KR101703846B1 - 다층 복합된 메타물질 구조물 - Google Patents

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Abstract

메타물질 구조물이 개시된다. 개시된 메타물질 구조물은 기판의 서로 다른 면 또는 서로 다른 층에 서로 다른 공진 특성을 갖는 공진기들이 마련되며, 소정의 주파수 구간에서의 유전율과 투자율 및 굴절률 각각이 기판의 유전율과 투자율 및 굴절률과 다른 값을 갖는다.

Description

다층 복합된 메타물질 구조물{Multi-layered hybrid metamaterial structure}
본 개시는 전자기적 특성이 조정된 인공적인 물질 구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다층 복합 구조의 메타물질 구조물에 관한 것이다.
메타물질(Metamaterial)은 전자기적 특성을 새로운 방법으로 제어할 수 있는 특성으로 인해 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 메타물질은 특히, 전파특성 (Scattering Parameter), 굴절율(Refractive Index), 유전율(Permittivity), 투자율(Permeability) 등의 광 특성을 임의로 제어할 수 있기 때문에 새로운 물질 또는 구조로 불리운다. 기존에 알려진 전자기파의 오른손 법칙을 깨고 새로운 왼손 법칙을 적용할 수도 있으며, 좀더 능동적으로는 전기적 가변 특성을 이용하여 광을 제어(Modulation) 할 수도 있다. 이러한 특성으로 인해 라디오(Radio frequency; RF)파, 마이크로파(Micrometer wave), 테라헤르츠(THz)파, 적외선 및 가시광선 영역에서까지 활발히 연구되고 있다. 특히, 생물물리학(biophysics), 의료(medical), 분광학(spectroscopy), 이미징(imaging) 및 보안(security) 등의 응용면에서 매우 중요하다. 가장 그 특성이 잘 연구되고 있는 스플리트-링 공진기(Split-Ring Resonator; SRR)의 경우 공진 특성이 우수하여 전기적, 자기적 제어가 용이하고 투과 특성 제어에 관한 연구가 활발하다.
본 발명에서는 공진특성을 강화하고, 능동적으로 제어가능한 구조의 다층 복합된 메타물질 구조물을 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 메타물질 구조물은, 기판; 기판의 서로 다른 면 또는 서로 다른 층에 마련되는 서로 다른 공진 특성을 갖는 공진기들;을 포함하며, 소정의 주파수 구간에서의 유전율과 투자율 및 굴절률 각각이 기판의 유전율과 투자율 및 굴절률과 다른 값을 갖는다. 이러한 메타물질 구조물은, 음의 굴절률(Negative Refractive Index; NIM)을 갖는 공진기로 사용될 수 있으며, 라디오파, 마이크로파, 테라헤르츠파, 적외선, 가시광선등에 대한 변조기, 스위치, 위상변환기(phase shifter), 필터 등으로 사용될 수 있다.
공진기들은 서로 다른 공진주파수를 갖는 제1 및 제2 공진기를 포함할 수 있다. 메타물질 구조물은 서로 다른 공진주파수를 갖는 공진기들을 포함함으로써, 넓은 범위의 파장대에서 전자기파를 제어할 수 있다.
공진기들 각각은 적어도 하나의 갭을 갖는 스플리트-링 공진기(Split-Ring Resonator)일 수 있다. 이때, 기판의 제1 층에 마련된 공진기의 갭과 제2 층에 마련된 공진기의 갭은 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 또한, 기판의 제1 층에 마련된 공진기의 갭과 제2 층에 마련된 공진기의 갭은 서로 다른 방향에 위치할 수 있다. 갭의 형성방향에 따라 메타물질 구조물을 경유하는 전자기파의 편광특성이 바뀌게 되므로, 공진기들이 서로 다른 방향의 갭을 가짐에 따라, 편광방향에 덜 의존적이 될 수 있다. 물론, 기판의 제1 층에 마련된 공진기의 갭과 제2 층에 마련된 공진기의 갭은 서로 같은 방향에 위치할 수도 있다.
기판은 하나의 유전체를 포함하는 단일층 기판 또는 적어도 하나 이상의 서로 다른 유전체들을 포함하는 다층 기판일 수 있다. 유전체는 절연 물질, n형 반도체 물질 또는 p형 반도체 물질로 형성될 수 있다.
공진기들은 단일 기판의 양면에 위치할 수 있다. 또는, 공진기들은 다층으로 이루어진 기판의 각 층마다 적어도 하나씩 마련될 수 있다. 이러한 다층 구조는, 공진기들이 별도 기판상에 형성된 뒤, 기판들을 쌓아 올리는 스택(stacked) 형태이거나, 순차적으로 증착, 도금 등의 공정을 통해 형성되는 적층 형태일 수 있다.
공진기들에 전원이 인가될 수 있다. 이를 위해 메타물질은 공진기들을 전기적으로 연결하는 전극패드를 더 포함할 수 있다. 이때, 공진기들이 마련되는 층은 n형 또는 p형 도펀트가 도핑된 n형 또는 p형 반도체층일 수 있다. 한편 기판은 절연층을 더 포함할 수 있다. 절연층은 도전형 반도체층들 사이를 절연시키거나 메타물질 구조물을 외부와 절연되도록 할 수 있다.
공진기들 중에서 서로 다른 층에 있는 공진기들은 독립적으로 전기적 제어될 수 있다.
기판은 하부층에서 상부층으로 갈수록 면적이 작아지며, 공진기들의 적어도 일부는 기판 외부로 노출될 수 있다.
본 발명의 메타물질 구조물은 라디오파, 마이크로파, 테라헤르츠파, 적외선,가시광선 등의 전자기파에 대한 변조 등의 조작을 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 사용되는 기판은 해당 전자기파의 파장에 대해 투명한 재질이거나, 해당 전자기파가 충분히 투과할 수 있을 정도로 얇을 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 메타물질 구조물은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 기판의 각 층마다 서로 다른 공진주파수를 갖는 공진기를 배치하여, 공진 특성을 강화할 수 있다.
둘째, 서로 다른 공진특성을 지닌 공진기에 대한 전기적 제어를 통해, 공진주파수와 주파수 대역폭을 능동적으로 제어할 수 있다.
셋째, 공진기에 대한 전기적 제어를 각 층마다 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기의 공진특성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 4은 도 1의 메타물질 구조물의 공진특성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 5는 비교예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이다.
도 6는 도 5의 메타물질 구조물의 공진특성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 1의 메타물질 구조물에 적용할 수 있는 공진기의 다양한 변형예들을 도시한다.
도 8은 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이다.
도 9는 도 8의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 10은 도 8의 메타물질 구조물의 공진특성을 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 8의 메타물질 구조물의 일 변형예를 도시한다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이다.
도 13은 도 12의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 14는 도 12의 메타물질 구조물의 공진특성을 보여주는 그래프이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이다.
도 16은 도 15의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 17은 도 15의 메타물질 구조물의 공진특성을 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 30, 30', 40, 50...메타물질 구조물
11, 31, 31', 41, 51...기판
15, 15', 15", 16, 16', 16", 35, 36, 45, 55...공진기
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부 또는 하부에 존재한다고 기술될 때, 이는 그 구성요소가 다른 구성 요소의 바로 위 또는 아래에 존재할 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 각 도면에서 각 구성 요소의 크기나 형태는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다.
본 명세서에서 메타물질이라 함은 자연계에서 자연적으로 존재하는 일반 물질에서는 쉽게 볼 수 없는 전자기적 특성을 지닌 인공적인 구조물을 의미한다. 이러한 메타물질의 특성은 물질 조성에서 얻어지기 보다는 공진기와 같은 구조적 요소에서 얻어지므로, 메타구조라고 부를 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타물질 구조물(10)의 개략적인 구성도이며, 도 2는 도 1의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 메타물질 구조물(10)은 기판(11)과, 제1 및 제2 공진기(15, 16)를 포함한다.
기판(11)은 하나의 유전체를 포함하는 단일층 기판 또는 적어도 하나 이상의 서로 다른 유전체들을 포함하는 다층 기판일 수 있다. 기판(11)을 이루는 유전체는 절연물질 또는 반도체물질일 수 있다.
제1 및 제2 공진기(15, 16)는 금, 알루미늄, 구리 등의 금속과 같은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 기판(11)의 양면에 마련되며 서로 다른 공진특성을 갖도록 형성된다. 기판(11)의 양면은 서로 다른 층면(layer surface)으로 이해될 수 있으므로, 제1 및 제2 공진기(15, 16)이 기판(11)의 서로 다른 층에 형성되어 있다고 이해될 수 있다.
도 2의 (a)는 기판(도 1의 11)의 일면에 마련되는 제1 공진기(15)를 도시하며, 도 2의 (b)는 기판(11)의 타면에 마련되는 제2 공진기(16)를 도시한다. 도 2를 참조하면, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 스플리트-링 공진기(Split-Ring Resonator)일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 각각 갭 G1, G2를 갖는 링 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 그 중심이 동일 축 상에 놓이도록 배치될 수 있다.
메타물질 구조물(10)의 전자기적 특성은 제1 및 제2 공진기(15, 16)의 공진 특성과 밀접하며, 메타물질 구조물(10)이 소정의 주파수 대역에서 음의 유전율(permittivity), 음의 투자율(permeability), 또는 음의 굴절률(refractive index)을 가지도록, 제1 및 제2 공진기(15, 16)의 형태 및 사이즈 등이 조절될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 입사되는 전자기파를 공진시킴으로써, 소정의 주파수 구간에서 메타물질 구조물(10) 전체의 유전율, 투자율 및 굴절률을 기판(11) 자체의 고유한 유전율, 투자율 및 굴절률과 다른 값을 갖도록 하여 메타물질적 특성을 지니도록 할 수 있다.
제1 및 제2 공진기(15, 16)는 서로 다른 공진특성을 갖도록, 외경 D1, D2, 폭 W1, W2 및 갭 G1, G2 중 적어도 하나는 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 가령, 도 2에 도시되는 것처럼, 제1 공진기(15)의 사이즈를 제2 공진기(16)의 사이즈보다 작게 형성함으로써, 메타물질 구조물(10)은 제1 공진기(15)에 의한 큰 공진주파수(f1)와 제2 공진기(16)에 의한 작은 공진주파수(f2)를 모두 포괄하는 광대역의 특성을 가질 수 있다. 이러한 제1 및 제2 공진기(15, 16)의 사이즈는 다루고자 하는 전자기파의 파장과 밀접하게 관련된다. 가령, RF(radio frequency) 영역의 전자기파에 대해 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 수 밀리미터에서 수십 밀리미터의 크기를 가질 수 있다.
또한, 제1 공진기(15)의 갭 G1과 2 공진기(16)의 갭 G2은 방향이 서로 다를 수 있다. 공진되는 전자기파의 편광 특성이나 위상은 갭 G1, G2의 방향과 밀접하게 관련되므로, 갭 G1, G2의 방향을 다르게 함으로써, 공진되는 전자기파의 편광 특성이나 위상을 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되는 것처럼 제1 공진기(15)의 갭 G1은 링 중심에서 볼 때, +Y방향에 마련되고 제2 공진기(16)의 갭 G2는 링 중심에서 볼 때, -Y방향에 마련될 수 있다. 경우에 따라서는 제1 공진기(15)의 갭 G1의 방향과 제2 공진기(16)의 갭 G2의 방향이 링 중심에서 볼 때, 같거나 90도 차이가 날 수도 있다.
본 실시예는 제1 및 제2 공진기(15, 16)가 하나씩 기판(11)의 양면에 마련된 구성을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 기판(11)의 양면에 복수개 마련될 수 있으며, 나아가 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 기판(11)의 양면에 주기적으로 배열될 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 메타물질 구조물(10)의 공진특성을 설명하기로 한다.
본 실시예의 메타물질 구조물(10)의 일 구현예로서, 유전율 12.9를 갖는 GaAs로 형성된 기판(11)의 양면에 금(Au)으로 제1 및 제2 공진기(15,16)를 형성한 경우에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 수치해석을 하였다.
도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 제1 및 제2 공진기(15, 16) 각각에 대한 S파라미터의 그래프이며, 도 4는 도 3a 및 도 3b와 같이 제1 및 제2 공진기(15, 16)가 함께 설계된 경우의 메타물질 구조물(10)의 공진특성을 도시한다.
도 3a를 참조하면, 제1 공진기(15)는 상대적으로 고주파수 영역인 대략 1.25 THz에서 공진을 하도록 설계되고, 제2 공진기(16)는, 도 3b를 참조하면, 상대적으로 저주파수 영역인 대략 0.65 THz에서 공진을 하도록 설계되었다.
도 4를 참조하면, 상기와 같이 설계된 제1 및 제2 공진기(15,16)를 함께 구비한 메타물질 구조물(10)에서, 공진이 일어나는 대략 0.63 THz에서 투과계수 S21의 값이 -22dB로 나타나며, 반공진(antiresonance)이 일어나는 대략 0.68 THz에서 반사계수 S11의 값이 -25dB로 나타난다.
한편, 도 5는 비교예에 따른 메타물질 구조물(20)의 개략적인 구성도이며, 도 6은 비교예에 따른 메타물질 구조물(20)의 공진특성을 도시한다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 메타물질 구조물(20)은 기판(21)의 일면에 제1 및 제2 공진기(25, 26)가 형성된다. 본 실시예는 제1 및 제2 공진기(15,16)가 기판(11)의 양면에 형성되는데 반하여, 비교예는 제1 및 제2 공진기(25, 26)가 기판(21)의 일면에 형성된다는 점에서 차이가 있으며, 그 외의 사항, 가령 기판(11)이나 제1 및 제2 공진기(25, 26) 각각의 형성물질이나 크기는 본 실시예의 메타물질 구조물(10)과 실질적으로 동일하다.
도 6을 참조하면, 비교예의 메타물질 구조물(20)에서 공진이 일어나는 투과계수 S21의 값이 -18dB로 나타나며, 반공진이 일어나는 반사계수 S11의 값이 -11dB로 나타난다.
도 4 및 도 6을 비교하면, 본 실시예의 메타물질 구조물(10)은 비교예의 메타물질 구조물(20)에 대하여, 공진이 일어나는 S21값 및 반공진이 일어나는 S11값이 각각 4dB, 14dB씩 강화되었음을 볼 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 메타물질 구조물(10)은 우수한 공진특성을 가짐을 볼 수 있다.
전술한 실시예에 있어서, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 스플리트-링 공진기인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 7은 메타물질의 특성을 발생시킬 수 있는 공진기의 예들을 도시한다. 메타물질에 사용되는 공진기로서 도 7에 도시된 예들과 그밖에 도시되지 않은 다양한 예들이 알려져 있으며, 이러한 예들의 공진기들은 본 실시예의 메타물질 구조물(10)에 채용될 수 있다.
나아가, 전술한 실시예들에 있어서, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 링이 도전성 물질로 형성되고, 갭은 절연된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 및 제2 공진기(15, 16)는 전술한 실시예들에 대해 상보적(complementary) 구조를 지닐 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 공진기(15, 16)의 링은 유전체로 형성되고, 기판(11)의 양면에서 갭과 제1 및 제2 공진기(15, 16)의 링을 제외한 영역은 도전성 물질로 도포되어 있을 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물(30)의 개략적인 구성도이며, 도 9는 메타물질 구조물(30)의 양면에 마련된 제1 및 제2 공진기(35, 36)를 도시한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예의 메타물질 구조물(30)은 기판(31)과, 기판(31)의 양면에 마련된 제1 및 제2 공진기(35, 36)를 포함한다. 이때, 제1 및 제2 공진기(35, 36)에는 외부의 제1 및 제2 전원(V1, V2)을 통해 독립적으로 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
기판(31)은 절연층(33)의 양면에 도핑된 제1 및 제2 반도체층(32, 34)을 포함할 수 있다. 일 예로, 절연층(33)은 반절연성(semi-insulating)의 GaAs으로 형성하고, 제1 및 제2 반도체층(32, 34)은 GaAs에 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 로 도핑하여 형성할 수 있다. 경우에 따라서는 제1 및 제2 반도체층(32, 34)은 절연층(33)의 양면에 유전율이 서로 다른 반도체 물질로 적층되어 형성될 수도 있다. 제1 및 제2 반도체층(32, 34)의 두께는 서로 같거나 다를 수 있다.
제1 및 제2 공진기(35, 36)는 기판(31)의 양면에 마련되며 서로 다른 공진특성을 갖도록 형성된다.
도 9의 (a)는 제1 반도체층(도 8의 32)의 상면에 마련되는 제1 공진기(35)를 도시하며, 도 9의 (b)는 제2 반도체층(도 8의 34)의 하면에 마련되는 제2 공진기(36)를 도시한다. 도 9를 참조하면, 제1 및 제2 공진기(35, 36)은 스플리트-링 공진기일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 공진기(35, 36)는 각각 갭들(35b, 36b)을 갖는 링 형상의 도전체(35a, 36a)로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 공진기(35, 36)는 그 중심이 동일 축 상에 놓이도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 공진기(35, 36)는 서로 다른 공진특성을 갖도록 서로 다른 사이즈(예를 들어, 직경(D1, D2))로 형성되거나, 제1 공진기(35)의 갭들(35b)의 방향과 제2 공진기(36)의 갭들(36b)의 방향은 서로 다르도록 형성될 수 있다. 가령, 제1 공진기(35)는 상대적으로 작은 사이즈로 형성되어 상대적으로 큰 공진주파수(f1)를 갖도록 하고, 제2 공진기(36)는 상대적으로 큰 사이즈로 형성되어 상대적으로 작은 공진주파수(f2)를 갖도록 함으로써, 도 10에 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 메타물질 구조물(30)은 제1 공진기(35)에 의한 큰 공진주파수(f1)와 제2 공진기(36)에 의한 작은 공진주파수(f2)를 모두 포괄하는 광대역의 특성을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 제1 및 제2 공진기(35, 36) 각각이 3개의 갭을 갖는 것은 일 예일 뿐이며, 도 2를 참조하여 설명한 경우처럼 1개의 갭을 갖거나, 2개 또는 4개 이상의 갭을 가질 수도 있다. 나아가, 메타물질에 사용되는 공진기로서 도 7에 도시된 예들과 그밖에 도시되지 않은 다양한 공진기들은 본 실시예의 제1 및 제2 공진기(35, 36)로 사용될 수 있다.
한편, 제1 전원(V1)은 제1 공진기(35)를 이루는 도전체들(35a)과 제1 반도체층(32)에 연결되며, 제2 전원(V2)은 제2 공진기(36)를 이루는 도전체들(36a)과 제2 반도체층(34)에 연결된다. 이때, 제1 및 제2 공진기(35, 36)를 이루는 도전체들(35a, 36a) 각각은 제1 및 제2 반도체층(32, 34)에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 하게 되며, 제1 및 제2 반도체층(32, 34) 각각은 제1 및 제2 전원(V1, V2)에 오믹 접촉(Ohmic contact)으로 연결된다.
다음으로, 본 실시예의 메타물질 구조물(30)의 동작을 설명한다. 설명의 편의상, 제1 및 제2 반도체층(32, 34)에 GaAs에 n형 도펀트가 도핑된 경우를 예로 들어 설명한다.
제1 공진기(35)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 제1 반도체층(32)의 도핑에 의해 제1 공진기(35)를 이루는 도전체들(35a)은 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 공진기(35)에서 메타물질 구조물(30)에 입사되는 전자기파에 의한 공진이 실질적으로 발생되지 않는다. 마찬가지로 제2 공진기(36)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 제2 반도체층(34)의 도핑에 의해 제2 공진기(36)를 이루는 도전체들(36a)은 전기적으로 연결될 수 있으므로, 제2 공진기(36)에서도 공진이 실질적으로 발생되지 않는다.
한편, 제1 공진기(35)의 도전체들(35a)에 마이너스(-) 전압이 인가되면, 제1 반도체층(32)의 도전체들(35a)에 인접한 영역은 자유 전자가 밀려나게 되어, 공핍영역(depletion region)(32b)이 된다. 공핍영역(32b)은 제1 공진기(35)를 이루는 도전체들(35a)간의 전류흐름을 차단시키게 되므로, 제1 공진기(35)에서 입사되는 전자기파에 의한 공진이 발생될 수 있다. 마찬가지로, 제2 공진기(36)의 도전체들(36a)에 마이너스(-) 전압이 인가되면, 제2 반도체층(34)의 도전체들(36a)에 인접한 영역은 자유 전자가 밀려나게 되어, 공핍영역(34b)이 된다. 이러한 공핍영역(34b)은 제2 공진기(36)를 이루는 도전체들(36a)간의 전류흐름을 차단시키게 되므로, 제2 공진기(36)에서 입사되는 전자기파에 의한 공진이 발생될 수 있다. 참조번호 32a, 34a는 제1 및 제2 반도체층(32, 34)에서 자유 전자가 고농도로 유지되는 영역을 나타낸다.
상기와 같이 전압의 인가유무에 따라 메타물질 구조물(30)의 메타물질적 특성은 실시간으로 온오프 제어될 수 있다. 나아가, 외부의 제1 및 제2 전원(V1, V2)에서 인가되는 바이어스 전압의 크기에 따라, 공핍영역(32b, 34b)의 크기가 조절될 수 있다. 공핍영역(32b, 34b)의 크기는 제1 및 제2 공진기(35, 36)의 저항 및 커패시턴스를 변경시키므로, 인가 전압의 세기를 조절함으로써, 전자기파의 공진주파수를 실시간으로 조정할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 메타물질 구조물(30)은 광변조기(optical modulator)와 같은 능동형 장치(active device)로서, 메타물질 구조물(30)의 광학적 특성을 실시간 제어할 수 있다.
본 실시예의 메타물질 구조물(30)은 제1 및 제2 반도체층(32, 34) 사이에 절연층(33)이 개재된 구성을 갖고 있으나, 절연층(33)은 생략될 수 있다.
도 11를 참조하면, 일 변형예에 따른 메타물질 구조물(30')에서 기판(31')은 제1 및 제2 반도체층(32, 34)가 곧바로 접하도록 형성된다. 전술한 바와 같이, 외부의 제1 및 제2 전원(V1, V2)의 바이어스 전압에 따라 제1 및 제2 반도체층(32, 34)에는 공핍영역(32b, 34b)이 형성되는데, 이러한 공핍영역(32b, 34b)은 제1 및 제2 공진기(35, 36)가 마련된 기판(31')의 양면 근방에서 형성되므로, 절연층이 생략되더라도 동작에 있어서 실질적인 차이는 없다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이며, 도 13은 도 12의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시예의 메타물질 구조물(40)은 제1 내지 제3 단위 메타물질(40a, 40b, 40c)이 기판접합을 통해 쌓아 올려진 구조를 지닌다. 제1 내지 제3 단위 메타물질(40a, 40b, 40c) 각각은 제1 내지 제3 기판(41a, 41b, 41c) 위에 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)이 각각 마련되고, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c) 위에 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)가 각각 마련되어 형성된다. 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c) 각각에는 외부의 전원(V1, V2, V3)을 통해 독립적으로 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
제1 내지 제3 기판(41a, 41b, 41c)은 동일 물질 혹은 유전율이 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)은 동일 반도체 물질 혹은 유전율이 서로 다른 반도체 물질로 형성되며, n형 도펀트 또는 p형 도펀트가 도핑된다. 예를 들어, 제1 내지 제3 기판(41a, 41b, 41c)은 반절연성(semi-insulating)의 GaAs으로 형성되고, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)은 GaAs에 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 도핑하여 형성할 수 있다. 제1 내지 제3 기판(41a, 41b, 41c)의 두께는 서로 같거나 다를 수 있으며, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)의 두께 역시 서로 같거나 다를 수 있다.
제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c) 각각은 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)의 상면에 각각 마련되며 서로 다른 공진특성을 갖도록 형성된다.
도 13의 (a)는 제1 공진기(45a)를 도시하며, 도 13의 (b)는 제2 공진기(45b)를 도시하며, 도 13의 (c)는 제3 공진기(45c)를 도시한다. 도 13을 참조하면, 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)는 스플리트-링 공진기일 수 있다. 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)는 그 중심이 동일 축 상에 놓이도록 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)는 서로 다른 공진특성을 갖도록 서로 다른 사이즈(예를 들어, 직경(D1, D2, D3))로 형성되거나, 갭들의 방향이 서로 다르도록 형성될 수 있다.
가령, 제1 공진기(45a)는 상대적으로 작은 사이즈로 형성되어 상대적으로 큰 공진주파수(f1)를 갖도록 하고, 제2 공진기(45b)는 상대적으로 중간 사이즈로 형성되어 상대적으로 중간 크기의 공진주파수(f3)를 갖도록 하고, 제3 공진기(45c)는 상대적으로 큰 사이즈로 형성되어 상대적으로 작은 공진주파수(f3)를 갖도록 함으로써, 도 14에 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 메타물질 구조물(40)은 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)의 공진주파수들(f1, f2, f3)을 모두 포괄하는 광대역의 특성을 가질 수 있다.
한편, 제1 기판(41a) 및 제1 반도체층(43a)은 그 밑에 있는 제2 기판(41b) 및 제2 반도체층(43b)보다 작은 면적을 지녀, 제2 반도체층(43b)의 외곽이 외부로 노출되도록 할 수 있다. 본 실시예의 제2 공진기(45b)는 스플리트-링 공진기 구조를 가지므로, 제2 반도체층(43b)의 노출된 외곽 영역에는 마련될 수 있다. 마찬가지로, 제2 기판(41b) 및 제2 반도체층(43b)은 그 밑에 있는 제3 기판(41c) 및 제3 반도체층(43c)보다 작은 면적을 지녀, 제2 반도체층(43b)의 외곽이 외부로 노출되도록 할 수 있으며, 제3 공진기(45c)는 제3 반도체층(43c)의 노출된 외곽 영역에는 마련될 수 있다. 제1 공진기(45a)는 최상면에 마련됨으로써 외부로 노출된다. 이와 같이 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)가 외부로 노출됨에 따라, 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c) 각각은 외부의 전원(V1, V2, V3)에 용이하게 전기적으로 배선될 수 있다.
제1 전원(V1)은 제1 공진기(45a)와 제1 반도체층(43a)에 연결되며, 제2 전원(V2)은 제2 공진기(45b)와 제2 반도체층(43b)에 연결되며, 제3 전원(V3)은 제3 공진기(45c)와 제3 반도체층(43c)에 연결된다. 이때, 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c) 각각은 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 하게 되며, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c) 각각은 제1 내지 제3 전원(V1, V2, V3)에 오믹 접촉(Ohmic contact)으로 연결된다.
본 실시예의 메타물질 구조물(40)의 동작은, 제어되는 공진주파수가 3개라는 점을 제외하고는 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한 메타물질 구조물(30)의 동작과 실질적으로 동일하다. 즉, 전압이 인가되지 않은 상태에서는 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c)의 고농도 도핑 상태에 의해 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)은 갭을 우회하여 전기적으로 연결될 수 있으므로, 공진이 실질적으로 발생되지 않는다. 반면에 전압이 인가되면, 제1 내지 제3 반도체층(43a, 43b, 43c) 각각의 갭 근방에서 공핍영역이 발생되어 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)의 갭은 전기적 흐름을 유효하게 차단하게 되므로, 입사되는 전자기파에 의한 공진이 발생될 수 있다.
상기와 같이 전압이 인가유무나 인가되는 전압의 크기에 따라 제1 내지 제3 단위 메타물질(40a, 40b, 40c) 각각의 메타물질적 특성은 실시간으로 제어할 수 있으므로, 본 실시예의 메타물질 구조물(40)은 능동형 장치로서 기능할 수 있다.
본 실시예에서 제2 및 제3 공진기(45b, 45c)는 스플리트-링 공진기 구조를 가지므로, 제2 및 제3 반도체층(43b, 43c)의 노출된 외곽 영역에는 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 메타물질에 사용되는 공진기로서 도 7에 도시된 예들과 그밖에 도시되지 않은 다양한 공진기들은 본 실시예의 제1 내지 제3 공진기(45a, 45b, 45c)로 사용될 수 있으며, 이 경우 제2 및 제3 공진기(45b, 45c)는 제2 및 제3 반도체층(43b, 43c)의 노출된 외곽 영역에 일부만 노출될 수도 있을 것이다.
또한, 본 실시예는 단위 메타물질 구조물이 3개인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 2개 또는 4개 이상으로 확장될 수 있음은 물론이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 메타물질 구조물의 개략적인 구성도이며, 도 16은 도 15의 메타물질 구조물의 양면에 마련된 공진기를 도시한다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 실시예의 메타물질 구조물(50)은 기판(51) 상에 제1 내지 제4 단위 메타물질(50a, 50b, 50c, 50d)이 적층된 구조를 지닌다. 제1 내지 제4 단위 메타물질(50a, 50b, 50c, 50d) 각각은 하부층부터 순차적으로 적층되어 형성된다. 제1 내지 제4 단위 메타물질(50a, 50b, 50c, 50d) 각각은 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)와, 그 위에 형성되는 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)를 포함한다. 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d) 각각에는 외부의 전원(V1, V2, V3, V4)을 통해 독립적으로 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
기판(51)은 절연물질 또는 반도체물질일 수 있다. 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)은 동일 반도체 물질 혹은 유전율이 서로 다른 반도체 물질로 형성되며, n형 도펀트 또는 p형 도펀트가 도핑된다. 예를 들어, 기판(51)은 반절연성(semi-insulating)의 GaAs으로 형성되고, 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)은 GaAs에 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 도핑하여 형성할 수 있다. 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)의 두께는 서로 같거나 다를 수 있다.
제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d) 각각은 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)의 상면에 각각 마련되며 서로 다른 공진특성을 갖도록 형성된다. 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)은 넓은 의미에서 기판(51)의 서로 다른 층으로 이해될 수 있으므로, 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)이 넓은 의미의 기판의 서로 다른 층에 형성되어 있다고 이해될 수 있다
도 16 (a)는 제1 공진기(55a)를 도시하며, 도 16의 (b)는 제2 공진기(55b)를 도시하며, 도 16의 (c)는 제3 공진기(55c)를 도시하며, 도 16의 (d)는 제4 공진기(45d)를 도시한다. 도 16을 참조하면, 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)은 스플리트-링 공진기일 수 있다. 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)는 그 중심이 동일 축 상에 놓이도록 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)는 서로 다른 공진특성을 갖도록 서로 다른 사이즈(예를 들어, 직경(D1, D2, D3, D4))로 형성되거나, 갭들의 방향이 서로 다르도록 형성될 수 있다.
가령, 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)는 순차적으로 사이즈를 달리하여 서로 다른 공진주파수들(f1, f2, f3, f4)을 갖도록 함으로써, 도 17에 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 메타물질 구조물(50)은 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)의 공진주파수들(f1, f2, f3, f4)을 모두 포괄하는 광대역의 특성을 가질 수 있다.
한편, 제1 전원(V1)은 제1 공진기(55a)와 제1 반도체층(53a)에 연결되며, 제2 전원(V2)은 제2 공진기(55b)와 제2 반도체층(53b)에 연결되며, 제3 전원(V3)은 제3 공진기(55c)와 제3 반도체층(53c)에 연결되고, 제4 전원(V4)은 제3 공진기(55d)와 제4 반도체층(53d)에 연결된다. 이때, 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d) 각각은 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)에 쇼트키 접촉을 하게 되며, 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d) 각각은 제1 내지 제4 전원(V1, V2, V3, V4)에 전극 패드(미도시)에 의해 오믹 접촉으로 연결된다.
본 실시예의 메타물질 구조물(50)의 동작은, 제어되는 공진주파수가 4개라는 점을 제외하고는 도 8 내지 도 10 또는 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한 메타물질 구조물(30, 40)의 동작과 실질적으로 동일하다. 즉, 전압이 인가되지 않은 상태에서는 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d)의 고농도 도핑 상태에 의해 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)는 갭을 우회하여 전기적으로 연결될 수 있으므로, 공진이 실질적으로 발생되지 않는다. 반면에 전압이 인가되면, 제1 내지 제4 반도체층(53a, 53b, 53c, 53d) 각각의 갭 근방에서 공핍영역이 발생되어 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)의 갭은 전기적 흐름을 유효하게 차단하게 되므로, 입사되는 전자기파에 의한 공진이 발생될 수 있다.
상기와 같이 전압이 인가유무나 인가되는 전압의 크기에 따라 제1 내지 제4 단위 메타물질(50a, 50b, 50c, 50d) 각각의 메타물질적 특성은 실시간으로 제어할 수 있으므로, 본 실시예의 메타물질 구조물(50)은 능동형 장치로서 기능할 수 있다.
본 실시예에서 제1 내지 제4 공진기(55a, 55b, 55c, 55d)는 스플리트-링 공진기인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 메타물질에 사용되는 공진기로서 도 7에 도시된 예들과 그밖에 도시되지 않은 다양한 공진기들 역시 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예는 단위 메타물질 구조물이 4개 적층된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 2개, 3개 또는 5개 이상의 다층으로 확장될 수 있음은 물론이다.
전술한 본 발명인 메타물질 구조물은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기판; 및
    상기 기판의 서로 다른 면 또는 서로 다른 층에 마련되는 서로 다른 공진 특성을 갖는 공진기들;을 포함하며,
    소정의 주파수 구간에서의 유전율과 투자율 및 굴절률 각각이 상기 기판의 유전율과 투자율 및 굴절률과 다른 값을 가지며,
    상기 기판은 하나의 유전체를 포함하는 단일층 기판 또는 적어도 하나 이상의 서로 다른 유전체들을 포함하는 다층 기판이며,
    상기 유전체는 절연 물질, n형 반도체 물질 또는 p형 반도체 물질로 형성되는 메타물질 구조물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공진기들은 서로 다른 공진주파수를 갖는 제1 및 제2 공진기를 포함하는 메타물질 구조물.
  3. 제1 항에 있어서,
    공진기들 각각은 적어도 하나의 갭을 갖는 스플리트-링 공진기(Split-Ring Resonator)인 메타물질 구조물.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 기판은 서로 다른 제1 층 및 제2 층을 포함하며,
    상기 기판의 상기 제1 층에 마련된 공진기의 갭과 상기 제2 층에 마련된 공진기의 갭은 서로 다른 크기를 갖는 메타물질 구조물.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 기판은 서로 다른 제1 층 및 제2 층을 포함하며,
    상기 기판의 상기 제1 층에 마련된 공진기의 갭과 상기 제2 층에 마련된 공진기의 갭은 서로 다른 방향에 위치하는 메타물질 구조물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기들을 전기적으로 연결하는 전극을 더 포함하는 메타물질 구조물.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은 n형 또는 p형 캐리어(carrier)가 있는 도전형 반도체층을 포함하는 메타물질 구조물.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 기판은 절연층을 더 포함하는 메타물질 구조물.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 공진기들 중에서 서로 다른 층에 있는 공진기들은 독립적으로 전기적 제어되는 메타물질 구조물.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은 하부층에서 상부층으로 갈수록 면적이 작아지는 단차구조를 가지며, 상기 공진기들중 상기 기판의 내부에 마련되는 공진기와 전기적으로 연결되는 전극은 상기 기판 밖으로 노출되는 메타물질 구조물.
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