KR101877376B1 - 하이퍼볼릭 메타물질 구조체 - Google Patents

하이퍼볼릭 메타물질 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖되, 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이하고, 상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 교대로 적층되되, 상기 제1 박막과 제2 박막의 적층 방향은 상기 레이어 구조의 두께 방향에 수직한 방향이며, 입사하는 광의 법선에 대해서 수직한 방향으로 구성되어, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 작동 파장영역이 넓고 전기적 손실이 작으며, 흡수가 작고 투과율이 높으며 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 제작이 용이한 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 관한 것이다.

Description

하이퍼볼릭 메타물질 구조체{HYPERBOLIC METAMATERIAL STRUCTURE}
본 발명은 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖되, 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이하고, 상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 교대로 적층되되, 상기 제1 박막과 제2 박막의 적층 방향은 상기 레이어 구조의 두께 방향에 수직한 방향으로 구성되어, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 작동 파장영역이 넓고 전기적 손실이 작으며, 흡수가 작고 투과율이 높으며 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 제작이 용이한 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 관한 것이다.
광학 분야에서는 음의 굴절률을 가져서 음굴절을 구현하는 소위 메타물질이 사용되고 있다. 음굴절이라 함은 빛이 굴절할 때 법선을 기준으로 하여 입사광과 같은 방향으로 빛이 굴절하는 현상을 말한다. 상기 법선에 나란한 방향으로 유전율이 음수이면 특정 편광 아래에서 음굴절을 구현할 수 있다. 메타물질은 이러한 음의 굴절률을 가져서, 일반 재질과 반대 방향으로 빛의 굴절이 일어나도록 한다.
이러한 음굴절은 초 고해상도 이미징, slow light devices, 투명망토 기술 등 무궁무진한 응용분야에 적용될 수 있다. 따라서, 음굴절 구현을 위한 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
이러한 음의 굴절률을 갖는 메타물질로서, 하이퍼볼릭 메타물질(HMM)이 연구되고 있다. 하이퍼볼릭 메타물질은 비등방성 재질로서, 방향별 유전율의 부호가 다른 재질을 말한다. 이를 행렬로 표현하면 아래 식 1 과 같으며, εy 와 εx 의 부호가 서로 반대이다. 즉, εy×εx <0 이다. 또한, 하이퍼볼릭 메타물질이 아래 기술하는 다중박막, 및 금속 와이어 구조를 갖는 것을 상정하여, εx = εz 이다.
Figure 112016112194931-pat00001
(여기서, εx = εz , εy×εx <0)
(식 1)
이러한 하이퍼볼릭 메타물질은 음굴절 등 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 나타낼 수 있다. 보통 다중박막, 금속와이어 구조체 등이 하이퍼볼릭 메타물질을 구현하기 위해서 사용되고 있다.
도 1 은 종래의 하이퍼볼릭 메타물질 구조의 일 예로서, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조를 나타낸 도면이다. 여기서, 수평형이라 함은, 박막간의 경계면의 면적 방향과 광이 입사하는 입사평면 사이의 관계를 기준으로 기술한 것이다. 도 1 에서는 광이 입사하는 입사평면이 x-z 평면이며, 이때 박막 간의 경계면의 면적 방향은 상기 입사평면과 수평하므로 수평형 다중박막 구조인 것으로 지칭되었다.
이러한 다중박막 구조에는, 박막 간의 경계면의 면적 방향과 나란한 방향의 유전율 (εll )과 박막 간의 경계면의 면적 방향과 수직한 방향의 유전율 (ε┴ )이 서로 상이하게 나타날 수 있다. 이때, 박막과 수직한 방향의 유전율은 박막을 구성하고 있는 재질의 유전율의 조화평균으로 나타난다. 아울러, 박막과 나란한 방향의 유전율은 박막을 구성하고 있는 재질의 유전율의 산술평균으로 나타난다.
도 1 과 같이 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에서 박막 간의 경계면의 면적 방향과 수직한 방향은 y 방향 유전율이 된다. 따라서, y 방향 유전율은 박막을 구성하고 있는 재질들의 유전율의 조화평균으로 나타난다. 아울러, x 및 z 방향 유전율은 박막 간의 경계면의 면적 방향과 나란한 방향이 되며, 따라서, x 및 z 방향 유전율은 박막을 구성하고 있는 재질들의 유전율의 산술평균으로 나타난다.
이러한 x 방향 유전율 및 y 방향 유전율을 각각 나타내면 아래와 같다. 여기서, εd 는 유전체의 유전율로서, 유전체는 광의 파장 및 주파수에 관계 없이 일정한 유전율을 가진다. 반면에, εm 은 금속의 유전율로서, 광의 파장에 의존하면, 그 값은 아래 기재된 바와 같다. εm 에서,
Figure 112016112194931-pat00002
는 물질의 본질적인 damping factor 를 의미한다. 즉, 유전체와는 달리, 금속은 감쇠성분이 존재하는 관계로, 유전율이 복소수의 형태를 가지며, 따라서, 아래의 εm 과 같은 형태로 나타난다. 이때, 유전율의 허수부분은 물질 내 전자기파(빛)의 손실을 의미한다.
Figure 112016112194931-pat00003
<식 2>
Figure 112016112194931-pat00004
<식 3>
Figure 112016112194931-pat00005
한편, 상기 식 2, 3 의 유도는 전자기학에서 맥스웰 방정식의 연속방정식 및 구조방정식으로부터 유도된다.
먼저, 나란한 방향의 유전율의 경우, 정전기학에서 물질의 경계면에 나란한 전기장 성분이 연속인 것, 전체 변위장(D)의 경계면에 나란한 성분은 각 물질 내 변위장의 평균인 것으로부터 유도될 수 있다.
다음으로, 수직한 방향의 유전율의 경우, 정전기학에서 물질의 경계면에 수직한 변위장 성분은 연속인 것, 및 전기장의 경계면에 나란한 성분은 각 물질 내 전기장의 평균인 것으로부터 유도될 수 있다.
상기 식 3, 및 음굴절에 관한 위의 설명을 함께 고찰하면, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에서 법선과 나란한 방향의 유전율이란 y 방향 유전율을 의미하며, y 방향 유전율이 음의 값을 갖기 위해서는 분모가 음수이며 그 값이 매우 작아야 함을 알 수 있다. 즉, 식 3 에서 왼쪽 항인 상수 부분은 양수이므로. 주파수에 따른 변수 부분이 오른쪽 항이 음수이면서 그 절대값이 상수 부분보다 커야 하는데, 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 오른쪽 항의 분모에 해당하는 부분이 0 에 가까운 음수이어야 한다.
이는 공명이 일어나는 부근 영역에서만 구현 가능한데, 공명현상으로 인해 전기적 손실이 매우 커서 흡수는 크고 투과율은 낮으며 작동하는 파장대 영역이 매우 좁은 단점이 있다.
도 2 는 종래의 하이퍼볼릭 메타물질 구조의 일 예로서, 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조를 나타낸 도면이다. 이러한 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조에서 y 방향 유전율은 구조체를 구성하고 있는 재질의 유전율의 산술평균이 된다. 따라서, y 방향 유전율이 음의 값을 갖기 위해서는 파장영역 ω 가 금속의 plasma frequency (ωp) 보다 충분히 작기만 하면 된다. 따라서, 작동 파장 영역대가 넓고 전기적 손실이 작으며 투과는 높고 흡수는 낮은 장점을 갖는다. 그러나, 금속와이어 증착이 어려워서 제작이 어려우며, 금속을 채울 때 과충전 혹은 불연속성 등의 문제를 가질 수 있다.
공개특허 2013-0007019
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖되, 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이하고, 상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 교대로 적층되되, 상기 제1 박막과 제2 박막의 경계면의 면적 방향은 상기 입사평면에 대해서 수직한 방향으로 구성되어, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 작동 파장영역이 넓고 전기적 손실이 작으며, 흡수가 작고 투과율이 높으며, 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 제작이 용이한 하이퍼볼릭 메타물질 구조체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖되, 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이하고, 상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 교대로 적층되되, 상기 제1 박막과 제2 박막의 적층 방향은 상기 입사평면에 수직한 방향으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은, 상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 산술평균이다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은, 하기 식 A 에 따라서 도출된다.
Figure 112016112194931-pat00006
<식 A>
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은 음수이다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 조화평균이다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 하기 식 B 에 따라서 도출된다.
Figure 112016112194931-pat00007
<식 B>
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 양수이다.
바람직하게는, 상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 동수이다.
바람직하게는, 제1 박막의 두께 범위는 30 nm 내지 50 nm 로 구성된다.
바람직하게는, 제2 박막의 두께 범위는 30 nm 내지 50 nm 로 구성된다.
바람직하게는, 상기 제1 박막은 금속을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 박막은 은(Ag)을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 박막은 유전체로 구성된 유전체층으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 제2 박막은 산화 알루미늄 또는 이산화 티타늄을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 서로 상이한 유전율을 갖는 복수의 재질을 포함하며, 소정의 두께와 면적을 갖고 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체로서, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은, 상기 복수의 재질의 유전율의 산술평균으로 구성된다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 박막과 제2 박막은 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 적층된다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은, 하기 식 A 에 따라서 도출된다.
Figure 112016112194931-pat00008
<식 A>
본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 서로 상이한 유전율을 갖는 복수의 재질을 포함하며, 소정의 두께와 면적을 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체로서,
제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며,
상기 제1 박막과 제2 박막은 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 두께 방향으로 세워지며 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 배열된다.
바람직하게는, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 두께 방향 유전율은,하기 식 A 에 따라서 상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 산술평균으로 도출된다.
Figure 112016112194931-pat00009
<식 A>
본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 소정의 두께와 면적을 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체로서, 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은 음수값을 가지며, 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 양수값을 갖는다.
본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 의하면, 두께 방향과 면적 방향의 유전율이 서로 반대 부호를 갖도록 함으로써, 비등방성 메타물질을 구현할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는 두께 방향 유전율이 제1 박막과 제2 박막을 구성하는 제1 재질과 제2 재질의 유전율의 산술평균으로 나타남으로써, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 작동 파장영역이 넓고 전기적 손실이 작으며, 흡수가 작고 투과율이 높다. 뿐만 아니라, 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체보다 제작이 용이하다.
도 1 은 종래 기술에 따른 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 구조를 도시한 도면이다.
도 2 는 종래 기술에 따른 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 구조를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 구조를 도시한 도면이다.
도 4 는 다중박막 구조 내에서 박막의 적층 방향에 대해 수직한 방향의 유전율을 나타낸 도면이다.
도 5 는 다중박막 구조 내에서 박막의 적층 방향과 나란한 방향의 유전율을 나타낸 도면이다.
도 6 은 다중박막 구조에서 다중박막이 수평형인 경우 하이퍼볼릭 메타물질이 구현되는 영역과 다중박막이 수직형인 경우 하이퍼볼릭 메타물질이 구현되는 영역을 비교한 도면이다.
도 7 은 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에서의 음굴절을 나타낸 도면이다.
도 8 은 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에서의 음굴절을 비교 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 3 은 본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖되, 제1 재질로 구성되는 제1 박막(110), 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막(120)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이한 값을 갖는다. 예컨대, 제1 재질은 금속으로 구성되며, 제2 재질은 유전체로 구성될 수 있다.
이때, 제1 재질의 유전율은 x 내지 y 일 수 있고, 제2 재질의 유전율은 x 내지 y 일 수 있다. 아울러, 제1 박막(110)과 제2 박막(120)의 두께는 각각 x 내지 y 일 수 있다.
일 예로, 제1 박막(110)은 은(Ag)을 포함하고, 제2 박막(120)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 각각의 두께는 약 30 내지 50 nm 일 수 있으며, 일 예에 의하면, 약 48nm 일 수 있다. 아울러, 각각의 박막의 유전율은 파장에 따른 함수가 되는데, 예를 들면, 480 nm 파장대에서 제1 박막(110)의 유전율은 -10.0870 + 0.1931i 이며, 제2 박막(120)은 2.666718 일 수 있다. 또한, 각각의 두께 비율은 5:5 일 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
또 다른 예로, 제1 박막(110)은 은(Ag)을 포함하고, 제2 박막(120)은 이산화티타늄(TiO2)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 각각의 두께는 약 30 내지 50 nm 일 수 있으며, 각각의 박막의 유전율은 600 nm 파장대에서 제1 박막(110)의 유전율은 -16.3205 + 0.3771i이며, 제2 박막(120)은 5.463272 일 수 있다.
또한, 제1 박막(110)과 제2 박막(120)은 동일한 개수로 적층될 수 있다. 물론, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 박막(110)과 제2 박막(120)은 서로 교대로 적층되되, 상기 제1 박막(110)과 제2 박막(120)의 적층 방향은 상기 레이어 구조의 두께 방향에 수직한 방향이다. 즉, 도 3 에 도시된 바와 같이, 레이어 구조가 x-z 방향을 면적 방향으로 하고 y 방향을 두께 방향으로 가질 경우, 제1 박막(110)과 제2 박막(120)의 적층 방향은 y 방향에 대해 수직한 방향이 된다. 아울러, 박막 간의 경계면의 면적 방향이 입사평면에 대해서 수직한 방향이라고 이해될 수 있다.
이를 달리 설명하면, 본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)는 제1 재질로 구성되는 제1 박막(110), 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막(120)을 포함하며, 상기 제1 박막(110)과 제2 박막(120)은 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 적층된다고 설명될 수 있다.
아울러, 달리 설명하면, 본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)는, 서로 상이한 유전율을 갖는 복수의 재질을 포함하며, 소정의 두께와 면적을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체로서, 제1 재질로 구성되는 제1 박막(110), 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막(120)을 포함하며, 상기 제1 박막(110)과 제2 박막(120)은 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)의 두께 방향으로 세워지며 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 배열된다고 설명될 수 있다. 즉, 제1 박막(110)과 제2 박막(120)은 얇은 두께와 폭을 갖되, 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)의 두께 방향으로 세워지는 형태를 가지며 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)의 면적 상의 일 방향으로 서로 교대로 배열된 것으로 이해될 수도 있다.
상기한 구조를 가짐에 따라서, 본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질 구조체(100)는, 수직형 다중박막(vertical multy-layer) 구조를 갖는다. 즉, 수평형 다중박막 구조와 달리, 입사평면과 박막간의 경계면의 면적 방향이 수직 방향인 구조를 갖는다. 한편, 여기서, 입사평면은 x-z 평면, 또는 x-y 평면이다.
이러한 수직형 다중박막 구조에서, 도 3 에 도시된 방향 중 x 축 방향은 박막의 경계면의 면적 방향과 수직한 방향으로서, 그 유전율은 ε┴ 이 되며, y 축 및 z 축 방향은 박막의 경계면의 면적 방향과 나란한 방향으로서 그 유전율은 εll 이 된다.
상기 식 2, 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에서 x 축 방향의 유전율은 제1 박막(110)을 구성하는 제1 재질의 유전율과 제2 박막(120)을 구성하는 제2 재질의 유전율의 조화평균으로 나타난다. 또한, y 축, 및 z 축 방향의 유전율은 제1 박막(110)을 구성하는 제1 재질의 유전율과 제2 박막(120)을 구성하는 제2 재질의 유전율의 산술평균으로 나타난다.
이를 각각 수식으로 나타내면 아래와 같다. 한편, 여기서, εd 는 유전체의 유전율이며, εm 은 금속의 유전율로서, 그 설명은 앞서 설명된 바와 같다.
Figure 112016112194931-pat00010
<식 4>
Figure 112016112194931-pat00011
<식 5>
상기 식 4 및 식 5 를 통해 고찰하면, 본 발명에 따른 하이퍼볼릭 메타물질에서 y 축 방향 유전율이 음의 값을 갖기 위해서는, 광의 파장영역이 금속의 plasma frequenct (ωp) 보다 충분히 작기만 하면 된다.
이에 따라서, 음굴절을 구현하는 작동파장 영역이 매우 넓고, 공명 현상 없이도 하이퍼볼릭 메타물질을 구현할 수 있으므로 전기적 손실이 매우 적을 수 있다.
한편, 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 양수값을 가질 수 있다. 예컨대, 도 3 에서 x 축 방향의 유전율은 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율의 조화평균으로 나타나며, 그 값은 양수값을 가질 수 있다.
도 4 는 다중박막 구조 내에서 박막의 적층 방향에 대해 수직한 방향의 유전율을 나타낸 도면이고, 도 5 는 다중박막 구조 내에서 박막의 적층 방향과 나란한 방향의 유전율을 나타낸 도면이며, 도 6 은 다중박막 구조에서 다중박막이 수평형인 경우 하이퍼볼릭 메타물질이 구현되는 영역과 다중박막이 수직형인 경우 하이퍼볼릭 메타물질이 구현되는 영역을 비교한 도면이다.도 4 및 도 5 에서, x 축 방향은 빛의 파장이며, y 축 방향은 filling ratio 를 나타낸다. 여기서, filling ratio 란 다중박막 구조체 내에서 유전체가 차지하고 있는 비율을 뜻하며, 앞서 식 2, 3에서 f 를 의미한다. 예컨대, 구조체 내에서 유전체와 금속이 각각 6:4의 비를 차지하고 있다면, filling ratio 는 0.6이 된다. 또한, 파란색은 유전율이 음수인 부분이고, 빨간색은 유전율이 양수인 부분이다.
앞서 설명한 바와 같이, 하이퍼볼릭 메타물질을 구현하기 위해서는 방향별 유전율의 부호가 다를 필요가 있다. 즉, 박막이 적층된 방향에 대해 수직한 방향의 유전율과 수평한 방향의 유전율의 부호가 서로 상이해야 하며, 도 4 와 도 5 를 서로 겹쳤을 때, 서로 상이한 색이 겹치는 영역에서 하이퍼볼릭 메타물질이 구현된다고 할 수 있다.
이때, 위에서 설명한 바와 같이, 수평형 다중박막 구조에서는 y 축 방향 유전율은 박막의 적층 방향에 대해 수직한 방향의 유전율에 해당한다. 따라서 y 축 방향 유전율이 음의 값을 갖는 작동 영역은 도 4 에서 파란색 영역에 해당한다. 아울러 하이퍼볼릭 메타물질을 구현하기 위해서는 박막과 나란한 방향의 유전율이 박막의 적층 방향에 대해 수직한 방향의 유전율과 상이한 부호를 가져야 하므로 도 5 에서 빨간색 영역에 해당하는 작동 영역을 갖게 된다.
이를 종합하여, 수평형 다중박막 구조에서 y 축 방향 유전율이 음의 값을 갖고 x 축 및 z 축 방향 유전율이 양의 값을 가져서 하이퍼볼릭 메타물질을 구현하는 작동 영역은 도 6 에서 노란색 영역으로 한정됨을 알 수 있다.
반면에, 수직형 다중박막 구조에서는 y 축 방향 유전율은 박막의 적층 방향에 대해 수평한 방향의 유전율에 해당하며, y 축 방향 유전율이 음의 값을 갖는 작동 영역은 도 5 에서 파란색 영역에 해당하게 된다. 아울러, x 축 방향 유전율은 박막의 적층 방향에 대해 수직한 방향의 유전율에 해당하며, x 축 방향 유전율이 양의 값을 갖는 작동 영역은 도 4 에서 빨간색 영역에 해당하게 된다.
이를 종합하여, 수직형 다중박막 구조에서 y 축 방향 유전율이 음의 값을 갖고, x 축 방향 유전율이 양의 값을 가져서 하이퍼볼릭 메타물질을 구현하는 작동 영역은 도 6 에서 녹색 영역임을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따라서 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질은 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질에 비해 작동 파장 영역대가 매우 넓음을 확인할 수 있다.
도 7 은 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 대해 광을 입사시킬 때 나타나는 음굴절 현상을 나타낸 도면이다. 도 7 에서 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는 흰색으로 둘러싸인 영역으로 표시되어 있다. 도 7 을 를 참조하면, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 경우, 높은 저항적 손실로 인해 구조체 내에 많은 흡수가 일어나서 투과가 매우 적음을 확인할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따라서, 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 대해 광을 입사시킬 때 나타나는 음굴절 현상을 나타낸 도면이다. 도 8 에서 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는 흰색으로 둘러싸인 영역으로 표시되어 있다. 도 8 을 참조하면, 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 경우, 저항적 손실이 비교적 작고 따라서 투과율이 매우 높음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체와 마찬가지로 제작이 간편하다. 아울러, 수평형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 비해서, 작동 파장 영역대가 넓으며, 전기적 손실이 작다. 아울러, 투과는 높고 흡수는 낮은 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체가 금속와이어 증착이 어려워 제작이 어렵고 금속을 채울 때 과충전 혹은 불연속성 등의 문제를 가짐에 반해서, 본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는, 그와 같은 문제점을 갖지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체 및 금속와이어 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 장점만을 취할 수 있게 된다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 수직형 다중박막 구조를 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체
110: 제1 박막
120: 제2 박막

Claims (20)

  1. 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 있어서,
    소정의 두께와 면적을 갖는 레이어 구조를 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖되,
    제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며, 상기 제1 재질의 유전율과 제2 재질의 유전율은 서로 상이하고,
    상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 교대로 적층되되,
    상기 제1 박막과 제2 박막 사이의 경계면의 면적 방향은 상기 입사평면에 대해서 수직한 방향인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은,
    상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 산술평균인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은,
    하기 식 A 에 따라서 도출되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
    Figure 112016112194931-pat00012

    (식 A)
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은 음수인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 조화평균인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은
    하기 식 B 에 따라서 도출되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
    Figure 112016112194931-pat00013

    (식 B)
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 양수인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 박막과 제2 박막은 서로 동수인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제1 박막의 두께 범위는 30 nm 내지 50 nm 인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    제2 박막의 두께 범위는 30 nm 내지 50 nm 인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 박막은 금속을 포함하는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 박막은 은(Ag)을 포함하는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 박막은 유전체로 구성된 유전체층인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 박막은 산화 알루미늄 또는 이산화 티타늄을 포함하는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  15. 서로 상이한 유전율을 갖는 복수의 재질을 포함하며, 소정의 두께와 면적을 갖고 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은,
    상기 복수의 재질의 유전율의 산술평균인 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체는 제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며,
    상기 제1 박막과 제2 박막은 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 적층되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은,
    하기 식 A 에 따라서 도출되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
    Figure 112016112194931-pat00014

    (식 A)
  18. 서로 상이한 유전율을 갖는 복수의 재질을 포함하며, 소정의 두께와 면적을 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 있어서,
    제1 재질로 구성되는 제1 박막, 및 제2 재질로 구성되는 제2 박막을 포함하며,
    상기 제1 박막과 제2 박막은 경계면의 면적 방향이 상기 입사평면에 대해서 수직하도록 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 두께 방향으로 세워지며 상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 면적 상의 적어도 일 방향을 따라서 교대로 배열되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 두께 방향 유전율은,
    하기 식 A 에 따라서 상기 제1 재질의 유전율과 상기 제2 재질의 유전율의 산술평균으로 도출되는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
    Figure 112016112194931-pat00015

    (식 A)
  20. 소정의 두께와 면적을 갖고 소정의 광이 입사하는 입사평면을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체에 있어서,
    상기 하이퍼볼릭 메타물질 구조체의 상기 입사평면에 수직한 방향의 유전율은 음수값을 가지며, 상기 입사평면에 수평한 방향 중 적어도 일 방향의 유전율은 양수값을 갖는 하이퍼볼릭 메타물질 구조체.
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