KR101912592B1 - 주파수 변환 메타표면을 포함한 메타물질 - Google Patents

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손재현
이강희
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한국과학기술원
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Abstract

실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 반 절연물질을 포함하는 기판; 상기 기판의 상에 배치되고, 제1 공진 주파수에서 공진하는 제1 공진부; 상기 기판의 상에 배치되고, 상기 제1 공진부와 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수에서 공진하는 제2 공진부; 및 상기 기판, 상기 제1 공진부 및 상기 제2 공진부 상에 배치되고, 개구부를 갖는 다수의 유전체층;을 포함하고, 상기 기판은 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부 사이에 배치된 노출면을 포함하고, 상기 다수의 유전체층의 개구부는 상기 기판의 노출면 상에 형성된다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 입사파가 들어오는 와중에, 입사파의 중심 주파수보다 더 빠른 속도로 급작스럽게 공진 주파수를 변경할 수 있다.

Description

주파수 변환 메타표면을 포함한 메타물질{METAMATERIAL COMPRISING META-SURFACE CONVERTING FREQUENCY}
본 발명은 메타물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사파의 중심 주파수와 다른 중심 주파수를 갖는 출력파를 출력할 수 있는 메타표면을 포함한 메타물질에 관한 것이다.
메타물질(Metamaterial)이란 빛의 파장보다 충분히 작은 구조를 주기적으로 배열한 물질로서 물질의 특성이 고유의 자연적 성질보다 주기적인 구조에 의해 더 큰 영향을 받는 물질을 일컫는다.
이러한 메타물질을 이용하면, 자연계에서 관측하기 어려운 음 굴절률(negative refractive index), 0 굴절률(zero refractive index), 매우 큰 굴절률(high refractive index), 투명 클로킹(invisible cloaking), 강한 카이랄성(strong chirality), 및 쌍곡 분산 곡선(hyperbolic dispersion) 등의 다양한 광학적 특성을 만들 수 있기 때문에, 메타물질에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
물리적 시스템에서 에너지 변환은 노 에테르의 정리(Noether's theorem)에 따라 시간 변환 불변성을 깨뜨리는 것이 필요하다. 대칭-보존 관계와 밀접하게 관련되어, 전자기파의 주파수는 파동이 일시적으로 변화하는 매체를 통해 전파함에 따라 변환되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 전자기파가 전파되는 인위적 또는 자연적 매체의 효과적인 시간의 제어는 선형 주파수 변환의 중심에 놓여있다.
스펙트럼 분산, 공간적 이형성(spatial inhomogeneity) 등과 같은 시간에 따라 변하는 매체의 다양한 물리적 조건 하에서 이러한 선형 주파수 변환을 이해하기 위한 지속적인 이론적 노력이 이루어지고 있다.
해결하고자 하는 과제는, 입사파의 중심 주파수와 다른 중심 주파수를 갖는 출력파를 생성할 수 있는 메타표면을 포함한 메타물질을 제공한다.
또한, 주파수 변환 효율이 입사파의 강도에 따라 변하지 않는 메타표면을 포함한 메타물질을 제공한다.
또한, 주파수 변환 과정에서 입사되는 파들 사이의 에너지 보존을 필요로 하지 않고, 시간적으로 구별되는 분산 응답을 나타내도록 메타표면을 재구성할 수 있는 메타표면을 포함한 메타물질을 제공한다.
또한, 주파수 변환된 출력파의 위상을 제어할 수 있는 메타표면을 포함한 메타물질을 제공한다.
실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 메타표면; 상기 메타표면에 배치되고, 제1 공진 주파수를 갖는 제1 공진부; 및 상기 메타표면에 배치되고, 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수를 갖는 제2 공진부;를 포함하고, 상기 메타표면으로 입사되는 제어파에 의해, 상기 메타표면으로 입사되는 입사파의 중심 주파수가 변환된다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 입사파가 들어오는 와중에, 입사파의 중심 주파수보다 더 빠른 속도로 급작스럽게 공진 주파수를 변경할 수 있다.
여기서, 상기 변환된 입사파의 중심 주파수는, 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 사이의 소정의 주파수일 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 사용자가 원하는 공진 주파수를 쉽고 간편하게 설계할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 반 절연물질을 포함하고, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부가 서로 이격되어 배치된 상면을 포함하는 기판; 및 상기 기판, 상기 제1 공진부 및 상기 제2 공진부 상에 배치되고, 개구부를 갖는 다수의 유전체층;을 포함하고, 상기 기판은 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부 사이에 배치된 노출면을 포함하고, 상기 다수의 유전체층의 개구부는 상기 기판의 노출면 상에 형성된다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 입사파가 들어오는 와중에, 입사파의 중심 주파수보다 더 빠른 속도로 급작스럽게 공진 주파수를 변경할 수 있다.
여기서, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부는 선폭이 일정한 링 형상의 금속이고, 절단된 일 부분을 갖고, 상기 제1 공진부의 선폭은 상기 제2 공진부의 선폭과 다르고, 상기 제1 공진부는 상기 제2 공진부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 구조가 심플한 메타표면을 형성할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 개구부의 최단 폭과, 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 노출면의 양단 사이의 이격 거리는, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부 사이의 이격 거리와 상기 제1 공진부의 양단 사이의 이격 거리보다 클 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 캐리어 확산, 제조 중 오정렬 및 펌프 펄스의 회절과 같은 원하지 않는 부작용을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 기판 상에 배치되고, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부를 덮는 패시베이션층을 포함하고, 상기 다수의 유전체층은 상기 패시베이션층 상에 배치될 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 제1 공진부와 제2 공진부를 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 개구부는 상기 노출면에 인접한 상기 제1 공진부의 일부 영역과 상기 노출면에 인접한 상기 제2 공진부의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 개구부를 더 확장시킬 수 있고, 제어파를 기판의 노출면으로 입사될 수 있는 확률을 더 높일 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 다수의 유전체층은 한 쌍의 제1 유전체층과 제2 유전체층이 다수로 적층되고, 상기 제1 유전체층을 구성하는 물질과 상기 제2 유전체층을 구성하는 물질은 서로 다를 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 둘 이상의 중심 주파수를 갖는 제어파를 반사 또는 흡수하여 다수의 유전체층 아래에 배치된 제1 공진부와 제2 공진부로 제어파가 도달하지 못하게 할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 제어파가 상기 노출면으로 입사되면, 상기 노출면을 포함한 상기 기판의 일부 영역이 전도성으로 변화되어 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부가 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 입사파가 들어오는 와중에, 입사파의 중심 주파수보다 더 빠른 속도로 급작스럽게 공진 주파수를 변경할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 제어파가 입사되는 시간에서 입사파가 입사되는 시간을 뺀 시간으로 정의되는 지연 시간이, 0보다 크거나 같고 소정 시점보다 작거나 같으면, 상기 메타표면은 상기 변환된 입사파의 중심 주파수를 갖는 출력파를 생성하고, 상기 소정 시점은 상기 입사파의 파워(power)가 최대값에서 3dB 떨어진 시점일 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 입사되는 입사파의 중심 주파수를 변경할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 상기 지연 시간이 0보다 작으면, 상기 메타표면은 상기 입사파를 변조할 수 있다. 이러한 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질에 의하면, 변조된 변조파를 얻을 수 있는 이점이 있다.
실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질을 사용하면, 입사파의 중심 주파수와 다른 중심 주파수를 갖는 출력파를 생성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 주파수 변환 효율이 입사파의 강도에 따라 변하지 않는 이점이 있다. 따라서, 비선형 물질이나 비선형 메타 물질에서 주파수 변환의 경우와는 달리 입사파의 강도가 약한 파동의 주파수 변환에 특히 유용할 수 있다.
또한, 주파수 변환 과정에서 입사되는 파들 사이의 에너지 보존을 필요로 하지 않고, 시간적으로 구별되는 분산 응답을 나타내도록 메타표면을 재구성할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 주파수 변환된 출력파의 주파수 및 효율을 조정 가능하다.
또한, 주파수 변환된 출력파의 위상을 2π 라디안으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 새로운 위상 감지 응용 프로그램을 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 메타표면을 포함한 메타물질의 상세 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 메타표면을 포함한 메타물질의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 평면도에서 유전체부(150)을 형성하기 전의 평면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 기판(110)에 다수개의 제1 및 제2 공진부(130, 140)가 배열된 것을 보여주는 광학 현미경 사진이다.
도 6 내지 도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 구동 모드를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 도 6 내지 도 7에 도시된 제1 모드와 제3 모드에서의 제1 공진 주파수(ω1), 제2 공진 주파수(ω2) 및 병합된 공진 주파수(ωm)의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9는 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)에 따른 진폭 전송(Amplitude Transmission)을 보여주는 그래프이다.
도 10은 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)에 따른 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 주파수 특성을 보여주는 진폭 전송 스펙트럼(Amplitude Transmission spectra)이다.
도 11은 도 8의 병합된 공진 주파수(ωm)에서 지연 시간(td)에 따른 진폭 전송(Amplitude Transmission)을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되는 제어파의 다양한 펌프 플루언스 레벨(pump fluence levels)에 따른 진폭 전송을 보여주는 그래프이다.
도 13의 (a) 내지 (d)은 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)을 통해 주파수 변환된 출력파의 복소 진폭(complex amplitudes)의 궤적(trajectory)을 보여주는 도면들이다.
도 14는 단일 대역(중심 주파수 ω1)의 입사파를 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 및 크기를 실험을 통해 얻은 시뮬레이션 결과들이다.
도 15는 이중 대역(중심 주파수 ω1 및 ω2)의 입사파를 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 및 크기를 실험을 통해 얻은 시뮬레이션 결과들이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 형태의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질은 메타표면을 포함한다. 메타표면은 본 발명에 따른 메타물질의 표면 또는 입사파와 제어파가 입사되는 일 면일 수 있다. 메타표면에는 적어도 2개의 제1 공진부와 제2 공진부가 배치된다. 제1 공진부와 제2 공진부는 서로 다른 공진 주파수를 갖는다. 메타표면으로 입사되는 제어파에 의해, 메타표면으로 입사되는 입사파의 중심 주파수가 변환된다. 좀 더 구체적으로, 입사파가 메타표면으로 입사되는 동안에 소정의 제어파가 메타표면으로 입사되면, 본 발명에 따른 메타물질의 메타표면은 입사되는 입사파의 중심 주파수를 변환할 수 있다. 본 발명에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 입사파의 중심 주파수에 무관하게 입사파의 중심 주파수를 변환할 수 있는 이점이 있다. 여기서, 변환된 입사파의 중심 주파수는 제1 공진부의 제1 공진 주파수와 제2 공진부의 제2 공진 주파수 사이의 소정의 주파수일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 실시 형태를 첨부된 도면들을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 단면 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 메타표면을 포함한 메타물질의 상세 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 메타표면을 포함한 메타물질의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 평면도에서 유전체부(150)을 형성하기 전의 평면도이고, 도 5는 도 1에 도시된 기판(110)에 다수개의 제1 및 제2 공진부(130, 140)가 배열된 것을 보여주는 광학 현미경 사진이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 기판(110), 제1 공진부(130), 제2 공진부(140) 및 유전체부(150)을 포함한다.
기판(110)은 반 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 갈륨비소(GaAs)일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 다른 반 절연물질로도 구성될 수 있다.
기판(110)의 상면은 노출면(115)을 포함한다. 노출면(115)은 서로 이격되어 배치된 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)에 의해 형성되는 면을 의미한다. 노출면(115)은 유전체부(150)의 개구부(157)를 통해서 외부에 노출된다.
노출면(115)으로 외부로부터의 소정의 제어파, 예를 들어, 펌프 펄스(pump pluses)가 입력될 수 있다. 노출면(115)으로 상기 펌프 펄스가 입력되면, 펌프-유도된 광전자(photocarrier)의 생성으로 인해 노출면(115)을 포함한 기판(110)의 일정 영역이 전도성으로 변화된다. 노출면(115)을 포함한 기판(110)의 일정 영역이 전도성으로 변화되면, 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)가 서로 전기적으로 연결되어 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은 병합된 공진 주파수(ωm)를 갖게 된다. 여기서, 병합된 공진 주파수(ωm)는 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(ω1)과 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(ω2) 사이의 임의의 주파수를 갖는다.
상기 소정의 펌프 펄스에 의해서, 노출면(115)을 포함한 기판(110)의 일정 영역의 전도도의 변화는 수백 펨토초(hundreds of femtoseconds) 이내에 일어나고 변화된 전도도는 수십 피코 초(several tens of picoseconds) 이상 유지될 수 있다.
노출면(115)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 양단을 가질 수 있다. 노출면(115)의 양단 사이의 이격 거리(c0)는 유전체부(150)의 개구부(157)의 최단 폭(w0)보다 작을 수 있다.
제1 공진부(130)는 기판(110) 상에 배치된다. 예를 들어, 제1 공진부(130)는 기판(110)의 상면에 배치될 수 있다.
제1 공진부(130)는 기판(110)의 상면에 소정 형상으로 패턴화된 것일 수 있다. 제1 공진부(130)는 소정의 금속으로 구성되고, 선폭이 일정한 사각형의 링 형상이되 일부가 절단된 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 공진부(130)는 스프릿 링 공진기(Sprit Ring Resonator, SRR)일 수 있다.
제1 공진부(130)는 제2 공진부(140)로부터 소정 간격(g) 이격되며, 제2 공진부(140)를 둘러싼다.
제1 공진부(130)는 제1 공진 주파수(ω1)을 갖는다. 제1 공진 주파수(ω1)는 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(ω2)와 다르다. 예를 들어, 제1 공진 주파수(ω1)는 제2 공진 주파수(ω2)보다 작을 수도 있고, 반대로 클 수도 있다.
제1 공진부(130)의 두께(a)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체부(150)의 패시베이션층(151)의 두께(b)보다 작을 수 있다.
제1 공진부(130)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가로 폭(L1)과 세로 폭이 동일하고, 제1 공진부(130)의 가로 폭(L1)은 제2 공진부(140)의 가로 폭(L2)보다 크다.
제1 공진부(130)의 선폭(W1)은 일정하며, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 공진부(140)의 선폭(W2)보다 작을 수 있다.
제1 공진부(130)의 양단 사이의 이격 거리는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 공진부(140)의 양단 사이의 이격 거리(c)와 같을 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 공진부(130, 140)의 양단은 사각형의 링 형상의 제1 및 제2 공진부(130, 140)의 일부가 절단됨으로써 형성되는 서로 마주보는 일 단과 타 단을 의미한다.
제2 공진부(140)는 기판(110) 상에 배치된다. 예를 들어, 제2 공진부(140)는 기판(110)의 상면에 배치될 수 있다.
제2 공진부(140)는 기판(110)의 상면에 소정 형상으로 패턴화된 것일 수 있다. 제2 공진부(140)는 소정의 금속으로 구성되고, 선폭이 일정한 사각형의 링 형상이되 일부가 절단된 것일 수 있다. 예를 들어, 제2 공진부(140)는 스프릿 링 공진기(Sprit Ring Resonator, SRR)일 수 있다.
제2 공진부(140)는 제1 공진부(130)로부터 소정 간격(g) 이격되며, 제1 공진부(130)에 의해 둘러싸인다.
제2 공진부(140)에서 절단된 일부는 제1 공진부(130)의 절단된 일부와 같은 방향으로 배치될 수 있다.
제2 공진부(140)는 제2 공진 주파수(ω2)을 갖는다. 제2 공진 주파수(ω2)는 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(ω1)와 다르다.
제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)는 금(Au)일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며 금(Au)을 대체할 수 있는 금속은 어느 것이나 가능하다.
유전체부(150)은 기판(110), 제1 공진부(130) 및 제2 공진부(140) 상에 배치된다.
유전체부(150)은 패시베이션층(151)을 포함할 수 있다. 패시베이션층(151)은 기판(110) 상에 배치되며, 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)를 덮는다. 패시베이션층(151)의 두께(b)는 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)의 두께(a)보다 크다.
패시베이션층(151, passivation layer)은 제1 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질은 이산화 규소(SiO2)일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
패시베이션층(151) 상에 다수의 유전체층(153, 155)이 배치된다.
유전체부(150)은 다수의 유전체층(153, 155)을 포함한다. 여기서, 유전체부(150)는 패시베이션층(151)을 더 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수 있다.
다수의 유전체층(153, 155)은 한 쌍의 제1 유전체층(153)과 제2 유전체층(155)이 다수개 적층된 것을 포함한다.
제2 유전체층(155)은 제1 유전체층(153) 상에 배치된다. 최하단에 배치된 제1 유전체층(153)이 패시베이션층(151)에 배치된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유전체층(153)의 두께(d)는 제2 유전체층(155)의 두께(e)보다 작을 수 있다.
제1 유전체층(153)은 제2 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 물질은 이산화 타이타늄(TiO2)일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 유전체층(155)은 제2 물질과 다른 제1 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질은 이산화 규소(SiO2)일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
다수의 유전체층(153, 155)은 기판(110)의 노출면(115) 상에 형성되는 개구부(157)를 갖는다.
여기서, 다수의 유전체층(153, 155)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 노출면(115)뿐만 아니라 제1 공진부(130)의 일부 영역 및 제2 공진부(140)의 일부 영역 상에 형성되는 개구부(157)를 가질 수 있다. 여기서, 제1 공진부(130)의 일부 영역과 제2 공진부(140)의 일부 영역은 기판(110)의 노출면(115)에 인접한 영역이다.
도 3에 도시된 개구부(157)의 최단 폭(w0)은, 도 4에 도시된 제1 공진부(130)과 제2 공진부(140) 사이의 이격 거리(g)보다 클 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 개구부(157)의 최단 폭(w0)은 제1 공진부(130)과 제2 공진부(140) 사이의 이격 거리(g)와 동일할 수도 있다.
개구부(157)의 최단 폭(w0)과, 도 3에 도시된 개구부(157)를 통해 노출되는 노출면(115)의 양단 사이의 이격 거리(c0) 각각은, 캐리어 확산, 제조 중 오정렬 및 펌프 펄스의 회절과 같은 원하지 않는 부작용을 최소화하기 위해서, 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140) 사이의 이격 거리(g)와 제1 및 제2 공진부(130, 140)의 양단 사이의 이격 거리(c)보다 크다.
도 1 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질은 메타표면을 포함한다. 메타표면은 도 3에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질의 표면을 의미하거나, 입사파와 제어파가 입사되는 일 면을 의미할 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 전자기파(electromagnetic wave)와 같은 입사파의 중심 주파수를 변환(conversion)하여 투과 또는 반사시킬 수 있다. 다시 말해, 전자기파(electromagnetic wave)와 같은 입사파가 입사되는 와중에, 입사파의 중심 주파수보다 훨씬 빠른 속도로 급작스럽게 공진 주파수를 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 입사파의 중심 주파수와 관계없이, 입사파를 미리 설계된 공진 주파수로 발진시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질로는 적어도 2개의 파(wave)가 입사된다. 여기서, 입사되는 2개의 파는 '입사파'와 '제어파'로 정의될 수 있다. 예를 들어, 입사파는 테라헤르츠(THz) 단위의 전자기파일 수 있으나, 주파수 단위가 테라헤르츠로 제한되는 것은 아님에 유의해야 한다. 제어파는 기판(110)에 광전자(photocarrier)를 생성하게 하는 펌프 펄스(pump pluses)일 수 있다. 예를 들어, 제어파는 레이저 펄스 또는 펨토초 레이저일 수 있다. 제어파는 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 노출면(115)을 포함한 기판(110)의 일정 영역의 전도도를 급격히 향상시켜 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질을 이용하면, 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)에 따라 입사파의 주파수를 변환할 수 있다.
지연 시간(td)은 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질의 메타표면을 입사되는 시간(t1)에서 입사파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질의 메타표면을 입사되는 시간(t2)를 뺀 시간(t1-t2)로 정의된다.
지연 시간(td)이 0보다 크거나 같고, 소정 시간(t3)보다 작거나 같은(0≤td≤t3) 범위 내를 만족하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질이 입사파의 주파수를 변환할 수 있다. 여기서, 지연 시간(td)이 0이라는 의미는 입사파와 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질의 메타표면에 거의 동시에 입사된 것을 의미하거나, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질의 메타표면에 입사된 입사파의 파워(power)가 최대가 되는 시간에 제어파가 입사된 것을 의미할 수 있다. 또한, 소정 시간(t3)은 입사파의 파워(power)가 최대값에서 3dB 떨어진 시점을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 상기 지연 시간(td)이 '0≤td≤t3'을 만족하면, 입사파의 주파수를 변환할 수 있다. 한편, 상기 지연 시간(td)이 0보다 작거나(td<0) t3보다 크면(td>t3), 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은 다른 모드(mode)로 구동할 수 있다. 이를 구체적으로 설명하기 위해서, 도 6 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6 내지 도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 구동 모드를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질은, 도 6의 (a)와 도 7의 (a)에 도시된 제1 모드, 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 제2 모드, 및 도 6의 (c)와 도 7의 (c)에 도시된 제3 모드로 구동할 수 있다.
설명의 편의상, 제2 모드를 먼저 설명한다. 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 제2 모드는, 입사파(10)의 주파수가 변환되는 '주파수 변환 모드'일 수 있다. 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 시간의 경계(temporal boundary)는 펌프 펄스(pump pluses)와 같은 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면에 가해지는 시점으로서, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 전도율이 급격하게 변하는 시점을 의미한다.
제2 모드는, 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)가 '0≤td≤t3'을 만족한다. 여기서, 지연 시간(td)이 0이라는 의미는 입사파(10)와 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면에 거의 동시에 입사된 것을 의미하고, 소정 시간(t3)은 입사파의 파워(power)의 최대값으로부터 3dB 떨어진 시점을 의미한다.
제2 모드에서는, 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은 입사파(10)의 중심 주파수와 다른 중심 주파수(ωt)를 갖는 새로운 출력파(50)를 생성한다. 여기서, 출력파(50)의 중심 주파수(ωt)는 도 1 내지 도 5에 도시된 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(ω2) 사이의 임의의 주파수일 수 있다. 또한, 출력파(50)는 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)을 투과하는 투과파일 수도 있고, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면을 반사하는 반사파일 수 있다.
도 6의 (a)와 도 7의 (a)에 도시된 제1 모드는, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면에 입사파(10)가 입사된 후 충분한 시간이 경과된 이후에 제어파가 입사된 경우이다. 이러한 제1 모드는 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되지 않은 경우의 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면의 응답을 보여준다. 제1 모드에서 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은 도 1 내지 도 5에 도시된 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(ω2)에서 진폭 전송(Amplitude Transmission)이 최소가 되는 '기본 모드'로 구동한다. 제1 모드에서 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은 입사파(10)를 미리 설계된 출력파(10')로 출력한다.
도 6의 (c)와 도 7의 (c)에 도시된 제3 모드는, 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면에 입사파(10)가 입사되기 전에 제어파가 입사된 경우이다. 이러한 제3 모드는 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되어 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 전도율 변경된 것을 보여준다. 제3 모드에서 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은 병합된 하나의 공진 주파수(ωm)에서 진폭 전송(Amplitude Transmission)이 최소가 되는 '변조 모드'로 구동한다. 제3 모드에서 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은 입사파(10)를 변조한 변조파(10'')를 출력한다. 여기서, 병합된 하나의 공진 주파수(ωm)는 제어파에 의해서 도 1 내지 도 5에 도시된 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)가 전기적으로 연결되어 하나의 공진기로 기능한다. 병합된 하나의 공진 주파수(ωm)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(ω2) 사이의 임의의 주파수를 갖는다. 한편, 병합된 하나의 공진 주파수(ωm)는, 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 출력파(50)의 중심 주파수(ωt)와 다른 주파수일 수도 있고, 같은 주파수일 수도 있다.
도 8은 도 6 내지 도 7에 도시된 제1 모드와 제3 모드에서의 제1 공진 주파수(ω1), 제2 공진 주파수(ω2) 및 병합된 공진 주파수(ωm)의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제3 모드의 병합된 공진 주파수(ωm)가 제1 모드의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 사이에 존재함을 확인할 수 있다.
도 9는 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)에 따른 진폭 전송(Amplitude Transmission)을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 'td=15ps'는, 제1 모드로서, 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되지 않거나, 입사파(THz)가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사된 후 충분한 시간이 경과된 후에 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사된 경우이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은, 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(0.5 ~ 1.0 THz 사이)와 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(1.0 ~ 1.5 THz 사이)에서 공진 특성을 갖는다.
'td=2ps'는, 제2 모드로서, 입사파(THz)가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되고, 소정 시간 이내에 제어파가 입사된 경우이다. 새로운 중심 주파수를 갖는 소정의 출력파가 생성됨을 확인할 수 있다.
'td=-4ps'는, 제3 모드로서, 입사파(THz)가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되기 전에 제어파가 입사된 경우이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)은, 제1 공진부(130)의 제1 공진 주파수(0.5 ~ 1.0 THz 사이)와 제2 공진부(140)의 제2 공진 주파수(1.0 ~ 1.5 THz 사이) 사이의 하나의 병합된 공진 주파수에서 공진 특성을 갖는다.
도 10은 입사파와 제어파 사이의 지연 시간(td)에 따른 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 주파수 특성을 보여주는 진폭 전송 스펙트럼(Amplitude Transmission spectra)이다.
도 10을 참조하면, 도 9에서 설명한 바와 같이, 지연 시간에 따라 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 주파수 특성을 확인할 수 있다.
도 11은 도 8의 병합된 공진 주파수(ωm)에서 지연 시간(td)에 따른 진폭 전송(Amplitude Transmission)을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 입사되는 제어파의 다양한 펌프 플루언스 레벨(pump fluence levels)에 따른 진폭 전송을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 제어파가 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)의 메타표면으로 가해지지 않는 경우(no pump), 도 8의 제1 모드와 동일한 그래프 파형을 보임을 확인할 수 있다. 또한, 제어파의 펌프 플루언스 레벨이 커질수록 도 8의 제3 모드와 유사한 그래프 파형으로 변화됨을 확인할 수 있다.
도 13의 (a) 내지 (d)은 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)을 통해 주파수 변환된 출력파의 복소 진폭(complex amplitudes)의 궤적(trajectory)을 보여주는 도면들이다.
도 13의 (a)는 협대역의 단일의 낮은 중심 주파수(ω1)를 갖는 입사파를 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)을 통해 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 궤적이다. 도 13의 (a)를 참조하면, (ω-ω1)와 (ω+ω1)의 주파수에서 시계 반대 방향으로 회전하는 두 개의 복소 궤적들이 중첩되어 꽃 모양과 유사하게 전개되는 위상 궤적(phsor trajectory)이 생성됨을 확인할 수 있다.
도 13의 (b)는 협대역의 단일의 높은 중심 주파수(ω2)를 갖는 입사파를 본 발명의 실시 형태에 따른 메타물질(100)을 통해 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 궤적이다. 도 13의 (b)를 참조하면, (ω-ω2)와 (ω+ω2)의 주파수에서 서로 반대 방향으로 회전하는 복소 궤적들이 중첩되어 불가사리의 모양과 유사하게 전개되는 위상 궤적이 생성됨을 확인할 수 있다.
도 13의 (c)는 도 13의 (a)의 복소 궤적과 도 13의 (b)를 복소 궤적을 중첩한 것을 보여주는 도면이다.
도 13의 (d)는 도 13의 (c)를 실제 실험을 통해 얻은 복소 궤적을 보여준다. 도 13의 (d)를 참조하면, 전체적인 외형은 도 13의 (c)와 유사하지만, α와 φ가 현실적인 값을 갖기 때문에, 세부적인 형상이 다름을 확인할 수 있다.
도 14는 단일 대역(중심 주파수 ω1)의 입사파를 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 및 크기를 실험을 통해 얻은 시뮬레이션 결과들이다.
도 14의 a는 ωm 에서 지연 시간(td)에 따른 복소 궤적을 보여주고, b는 복소 진폭의 진화 스펙트럼(evolutionary spectrum)이다. 푸리에 변환은 지연 시간(td)에 따라 수행된다. c는 0.8 ~ 1 THz의 스펙트럼 범위에 대한 복소 진폭의 크기를 보여주고, d는 ωm에서 복소 진폭의 크기를 보여주고, e는 ωm에서 복소 진폭의 크기의 이론적 계산을 보여준다.
도 15는 이중 대역(중심 주파수 ω1 및 ω2)의 입사파를 주파수 변환한 출력파의 복소 진폭 및 크기를 실험을 통해 얻은 시뮬레이션 결과들이다.
도 15의 f는 ωm 에서 지연 시간(td)에 따른 복소 궤적을 보여주고, g는 복소 진폭의 진화 스펙트럼(evolutionary spectrum)이다. h는 0.8 ~ 1 THz의 스펙트럼 범위에 대한 복소 진폭의 크기를 보여주고, i는 ωm에서 복소 진폭의 크기를 보여주고, j는 ωm에서 복소 진폭의 크기의 이론적 계산을 보여준다.
도 1 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 형태에 따른 메타표면을 포함한 메타물질의 제조 방법을 설명한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 포토리소그래피와 리프트오프 공정을 사용하여 소정 두께의 금(Au)을 패터닝하여 기판(110)에 제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)를 형성한다.
제1 공진부(130)와 제2 공진부(140)를 패시베이션하기 위해서, 소정 두께의 이산화 규소(SiO2)를 리프트오프 공정 후에 증착하여 패시베이션층(151)을 형성한다.
패시베이션층(151) 상에 한 쌍의 제1 유전체층(153)과 제2 유전체층(155)을 다수개가 증착하여, 800nm 파장에서 99 % 이상의 입사광을 차단하는 브래그 미러(Bragg mirror)를 형성한다.
사불화탄소(CF4)를 이용한 반응성 이온 식각(RIE) 공정을 사용하여 다수의 유전체층(153, 155)에 개구부(157)을 형성한다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 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.
100: 메타물질
110: 기판
130: 제1 공진부
140: 제2 공진부
150: 유전체부

Claims (11)

  1. 메타표면;
    상기 메타표면에 배치되고, 제1 공진 주파수를 갖는 제1 공진부; 및
    상기 메타표면에 배치되고, 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수를 갖는 제2 공진부;를 포함하고,
    상기 메타표면으로 입사되는 제어파에 의해, 상기 메타표면으로 입사되는 입사파의 중심 주파수가 변환되는, 메타표면을 포함한 메타물질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환된 입사파의 중심 주파수는, 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 사이의 소정의 주파수인, 메타표면을 포함한 메타물질.
  3. 제 1 항에 있어서,
    반 절연물질을 포함하고, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부가 서로 이격되어 배치된 상면을 포함하는 기판; 및
    상기 기판, 상기 제1 공진부 및 상기 제2 공진부 상에 배치되고, 개구부를 갖는 다수의 유전체층;을 포함하고,
    상기 기판은 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부 사이에 배치된 노출면을 포함하고,
    상기 다수의 유전체층의 개구부는 상기 기판의 노출면 상에 형성된, 메타표면을 포함한 메타물질.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부는 선폭이 일정한 링 형상의 금속이고, 절단된 일 부분을 갖고,
    상기 제1 공진부의 선폭은 상기 제2 공진부의 선폭과 다르고,
    상기 제1 공진부는 상기 제2 공진부를 둘러싸도록 배치된, 메타표면을 포함한 메타물질.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 개구부의 최단 폭과, 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 노출면의 양단 사이의 이격 거리는, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부 사이의 이격 거리와 상기 제1 공진부의 양단 사이의 이격 거리보다 큰, 메타표면을 포함한 메타물질.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부를 덮는 패시베이션층을 포함하고,
    상기 다수의 유전체층은 상기 패시베이션층 상에 배치된, 메타표면을 포함한 메타물질.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 노출면에 인접한 상기 제1 공진부의 일부 영역과 상기 노출면에 인접한 상기 제2 공진부의 일부 영역 상에 형성된, 메타표면을 포함한 메타물질.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 유전체층은 한 쌍의 제1 유전체층과 제2 유전체층이 다수로 적층되고,
    상기 제1 유전체층을 구성하는 물질과 상기 제2 유전체층을 구성하는 물질은 서로 다른, 메타표면을 포함한 메타물질.
  9. 제 3 항에 있어서,
    제어파가 상기 노출면으로 입사되면, 상기 노출면을 포함한 상기 기판의 일부 영역이 전도성으로 변화되어 상기 제1 공진부와 상기 제2 공진부가 전기적으로 연결되는, 메타표면을 포함한 메타물질.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어파가 입사되는 시간에서 입사파가 입사되는 시간을 뺀 시간으로 정의되는 지연 시간이, 0보다 크거나 같고 소정 시점보다 작거나 같으면, 상기 메타표면은 상기 변환된 입사파의 중심 주파수를 갖는 출력파를 생성하고,
    상기 소정 시점은 상기 입사파의 파워(power)가 최대값에서 3dB 떨어진 시점인, 메타표면을 포함한 메타물질.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 지연 시간이 0보다 작으면, 상기 메타표면은 상기 입사파를 변조하는, 메타표면을 포함한 메타물질.
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