KR102129858B1

KR102129858B1 - 회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치

Info

Publication number: KR102129858B1
Application number: KR1020180159476A
Authority: KR
Inventors: 김인기; 정헌영; 노준석
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-07-03
Also published as: KR20200071590A

Abstract

본 발명은 회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
본 발명은 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 구조체 그룹은 기 설정된 간격 및 각도로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써, 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능한 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

Description

회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 {DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND OPTICAL DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 회절 광학 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.

증강현실 및 가상현실 기술은 4차 산업혁명 시대에서 주목 받고 있는 연구 분야로서, 다양한 분야에서 이를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 증강현실 및 가상현실 기술을 구현하기 위한 장치에는 3D 공간상의 물체를 인식할 수 있는 장치가 필요하다. 예를 들어, 최근 스마트폰에서는 안면 인식(face recognition)을 위해 약 3만개 이상의 빛을 안면에 투사하는 도트 프로젝트(Dot projector)와 안면에 맺힌 포인트(point)들을 적외선 카메라로 읽어들여 안면 3D 맵을 생성하는 기술이 있다.

종래에는 3D 공간의 물체를 인식하기 위해, 소자의 깊이 조절을 통한 회절 효과를 만들어 내는 회절광학소자(diffractive optical elements, DOEs)를 이용하거나 또는 빛이 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리를 측정함으로써 대상을 나타내는 라이다(light detection and ranging; LIDAR)기술이 이용되었다.

그러나, 종래의 회절광학소자의 경우에는 소자의 깊이 조절을 통해 회절효과를 만들어내기 때문에 제조하는데 어려움이 있으며, 라이더(LIDAR) 기술의 경우에는 복잡하고 부피가 큰 스캐닝 시스템 때문에 장치의 소형화에 문제점이 있다.

비특허문헌: Khoshelham, K. & Elberink, S. O. Accuracy and resolution of kinect depth data for indoor mapping applications. Sensors 12, 1437-1454 (2012).

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 빔이 입사하는 방향을 포함한 360도 전 공간(full-space) 상의 물체를 인식할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 소형화 및 초 경량화가 가능한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 구조체 그룹은 기 설정된 간격 및 각도로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써, 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능한 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체의 두께(H)는 상기 광원을 통해 입사되는 빔의 파장의 절반 이하인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구조체 그룹은 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 나눠 지도록, m행 또는 n열에 배치된 인접하는 상기 나노 구조체는 기 설정된 각도 차이로 배치되는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다 (여기서, m 및 n은 자연수).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 서로 다른 각도를 가지는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 13개이고, 상기 m행 또는 n열에 배치된 인접한 나노 구조체의 각도의 차이는 6π/13 인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고, 상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 1.5 x 1.5 μm²인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 630nm이고, 상기 나노 구조체의 높이(H)는 315nm 이하인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 4개의 빔은 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 동일한 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔과 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 반대 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔으로 회절되는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고, 상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 30 x 30 μm² 이고, 상기 구조체 그룹은 복수 개로서, 연속하는 p X q 행렬로 배치되는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다 (여기서, p 및 q는 자연수).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p와 q는 각각 10인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 비정질 실리콘인 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 탄력성이 있는 소재로 형성되고, 상기 나노 구조체는 상기 기판 상에 제공되어 굽혀지거나 접혀질 수 있는 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나의 단위 셀이 하나의 픽셀을 나타내는 회절 광학 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 810nm 내지 830nm이고, 상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고, 나노 구조체의 높이(H) 310nm, 길이(L) 200nm, 폭(W)은 120nm이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 400nm인 회절 광학 소자가 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 회절 광학 소자를 포함하고, 상기 회절 광학 소자에 빔을 입사시키는 광원; 상기 광원에서 나오는 빔이 통과되는 아이리스(Iris); 상기 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔의 상이 맺히는 파필드(far field); 및 상기 반사 및 투과되는 빔을 포착하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 파필드는 투과하는 빔이 나타되는 전방 파필드 및 반사되는 빔이 나타나는 후방 파필드를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 기하학적 메타표면을 포함하는 유전체 층을 적층하는 단계; 상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계를 포함하고, 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능하도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 나노 구조체는 크롬이 증착 된 후, 리프트 오프(Lift off) 공정을 통해 구현되는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계는, 상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자 빔을 조사하는 단계 이전에 도전성 폴리머(conductive polymer)를 2000rpm으로 60초 동안 스핀-코팅하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 빔이 입사하는 방향을 포함한 360도 전 공간 상의 물체를 인식할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 소형화 및 초 경량화가 가능한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자의 일 부분을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 회절 광학 소자에 선형 편광(LP) 빔을 입사 시킨 경우, 반사 및 투과하는 빔을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 나노 구조체 각도에 따른 투과 및 반사되는 빔의 위상 지연을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2의 회절 광학 소자에 입사하는 빔의 파장에 따른 반사 및 투과되는 빔을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 회절 광학 소자에 빔을 입사시키고, 회절 광학 소자에 입사된 빔의 반사 및 투과의 경로를 나타내기 위한 광학 장치이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 나노 구조체를 가지는 단위 셀에 빔을 입사 시켰을 때, 파장에 따른 위상 차이를 나타낸다.
도 8 은 도 1의 메타 표면에 수직으로 입사하는 빔이 나노 구조체의 장축 및 단축을 따라 편광 될 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다.
도 9는 도 1의 회절 소자에 입사는 원편광(CP) 빔의 파장에 따른 반사 및 투과 효율을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사시키는 회절 광학 소자 및 이를 포함하는 광학 장치를 나타낸다.
도 11은 도 10의 회절 광학 소자에 의해 360도 전 공간에 분사된 빔의 스팟 어레이(spot arrays)를 나타낸다.
도 12는 도 11의 일부(A)를 확대한 스팟 어레이(spot arrays)를 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)의 일 부분을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 회절 광학 소자(10)에 선형 편광(LP) 빔을 입사 시킨 경우, 반사 및 투과하는 빔을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2의 나노 구조체 각도에 따른 투과 및 반사되는 빔의 위상 지연을 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔의 파장에 따른 반사 및 투과되는 빔을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 회절 광학 소자(10)에 빔을 입사시키고, 회절 광학 소자(10)에 입사된 빛의 반사 및 투과의 경로를 나타내기 위한 광학 장치(1)며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도6 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 기판(100), 기판(100) 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹(200)을 포함할 수 있으며, 구조체 그룹(200)은 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함할 수 있다. 여기서, 기하학적 메타표면은 구조체 그룹(200)에 포함된 나노 구조체가 기하학적 형상을 갖고 메타물질로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 새로운 인공소재로서, 음의 굴절률을 가져서 음굴절을 구현하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 기판(100)과 구조체 그룹(120)은 전체적으로 메타물질로서 기능할 수 있다.

또한, 본 발명의 회절 광학 소자(10)는 기판 상에 나노 구조체들이 기 설정된 각도로 회전하며 복수 개 배열된 것으로 스크램블링 메타표면(Scrambling Metasuface)으로 표현 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는, 입사하는 빔이 회절 광학 소자(10)에 도달하는 경우 투과 및 반사하는 빔으로 회절 시킬 수 있다. 예를 들어, 입사하는 빔이 회절 광학 소자(10)에 도달하는 경우 다수의 빔으로 나눠진 후 360도 전 공간(full space)에 분사될 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 도달한 빔은 90 도의 각도로 회절 될 수 있으며, 4044개가 넘는 점(spot) 또는 빛을 360도 전 공간에 흩뿌릴 수 있다.

본 발명의 메타표면에 기반한 회절 광학 소자(10)는 회절 광학 소자(10)에 도달한 빔을 투과 및 반사 방향 모두로 나눠서 회절 시킬 수 있다. 구체적으로, 종래의 메타표면을 이용한 디바이스는 빔의 투과 또는 반사 중 하나의 방향만으로 빔을 진행 시킬 수 있었으나, 본 발명의 메타표면에 기반한 회절 광학 소자(10)는 빛의 투과 및 반사 모두의 방향으로 입사하는 빔을 진행시킬 수 있다.

기판(100)은 연속된 복수 개의 단위 셀(111)로 이루어 질 수 있으며, 평면 형태의 플레이트 형상일 수 있다. 여기서, 단위 셀(111)은 하나의 나노 구조체(211)를 지지하고 있는 기 설정된 범위의 기판(100)의 일부로 정의될 수 있으며, 단위 셀(111)은 평면 방향으로 연속될 수 있다. 또한, 하나의 단위 셀(111)은 하나의 픽셀로 나타낼 수 있다. 또한, 예를 들어, 기판은 실리콘, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 의 소재로 제공될 수 있으며, 유연한(flexible) 소재로 제공될 수 있다. 즉, 기판은 탄력성 있는 유연한 기판(flexible)일 수 있다. 기판의 두께는 수 마이크미터에서 수 밀리미터까지 제공 될 수 있다.

구조체 그룹(200)은 기판(100) 상에 형성되고, 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함할 수 있다. 여기서, 하나의 나노 구조체(211)는 하나의 단위 셀(11) 상에 배치될 수 있다.

또한, 구조체 그룹(200)에 포함된 복수 개의 나노 구조체(211)는 입사된 빔이 360도 전 공간에 퍼져나가도록 기 설정된 각도를 갖고 m X n 행렬로 배치될 수 있다(여기서, m 및 n은 자연수).

구조체 그룹(200)은 비정질 실리콘으로 제공될 수 있으며, 구조체 그룹(200)은 복수 개의 나노 구조체(211)로 구성 될 수 있다. 이 때, 각각의 나노 구조체(211)는 인접한 나노 구조체(211)와 기 설정된 간격으로 이격될 수 있으며, 이 때 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 동일할 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 각 나노 구조체(211)의 평면 상 중심 사이의 거리로 이해될 수 있다. 또한, 구조체 그룹(200)에 형성되는 비정질 실리콘의 나노 구조체는 유전체 층으로 이해 될 수 있다.

또한, 본 발명의 구조체 그룹(200)은 기하학적 메타표면(geometric metasurfaces, GEMS)을 구성할 수 있다. 이때, 기하학적 메타표면(GEMS)은 기하학적 구조에 따라서 반사 및 투과되는 빛의 세기 및 위상(phase)을 임의로 조절할 수 있는 메타표면을 의미하는 것으로서, Pancharatnam-Berry (PB) 위상에 기반한 것일 수 있다.

또한, 별도의 광원에서 입사되는 빔이 나노 구조체(211)에 반사 및 투과 됨으로써 다수 개의 빔으로 나누어 질 수 있고, 반사되는 빔 및 투과되는 빔의 세기 및 위상이 제어될 수 있다. 이에 의하여, 360도 전 공간에 빔을 분사할 수 있다.

각각의 나노 구조체(211)는 높이(H), 폭(W), 길이(L)을 갖는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 여기서, 높이(H)는 입사하는 빔과 동일한 축(Z축) 상의 길이이고, 폭(W)은 XY평면상에서 짧은 변의 길이를 의미하고, 길이(L)는 긴 변의 길이로 이해될 수 있다.

나노 구조체(211)의 높이(H)는 입사하는 빔의 파장의 절반(1/2) 이하로 제공될 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔의 파장이 630nm 인 경우, 나노 구조체(211)의 높이는 315nm 이하일 수 있다.

이와 같은 나노 구조체(211)의 높이(H) 범위를 가짐으로써, 전자기 공명(electromagnetic resonances)을 일으켜 입사하는 빛의 투과 및 반사를 동시에 구현할 수 있다. 또한, 입사하는 빔의 파장의 절반 이하의 높이(H)를 같는 나노 구조체(211) 및 다수의 나노 구조체(211)를 포함하는 구조체 그룹을 가짐으로써 회절 응답성을 높일 수 있다.

또한, 나노 구조체(211)의 기하학적 변수(폭(W), 길이(L), 높이(H), 단위셀 간격(C)를 제어함으로써, 반사된 빔과 투과된 빔 사이의 전력 비율(power ratio)을 제어할 수 있다.

각각의 나노 구조체(211)는 각도

(orientation angle)를 갖고, 단위 셀(111)의 상부에 제공될 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)의 각도

(orientation angle)는 x축과 나노 구조체(211) 사이의 각도로 이해될 수 있다.

각각의 나노 구조체(211)는 입사되는 빔을 투과와 반사 모두에서, 나노 구조체(211)의 각도(

)의 두 배의 위상 지연을 갖도록 제어 될 수 있다.

구조체 그룹(200)에 포함된 복수 개의 나노 구조체(211)는 입사된 빔이 반사 및 투과되어 360도 전 공간에 퍼져나가도록 m X n 행렬로 배치될 수 있다. 여기서, m 및 n은 자연수로서, 기 설정된 값이다.

또한, 하나의 구조체 그룹(200)의 임의의 m행에 있는 연속하는 나노 구조체(211)는 기 설정된 각도의 차이를 가지고 연속적으로 배치될 수 있다.

예를 들어, 구조체 그룹(200)의 임의의 m행에는 연속하는 13개의 나노 구조체(121)를 포함할 수 있고, 인접하는 13개의 나노 구조체(211)는 6

/13 =83.077의 각도의 차이로 배치될 수 있다. 또한, 13개의 나노 구조체(211)는 1주기(one period)로 이해 될 수 있다. 여기서, 1주기(one period)란, 임의의 각도(

)를 갖는 나노 구조체(211)로부터 일 축 방향을 따라 이동 후 동일한 각도(

)를 갖는 갖는 나노 구조체(211)가 나타날 때까지의 나노 구조체의 개수(또는 구조체 그룹의 크기)로 이해될 수 있다.

구체적으로, 도 2의 구조체 그룹(200)에서 임의의 m행에는 13개의 나노 구조체들 (제1 나노 구조체(211a), 제2 나노 구조체(211b), 제3 나노 구조체(211c), 제4 나노 구조체(211d), 제5 나노 구조체(211e), 제6 나노 구조체(211f), 제7 나노 구조체(211g), 제8 나노 구조체(211h), 제9 나노 구조체(211i), 제10 나노 구조체(211j), 제11 나노 구조체(211k), 제12 나노 구조체(211l) 및 제13 나노 구조체(211m))이 각각 인접하는 나노 구조체와 각도 6π/13 차이를 이루며 배열되어 있다.

이와 같이 13개의 나노 구조체가 1주기(one period)를 이루는 경우, 구조체 그룹(200)에 포함된 하나의 나노 구조체는, 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211h)의 단위 셀(111)이 xy평면상에서 교차하는 선을 기준으로, 동일한 각도를 갖는 다른 하나의 나노 구조체를 포함할 수 있다. 즉, 구조체 그룹(200)의 13개의 나노 구조체(211)가 1주기를 이루고 있고, xy평면상에 교차하는 선을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 배치 될 수 있다. 이와 같이, 나노 구조체가 대칭으로 배치됨으로써, 선편광된 빔을 2가지의 원편광된 빔으로 나눌 수 있으며, 동일한 각도를 가지고 회절시키는 blazed grating 역할을 할 수 있다.

예를 들어, 제7 나노 구조체(211g)와 제8 나노 구조체(211h)는 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211)가 위치하는 단위 셀(111)이 교차하는 선을 기준으로 동일한 각도를 가질 수 있다. 마찬가지로, 제6 나노 구조체(211f)와 제9 나노 구조체(211i), 제5 나노 구조체(211e)와 제10 나노 구조체(211j), 제4 나노 구조체(211d)와 제11 나노 구조체(211k), 제3 나노 구조체(211c)와 제12 나노 구조체(211l), 제2 나노 구조체(211b)와 제13 나노 구조체(211m)는 제7 나노 구조체(211g) 및 제8 나노 구조체(211)가 위치하는 단위 셀(111)이 교차하는 선을 기준으로 동일한 각도를 가질 수 있다. 한편, 제1 나노 구조체(211a)는 다시 시작하는 주기(period)의 임의의 제1 나노 구조체와 동일한 각도를 갖는다.

또한, 하나의 구조체 그룹(200) 내에 존재하는 복수 개의 나노 구조체(211)는 서로 다른 각도로 배치되어 있을 수 있다.

이와 같이, 나노 구조체(211)의 각도를 셀 단위로 변경하면, 빔을 360도 전 공간 상에서 원하는 방향으로 진행 시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 나노 구조체(211)는 회절 광학 소자(10)에 의해 회절되어 나온 3D 공간상에 나타나는 점들이 회전대칭(rotational symmetry)이 되도록 설계된다. 예를 들어, 임의의 좌표 x, y 를 갖는 각 점(spot)은 좌표 -x, -y 를 갖는 점(spot)의 컨쥬게이트 점(conjugate spot)과 동일할 수 있다. 이와 같은 배열로, LCP 빔의 회절 패턴은 파 필드에서 RCP 빔의 회절 패턴과 일치하며, 회절 광학 소자(10)에 의해 회절되어 나온 3D 공간상에 나타나는 점들은 입사되는 빔의 편광 상태에 무관(insensitive)할 수 있다.

또한, 구조체 그룹(200)의 임의의 n열에 있는 나노 구조체(211) 또한 상술한 m행에 있는 나노 구조체와 마찬가지로 기 설정된 각도로 회전되어 배치되고, 주기를 이루며 배치될 수 있다.

상술한, 메타표면(metasurface)을 갖는 회절 광학 소자(10)의 작동 원리를 이해하기 위해, 아래 식 (1)로 표현되는 존스 계산식(Jones calculus)이 사용될 수 있다.

식 (1) :

여기서, r_{s ,}t_s, r_l, t_l,은 편광된 파동(wave)이 나노 구조체의 단축(short axes) 및 장축(long axes)을 따라 통과할 때의 반사 및 투과 계수이다. 또한, δ_r 및 δ_t는 각각 반사된 빔과 투과된 빔의 두 방향 또는 대각선 (thogonal) 방향 사이의 위상차(phase difference)이다.

원편광(CP) 입사광이 비추어질 때, 예를 들어 왼쪽 원편광(LCP)이 메타표면에 비추어 지면, 출력 광은 4개로 나누어 질 수 있다. 구체적으로, 동일 편광(Co-polarized beams)이라 불리는 반사와 투과 모두에 대해 위상 지연이 발생하지 않는 입사 광과 동일한 handedness를 가지는 두 개의 서브-광(sub-beams)과, 그리고 교차 편광(Cross-polarized beaams)이라 불리는 반사와 투과 모두에 대해 2φ의 위상 지연을 갖는 반대 handedness, 즉 오른쪽 원편광(RCP)을 갖는 두 개의 서브-광(sub-beams)으로 나누어 질 수 있다. 여기서, φ는 나노 구조체의 각도(orientation angle)이다.

따라서, 반사 및 투과된 빔은 원편광(CP)에 대해, 아래 수식 2(a) 및 2(b)와 같은 매트릭스 행렬로 나타낼 수 있다

2(a):

2(b):

여기서, (R_cross, T_cross) 및 (R_co, T_co)는 각각 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분 및 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분을 갖는 출력 광(반사와 투과 파장 모두)의 편광 변환 효율을 나타낸다.

또한, 편광 변환 효율은 다음 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

(3):

나노 구조체를 상술한 바와 같은 기 설정된 크기 및 각도를 갖도록 설계함으로써, 동일 편광(co-polarized) 부분이 억제 될 수 있고, 투과와 반사 사이의 교차 편광(cross-polarized) 부분의 비율이 제어 될 수 있다. 특히, T_cross= R_cross 이고 T_co = R_co = 0 이거나, 또는 등가적으로 δ_r = δ_t = π 이고 r_l = r_s = t_l = t_s 이면, 반사율과 투과율은 동일하게 나타날 수 있다. 이는 수식 2(a) 및 2(b)의 행렬에서 투과와 반사가 동일하고, 모든 입사하는 원편광(CP) 빔은 메타 표면과 수직인 두개의 반대 방향과 동일하게 이동하는 교차 편광 빔(cross-polarized beam)으로 변환된다.

또한, δ_r = δ_t = π 이고 r_l = r_s = t_l = t_s가 관찰되지 않는 동안에, 설계된 위상 제어를 가지는 최적의 편광 변환 효율이 달성될 수 있다.

도 7은 도 1의 나노 구조체를 가지는 단위 셀에 빔을 입사 시켰을 때, 파장에 따른 위상 차이를 나타낸다. 여기서, x축은 파장(wavelength)을 나타내고, y축은 위상차(Phase difference)를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 나노 구조체의 장축(long axes)과 단축(short axes)의 위상차(phase differences)는 반사와 투과 모두에서 π에 접근한다.

도 8 은 도 1의 메타 표면에 수직으로 입사하는 빔이 나노 구조체의 장축 및 단축을 따라 편광 될 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다. 여기서, r_{s ,}t_s, r_l, t_l,은 편광된 파동(wave)이 나노 구조체의 단축(short axes) 및 장축(long axes)을 따라 통과할 때의 반사 및 투과 계수를 나타낸다.

도 9는 도 1의 회절 소자에 입사는 원편광(CP) 빔의 파장에 따른 반사 및 투과 효율을 나타낸다. 여기서, R_cross 는 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분의 반사 편광 변환 효율을 나타내고, T_cross는 위상 지연을 갖는 교차 편광(cross-polarization)성분의 투과 편광 변환 효율을 나타낸다.

또한, R_co는 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분의 반사 편광 변환 효율을 나타내고, T_co는 위상 지연이 없는 동일 편광(co-polarization)성분의 투과 편광 변환 효율을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 파장 630nm에서 반사와 투과 모두 편광 변환 효율은 27 %에 이르는 반면, 0차 회절에 기여하는 동일 편광(co-polarized) 빔은 3 % 이하의 무시할 수있는 수준으로 억제 될 수있다 (반사 0.4 % 및 투과 2.6 %).

따라서 각각의 나노 구조체는 원편광(CP) 입사빔을, 투과와 반사 모두에서 나노 구조체 각도(orientation angle)의 두 배의 위상 지연을 갖는 반대 handedness로 변환 할 수 있고, 동일한 handedness를 지닌 잔여 성분은 무시할 수 있는 수준으로 제어할 수 있따.

즉, 나노 구조체의 각도를 셀 단위로 변경하면, 빔을 360도 전 공간의 원하는 방향으로 제어할 수 있다.

또한, 반사 및 투과 메트릭스는 대각선 요소에 0을 가지는 Hermitian conjugate를 가질 수 있다. 따라서, LCP와 RCP 빔에 의해 형성된 회절 패턴은, 나노 구조체가 회전 대칭(rotational symmetry)으로 설계되면, 서로 일치 할 수 있다.

이와 같은 원리를 이용하여, 광원을 통해 입사된 빔이 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 회절 되도록 하는 회절 광학 소자(10)를 구현할 수 있다. 즉 회절 광학 소자(10)는 빔 스플리터(beam spliter)와 위상 변조기(phase modulator) 기능을 동시에 수행할 수 있다.

선형 편광(LP) 빔은 동일한 세기(intensity)를 갖는 왼쪽 원편광(LCP)과 오른쪽 원편광(RCP) 빔의 조합으로 취급 될 수 있으며, 이와 같은 나노 구조체를 갖는 메타표면은 입사 빔을 대칭 전파 방향(propagation directions)을 갖는 4 개의 서브 빔으로 회절 시킬 수 있다. 이러한 회절은 동일한 편광 변환 효율에 의한 동일한 세기(equal intensity)를 갖고, PB 위상의 스핀 의존 특성(spindependent nature of the PB phase)에 의해 나타낼 수 있다.

또한, 광원에서 입사되는 빔의 작동 파장이 470nm에서 650nm로 변할 때, 설계된 차수(m = 6)를 가진 빔의 회절 각도(diffraction angle)가 증가하고, 작동 파장이 650nm 인 경우 회절 각도가 90 °가 되며, 작동 파장이 650nm인 경우 회절 각도가 90 °를 초과한다. 이러한 결과는 메타 표면을 갖는 회절 광학 소자(10)에서 회절된 빔이 360도 전 공간(full)에 방사 될 수 있음을 나타낸다.

또한, 나노 구조체를 회전시켜, 즉 나노 구조체의 각도를 제어함으로써, 입사하는 빔으로부터 투과 및 반사 공간 모두에서 균일한 세기(intensity)를 갖는 2 Х 2 스팟 어레이(spot array)로 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 나노 구조체(211)가 배치된 단위 셀(111)의 한변의 길이(C)를 300nm로 설정하고, 하나의 구조체 그룹(200)에서 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함하고, m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로 설정하여 구조체 그룹(200)의 크기를 1.5 x 1.5 μm² 로 설정할 수 있다. 여기서, 구조체 그룹(200)은 격자 주기(grating period)로 표현될 수 있다. 이와 같은 조건을 갖는 회절 광학 소자(10)에 630nm 파장을 갖는 빔을 투과 시켜 반사 및 투과되는 4개의 빔으로 회절 시킬 수 있다.

이와 같은 회절 광학 소자(10) 즉, 반 투과형 빔 스플리터의 성능을 구현하는데 필요한 장치가 도면 5에 도시되어 있으며, 도 5의 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과되는 빔이 파 필드(50, far filed)에 상이 맺히는 것을 나타내는 도면이 도 6에 도시되어 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(1)는 회절 광학 소자(10)에 빔을 투사하는 광원(20), 빔이 통과하는 아이리스(30, Iris), 회절 광학 소자(10), 반사 및 투과되는 서브-빔(sub-beam)의 상이 맺히는 파 필드(far field, 50) 및 반사 및 투과되는 서브-빔을 포착하기 위한 카메라(60)을 포함할 수 있다.

광원(20)은 입사하는 빔의 파장이 연속적으로 변하도록 제어 가능하다. 예를 들어, 광원(20)으로부터 470nm 내지 650nm의 파장을 연속적으로 변하도록 회절 광학 소자(10)에 입사 시킬 수 있고, 20nm 간격을 갖도록 입사 시킬 수도 있다. 또한, 광원(20)은 빛이 연속적으로 변하는(supercontinuum) YSL SC-pro일 수 있다.

광원(20)에서 나오는 빔은 아이리스(30)을 통과 후 회절 광학 소자(10)에 입사 될 수 있다. 회절 광학 소자(10)에 반사 및 투과된 빔(상이한 회절 차수(different diffraction orders)를 가짐)은 카메라(60)에 의해 포착되어, 파 필드(50)에서 관찰 될 수 있다. 파 필드(50)는 투과하는 빔이 투영되는 전방 파필드(52), 반사되는 빔이 투영되는 후방 파필드(54)를 포함할 수 있다.

회절 광학 소자(10)에서 전방 파필드(52) 및 후방 파필드(54)까지는 거리는 동일할 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)로부터 전방 파필드(52)까지의 거리는 150nm일 수 있고, 마찬가지로 회절 광학 소자(10)로부터 후방 파필드(54)까지의 거리도 150nm일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 1에 도시된 나노 구조체(211)를 기 설정된 각도로 연속적으로 배열하여, 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사 할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사시키는 회절 광학 소자(10) 및 이를 포함하는 광학 장치(1)를 나타내고, 도 11은 도 10의 회절 광학 소자(10)에 의해 360도 전 공간에 분사된 빔의 스팟 어레이(spot arrays)를 나타내며, 도 12는 도 11의 일부(A)를 확대한 스팟 어레이(apot arrays)를 나타낸다.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔을 분사할 수 있다. 이와 같은 회절 소자(10)는 나노 구조체(211)가 배치된 단위 셀(111)의 한변의 길이(C)를 300nm로 설정하고, 하나의 구조체 그룹(200)에서 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함하고, m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로 설정하여 구조체 그룹(200)의 크기를 30 x 30 μm² 로 설정할 수 있다. 여기서, 구조체 그룹(200)은 격자 주기(grating period)로 표현될 수 있다.

또한, 이와 같은 구조체 그룹(200)을 복수 개 설정하여, 연속하는 p X q 행렬로 배치함으로써, 회절 광학 소자(10)에 입사하는 빔을 360도 전 공간에 동시에 분사할 수 있다. 여기서, p 및 q는 자연수로서, 각각 10으로 설정될 수 있다. 즉, 이와 같은 회절 광학 소자(10)는 일정한 각도를 갖는 나노 구조체(211)가 주기적으로 반복되어 360도 전 공간(full space)에 동시에 빔이 분사될 수 있다. 또한, 회절 광학 소자(10)에 입사되는 파장은 600nm ~ 650nm 범위의 파장일 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자(10)에 입사되는 빔의 작동 파장은 633nm일 수 있다.

또한, 구조체 그룹(200)은 100 X 100 행렬로 배치되는 나노 구조체(211)를 포함하므로, 100 X 100 회절 차수(diffraction orders)를 가질 수 있으나, 입사되는 빔의 작동 파장이 633nm이고, 단위 셀의 한변의 크기는 300nm 이기 때문에, 6924 개의 서브-빔(sub beams)이 파 필드(far field)에 도달할 수 있다.

또한, PB 위상 성분(PB phasebased elements)에 존재하는 편광 의존성(polarization dependence)를 제거하기 위하여, 구조체 그룹(200)의 나노 구조체는 광학 축(optical axis)를 중심으로 회전 대칭(rotational symmetry)으로 설계될 수 있다.

또한, LCP에 의해 회절되어서 원거리에서 생길 한 점과 RCP에 의해 회절되어서 생긴 한 점을 일치시킴으로, 회절 광학 소자(10)의 편광의존성을 무시할 수 있도록 회절된 점 구름 형태가 회전 대칭이 될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)의 구조체 그룹(200)은, M_x Х M_y단위 셀을 포함하고, 인접하는 셀 중심 간의 간격을 C라고 가정할 수 있다. 이와 같은 회절 광학 소자(10)에 입사 빔이 수직으로 입사하는 경우, 투과 및 반사 공간에서 생성되는 회절 차수(diffraction orders)는 픽셀 수, 즉, M_x Х M_y와 동일하다. 특히, (m_x, m_y) 번째의 회절 차수의 횡단 공간 주파수(transverse spatial frequency)는 다음과 같이 식 (4)로 나타낼 수 있다.

식 (4):

여기서 |m_x|

M_x/2, |m_y|

M_y/2 이다. 또한, 횡단 공간 주파수(transverse spatial frequency) k'

일 때, 대응하는 회절 차수는 소멸 파(evanescent wave)가 되고 파 필드(far field)로 전파 될 수 없다.

반면에, 횡단 공간 주파수 k'가 1/

보다 작으면, 회절 차수는 진행파에 상응하고, 파 필드(far field)로 진행 될 수 있다. 회절 차수의 회절 각(diffraction angle of a diffraction order)은 다음과 같이 식(5)에 의해 결정될 수 있다.

식 (5):

여기서,

는 회절 차수와 좌표 평면 yoz 사이의 각도이고,

는 회절 차수와 좌표 평면 xoz 간의 각도이고,

는 회절 차수와 z 축 사이의 각도이다.

식 (4)와 식 (5) 로부터, 단위 셀들 사이의 중심 간격이 C

/2 를 만족할 때, 진행파(propagation wave)의 회절 각은 90°에 접근 할 수 있다. 즉, 회절된 서브 빔은 360도 전 공간을 채울 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)를 설계하는 방법은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

먼저, 입사 빔의 파장에 대한 나노 구조체(211)의 자기 공명(magnetic resonance)를 찾은 후, 이것을 기하학적 위상과 결합(나노 구조체의 각도 설정)한다. 그 후, 단위 셀(111)의 나노 구조체의 기하학적 변수(높이(H), 길이(L), 폭(W))를 조절함으로써, 반사된 빔과 투과된 빔 사이의 전력 비율(power ratio)를 제어할 수 있다. 그 후, 소프트웨어(예를 들어, COMSOL)을 이용하여 나노 구조체를 포함하는 회절 소자(10)의 성능을 파악 할 수 있다. 또한 구조체 그룹(200)의 m X n 행렬을 갖는 나노 구조체(211)에서, m행 및 n열을 주기적인 경계 조건(periodic boundary conditions)로 설정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)를 제조하는 방법은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

기판에 비정실 실리콘을 증착한 후, 레지스트로 코팅하고, 전자빔을 조사하여 패턴을 형성하고, 크롬(Cr)을 증착하고, 리프트 오프(Lift off) 공정과 식각(Etching) 공정 후 크롬층을 제거하여, 본 발명의 회절 광학 소자를 형성할 수 있다.

구체적으로는, 비정질 실리콘(Amorphous silicon)을 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition)을 통해, 기판 상에 증착시킨다. 여기서, 기판의 두께는 500μm 일 수 있으며, 비정실 실리콘은 유전체 층일 수 있다.

그 후, 레지스트 층을 2000rpm 으로 60 초 동안 스핀 코팅(spin-coated)하고, 플레이트상에서 5 분 동안 180 ℃에서 최종 두께 약 100nm로 베이킹 한다.

그 후, 전자 빔 리소그래피 (ELIONIX, ELS-7800, 80 kV, 50 pA)에 의해 패턴(patterned)이 형성된다.

또한, 유전체 기판(dielectric substrate)으로부터의 대전 효과(charging effects)를 방지하기 위해, 전자 빔 조사 단계 이전에 도전성 폴리머 (conductive polymer)를 2000rpm 으로 60초 동안 스핀-코팅한다.

전자빔 조사량은 약 1280 ~ 1,600 μC / cm²이다. 그 후, 전도성 층을 탈 이온수(deionized water)에서 제거하고, PMMA 레지스트를 메틸 이소부틸 케톤 / 이소프로필 알코올 (methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol, IPA) 1 : 3 용액 에서 0 ℃에서 12 분 동안 노출시키고, IPA로 30 초 동안 세정한다. 그후, 전자빔 증착에 의해 크롬(Cr) 40nm을 증착 한 다음, 50 ℃ 아세톤에서 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행한다.

여기서, 패턴화 된 크롬(Cr) 층은 실리콘을 위한 에칭 마스크로 사용되고, 건식 에칭을 사용하여 크롬(Cr)이 없는 부분의 실리콘 층을 제거할 수 있다. 에칭 공정 후, 크롬(Cr)에칭제에 의해 크롬(Cr) 마스크를 제거한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 실리콘 나노 구조체가 기판 상에 형성된다.

또한, 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 회절 광학 소자(10)는 입사하는 빔이 적외선 범위의 파장(810~830nm)의 범위에서 작동하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 가시광선에서 작동하는 회절 광학 소자(10)에 비해 높은 효율을 나타낼 수 있다. 즉, 가시광선 범위에서 작동하는 회절 광학 소자의 효율은 반사와 투과 모두에서 약 27% 였지만, 적외선 범위에서 작동하는 회절 광학 소자의 효율은 약 85%일 수 있다.

예를 들어, 나노 구조체의 높이(H)는 310nm이고, 길이(L)은 200nm, 폭(W)은 120nm, 단위 셀의 한변의 길이(C)는 400nm로 설계될 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 회절 광학 소자 및 이의 제조 방법의 작용 및 효과에 대해 설명하겠다.

본 발명의 회절 광학 소자는 종래의 소자의 깊이 조절을 통해 회절효과를 만들어내는 회절 광학 소자 및 레이더 기술을 이용하지 않고, 메타 표면을 이용해서 360도 전 공간상에 빛을 뿌릴 수 있다.

또한, 종래의 메타표면 기술은 반사되는 빛의 위상 정보를 조절하거나 또는 투과되는 빛의 위상을 조절하는 방식으로 구현이 되었으나, 본 발명의 회절 광학 소자의 메타표면의 경우에는 반사와 투과하는 빛 모두를 조절할 수 있다.

또한, 나노 구조체는 입사하는 작동 파장의 1/2 두께로서, 점 구름(point cloud) 생성에 필요한 위상 정보를 저장하고, 이를 기초로 입사하는 빔을 약 4,044개의 빔(점)으로 분사할 수 있다.

또한, 본 발명의 회절 광학 소자는 실리콘을 이용하기 때문에 기존의 반도체 공정 기술을 사용해서 디바이스를 제작할 수 있으며, 기존의 반도체 공정 기술을 사용하기 때문화 상용화 측면에서 이점이 있다.

또한, 비정실 실리콘을 이용하는 경우 낮은 열 손실을 나타낼 수 있으며, 가볍고 유연한 디바이스로 제작가능하다.

또한, 나노 구조체의 두께가 얇기 때문에 초경량, 고효율의 광학 장치로 제작에 용이하다.

또한, 본 발명의 메타 표면에 기반한 회절 광학 소자를 이용하면, 파노라마 카메라, 3차원 얼굴 인식 카메라, 증강현실/가상현실 디스플레이 기기에 적용되어 사용될 수 있다.

또한, 회절 광학 소자를 구성하는 실리콘 나노 구조체는 유연한 기판 상에 제작 가능하므로, 플렉서블 디스플레이 (flexible display), 롤러블 디스플레이 (rollable display)에 적용가능하다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 회절 광학 소자 및 이의 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

1: 광학 장치 10: 회절 광학 소자
20: 광원 30: 아이리스
50: 파필드 60: 카메라
100: 기판 111: 단위 셀
200: 구조체 그룹 211: 나노 구조체

Claims

기판;
상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 구조체 그룹을 포함하고,
상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고,
상기 구조체 그룹은 기 설정된 간격 및 각도로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고,
광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써, 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능한 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서,
상기 나노 구조체의 두께(H)는 상기 광원을 통해 입사되는 빔의 파장의 절반 이하인 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서,
상기 구조체 그룹은 m X n 행렬로 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 4개의 빔으로 나눠 지도록, m행 또는 n열에 배치된 인접하는 상기 나노 구조체는 기 설정된 각도 차이로 배치되는 회절 광학 소자. (여기서, m 및 n은 자연수)
제3 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
상기 단위 셀은 평면(xy평면) 형태의 상기 기판을 형성하고,
1주기(one period)를 이루는 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체의 긴 변은 상기 xy평면을 형성하는 일 방향(x축 방향)에 대해 서로 다른 각도를 가지는 회절 광학 소자.
제3 항에 있어서,
1주기(one period)를 이루는 상기 m행 또는 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 13개이고,
상기 m행 또는 n열에 배치된 인접한 나노 구조체의 각도의 차이는 6π/13 인 회절 광학 소자.
제3 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고,
상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 5개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 1.5 x 1.5 μm²인 회절 광학 소자.
제6 항에 있어서,
상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 630nm이고, 상기 나노 구조체의 높이(H)는 315nm 이하인 회절 광학 소자.
제 3항에 있어서,
상기 4개의 빔은 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 동일한 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔과 상기 광원을 통해 입사된 빔의 진행 방향과 반대 측의 방향으로 진행하는 2개의 빔으로 회절되는 회절 광학 소자.
제3 항에 있어서,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 300nm 이고,
상기 m행 및 n열에 배치된 복수 개의 나노 구조체는 각각 100개로서, 상기 구조체 그룹의 크기는 30 x 30 μm² 이고,
상기 구조체 그룹은 복수 개로서, 연속하는 p X q 행렬로 배치되는 회절 광학 소자. (여기서, p 및 q는 자연수)
제9 항에 있어서,
상기 p와 q는 각각 10인 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서
상기 나노 구조체는 비정질 실리콘인 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서,
상기 기판은 탄력성이 있는 소재로 형성되고,
상기 나노 구조체는 상기 기판 상에 제공되어 굽혀지거나 접혀질 수 있는 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서,
상기 하나의 단위 셀이 하나의 픽셀을 나타내는 회절 광학 소자.
제1 항에 있어서,
상기 나노 구조체에 입사되는 빔의 파장은 810nm 내지 830nm이고,
상기 나노 구조체는 직육면체 형상이고,
나노 구조체의 높이(H) 310nm, 길이(L) 200nm, 폭(W)은 120nm이고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(C)는 400nm인 회절 광학 소자.
제1 항에 기재된 회절 광학 소자를 포함하고,
상기 회절 광학 소자에 빔을 입사시키는 광원;
상기 광원에서 나오는 빔이 통과되는 아이리스(Iris);
상기 회절 광학 소자에 반사 및 투과되는 빔의 상이 맺히는 파필드(far field); 및
상기 반사 및 투과되는 빔을 포착하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치.
제15 항에 있어서,
상기 파필드는 투과하는 빔이 나타되는 전방 파필드 및 반사되는 빔이 나타나는 후방 파필드를 포함하는 광학 장치.
기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 기하학적 메타표면을 포함하는 유전체 층을 적층하는 단계;
상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계를 포함하고,
입사된 빔이 상기 나노 구조체에 반사 및 투과되어 빔의 세기 및 위상이 제어됨으로써 360도 전 공간(full space)에 빔의 분사가 가능하도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.
제17 항에 있어서,
상기 복수 개의 나노 구조체는 크롬이 증착 된 후, 리프트 오프(Lift off) 공정을 통해 구현되는 회절 광학 소자의 제조방법.
제18 항에 있어서,
상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 구조체 그룹을 형성하는 단계는,
상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.
제19 항에 있어서,
상기 전자 빔을 조사하는 단계 이전에 도전성 폴리머(conductive polymer)를 2000rpm으로 60초 동안 스핀-코팅하는 단계를 포함하는 회절 광학 소자의 제조방법.