KR101905444B1 - 능동형 메타표면, 이를 포함한 광학소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

능동형 메타표면, 이를 포함한 광학소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 능동형 메타표면은 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층; 및 상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름;을 포함하며, 상기 단위 셀의 회전각도에 따라서 입사파에 대한 상기 능동형 메타표면을 통과하는 투과파의 위상변이가 결정되고, 상기 그래핀 필름에 인가되는 전기신호를 통해 상기 투과파의 크기가 조절 가능할 수 있다.

Description

능동형 메타표면, 이를 포함한 광학소자 및 이의 제조방법 {ACTIVE METASURFACE, OPTICAL DEVICE INCLUDING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기적 신호로 광학 특성이 조절 가능한 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자연계에 존재하지 않는 전자기파의 특성을 가지도록 인위적으로 설계된 2차원 물질을 메타표면(metasurface)이라고 한다. 메타표면은 전자기파에 대해 상대적인 위상차를 가지는 단위셀들을 공간적으로 설계함으로써 원하는 파면을 생성할 수 있는 기술이다. 또한, 메타표면은 파장판, 홀로그램, 렌즈 등에 응용이 가능하여 파급력이 큰 기술로 인식되고 있다. 즉, 이러한 메타표면은 평면상에 단위격자의 상대적인 위상변이 분포를 통해 매우 얇은 평평한 렌즈, 광보텍스, 사분의 일 파장판과 같은 기존의 광학소자를 대체할 수 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 메타표면의 광학적 특성이 디자인 시에 결정된 후에는 변화가 불가능하다는 점에서 한계를 갖는다.
공개특허공보 제10-2016-0130247호 (2016년11월10일 공개)에서는 전기적 튜닝이 가능한 메타표면 및 이의 구현 기술에 대해서 개시한다. 하지만, 해당 문헌에서는 미러(mirror)층을 포함하여 반사타입에 대해서 논의한다. 또한, 해당 문헌에서는 안테나 요소와 미러링된 표면 간의 전위차를 통해 전기적 튜닝을 달성하고 있다.
반사타입에 한정되지 않으며 투과파의 크기(amplitude)를 포함하는 광학적 특성을 능동적으로 조절이 가능한 메타표면 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.
공개특허공보 10-2016-0130247 (공개일자 2016년11월10일)
본 발명의 실시예의 목적은 기존의 메타표면 기술의 한계점을 극복하기 위한 것으로서 전기적 신호로 광학적 특성이 제어 가능한 그래핀이 결합된 능동형 메타표면 기술을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예의 목적은 빛의 특성을 능동적으로 조절할 수 있는 효과적인 능동적 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예의 목적은 특정 편광 및 파장대역에 적용될 수 있는 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면은 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층; 및 상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름;을 포함하며, 상기 단위 셀의 회전각도에 따라서 입사파에 대한 상기 능동형 메타표면을 통과하는 투과파의 위상변이가 결정되고, 상기 그래핀 필름에 인가되는 전기신호를 통해 상기 투과파의 크기가 조절 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학소자는 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층 및 상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름을 포함하는 능동형 메타표면; 상기 능동형 메타표면 상에 위치하는 유전물질층; 및 상기 유전물질층에 접하며 상기 그래핀 필름과 이격되어 배치되는 제1전극을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자 제조방법은 기판상에 지지층을 형성하는 단계; 상기 지지층 상에 그래핀 필름을 형성하는 단계; 상기 그래핀 필름 상에, 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층 상에 유전물질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 유전물질층은 이온겔(ion-gel)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 단위 셀은 U자 구멍 형상을 가지며, 복수의 단위 셀은 능동형 메타표면을 투과하는 빛이 소정 굴절각을 갖도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 단위 셀의 회전각도가 평면상의 제1방향에서 선형적으로 변하도록 복수의 단위 셀이 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 능동형 메타표면에 입사하는 입사파의 주파수에 따라 투과파의 굴절각이 변할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 단위 셀은 능동형 메타표면을 통과하는 투과파가 집속하거나 발산하도록 배치될 수 있다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면 기존의 메타표면 기술의 한계점을 극복할 수 있도록 전기적 신호로 광학적 특성이 제어 가능한 그래핀이 결합된 능동형 메타표면 기술을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 광학 특성을 능동적으로 조절할 수 있는 효과적인 능동적 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 특정 편광 및 파장대역에 적용될 수 있는 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 파장판, 빔 쉐이퍼, 렌즈, 홀로그램 등 빛을 용이하게 조절할 수 있는 효과적인 파면형태 조절기로 사용될 수 있는 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 반사파뿐만 아니라 투과파의 광학 특성이 용이하게 조절될 수 있는 능동형 메타표면, 이를 포함하는 광학소자 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도1a는 실시예에 따른 능동형 메타표면의 단위 셀 형태의 개략도이다.
도1b는 도1a에 도시된 단위 셀의 회전각도를 설명하기 위한 개략도이다.
도1c는 x축에서 단위 셀 회전각도의 제1변화에 따른 투과 빛의 위상변이를 나타내는 그래프이다.
도1d는 도1c의 단위 셀 배열을 갖는 능동형 메타표면에 입사파가 수직으로 입사된 경우 투과파가 소정 각도로 굴절되는 것을 보여주는 도면이다.
도2a는 공간적으로 선형 위상변이 배열을 갖는 실시예에 따른 능동형 메타표면의 광학현미경 사진을 나타낸다.
도2b는 실시예에 따른 능동형 메타표면을 통과하는 투과파의 굴절각과 주파수의 관계를 나타낸다.
도2c는 실시예에 따른 능동형 메타표면에 대한 교차 원편광 투과도와 게이팅 전압 사이의 관계를 나타낸다.
도3a는 실시예에 따른 능동형 메타표면을 포함하는 광학소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도3b는 도3a에 도시된 광학소자의 AA절취선을 따른 단면도이다.
도3c은 실시예에 따른 능동형 메타표면을 통과하는 투과파의 광학 특성을 조절할 수 있는 광학소자의 개략도이다.
도4는 실시예에 따른 광학소자의 제조방법을 단계적으로 도시한다.
도5a는 x축에서 단위 셀 회전각도의 제2변화에 따른 투과파의 위상변이를 나타내는 그래프이다.
도5b는 도5a의 단위 셀 배열을 갖는 능동형 메타표면에 입사파가 수직으로 입사된 경우 투과파가 집속되는 현상을 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
이하에서는 실용적이며 간단한 전기적 방법으로 투과하는 빛의 크기(amplitude)가 조절될 수 있는 능동적 메타표면, 이를 활용하는 광학소자 및 이의 제조방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 광학적 특성이 조절될 수 있는 능동형 메타표면 및 이를 포함하는 광학소자를 제공하기 위해서, 얇고 평평하여 다른 광소자와 결합이 가능하고 공간적으로 위상변이(phase shift) 분포를 변화시킬 수 있는 금속층(11)에 그래핀 필름(12: Graphene film)을 결합한 능동형 메타표면(10)을 제공할 수 있다.
그래핀은 특히 테라헤르츠 대역에서 도핑 정도에 따라서 특이한 흡수 특성을 갖는다. 구체적으로 그래핀은 페르미 준위(Fermi level)가 바뀜에 따라 캐리어의 밀도(density of carrier)가 달라져 광학성질이 바뀌는 조절성을 갖는다. 그래핀의 페르미 준위가 달라짐에 따라서 그래핀의 광전도성(optical conductivity)가 바뀌게 되고, 테라헤르츠 대역에서 주로 발생하는 밴드내 전이현상에 의해서 빛의 흡수, 반사 및 투과 정도가 바뀌게 되는 것이다. 그래핀의 페르미 준위가 전하 중립점(CNP:Charge Neutral Point) 근처에서 상대적으로 멀어질수록(즉, 상대적으로 그래핀의 도핑정도가 클수록) 광전도성이 점점 높아지고 그래핀 내에서 발생하는 전이현상에 따른 흡수도가 증가하고, 투과도가 상대적으로 감소한다.
따라서, 그래핀의 도핑정도를 전기적 방법에 의해 능동적으로 조절 가능하도록 소자를 디자인함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 능동적으로 광학 특성이 조절될 수 있는 광학소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학소자는 그래핀의 페르미 준위를 변화시키는데 정전기적 게이팅(electrostatic gating) 방법을 이용하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광학소자의 게이트 전압(gate voltage)을 조절함에 따라, 특정 방향으로 굴절된 테라헤르츠파(refracted terahertz waves)의 크기가 능동적으로 조절될 수 있다.
도1a는 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)의 단위 셀(u) 형태의 개략도이다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)은 평면상에 특정한 규칙으로 배열된 단위 셀(u)을 포함하여 구성된다. 실시예에 따른 단위 셀의 형태는 U자 구멍(U-shaped aperture)의 모양을 가질 수 있다.
실시예에 따른 단위 셀을 갖는 능동형 메타표면(10)의 구조적 설계 변수 중 하나인 안테나의 회전각도에 따라, 입사하는 원편광(circularly polarized)을 갖는 빛이 능동형 메타표면(10)을 투과하는 경우 위상변이(phase shift)를 얻을 수 있는 특징을 갖는다. 즉, 안테나의 회전각도를 변경시킴으로써 능동형 메타표면(10)의 투과 교차 원편광을 갖는 빛의 크기는 동일하면서 위상변이를 얻을 수 있는 것이다.
도1b는 도1a에 도시된 단위 셀의 회전각도를 설명하기 위한 개략도이다. 본 명세서에서 단위 셀(u)의 회전은 단위 셀(u)이 형성된 평면, 즉 도1b에서 X-Y평면에서 단위 셀(u)의 중점(center)에 대한 단위 셀(u)의 회전을 의미한다. 예컨대, 도1a에 도시된 단위 셀(u)의 상태에서 X-Y평면의 법선(예컨대, z축)을 회전축으로 하여 시계방향으로 회전하는 각도(θ)를 회전각도라고 지칭할 수 있다. 도1b에서 단위 셀(u)의 중점은 u자형 단위 셀(u)에서 최외곽 4개의 꼭지점 중 대향하는 두 개의 꼭지점을 각각 잇는 2개의 대각선이 교차하는 지점으로 설정될 수 있다. 실시예에 따라, 회전각도을 산출하기 위한 기본 단위 셀(u) 배치 및 회전방향은 다르게 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)은 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀(u)이 형성된 금속층(11)에 그래핀 필름(12)이 결합되어 있을 수 있다.
실시예에서 금속층(11)에는 복수의 단위 셀(u)이 패터닝되어 있을 수 있다. 실시예에 따라 금속층(11)은 금(Au)을 포함하여 형성될 수 있다.
실시예에서 그래핀 필름(12)은 원자 하나의 두께를 갖는 탄소원자층 두께로 형성될 수 있다.
테라헤르츠 대역에서 교차 원편광 투과성분이 그래핀 필름(12)의 페르미 준위의 변화에 따른 모듈레이션을 가지도록 능동형 메타표면(10)이 아래와 같이 디자인될 수 있다. 예컨대, 금속층(11)에 형성된 단위 셀(u)은 대상으로 하는 빛의 파장 이하의 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 단위 셀(u)은 수십 마이크로미터(㎛) 단위의 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 단위 셀(u)의 단일격자길이(a=76㎛), 구멍의 폭(w=19㎛) 및 U자 구멍의 측면길이(b=51㎛)의 구조적 수치를 갖도록 제작될 수 있다. 실시예에서, 능동적 메타표면(10)은 100nm의 두께(h)를 갖도록 제작될 수 있다. 실시예에 따라 단위 셀(u)의 수치는 다양하게 형성될 수 있음은 자명하다.
도1c는 x축에서 단위 셀 회전각도의 제1변화에 따른 투과 빛의 위상변이를 나타내는 그래프이다. 도1c에서, 단위 셀의 회전각도는 x축 방향에서 선형으로 변화한다. 도1c에서 제6단위 셀(u6)를 기준으로 양의 x축 방향의 단위 셀들은 회전각도(θ)가 18°씩 증가하도록 회전한다. 즉, 제7단위 셀(u7)은 제6단위 셀(u6)에 비해 18°만큼 회전되어 배치되고, 제8단위 셀(u8)은 제7단위 셀(u7)에 비해 18°만큼 회전되어 배치된다. 이와 마찬가지로, 제9, 제10 및 제11단위 셀의 회전각도가 선형적으로 증가된다. 이에 따라, 제11단위 셀(u11)은 제6단위 셀(u6)에 비해 90°만큼 회전되어 배치된다. 이는 제6단위 셀(u6)을 기준으로 음의 x축 방향의 단위 셀들은 회전각도(θ)가 18°씩 감소하도록 회전한다. 즉, 제5 내지 제1단위 셀은 제7 내지 제11 단위 셀과는 반대방향으로 회전되어 있는 것이다. 제1단위 셀(u1)은 제6단위 셀(u6)에 비해 -90°만큼 회전되어 배치된다.
이러한 능동형 메타표면(10)을 투과한 빛의 위상변이도 마찬가지로 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 도1c의 하단 그래프는 1.15THz의 입사 빛에 대한 위상변이를 나타낸다. 이 경우, 투과 빛의 위상변이 또한 선형적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 도1c에서 회전각도가 -90°에서 90°까지 선형적으로 변화할 때 1.15THz의 입사 빛은 -π(-180°) 에서 π(180°)까지 선형적으로 변화한다. 즉, 단위 셀(u)의 회전각도가 선형적으로 변화할 때 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)의 투과 빛에 대한 위상변이 또한 선형적으로 변화하는 것이다.
도1d는 도1c의 단위 셀 배열을 갖는 능동형 메타표면에 수직으로 빛이 입사된 경우 투과 빛이 소정 각도로 굴절되는 것을 보여주는 도면이다. 도1c에 도시된 바와 같이, 투과 빛의 위상변이가 선형적으로 변화하면 입사된 빛이 능동형 메타표면(10)을 투과할 때 소정 각도로 굴절될 수 있다. 실시예에서, 수직으로 입사되는 좌원편광(left circularly polarized light)은 능동형 메타표면(10)을 통과한 후 우원편광(right circularly polarized light)으로 변환될 수 있다.
실시예에 따른 능동형 메타표면(10)은 수직으로 입사되는 원편광을 갖는 테라헤르츠파에 대해서 임의의 굴절 각도를 갖는 파면을 형성할 수 있도록 선형적 위상변이를 갖도록 단위 셀(10)들이 도1c에 도시된 바와 같이 공간적으로 배치될 수 있는 것이다.
도2a는 공간적으로 선형 위상변이 배열을 갖는 실시예에 따른 능동형 메타표면의 광학현미경 사진을 나타낸다. 도2a에서는, 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)의 복수의 단위 셀(u)의 회전각도가 메타표면 평면상의 제1방향에서 선형적으로 변하도록 복수의 단위 셀이 배치되어 있다. 예컨대, x축 방향에서 우측으로 갈수록 회전각도가 18°씩 증가하도록 단위 셀(u)이 회전되어 배치된다. 실시예에 따라, 제1방향에서 인접한 단위 셀(u) 사이의 회전각도 변화량은 크거나 작게 설정될 수 있다. 실시예에서, 단위 셀(u)의 회전각도가 선형적으로 변한다는 것은, 단위 셀(u)의 회전각도가 이산(discrete) 선형적으로 변하는 것을 포함할 수 있다.
도2a에서와 같이 투과파의 위상변이가 선형적으로 변하도록 단위 셀(u)이 배치되므로, 도1d에 도시된 바와 같이 능동형 메타표면(10)에 입사된 빛에 대한 투과 빛은 소정의 굴절각으로 굴절될 수 있다.
도2b는 실시예에 따른 능동형 메타표면을 통과하는 빛의 굴절각과 주파수의 관계를 나타낸다. 도2b는 도2a와 같이 제작된 능동형 메타표면(10)에 입사되는 빛의 주파수와 능동형 메타표면(10)을 투과한 빛의 굴절각 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 실험에 사용된 능동형 메타표면(10)은 도2a에 도시된 바와 같이 특정 주파수의 빛이 특정 굴절각으로 굴절되도록 설계되었다. 도2b에서 실선은 이론적으로 시뮬레이션한 값이며 원형 도트는 실제 실험치이다. 도2b에서 특정 주파수의 입사파는 특정 굴절각으로 굴절되는 것이 실험 및 이론을 통해 확인될 수 있다. 또한, 도2b로부터 해당 능동형 메타표면(10)에 입사하는 입사파의 주파수에 따라 굴절각이 달라짐을 확인할 수 있다. 예컨대, 동일한 능동형 메타표면(10)에 대해서, 1.2THz의 빛은 18°로 굴절되고, 1.0THz의 빛은 20°로 굴절됨을 알 수 있다. 이로부터, 실시예 및 필요에 따라, 임의의 주파수를 갖는 입사파가 임의의 굴절각도로 굴절되도록 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)을 설계 및 제작할 수 있음을 알 수 있다.
도2c는 실시예에 따른 능동형 메타표면에 대한 교차 원편광 투과도와 게이팅 전압 사이의 관계를 나타낸다. 도2c에서 우측 하단에 표시된 컬러바의 하단(푸른색 계열)에서 상단(붉은색 계열)으로 갈수록, 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)을 포함한 광학소자(100)를 통과한 투과파의 크기가 크다는 것을 나타낸다. 예컨대, 도2b에서 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)은 1.12THz의 주파수를 갖는 입사파에 대해서 투과파는 대략 18°도 정도의 굴절각을 갖도록 설계되어 있음을 알 수 있다. 도2c에서는 해당 능동형 메타표면(10)을 포함하는 광학소자(100)를 통과한 투과파의 크기가 게이트 전압에 따라 달라짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 1.12THz의 주파수를 갖는 입사파에 대해서 게이트 전압(Vg)이 2V 정도인 때 투과크기 정도가 가장 크며, 0V일 때 투과크기 정도가 가장 작음을 확인할 수 있다. 도2b 및 도2c로부터, 실시예에 따른 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)는 특정 주파수를 갖는 입사파에 대한 투과파는 특정 각도로 굴절되도록 설계될 수 있으며, 이때 그래핀 필름(12)에 인가되는 전기적 신호, 예컨대 게이트 전압(Vg)에 따라서 투과파의 크기가 조절될 수 있음을 확인할 수 있다.
도3a는 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)을 포함하는 광학소자(100)를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)는 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층(11) 및 상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름(12)을 포함하는 능동형 메타표면(10), 능동형 메타표면(10) 상에 위치하는 유전물질층(40) 및 유전물질층(40)에 접하며 그래핀 필름(12)과 이격되어 배치되는 제1전극(50)을 포함하여 구성될 수 있다. 제1전극(50)은 도3b에 도시되어 있다.
실시예에 따라 광학소자(100)는 제2전극(13)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 제2전극(13)은 그래핀 필름(12)에 접하여 배치될 수 있다. 제2전극(13)은 그래핀 필름(12)에 제1전극(50)을 통해 게이팅 전압이 인가될 때, 그라운드(ground) 역할을 할 수 있다. 도3a에서 제2전극(13)은 그래핀 필름(12)의 테두리에 따라 연결되도록 형성되어 있으나, 실시예에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
실시예에서, 능동형 메타표면(10)은 지지층(20) 상에 배치될 수 있다. 지지층(20)은 폴리이미드(polyimide)로 형성될 수 있다.
실시예에서, 지지층(20)은 광학소자(100)에서 능동형 메타표면(10) 및 이외의 구성들을 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 지지층(20)은 이와 같이 광학소자(100)에서 지지기능을 수행하면서도 광학소자(100)의 광학 특성을 저하시키지 않은 물질로 형성될 수 있다. 실시예에서, 지지층(20)으로 폴리이미드를 사용할 수 있다. 폴리이미드는 테라헤르츠 대역에서 매우 높은 투과특성을 갖는다. 폴리이미드는 수 마이크로미터 단위의 두께를 갖는 층으로 제작이 가능하며, 해당 폴리이미드층 위에 추가의 MEMS공정이 가능하다. 또한, 폴리이미드층은 수 테라헤르츠 대역에서 흡수율이 낮다. 따라서, 실시예에서 폴리이미드 물질을 지지층(20)으로 사용할 수 있으며, 이에 따라 지지층(20)에서 투과되는 전자기파의 흡수가 최소화될 수 있다.
실시예에서, 유전물질층(40)은 이온겔(ion-gel)로 형성될 수 있다. 이온겔은 높은 전기적 축전용량을 갖기 때문에 낮은 전압으로 작동이 가능하고 측면에 게이트를 위치시킬 수 있는 특징을 가지므로, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)에서 게이트 유전체(gate-dielectric) 물질로 이용될 수 있다.
도3b는 도3a에 도시된 광학소자의 AA절취선을 따른 단면도이다. 도3b에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)는 유전물질층(40)에 의해 상기 그래핀 필름(12)과 이격되어 배치되는 제1전극(50)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제1전극(50)은 게이트 전극으로서 동작할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)에서 측면 게이팅에 따라 그래핀 필름(12)의 페르미 준위를 변화시킬 수 있다. 도3b에 도시된 바와 같이, 제1전극(50)은 유전물질층(40)에 의해 그래핀 필름(12)과 이격되어 배치될 수 있다. 도3b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)는 측면 게이트 형태로 구현되므로, 특정한 편광, 파장대, 반사 또는 투과 형태에 국한되지 않고 이용될 수 있다.
도3c은 실시예에 따른 능동형 메타표면을 통과하는 광의 특성을 조절할 수 있는 광학소자의 개략도이다. 도3c에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 광학 소자(100)는 지지층(20) 상에 위치하는 그라운드 전극(14)을 더 포함할 수 있다. 그라운드 전극(14)은 그래핀 필름(12)에 접하여 형성된 제2전극(13)과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 실시예에 따라 그라운드 전극(14)은 제2전극(13)과 일체형으로 형성될 수 있다. 그래핀 필름(12)에 전기적으로 연결되는 제2전극(13)과 제1전극(50) 사이의 전압(Vg), 즉 게이트 전압을 변화시킴에 따라 광학소자(100)에 입사되는 입사광(IW)에 대한 투과광인 굴절광(RW)의 크기가 조절될 수 있다. 이때, 게이트 전압은 그라운드 전극(13)과 제1전극(50) 사이의 전압으로 지칭할 수 있다. 도3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학소자(100)에 입사파(IW)가 수직으로 입사되는 경우 투과파(TW)는 소정 각도로 굴절된다. 이때 입사되는 빛과 교차(cross)하는 편광성분이 메타표면 층에서 생성되며 이러한 교차 편광 성분 빛의 크기(Amplitude)가 전기신호를 통해 조절 가능하다.
도3a 내지 도3b에서 능동형 메타표면(10)은 그래핀 필름(12) 상에 금속층(11)이 배치되는 것으로 도시되나, 실시예에 따라 금속층(11)과 그래핀 필름(12)의 배치 순서는 서로 바뀌어도 무방하다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)에서 금속층(11)과 그래핀 필름(12) 사이에 전자의 이동이 자유롭도록 금속층(11)은 그래핀 필름(12)과 전기적으로 접촉되어 있는 것으로 충분하다.
도4에서는 그래핀 필름(12) 상에 금속층(11)이 배치되는 광학소자(100)의 제조방법에 대해서 설명하며, 당해 기술분야의 당업자에게는 해당 제조방법을 금속층(11) 상에 그래핀 필름(12)이 배치되는 광학소자(100)에 대해서 적용할 수 있음은 자명할 것이다.
도4는 실시예에 따른 광학소자의 제조방법을 단계적으로 도시한다. 본 발명의 실시예에 따른 광학소자 제조방법은 기판(60)상에 지지층(20)을 형성하는 단계, 지지층(20) 상에 그래핀 필름(12)을 형성하는 단계, 그래핀 필름(12) 상에, 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층(11)을 형성하는 단계 및 금속층(11) 상에 유전물질층(40)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 광학소자(100) 제조방법에서, 유전물질층(40)을 형성하는 단계는 지지층(20) 상에 위치하고 유전물질층(40)에 의해 그래핀 필름(12)과 이격되어 배치되는 제1전극(50)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 제1전극(50)는 유전물질층(40)을 형성하기 전에 지지층(20) 상에 형성될 수 있다.
여기서, 기판(60)은 실리콘웨이퍼(silicon wafer)로 형성될 수 있다. 지지층(20)으로서 폴리이미드층이 기판(60) 상에 예컨대 스핀 코팅(spin coating) 방식으로 형성될 수 있다. 본 제조방법에서 기판(60)은 희생층으로 이용되며, 추후 광학소자(100)가 제조된 후에 제거될 수 있다.
그래핀 필름(12)은 예컨대 전사 방식을 통해 형성될 수 있다. 실시예에 따라 열박리 테이프(TRT: thermal release tape)를 이용하여 그래핀 필름(12)이 지지층(20) 상에 전사될 수 있다.
복수의 단위 셀이 패터닝된 금속층(11)은 리프트-오프(Lift-off) 공정을 통해 그래핀 필름(12) 상에 형성될 수 있다.
유전물질층(40)으로서 이온겔은 전사 방식을 통해 능동형 메타표면(10) 상에 형성될 수 있다. 유전물질층(40)은 능동형 메타표면(10)뿐만 아니라 제1전극(50)의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학소자 제조방법은 그래핀 필름(12)에 접촉하여 형성되는 제2전극(13)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2전극(13)은 그래핀 필름(12)의 상부면 및 하부면 중 적어도 한면에 형성될 수 있다. 또는 실시예에 따라 그래핀 필름(12)에 전기적으로 접촉하도록 임의의 방식으로 제2전극(13)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학소자가 제조된 후, 기판(60)은 제거될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)는 입사파에 대해서 투과파가 소정 각도로 굴절되도록 설계된 경우에 대해서 설명하였다. 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10)은 렌즈(lens), 파장판, 빔쉐이퍼, 홀로그램 등 빛을 용이하게 조절할 수 있는 효과적인 파면형태 조절기로 설계될 수 있다. 예컨대, 이는 다양한 공간적인 위상변이 분포를 갖도록 복수의 단위 셀(u)을 배열함으로써 달성될 수 있다.
이하에서는 집속 렌즈(focusing lens)로 구현되는 실시예에 따른 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)에 대해서 간단히 설명한다.
도5a는 x축에서 단위 셀 회전각도의 제2변화에 따른 투과 빛의 위상변이를 나타내는 그래프이다. 도5a에서, 단위 셀의 회전각도는 x축 방향의 위치 "0"으로부터 멀어지는 양방향에서 포물선 분포(parabolic profile)로 변화한다. 도5a에서 "0"위치에 배치된 단위 셀(u)을 중심으로 양방향 단위 셀의 회전 각도가 대칭되게 변화된다. "0"위치의 단위 셀(u)은 회전각도가 0°이며, "0"위치를 중심으로 x축에서 "0"위치로부터 멀어지는 방향으로 갈수록 회전각도가 증가하는 크기가 커지도록 단위 셀이 배열된다.
도5a의 상단 그래프와 같이 포물선 형태로 단위 셀(u)의 회전각도가 변화하도록 단위 셀(u)이 배열되는 경우, 능동형 메타표면(10)을 투과한 빛의 위상변이도 마찬가지로 도5a의 하단 그래프와 같이 포물선 형태로 변화할 수 있다. 예컨대, 소정 주파수를 갖는 입사파에 대해서 x축의 "0"위치에서 위상변이는 0°에 해당하고, x축의 "0"위치를 수직으로 지나는 투과광은 입사광과 평행한 광축(optical axis)을 갖도록 설계되었다.
도5b는 도5a의 단위 셀 배열을 갖는 능동형 메타표면에 수직으로 빛이 입사된 경우 투과 빛이 집속되는 것을 보여주는 도면이다. 도5b에 도시된 바와 같이, 도5a에서와 같이 설계된 능동형 메타표면(10)에서 입사파(IW)가 수직으로 입사되는 경우 투과파(TR)가 중앙의 한 점으로 집속될 수 있다. 이상으로부터 반복되는 단위 셀(u)의 회전각도를 공간적으로 변형하여 집속 렌즈의 기능을 하도록 능동형 메타표면(10)이 구현될 수 있음을 알 수 있다.
이와 유사하게, 능동형 메타표면(10)의 단위 셀의 배열을 변형하여, 능동형 메타표면(10)을 투과하는 투과파(TR)가 발산하도록, 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)를 설계하는 것도 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 능동형 메타표면(10) 및 이를 포함하는 광학소자(100)는 투과파가 집속하거나 발산하도록 설계되어, 렌즈의 기능을 수행하도록 구현될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 메타표면을 구성하는 각 메타 단위셀을 회전에 따른 위상차이를 발생하는 메타표면 구조가 를 제안한다. 또한, 전기적 조절에 따라 광특성이 변화 가능한 얇은 소재가 적용된다. 또한, 특정한 편광, 파장대, 반사 또는 투과 형태에 국한되지 않도록 측면 게이트 형태로 제안된다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 능동형 메타표면
11: 금속층
12: 그래핀 필름
20: 지지층
40: 유전물질층
50: 제1전극
60: 기판

Claims (15)

  1. 능동형 메타표면으로서,
    평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층; 및
    상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름;을 포함하며,
    상기 단위 셀의 회전각도에 따라서 입사파에 대한 상기 능동형 메타표면을 통과한 투과파의 위상변이가 결정되고,
    상기 그래핀 필름에 인가되는 전기신호를 통해 상기 투과파의 크기가 조절 가능한,
    능동형 메타표면.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 U자 구멍 형상을 가지며, 상기 복수의 단위 셀은 상기 투과파가 소정 굴절각을 갖도록 배치되는, 능동형 메타표면.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위 셀의 회전각도가 상기 평면상의 제1방향에서 선형적으로 변하도록 상기 복수의 단위 셀이 배치되는, 능동형 메타표면.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 입사파의 주파수에 따라 상기 굴절각이 변하는, 능동형 메타표면.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 U자 구멍 형상을 가지며, 상기 복수의 단위 셀은 상기 투과파가 집속하거나 발산하도록 배치되는, 능동형 메타표면.
  6. 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층 및 상기 금속층에 접하여 배치되는 그래핀 필름을 포함하는 능동형 메타표면;
    상기 능동형 메타표면 상에 위치하는 유전물질층; 및
    상기 유전물질층에 접하며 상기 그래핀 필름과 이격되어 배치되는 제1전극을 포함하는,
    광학소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀 필름에 접하여 배치되는 제2전극을 더 포함하는, 광학소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 능동형 메타표면 하부에 배치되는 폴리이미드층을 더 포함하며, 상기 제1전극은 상기 폴리이미드층 상에 배치되는, 광학소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유전물질층은 이온겔(ion-gel)로 형성된, 광학소자.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 셀의 회전각도에 따라서 입사파에 대한 상기 능동형 메타표면을 통과한 투과파의 위상변이가 결정되고,
    상기 그래핀 필름에 인가되는 전기신호를 통해 상기 투과파의 크기가 조절 가능한,
    광학소자.
  11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 U자 구멍 형상을 가지며, 상기 복수의 단위 셀은 상기 능동형 메타표면을 투과하는 투과파가 소정 각도로 굴절하거나, 집속하거나 또는 발산하도록 배치되는, 광학소자.
  12. 기판상에 지지층을 형성하는 단계;
    상기 지지층 상에 그래핀 필름을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 필름 상에, 평면상에 반복 배열된 복수의 단위 셀이 형성된 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층 상에 유전물질층을 형성하는 단계를 포함하는,
    광학소자 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지층 상에 위치하고 상기 유전물질층에 의해 상기 그래핀 필름과 이격되어 배치되는 제1전극을 형성하는 단계를 더 포함하는, 광학소자 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 그래핀 필름을 형성하는 단계는 전사방식에 의해 수행되며,
    상기 그래핀 필름을 형성하는 단계는 상기 그래핀 필름에 접하여 배치되는 제2전극을 형성하는 단계를 더 포함하는, 광학소자 제조방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지층은 폴리이미드로 형성된, 광학소자 제조방법.
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