KR102129862B1 - 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 및 상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 유전체 층을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체 층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 투과되어 위상이 제어됨으로써, 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.

Description

메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 {METALENS, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND OPTICAL DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
빛은 스핀 각 운동량(SAM: Spin Angular Momentum)과 궤도 각 운동량 (OAM: Orbital Angular Momentum)을 가질 수 있다.
스핀 각 운동량은 빛의 편광과 관련된 변수로서, 스핀 각 운동량에 따라 선 편광, 원 편광과 같은 편광 상태의 빛을 만들 수 있다.
궤도 각 운동량은 빛이 진행함에 따라 나선형으로 회전하는 상태와 관련된 변수로 이해될 수 있다. 또한, 이와 같은 궤도 각 운동량을 갖는 빛은 소용돌이 빛으로 정의될 수 있다.
궤도 각 운동량을 갖는 빛은 동일한 주파수나 편광 상태를 갖고 있더라도 궤도 각 운동량을 갖지 않은 빛과 비교하여, 많은 정보를 저장할 수 있어 초 용량 광통신 기술 등에 활용되고 있다.
종래에는 이러한 궤도 각 운동량을 갖는 빔을 구현하기 위해서는, 렌즈나 홀로그램 판과 같이 부피가 큰 광학 부품들이 필요했으며, 이러한 크기의 제약 때문에 광학 집게, 광학 스패너와 같은 다양한 분야에 적용되기 어려운 점이 있었다.
비특허문헌: J. Valentine, S. Zhang, T. Zentgraf, E. Ulin-Avila, D. A. Genov, G. Bartal and X. Zhang, Nature, 2008, 455, 376-379.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 집속(focusing)과 동시에 소용돌이 빔(helical beam)을 구현할 수 있는 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
또한, 초 소형화가 가능한 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 및 상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 유전체 층을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체 층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고, 광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 투과되어 위상이 제어됨으로써, 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 위상은 식
Figure 112018124361505-pat00001
을 따르는 메타 렌즈가 제공될 수 있다. 여기서,
Figure 112018124361505-pat00002
이고,
Figure 112018124361505-pat00003
이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, m 은 2 및 4 중에서 선택되는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 원기둥 형상인 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원기둥 형상의 상기 나노 구조체의 지름(D)은 100nm 내지 250nm 이고, 높이(H)는 400nm인 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단위 셀은 상기 광원에서 보았을 때 정사각형 형상으로 형성되고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(U)는 300nm인 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원을 통해 입사되는 상기 빔의 파장은 632.8nm인 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 높이(H)와 직경(D)의 비율인 종횡비(AR)를 가지고, 상기 종횡비(AR)는 4인 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제공되는 메타 렌즈가 제공 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 제공되는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원을 통해 입사된 빔은 상기 기판을 투과 후 상기 나노 구조체를 투과하는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원을 통해 입사된 빔은 상기 나노 구조체를 투과 후 상기 기판을 투과하는 메타 렌즈가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판의 단면적은 상기 빔이 투과하는 방향에서 보았을 때 300Х300μm2 인 메타 렌즈가 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 형성하는 단계를 포함하고, 광원을 통해 입사되는 빔이 상기 상기 나노 구조체에 투과되어 위상이 제어됨으로써 투과된 빔이 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 메타 렌즈의 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 메타 렌즈의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계는, 상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조사하는 단계를 포함하는 메타 렌즈의 제조방법이 제공될 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 메타 렌즈의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메타 렌즈; 상기 메타 렌즈에 기 설정된 파장을 갖는 빔을 입사시키는 광원; 상기 광원에서 입사되는 빔의 경로를 제어하는 빔 익스펜더; 및 상기 메타 렌즈에 입사된 빔이 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되는 것을 캡쳐하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메타 렌즈, 상기 광원, 상기 빔 익스펜더 및 상기 카메라는 기 설정된 간격의 홀을 갖는 플레이트에 제공되는 광학 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원과 상기 빔 익스펜더 사이에는 입사되는 빔을 반사시켜 빔의 이동 경로를 바꿀 수 있는 미러가 배치되는 광학 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 집속(focusing)과 동시에 소용돌이 빔(helical beam)을 구현할 수 있는 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
또한, 초 소형화가 가능한 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
또한, 간단한 제조 공정으로 생산할 수 있는 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 메타 렌즈 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈의 단위 셀에 위치한 나노 구조체를 개략적으로 보여주는 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈의 메타 표면 일부를 나타내는 평면도이다.
도 3는 도1의 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)을 갖는 나노 구조체의 파장에 따른 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 지수화된 광도파 이론(indexed-waveguide theory)을 이용하여 설계된 나노 구조체의 지름에 따른 위상 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 FDTD 시뮬레이션을 이용한 완전파(full-wave) 시뮬레이션을 이용하여 설계된 나노 구조체의 지름에 따른 위상 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도1 의 나노 구조체의 지름과 단위 셀의 한 변의 길이에 따른 위상 프로파일을 나타낸다.
도 7은 도1 의 나노 구조체의 지름과 단위 셀의 한 변의 길이에 따른 투과 프로파일을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈를 포함하는 광학 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
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 메타 렌즈(10)의 단위 셀(111)에 위치한 나노 구조체(211)를 개략적으로 보여주는 부분 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)의 메타 표면 일부를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 기판(100), 기판(100) 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 유전체 층(200)을 포함할 수 있다. 여기서, 메타 렌즈(10)는 메타 물질을 이용하여, 입사되는 빔을 한 초점으로 모아주는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 광원을 통해 입사된 빔이 나노 구조체(211)에 투과되어 위상이 제어됨으로써, 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 두 개의 위상 프로파일(two distinct phase profiles), 구체적으로는 집속(focusing)을 위한 위상 프로파일과 소용돌이 빔(helical beam)을 만들기 위한 위상 프로파일의 합을 구현할 수 있는 메타표면을 가질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 메타 렌즈(10)는 집속(focusing)과 동시에 소용돌이 빔(helical beam)을 구현할 수 있는바, 다기능 메타표면으로 표현될 수 있다. 여기서, 소용돌이 빔이란 궤도각 운동량(orbital angular momentum)을 갖는 빔으로 이해 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상술한 메타 표면을 갖는 메타 렌즈(10)를 구현하기 위해, 나노광도파(nanowaveguides) 모델을 정의하였으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈는 궤도각 운동량을 지닌 소용돌이 빔을 구현할 수 있다. 이와 같은 빔은 물체와 반응하여, 물체를 회전시킬 수 있기 때문에, 광학 집게, 광학 스패너, 광학 모터에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 편광 무의존형(Polarization insensitive) 메타표면을 가질 수 있다.
기판(100)은 평면 형태로 상대적으로 넓은 면적을 갖는 플레이트 형상일 수 있으며, 복수 개의 나노 구조체(211)는 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 단위 셀(111)은 하나의 나노 구조체(221)를 지지하고 있는 기 설정된 범위의 기판(100)의 일부로 정의될 수 있다. 즉, 단위 셀(111)은 평면 방향으로 연속될 수 있다. 또한, 기판(100)의 전체적인 형상은 평면 형태로서, 빔이 투과하는 방향(Z축 방향)에서 봤을 때 원형, 직사각형, 정사각형 일 수 있으나, 그 형상은 제한되는 것이 아니다.
또한, 기판(100)은 두께 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 까지의 범위를 가질 수 있다.
기하학적 메타표면은 나노 구조체(211)가 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 유전체 층(200)은 전체적으로 메타물질로서 기능할 수 있다.
기판(100)은 이산화규소(SiO2)로 제공될 수 있으나, 기판(110)의 소재는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판(100)은 실리콘, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 등으로 제공될 수 있다.
기판(100)의 상측에는 메타표면을 갖는 유전체 층(200)이 제공될 수 있다. 여기서, 유전체 층(200)은 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)으로 제공될 수 있다. 이와 같이, 수소화 비정실 실리콘을 사용하여 메타 렌즈(10)의 제작 시, 저온에서 증착(Deposited)시킬 수 있으며, 비정실 실리콘(amorphous silicon, a-Si)에 비해 가시광 영역에서 흡수율(absorption)을 줄일 수 있다.
또한, 유전체 층(200)은 복수의 나노 구조체(211)로 구성될 수 있다. 이때, 각각의 나노 구조체(211)는 인접한 나노 구조체(211)와 기 설정된 간격으로 이격될 수 있으며, 이때 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)들 사이의 간격은 각 나노 구조체(211)의 평면 상 중심 사이의 거리로 이해될 수 있다.
또한, 별도의 광원에서 입사되는 빔이 나노 구조체(211)에 투과됨으로써 위상이 제어될 수 있고, 이를 통해 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속될 수 있다.
이와 같이 구성된 기판(100) 상의 유전체 층(200)은 메타표면으로서 기능할 수 있다. 여기서, 메타표면은 작동하는 빔의 파장보다 작은 나노 구조체를 배열하여 만든 기능성 박막으로서, 메타 표면을 형성하는 메타 렌즈(10)의 재료(material), 기하학적형상(geometry), 방향(orientation) 및 공간적 분포(spatial distribution)를 조절함에 따라, 위상의 전체 범위(0~2π)를 커버하도록 위상을 점진적으로 증가 시킬 수 있다. 여기서, 각각의 나노 구조체(211)는 이러한 빔의 특성을 조절하는 안테나 역할을 할 수 있다.
하나의 나노 구조체(211)는 기판(100) 중 하나의 단위 셀(111)에 대응되도록 제공될 수 있다. 구체적으로, 기판(100)은 복수의 단위 셀(111)로 구성될 수 있으며, 하나의 단위 셀(111)에 하나의 나노 구조체(211)가 제공될 수 있다. 이때, 단위 셀(111)은 직육각형 형태를 가질 수 있다.
각각의 나노 구조체(211)는 높이(H), 지름(D)을 갖는 원기둥 형상을 갖는다. 여기서, 높이(H)는 입사하는 빔과 동일한 축(z축) 상의 길이이고, 지름(D)는 xy평면 상의 길이로 이해될 수 있다.
이와 같이 원기둥 형상의 나노 구조체(211)를 채택함으로써, 빔사되는 빔의 편광에 무관(insensitivity to polarisation)하게 투과되는 빔을 제어할 수 있다.
원기둥의 지름(D)은 100nm 내지 250nm 범위를 갖고, 높이(H)는 400nm 일수 있다. 여기서, 광원에서 입사하는 빔의 파장은 632.8nm 이고, 단위 셀(111)의 한 변의 길이(U)는 300nm일 수 있다.
이와 같은 범위를 갖는 메타 렌즈(10)에 파장 632.8nm를 갖는 빔을 입사시킴으로써, 0-2π 범위의 완전한 위상 제어를 달성함과 동시에 최대 투과(transmission)를 달성할 수 있다.
또한, 단위 셀(111)의 한 변의 길이(U)는 full-wave Finite Difference Time Domain(FDTD) solver에 의해 최적화 될 수 있다. 여기서, 단위 셀(111)은 Z축에서 봤을 때, 정사각형 형상일 수 있다.
또한, 나노 구조체의 높이(H)와 직경(D)의 비율을 종횡비(aspect ratio, AR)로 나타낼 수 있으며, 나노 구조체의 가장 작은 직경은 제조 공정에서 취급할 수 있는 최대 AR에 의해 제한 될 수 있다.
반면에 나노 구조체의 가장 큰 직경은 단위 셀(111)의 한변의 길이(U) 보다 작거나 같으며, Nyquist 샘플링 기준 U < λd/2NA 을 만족할 수 있다.
여기서, U는 단위 셀(111) 의 한 변의 길이이며, λd는 입사하는 파장, 2NA 는 개구수(Numerical aperture)로서, 개구수는 광학 시스템에서 나타나는 무차원 수로서 빛을 수용하거나 방출할 수 있는 각도의 범위를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 나노 구조체의 종횡비(AR)는 4일 수 있다(가장 작은 직경 D=400nm). 이러한 종횡비는, 종래의 TIO2 의 가장 작은 종횡비(AR) 7.5, GaN의 가장 작은 종횡비(AR) 12이므로, 제조 과정을 쉽게 할 수 있는 지표가 될 수 있다.
도 3는 도1의 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)을 갖는 나노 구조체의 파장에 따른 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
여기서, 가로축은 파장(wavelength)을 나타내며, 왼쪽 세로축은 굴절률(Refractive Index, n), 오른쪽 세로축은 흡광 계수(Extinction Coefficient, k)를 나타낸다. 또한, 사용된 나노 구조체(211)의 높이(H)는 400nm이며, 이러한 측정은 스펙트럼 분석 타원 측정(spectroscopic ellipsometry, Alpha SE, J. A. Woollam Co)을 통해 얻어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3의 그래프는 파장에 따른 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)의 굴절률의 실수부와 허수부(파란색 실선은 실수부, 빨간색 실선은 허수부)를 나타낸다. 이러한 그래프는, 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)이 가시광 영역에서 모든 유전체 메타표면(alldielectric metarsurface)에 적합한 재료임을 보여준다.
수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 작동 파장 632.8nm에서 흡광계수 k=0.47을 갖는 비정질 실리콘(Si)와 비교했을 때, 상당한 흡광 계수(k=0.0471)의 감소를 제공한다. 이 때, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 굴절률 n은 3.2475이다.
이러한, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 저렴한 제조 비용과 높은 효율성을 가지며, 가시광 영역에서 효율적인 메타표면을 제공할 수 있다.
또한, 특정 나노 구조체를 통해 특정 투과 위상을 달성하는 기본 메커니즘은, 원통형 나노 광도파 이론(cylindrical waveguide theory)을 사용하여 설명될 수 있다. 또한 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)와 주변 매체(공기) 사이의 굴절률의 차이는 원통형 나노 구조체 내에 빔의 집광(confinement)을 보장한다.
도 4은 본 발명의 지수화된 광도파 이론(indexed-waveguide theory)을 이용하여 설계된 나노 구조체의 지름에 따른 위상 프로파일을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 FDTD 시뮬레이션을 이용한 완전파(full-wave) 시뮬레이션을 이용하여 설계된 나노 구조체의 지름에 따른 위상 프로파일을 나타내는 그래프이며, 6는 도 1의 나노 구조체의 지름과 단위 셀의 한 변의 길이에 따른 위상 프로파일을 나타내고, 도 7은 도 1의 나노 구조체의 지름과 단위 셀의 한 변의 길이에 따른 투과 프로파일을 나타내고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 나타낸다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 광원을 통해 입사된 빔이 나노 구조체(211)에 투과되어 위상이 제어됨으로써, 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고, 기 설정된 초점 거리에 집속될 수 있다.
여기서, xy평면 상에 위치하는 나노 구조체(211)의 위상은 나노 광도파(nanowaveguides theory)로 정의되는 다음과 같은 식(1)을 따를 수 있다.
식 (1):
Figure 112018124361505-pat00004
여기서,
Figure 112018124361505-pat00005
이고,
Figure 112018124361505-pat00006
이다.
Figure 112018124361505-pat00007
는 기 설정된 초점거리에 집속(focusing) 을 위한 위상이며,
Figure 112018124361505-pat00008
는 궤도각 운동량을 갖는 빔을 구현하기 위한 위상으로 이해 될 수 있다.
즉, 이와 같은 위상을 갖도록 나노 구조체를 xy좌표를 갖는 기판에 배열함으로써, 하나의 메타표면으로 집속과 동시에 궤도각 운동량을 갖는 빔을 갖도록 제어할 수 있다.
여기서,
Figure 112018124361505-pat00009
는 작동 파장(operational wavelength)이고, f는 50μm로 정의된 초점 길이(focal lenth)이며, xi 및 yj는 메타표면에서 각 나노 구조체의 좌표이고, m은 이미지 평면(imaging palane)에서 intertwined phase fronts 의 수를 나타내는 위상 상수(topological charge)이다.
상술한 식(1)은 각 좌표에서 특정 위상 분포를 나타낸다. 원하는 위상 프로파일을 얻기 위해, 특정 지름(D)을 가지는 나노 구조체가 도면 5에 의해 결정될 수 있다.
메타 렌즈(10)의 일부로서, 10 μm의 초점 길이와 함께 설계된 메타표면 중 30 μm Х 30 μm 부분을 수치 분석으로 고려하였다(도 8 참조).
도 8에서 (a)와 (c)는 선형 편광에 대한, x-z 및 x-y 평면을 따라 시뮬레이션된 전기장 세기 프로파일(electric field intensity profiles)과 위상 상수(m = 2, 4)에 대한 해당 간섭 패턴(interference patterns)을 나타낸다. (b) 와 (d)는 동일한 조건의 원 편광에서의 반응을 나타낸다.
이미지 평면(image plane) 내에서 생성된 간섭 패턴(interference pattern)은 원하는 위상 전하(topological charges)를 나타내는 2개 및 4개의 스파이럴(2 and 4 spirals)을 표시한다. 여기서, 스파이럴은 궤도각 운동량을 갖는 소용돌이 빔을 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
또한 도 8의 이미지는 편광 무의존성(polarisation insensitivity)을 나타내며, 투과 전기장 강도|E2|(normalized transmitted electric field intensity)와 간섭 패턴(interference pattern)이 두 편광 모두에서 보여진다. 또한 위상 전하의 값이 2에서 4로 변화함에 따라 링(rings)의 수가 증가한다는 것을 보여준다. 여기서, 링(ring) 또한 궤도각 운동량을 갖는 소용돌이 빔을 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 이러한 결과는 편광과 무관하게 나타남을 보여준다.
또한, 기록된 간섭 패턴으로부터 소용돌이 빔의 위상 전하(topological charge)를 확인할 수 있다. 즉, 나선형의 수로부터 위상 전하를 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면은 편광에 의존하지 않으므로, 입사 빔이 나노 구조체(211)에 입사 후 기판(100)을 투과하거나 또는 기판(100)을 투과 후 나노 구조체(211)에 입사할 수 있다.
상술한 위상 전하인 m=2 및 4는 예시적인 것으로, 소용돌이 빔의 회전에 따라 m이 제어 될 수 있으며, m(topological charge, 위상 전하)은 임의의 정수값을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)를 포함하는 광학 장치(1)의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(1)는 광원(20), 미러(30), 빔 익스팬더(40), 아이리스(Iris, 50), 편광기(polarizer, 60), 렌즈(82), 목표 렌즈(objective lens, 84), 메타 렌즈(10) 및 카메라(90)를 포함할 수 있다. 또한, 편광기(polarizer, 60)와 렌즈(82) 사이에 OWP(quarter waveplate, 70)가 선택적으로 제공될 수 있다. 그리고, 이들은 위치 조정이 가능한 플레이트(300)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 플레이트(300)을 기 설정된 간격의 홀을 갖는 평면판으로 제공하여, 홀에 각 구성을 설치할 수 있다.
광원(20)은 0.63nm의 지름을 갖고, 2.0Mw의 파워를 갖고, 파장 632.8nm를갖는 헬륨 레온 레이저 빔이 사용될 수 있다.
미러(32, 34)는 빔을 정렬할 수 있으며, 빔 익스펜더(30)는 입사하는 빔을 확대하는 기능을 할 수 있다.
아이리스(Iris, 50)는 빔 익스펜더(30)로부터 입사되는 빔의 경로를 제어할 수 있다.
편광기(polarizer, 60)는 입사하는 빔을 편광 시킬 수 있다. 이러한 편광기(60)를 사용하여 메타 렌즈(10)에 입사하는 빔의 편광 상태를 변경할 수 있다.
렌즈(82)은 초점 길이 150nm를 가질 수 있으며, 목표 렌즈(objective lens, 84)의 후면 초점면에 초점을 맞출 수 있다. 이 단계에서는 메타표면에 균일한 조명이 가능하다.
목표 렌즈(objective lens, 84)는 드라이 모드(dry mode)에서 사용되는 100배의 확대력을 가진 오일 이머젼 렌즈(oil immersion lens)가 사용될 수 있다.
메타 렌즈(10)를 통과한 빔은 카메라(90)에 캡쳐 될 수 있다. 여기서, 카메라는 CCD 카메라 일 수 있다.
또한, 메타표면을 갖는 메타 렌즈(10)는 샘플 홀더(homemade sample holder)를 이용해 고정되었다. 또한, 메타 표면 쪽에서 빔이 입사되었다.
OWP(quarter waveplate, 70)는 아이리스(50)와 렌즈(82) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 다음과 같은 제조 방법으로 제조 될 수 있다.
기판에 수소화된 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 메타 렌즈를 제조할 수 있다. 여기서, 제조된 메타 표면의 전체 크기(xy평면상 크기)는 300μm Х 300μm로 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 기판(100) 상에 플라즈마 강화 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 통해 유전체 층(200)을 적층할 수 있다. 여기서, 기판은 두께 500μm 를 가지고, 이산화규소(SiO2)로 제공 될 수 있으며, 유전체 층은 두께 400 nm의 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)이 제공될 수 있다.
또한, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)의 증착률(deposition rate)는 300°C 온도에서 1.3nm s-1로 제공될 수 있으며, 실레인(SiH4) 가스 유량은 10 sccm flow rate이고, 수소(H2) 가스 유량은 75 sccm flow rate 일 수 있다.
메타 표면의 패턴은 레지스트 층을 코팅하고, 전자 빔 리소그리피(EBL)에 의해 형성될 수 있다. 레지스트 층은 2000rpm으로 60초 동안 스핀 코팅(spin-coated)하고, 플레이트상에서 5 분 동안 180 ℃에서 최종 두께 약 100nm로 베이킹 될 수 있다. 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 약1280 ~ 1,600μC/cm2일 수 있다.
노출(exposure) 후, 전도성 폴리머 층을 탈 이온수(DI 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) 30nm을 증착 한 다음, 50 ℃ 아세톤에서 약 10분 동안 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)에칭제(CR-7)에 의해 크롬(Cr) 마스크를 제거한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 나노 구조체가 기판 상에 형성될 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치의 작용 및 효과에 대해 설명하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈(10)는 얇은 두께의 메타 표면을 사용하여 집속(focusing)과 동시에 소용돌이 빔(helical beam)을 구현할 수 있다.
또한, 편광 무의존형(Polarization insensitive) 메타표면을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈는, 궤도각 운동량을 지닌 소용돌이 빔을 구현할 수 있으며, 이와 같은 빔은 물체와 반응하여, 물체를 회전시킬 수 있기 때문에, 광학 집게, 광학 스패너, 광학 모터로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈의 두께는 머리카락의 두께보다 수백 배 얇기 때문에, 제작된 소자는 단순히 기능성 표면으로 보일 만큼 매우 얇게 제공 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈는 수소화 비정질 실리콘 (hydrogenated amorphous silicon)을 이용해서 고효율로 제공 될 수 있으며, 입사되는 빔의 편광 상태에 상관없이 항상 기 설정된 횟수로 회전하는 소용돌이 빔을 기 설정된 초점거리에 집속시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈는 기 설정된 조건에 따라, 두 번 회전하는 소용돌이 빔, 네 번 회전하는 소용돌이 빔을 생성할 수 있다. 즉, 회전하는 소용돌이 빔의 개수를 제어(궤도각 운동량의 제어)할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 렌즈는, 2um x 2um 의 작은 영역 안에 집속되는 소용돌이 빔을 구현할 수 있고, 나노/마이크로 입자를 정교하게 조절할 수 있는 광학 집게(optical tweezer), 광학 스패너(optical spanner) 또는 광학 모터(optical motor) 등에 사용될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치를 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: 메타 렌즈
100: 기판 111: 단위 셀
200: 유전체 층 211: 나노 구조체
32, 34: 미러 40: 빔 익스팬더
50: 아이리스 60: 편광기
70: OWP 82: 렌즈
84: 목표 렌즈 90: 카메라

Claims (20)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 기하학적 메타표면(geometric metasurface)을 형성하는 유전체 층을 포함하고,
    상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체 층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
    하나의 상기 단위 셀에 하나의 상기 나노 구조체가 배치되고,
    광원을 통해 입사된 빔이 상기 나노 구조체에 투과되어 위상이 제어됨으로써, 투과된 빔은 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되고,
    상기 위상은 식
    Figure 112020055661818-pat00022
    을 따르는 메타 렌즈.
    여기서,
    Figure 112020055661818-pat00023
    이고,
    Figure 112020055661818-pat00024
    이다.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    m 은 2 및 4 중에서 선택되는 메타 렌즈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 원기둥 형상인 메타 렌즈.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 원기둥 형상의 상기 나노 구조체의 지름(D)은 100nm 내지 250nm 이고, 높이(H)는 400nm인 메타 렌즈.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 상기 광원에서 보았을 때 정사각형 형상으로 형성되고, 상기 단위 셀의 한 변의 길이(U)는 300nm인 메타 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광원을 통해 입사되는 상기 빔의 파장은 632.8nm인 메타 렌즈.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 높이(H)와 직경(D)의 비율인 종횡비(AR)를 가지고, 상기 종횡비(AR)는 4인 메타 렌즈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제공되는 메타 렌즈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 제공되는 메타 렌즈.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 광원을 통해 입사된 빔은 상기 기판을 투과 후 상기 나노 구조체를 투과하는 메타 렌즈.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 광원을 통해 입사된 빔은 상기 나노 구조체를 투과 후 상기 기판을 투과하는 메타 렌즈.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 단면적은 상기 빔이 투과하는 방향에서 보았을 때 300Х300μm2 인 메타 렌즈.
  14. 기판을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 기하학적 메타표면을 포함하는 유전체 층을 적층하는 단계;
    상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    광원을 통해 입사되는 빔이 상기 나노 구조체에 투과되어 위상이 제어됨으로써 투과된 빔이 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되도록, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하고,
    상기 위상은 식
    Figure 112020055661818-pat00025
    을 따르는 메타 렌즈의 제조방법.
    여기서,
    Figure 112020055661818-pat00026
    이고,
    Figure 112020055661818-pat00027
    이다.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수 개의 나노 구조체는 크롬이 증착 된 후, 리프트 오프(Lift off) 공정을 통해 구현되는 메타 렌즈의 제조방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 유전체 층에 패턴을 형성하여 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 유전체 층 상부를 레지스트로 코팅하고, 상기 레지스트에 전자 빔을 조사하는 단계를 포함하는 메타 렌즈의 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 전자 빔을 조사하는 단계 이전에 도전성 폴리머(conductive polymer)를 2000rpm으로 60초 동안 스핀-코팅하는 단계를 포함하는 메타 렌즈의 제조방법.
  18. 제1 항에 기재된 메타 렌즈;
    상기 메타 렌즈에 기 설정된 파장을 갖는 빔을 입사시키는 광원;
    상기 광원에서 입사되는 빔의 경로를 제어하는 빔 익스펜더; 및
    상기 메타 렌즈에 입사된 빔이 궤도각 운동량을 갖고 기 설정된 초점 거리에 집속되는 것을 캡쳐하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 메타 렌즈, 상기 광원, 상기 빔 익스펜더 및 상기 카메라는 기 설정된 간격의 홀을 갖는 플레이트에 제공되는 광학 장치.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 빔 익스펜더 사이에는 입사되는 빔을 반사시켜 빔의 이동 경로를 바꿀 수 있는 미러가 배치되는 광학 장치.





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