학 상수를 동일하게 적용되었고, 절연층인 Silicon dioxide(SiO2)의 두께를 40에서 600 nm까지 20 nm 간격으로 증가시키며 반사 스펙트럼을 확인하였다. 특정 공명 파장 구간에서 반사 peak이 현저하게 감소하는 경향을 보여 Electric field와 Absorbed power를 분석하고자 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 절연체 내부의 Electric field intensity가 불균일한 분포를 보였고, GST 박막이 Intensity가 최대인 영역에 위치할 경우 강한 흡수를 발생시키는 것을 확인하였다. 또한 동일한 메커니즘으로 GST 흡수층 위치에 따라 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있음을 도출할 수 있었다.
추가적으로 색의 채도를 향상하기 위해 상단 금속에 열 증착 방식으로 형성한 박막의 굴절률을 대입하고 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 장파장 영역에서 불필요한 반사가 크게 감소하였고, 반사 밴드의 폭이 줄어들어 채도와 반사도가 높은 구조색을 나타낼 수 있었다. 시뮬레이션으로 설계한 광학 구조를 바탕으로 선명한 반사 구조색 샘플을 제작하였고, 예측한 반사도와 색상이 실제 샘플과 잘 일치함을 확인하였다.