[논문 리뷰] Ultra thin anti-reflective coatings designed using Differential Evolution

Emmanuel Centeno, Amira Farahoui외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Optical Coatings and Gratings인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 미분 진화(DE) 최적화를 사용하여 200 nm 이하 두께의 초박막 반사 방지(AR) 코atings을 설계함으로써, 점진적인 굴절률(RI) 변화와 간섭 패턴을 조합한 하이브리드 굴절률 프로파일을 설계한다. 이 방법은 가시광선 영역에서 평균 반사율이 4% 미만인 코atings을 얻으며, 기존의 두꺼운 전통적 AR 코atings을 능가하고, 저비용 반응성 스퍼터링을 통해 제조가 가능하다.

ABSTRACT

We use a state-of-the-art optimization algorithm combined with a careful methodology to find optimal anti-reflective coatings. Our results show that ultra thin structures (less than $300 \,nm$ thick) outperform much thicker gradual patterns as well as traditional interferential anti-reflective coatings. These optimal designs actually combine a gradual increase of the refractive index with patterns meant to leverage interferential effects. Contrarily to gradual patterns, they do not require extremely low refractive index materials, so that they can actually be fabricated. Using a cheap and easily deployable vapor deposition technique, we fabricated a 4-layer anti-reflective coating, which proved very efficient over the whole visible spectrum despite a total thickness of only 200 nm.

연구 동기 및 목표

• 기존의 두꺼운 경사 또는 다층 AR 코atings을 능가하는 200 nm 이하 두께의 초박막 반사 방지 코atings을 설계하기 위해.
• 매우 낮은 굴절률 재료(~1.0)와 극도로 높은 층 수가 필요한 연속적인 경사 굴절률(RI) 코atings의 제조 제약을 극복하기 위해.
• 하나의 설계에서 점진적인 RI 변화와 간섭 효과를 모두 활용하여 광역 및 각도 성능을 향상시키기 위해.
• 확장 가능한 저비용 증착 기술을 사용하여 최적화된 나노다층 AR 코atings을 제조 가능함을 입증하기 위해.
• 제조 과정에서 발생하는 굴절률의 비정상성에 대한 최적 설계의 견고성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 100–200 nm 두께 범위에서 최적의 굴절률(RI) 프로파일을 탐색하기 위해 확률적 최적화 알고리즘인 미분 진화(DE)를 사용하였다.
• 가시광선 영역(400–900 nm)과 여러 입사각(0°, 45°, 60°, 70°)에서의 평균 반사율을 기반으로 비용 함수를 정의하였다.
• 반응성 라디오주파수 마그네트론 스퍼터링을 통해 굴절률 범위가 1.45에서 3.74로 변하는 4층의 비스티오메트릭 실리카 산화질화물(SiₓOᵧN_z) 필름을 사용하였다.
• 펄스형 직사각형 신호(T_on, T_off, F_max_O2)를 조절하여 산소 유량을 제어함으로써 각 층의 조성과 굴절률을 정밀하게 조절하였다.
• 점진적인 RI 엣지와 이산적인 층 두께를 조합하여, 아디아바틱 전이와 간섭성 간섭 효과를 모두 활용하는 하이브리드 설계를 구현하였다.
• 각 층에서 ±Δn/n 변동을 10 픽셀 세그먼트로 시뮬레이션하여 설계의 견고성을 평가하기 위해 굴절률 비정상성에 대한 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미분 진화(DE)는 광역 및 각도 응답에서 더 두꺼운 기존 AR 코atings을 능가하는 초박막 AR 코atings(≤200 nm)를 최적화할 수 있는가?
• RQ2 점진적인 굴절률 변화와 이산적인 간섭 층 배열을 조합한 하이브리드 설계는 순수하게 연속적이거나 순수하게 다층적인 접근 방식보다 더 우수한 성능을 낼 수 있는가?
• RQ3 이러한 최적화된 AR 코atings은 초저굴절률 재료가 필요 없이도 확장 가능한 저비용 증착 기술로 제조 가능한가?
• RQ4 제조 과정에서 발생하는 굴절률 변동에 대해 최적 설계는 얼마나 견고한가?
• RQ5 제작된 코팅의 실험적 반사율은 정상 및 경사 입사 조건에서 시뮬레이션 성능과 얼마나 유사한가?

주요 결과

• 최적화된 4층 AR 코팅은 정상 입사 조건에서 400–900 nm 범위에서 평균 반사율 3.6%를 달성하였으며, 순수 실리콘 기반 표면의 44% 반사율 대비 92% 감소 효과를 보였다.
• 70° 입사 조건에서는 평균 반사율 14%를 기록하였으며, 이는 650 nm에서 86 nm 두께의 전통적인 반파장 코팅의 평균 14% 반사율과 유사하지만, 동일한 조건에서 더 낮은 반사율을 달성한 셈이다.
• 실험적 반사율 스펙트럼은 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치하였으며, 가시광선 영역에서 최소 0.56%, 최대 7.4%의 반사율을 기록하였다.
• 굴절률 비정상성에 대해 설계는 견고성을 보였으며, 층 전체에서 ±Δn/n 변동 조건에서도 낮은 반사율을 유지하였다.
• 두께가 오직 200 nm에 불과한 제작된 코팅은 이론적 연속적인 가우시안 굴절률 프로파일과 1 μm 이상 두꺼운 다층 간섭 코팅을 모두 능가하는 성능을 보였다.
• 반응성 스퍼터링을 통해 SiₓOᵧN_z 조성을 정밀하게 제어함으로써 굴절률 범위를 1.45(SiO₂ 유사)에서 3.74(Si 농축)까지 확보하였으며, 초저굴절률 재료가 필요 없도록 하였다.