KR102198644B1

KR102198644B1 - 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질

Info

Publication number: KR102198644B1
Application number: KR1020190083466A
Authority: KR
Inventors: 신종화; 강석영; 민석환
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-05
Also published as: KR20200006512A

Abstract

본원은 호스트 물질에 배열된 복수의 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질 및 그의 응용에 관한 것이다.

Description

코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질{META-MATERIAL INCLUDING CORE-SHELL PARTICLES}

본원은, 호스트 물질에 배열된 복수의 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질 및 그의 응용에 관한 것이다.

메타 물질은 자연에 존재하는 물질들이 가지고 있지 않은 특이한 광학적 성질을 갖는다. 이러한 특이한 광학적 성질은 매우 높은 굴절률, 제로 굴절률, 심지어 음의 굴절률을 포함한다. 또한, 메타 물질은 전자기파의 진폭 및 위상 제어를 통한 편광 제어가 가능하다. 이러한 성질들은 단위 셀의 주기적인 배열로부터 수득될 수 있으며, 이것은 메타아톰(~λ/10)이라 불리는 것으로서 파장보다 훨씬 작다. 메타아톰은 인공적으로 구조화된 디자인을 가지며 상기 단위 셀을 형성하는 기하학적 파라미터는 다양한 유효 특성들을 제공한다.

고 굴절률 메타 물질들은 복소수 굴절률의 큰 실수부를 가지며, 자연적인 물질들의 굴절률이 매우 제한적이므로, 만일 넓은 주파수 범위에서 고 굴절률을 갖는 메타 물질을 개발한다면 응용 가능성이 매우 높으며 고해상도 이미징, 도파관(waveguide), 그레이팅(grating), 또는 소형 팩터 안테나(small form factor antenna)에 사용될 수 있다.

많은 연구에서 메타 물질들의 유효 특성들을 조정하는 메커니즘은 메타아톰 사이의 전자기적 공명을 이용하는 것이다. 전자기적 공명을 제어하는 방법은 동공(cavity)의 크기 및 형태의 변경을 포함하는 것으로서, 이것은 John B. Pendry[Pendry, J. B., Holden, A. J., Robbins, D. J. & Stewart, W. J. "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena". IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, 2075-2084 (1999)] 등에 의해 제안된 바와 같이 금속 와이어 또는 고리 공명기(resonator)를 사용한다. 상기 방법들은 공명 주파수 근처에서 강한 전기적 상호작용 및 강한 자기적 상호작용을 인공적으로 생성하는 데 사용될 수 있으므로 거의 제로 또는 음 또는 높은 유효 유전율(또는 유효 투자율), 또한 이방성 전자기적 특성들을 생성하며, 이것은 앞서 언급된 비자연적 광학적 성질들의 물리적인 기원이다.

그러나, 공명 구조에 기반된 메타 물질들에는 단점들이 있으며, 이러한 단점들 중 하나가 작동 대역폭(band width)이다. 전기적 특성 또는 자기적 특성의 향상은 단지 특정 주파수 근처에서만 발생하며, 비-공명 구조들을 사용하는 스킴이 이러한 제한을 극복하기 위해 연구되고 있다. 공명 구조들을 가지는 메타 물질들은 공명 주파수 근처에서 이러한 종류의 거동을 나타낸다.

또 다른 단점은 제조 공정으로서, 메타아톰은 파장의 1/10 또는 파장보다 더 작아야 하며, 여러 번의 반복적인 포토-리소그래피 및 에칭을 하여 큐빅(cubic), 와이어 및 고리와 같은 구조를 생성하기 때문에 대면적 메타 물질들(또는 메타표면)을 수득하는 것이 매우 어렵다. 특히 적외선 영역에서 광학적으로 작동하는 메타 물질들은 수십 나노미터 크기의 구조로 가공될 수 있어야 하며, 이것은 심지어 블록 공중합체 자기조립 또는 나노-임프린트와 같은 현재의 나노기술로도 어렵다. 따라서, 대규모 메타 물질 응용을 생성하기 위하여 제조-친화적인 구조가 필요하다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 호스트 물질; 및 상기 호스트 물질 내부에 각각 이격되어 배열된 복수의 코어-쉘 입자를 포함하는, 메타 물질을 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 메타 물질을 포함하는, 디바이스를 제공한다.

본원의 구현예들에 따른 메타 물질은 코어-쉘 구조의 입자를 포함하는 것으로서, 상기 쉘 성분으로서 전도성 물질을 사용하여 두 입자 사이의 정전 효과(capacitive effect)를 제어할 수 있으며, 이를 이용하여 매우 높은 유효 유전율을 달성함과 동시에 반자성 효과를 억제하여 높은 유효 투자율을 달성할 수 있다.

본원의 구현예들에 따른 메타 물질은 종래기술의 메타아톰 사이의 전자기적 공명을 이용하는 것이 아니고 입자 사이의 정전 효과를 이용하는 것이므로, 작동 대역폭이 광대역(10 GHz 내지 100 GHz)인 이점과 함께, 여러 번의 포토-리소그래피를 이용하여 제조하는 것이 아니므로 간단한 공정만으로 대면적으로 제조할 수 있는 이점이 있다.

본원의 구현예들에 따른 메타 물질은 코어-쉘 구조에서의 각각의 물질 선정, 쉘의 두께, 입자 간의 폭 갭 및/또는 단위 격자 크기의 조절을 통해 유효 유전율과 유효 투자율을 독립적으로 자유롭게 조절하여 고 굴절률에 도달할 수 있는 특징이 있다. 또한, 고 굴절률을 달성할 수 있으므로 소형 팩터 안테나, 효율적인 흡수체, 고해상도 이미징 디바이스에 적용할 수 있으며, 최근 5G 기술이 급격히 발전함에 따라 마이크로파 주파수에서 응용될 수 있는 이점이 있다.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 유전체 코어-전도성 쉘 입자의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 육방정계로 배열(hexagonal array)된 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 포트 및 시뮬레이션되는 메타 물질의 배치를 나타내는 개략도이다.
도 4a 내지 도 4d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 반경 4,500 nm의 원통형 도체의 자기적 유도 (a), 반경 3,000 nm 내지 4,500 nm의 원통형 도체의 자기적 유도 프로파일 (b), 반경 4,500 nm, 쉘 두께 250 nm의 원통형 도체 쉘의 자기적 유도 (c), 반경 3,000 nm 내지 4,500 nm, 쉘 두께 250 nm의 원통형 도체 쉘의 자기적 유도 프로파일 (d)을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 원통형 도체와 원통형 도체 쉘의 유효 투자율의 실수부를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 쉘 두께 40 nm, 갭 폭 50 nm 및 단위 격자 크기 5 μm를 갖는 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질의 자기장 분포 (a), 갭 폭 50 nm 및 단위 격자 크기 5 μm를 갖는 단순 구형의 자기장 분포(비교예) (b), 쉘 두께 40 nm, 갭 폭 50 nm, 단위 격자 크기 5 μm를 갖는 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질의 전기장 분포 (c)를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 갭 폭에 따른 메타 물질의 유효 유전율 (a), 갭 폭 15 nm에서의 쉘 두께에 따른 메타 물질의 유효 투자율 (b), 갭 폭 15 nm에서의 쉘 두께에 따른 메타 물질의 유효 굴절률 (c)을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 구현예에 있어서, 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질과 단순 금속 입자 배열(비교예)의 유효 굴절률을 나타내는 그래프이며, 실선, 점선(---) 및 점선(…)은 각각 24 GHz, 27 GHz 및 30 GHz를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 갭 폭 15 nm 및 쉘 두께 5 nm의 메타 물질의 유효 투자율 (a) 및 유효 굴절률 (b)을 나타내는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 갭 폭 60 nm 및 단위 격자 크기 2 μm 내지 6 μm를 갖는 큐빅(cubic) 단위 격자 배열을 갖는 큐빅 코어-쉘 메타 물질, 및 단순 금속 입자 배열(비교예)의 유전율 (a), 투자율 (b) 및 굴절률 (c), 각각을 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 갭 폭 20 nm, 쉘 두께 40 nm 및 단위 격자 크기 6 μm의 다층 메타 물질의 주파수에 따른 유전율 (a), 투자율 (b) 및 굴절률 (c), 각각을 나타내는 그래프이다.
도 12a 내지 도 12c는, 본원의 일 구현예에 있어서, SiO₂ 코어, Au 쉘을 포함하는 코어-쉘 입자의 코어-쉘 입자의 반지름과 쉘 두께에 따른 메타 물질의 유효 투자율을 각각 10 GHz, 50 GHz 및 100 GHz에서 확인한 그래프이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "메타 물질(meta material)"이라는 용어는, 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(mata atom)의 배열로 만들어진 물질로서, 자연적인 물질들이 가지기 힘든 광학적 성질을 가지도록 인공적으로 설계해 만들어낸 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "굴절률"이라는 용어는, 빛이 매질로부터 다른 매질로 진행할 때 두 매질 속에서 진행하는 파동의 속력 비율을 의미한다. 굴절률은 파장에 따라 그 차이를 보이며, 굴절률이 서로 다른 매질의 경계면에서는 빛이 스넬의 법칙에 따라 휘게 되고 입사각에 따라 일부는 반사하게 된다. 상기 굴절률은 하기 식 1에 대하여 상대 유전율(permiittity)과 상대 투자율(permeability) 곱의 제곱근으로 표현할 수 있으며, 굴절률 값이 증가함에 따라 광학 기기에서 두 물체를 서로 구별할 수 있는 능력인 분해능이 향상되기 때문에 해상도가 증가한다:

[식 1]

;

여기서, n_complex = 굴절률, ε = 상대유전율, μ = 상대투자율이고, 상기 굴절률은 복소수 값(complex value)이며 굴절률의 실수부 n은 물질에서 EM 파의 위상 속도를 결정하고, 상기 굴절률의 허수부 k는 감쇠(attenuation)를 결정함.

본원 명세서 전체에서, "복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자"이라는 용어는, 코어-쉘 입자와 입자 간의 갭 폭을 포함하는 것으로서, 단위 격자의 크기는 상기 코어-쉘 입자의 크기와 상기 입자 간의 갭 폭을 합한 길이를 말한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 입자의 코어는 유전체 물질을 포함하고, 상기 코어-쉘 입자의 쉘은 전도성 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로 설명하면, 전도성 물질이 시간에 따라 변하는 자기장에 위치되면 상기 전도성 물질의 내부로 전류가 유도되고, 상기 유도 전류는 상기 전도성 물질 내의 자기장을 약화시킨다. 이러한 반자성 효과 때문에, 전도성 물질 기반의 메타 물질의 자기 투자율은 1보다 낮다. 상기의 반자성 효과를 억제하기 위해 전도성 물질만으로 구성된 입자 대신, 얇은 전도성 물질의 쉘과 유전체 물질의 코어로 형성된 코어-쉘 구조의 입자를 제조하고, 복수의 코어-쉘 입자의 배열을 단위 격자로서 사용하였다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 호스트 물질은 SiO₂, ZnO, Al₂O₃, ITO, TiO₂, ZrO₂, SnO₃, Si₃N₄, AlGaN, SiC, 폴리메틸 메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유전체 물질은 SiO₂, ZnO, Al₂O₃, ITO, TiO₂, ZrO₂, SnO₃, Si₃N₄, AlGaN, SiC, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질은 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금, 크롬, 팔라듐, 철, 황동, 아연, 청동, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자가 육방정계로 배열된 단층 또는 복층을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

도 1 및 2를 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 메타 물질은 호스트 물질로서 SiO₂, 코어 물질로서 SiO₂ 및 쉘 물질로서 금을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 코어-쉘 입자의 단위 격자가 육방정계 형태로 배열(hexagonal array)될 수 있고 이는 단층뿐만 아니라 다층으로 구성될 수 있다. 또한, 도 1과 같이, 본원의 일 구현예에 따른 유전체 코어-전도성 쉘 구조의 최외각에 유전체 물질의 쉘이 한 겹 더 존재할 수 있다. 상기 최외곽의 유전체 쉘은 균일한 간격을 두고 코어-쉘 입자들이 조밀하게 배열된 상태로 제작되는 것을 용이하기 하기 위한 스페이서 기능을 하는 선택적인 요소로서 제조 공정의 용이성을 위해 첨가될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자 간에 정전 효과(capacitive effect)를 제어하여 유전율 및/또는 투자율을 제어하는 것일 수 있다. 구체적으로 설명하면, 본원에 따른 메타 물질과 같이 금속와 유전체 물질이 혼재하는, 매질이 불균일(inhomogeneous)한 메타 물질은 유효 매질 이론으로서 유효 유전율 및 유효 투자율이 계산되어야 하며, 특히 전도성 물질이 입자를 구성할 때에는 정전 효과를 고려하여야 하고, 이를 식으로 표현하면 하기와 같다:

[식 2]

;

[식 3]

, (여기서, Z_eff = 유효 임피던스, n_eff = 유효 굴절률, ε_eff = 유효 유전율, μ_eff = 유효 투자율임). 본원의 일 구현예에 따른 메타 물질의 유효 유전율 및 유효 투자율은 갭(gap) 폭과 상기 쉘 두께를 각각 조절함으로써 제어될 수 있다. 또한, 상기 유전율은 편광률 (polarizability)에 의해 결정되며, 이것은 단위 격자당 커패시턴스와 직접적으로 관련이 있다. 평행판 캐패시터의 커패시턴스는 간단히 하기와 같다:

[식 4]

, (여기서, C = 커패시턴스, ε₀ = 진공의 유전율, ε_r = 상대 유전율, A = 도체판 하나의 넓이, d = 도체판 사이의 거리임). 따라서, 두 개의 판들 사이의 거리가 감소하면 전기적 커패시턴스는 증가한다. 메타 물질의 단위 격자당 커패시턴스가 유사하므로 전도성 입자들 사이의 거리가 유효 유전율을 결정한다. 특히, 큐빅 입자로 형성된 메타 물질의 유전율은 적절한 근사법을 사용함으로써 페쇄형으로 표현될 수 있다. 따라서 유효 유전율은 하기 식의 기하학적 파라미터로 결정될 수 있다:

[식 5]

, (여기서, a = 단위 격자의 크기, b = 입자의 크기, g = 갭 폭이며, a = b + g임). 즉, 전도성 입자들 사이의 갭 폭이 짧을수록 상기 갭 내의 전기장이 강하게 집중되며, 이것은 상기 메타 물질의 편광률을 증가시킴으로써 유효 유전율이 증가하게 되는 것이므로, 코어-쉘 입자 간의 갭 폭으로써 유효 유전율을 제어할 수 있다.

유효 투자율은 메타 물질 내부에 자기장이 많이 침투할수록 높아지는 것으로서, 전도성 물질은 자기장을 감쇠(attenuation)시키므로 메타 물질의 내부까지 전도성 물질로 구성할 때 보다 코어가 유전체 물질이고 쉘이 전도성 물질일 때 자기장이 내부로 더 잘 침투하므로, 본원의 일 구현예에 따른 메타 물질은 투자율을 1 근처로 높일 수 있다. 구체적으로, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 코어-쉘 입자의 자기장 분포(도 6a)는 단순 구형의 금속 입자 내/외부의 자기장(도 6b)에 비해 많은 양의 자기장이 입자 내부로 침투함을 확인할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭(gap width)은 약 50 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭(gap width)은 약 50 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 45 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 35 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 25 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 5 nm 내지 약 45 nm, 약 5 nm 내지 약 40 nm, 약 5 nm 내지 약 35 nm, 약 5 nm 내지 약 30 nm, 약 5 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 45 nm, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 약 10 nm 내지 약 35 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 25 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 약 15 nm 내지 약 45 nm, 약 15 nm 내지 약 40 nm, 약 15 nm 내지 약 35 nm, 약 15 nm 내지 약 30 nm, 약 15 nm 내지 약 25 nm 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자의 쉘의 두께가 약 100 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 복수의 코어-쉘 입자의 쉘의 두께가 약 100 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 5 nm 이하, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 90 nm, 약 5 nm 내지 약 80 nm, 약 5 nm 내지 약 70 nm, 약 5 nm 내지 약 60 nm, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 5 nm 내지 약 40 nm, 약 5 nm 내지 약 30 nm, 약 5 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자의 크기가 약 2 μm 내지 약 14 μm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자의 크기가 약 2 μm 내지 약 14 μm, 약 2 μm 내지 약 12 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 4 μm 내지 약 14 μm, 약 4 μm 내지 약 12 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 6 μm 내지 약 14 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm 또는 약 6 μm 내지 약 8 μm일 수 있다.

도 7a를 참조하면, 메타 물질 내부에 포함된 코어-쉘 입자 간의 정전 효과로 인하여 코어-쉘 입자의 위, 아래 끝 부분에 전기장이 집속된 것을 확인할 수 있으며, 이로써 입자 간의 간격이 줄어들수록 유효 유전율이 증가됨을 확인할 수 있다. 또한, 코어-쉘 입자의 크기가 증가할수록 유효 유전율이 증가됨을 확인할 수 있다. 도 7b를 참조하면, 금속 쉘의 두께가 줄어들수록 많은 양의 자기장이 입자 내부로 침투할 수 있으므로 유효 투자율이 1 근처에서 유지된다. 또한, 유효 유전율과 반대로 코어-쉘 입자의 크기가 증가할수록 유효 투자율이 감소한다. 즉, 코어-쉘 입자의 크기는 유효 유전율과 유효 투자율에서 반대의 성향을 보이므로, 이의 크기를 적절히 조절하는 것이 중요하다.

도 7c를 참조하면, 금속 쉘의 두께가 5 nm 수준일 때에는 코어-쉘 입자의 배열의 단위 격자의 크기가 증가할수록, 유효 투자율이 1을 유지하고 유효 유전율이 증가하므로 유효 굴절률이 증가한다. 반면, 수 nm 수준의 박막 형성이 현실적으로 어려울 수 있으므로 보다 두꺼운 금속 쉘의 경우는 단위 격자의 크기가 약 6 μm 내지 10 μm일 때 굴절률이 최대치를 가지는 것임을 확인하였다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자 크기 : 상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭의 비율이 약 280 : 1 이하일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자 크기 : 상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭의 비율이 약 280 : 1 이하, 약 260 : 1 이하, 약 240 : 1 이하, 약 220 : 1 이하, 약 200 : 1 이하, 약 180 : 1 이하, 약 160 : 1 이하, 약 140 : 1 이하, 약 120 : 1 이하 또는 약 100 : 1 이하일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타 물질의 작동 대역폭은 약 10 GHz 내지 약 100 GHz인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 메타 물질의 작동 대역폭은 약 10 GHz 내지 약 100 GHz, 약 10 GHz 내지 약 90 GHz, 약 10 GHz 내지 약 80 GHz, 약 10 GHz 내지 약 70 GHz, 약 10 GHz 내지 약 60 GHz, 약 10 GHz 내지 약 50 GHz, 약 15 GHz 내지 약 50 GHz, 약 20 GHz 내지 약 50 GHz, 약 25 GHz 내지 약 50 GHz, 약 30 GHz 내지 약 50 GHz, 약 10 GHz 내지 약 45 GHz, 약 10 GHz 내지 약 40 GHz, 약 10 GHz 내지 약 35 GHz, 약 10 GHz 내지 약 30 GHz 또는 약 15 GHz 내지 약 30 GHz일 수 있다. 도 8을 참조하면, 본원에 따른 메타 물질의 코어-쉘 입자는 단위 격자의 크기가 증가하더라도 24 GHz, 27 GHz 및 30 GHz에서 유효 굴절률이 거의 변화없이 높은 값을 유지하므로 광대역에서 고 굴절률을 나타냄을 알 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코어-쉘 입자는 사면체형, 육면체형, 팔면체형, 십이면체형, 십사면체형, 이십면체형, 막대형, 오목한 정사면체형, 정사면체형과 같은 단결정형, 육각판형, 삼각판형, 순환오각쌍정형과 같은 쌍정형, 구형, 타원체형, 실린더형을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

[ 실시예 ]

1. 실험 설계

1-1. 유한 요소법

유한 요소법(finite element method)은 물리적 대상을 유한 요소로 해석하는 수치 분석 도구로서, 이론적으로 유한 요소법은 임의의 물리적인 문제에 적용할 수 있다. 해답을 얻기 위해, FEM 소프트웨어는 주어진 대상을 유한 요소들로 나누고 지배 방정식을 사용하여 각 요소 사이의 관계를 설정하고, 그것을 해결하여 수치 해석을 얻는 것이 가능하다. 본원에서 사용된 상기 소프트웨어는 하기 지배 방정식을 푼다:

[식 5]

.

1-2. 시뮬레이션 설정

도 3은 투과된 파장 및 반사된 파장을 측정하기 위한 시뮬레이션된 구조를 나타낸다. 포트 1은 y-편광된 전자기파를 여기시키고, 포트 1과 포트 2는 각각 반사된 파장 및 투과된 파장을 측정한다. 메타 물질들의 단위 셀은 상기 두 포트들의 중간에 위치된다. 상기 메타 물질과 상기 포트 사이의 추가적 진공 갭의 역할은 원하지 않는 고차 산란파를 방지하는 것이다. 주기적인 경계 조건이 적용되어 x 방향과 y 방향으로 단위 셀들의 무한한 배열을 생성하였다.

1-3. 물질 파라미터

유한 요소 분석을 사용하여 메타 물질 구조를 분석하기 위해, 물질 특성 정보를 입력해야 한다. 시뮬레이션에 필요한 상기 물질 파라미터는 전기적 유전율, 자기적 투자율 및 전도도이다. 금속의 상기 전기적 유전율은 하기와 같다:

[식 6]

.

그러나, 마이크로파 주파수는 충돌 주파수보다 더 작으므로, 허수부가 실수부보다 더 크며, 따라서 전기적 유전율이 감소될 수 있다:

[식 7]

.

실험적으로 측정된 매우 얇은 금속의 DC 전도도가 사용되었다. 하기 표 1은 시뮬레이션에 사용된 상기 물질 파라미터를 나타낸다.

	상대적 유전율	상대적 투자율	전도도 (S/m)
진공	1	1	0
SiO ₂	3.9	1	0
알루미늄	1.14 X (10 ¹⁸ /ω)	1	1.25 X 10 ⁷
금	3.95 X (10 ¹⁸ /ω)	1	3.5 X 10 ⁷
은	6.21 X (10 ¹⁸ /ω)	1	5.5 X 10 ⁷
구리	5.65 X (10 ¹⁸ /ω)	1	5 X 10 ⁷

2. 원통형 도체의 자기적 감응

시간-고조파 자기장의 원통형 도체 또는 원통형 도체 쉘은 베셀 함수의 형태로 자기장을 갖는다. 도 4a 내지 도 4d는 반경과 자기장 분포에 따른 자기적 유도를 나타낸다. 상기 자기장은 표면 근처에서 매우 빠르게 감쇠되기 때문에 상기 쉘이 얇지 않으면 상기 원통형 쉘 배열의 투자율은 원통형의 투자율과 크게 상이하지 않다.

도 5는 원통형 도체와 원통형 쉘 도체의 유효 투자율을 나타낸다. 쉘 두께가 동일할 때, 반경이 증가함에 따라 투자율은 감소한다. 따라서, 이러한 원통형 쉘의 집합체인, 3-D 코어-쉘 구조의 유효 투자율은 유사할 것으로 예상될 수 있다.

3. 코어-쉘 메타 물질의 전자기적 특성

3-1. 단층 메타 물질의 유효 특성

필드 분포 및 조사된 특성들을 도 6a 내지 도 8에 나타내었다. 시뮬레이션은 2 μm 내지 15 μm의 단위 셀 크기, 5 nm 내지 25 nm의 금속 쉘 두께, 및 15 nm 내지 35 nm의 갭 폭에 대하여 수행되었다. 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질들은 단층이며 육방정계 밀집 패킹된 구조로 채워지도록 하였다. 전기장은 인접한 입자 사이의 갭 내에서 강하게 집중되고, 자기장은 상기 구조 내에서 감소됨을 확인하였다. 코어-쉘 구조가 아닌 단순 금속 입자 배열(비교예)인 도 6b와 비교하여 더 많은 자기장들이 본원의 코어-쉘 구조에 침투하였으며, 이는 더 높은 투자율을 유도함을 확인하였다.

더 작은 갭에서 더 높은 투자율을 수득할 수 있고, 이것은 더 얇은 금속 쉘에서 약 1의 투자율을 수득할 수 있다. 결과적으로, 약 8의 고 굴절률이 단층에 대해 달성될 수 있음을 확인하였다. 또한, 광대역 주파수 범위(24 GHz 내지 30 GHz)에서 고 굴절률 특성들이 나타나고, 도 8의 단순 금속 입자 배열(비교예)과 비교하여 본원의 코어-쉘 구조에서 굴절률이 현저히 향상되었음을 확인하였다.

3-2. 메타 물질에 대한 물질 효과

시간에 따라 변하는 자기장은 금속 내부에 전류를 생성한다. 유도 전류는 메타 물질들의 유효 투자율을 결정한다. 따라서 저항이 작을수록 유도 전류가 더 많이 발생한다. 전도도는 도체의 자기장에 영향을 미치며 전도도가 더 클수록 원통형 도체에서 자기장이 더 빨리 감쇠한다. 명백하게, 이것은 자기적 투자율의 허수부가 증가하는 결과를 가져온다. Al의 경우, 더 큰 단위 셀 크기에 대해 약 1의 상기 투자율을 수득할 수 있다. 결과, 낮은 전도성 금속을 이용한 코어-쉘 메타 물질들이 더 높은 유효 굴절률을 갖는 것임을 확인하였다. (도 9a 및 도 9b).

3-3. 메타 물질에 대한 입자 모양 효과

본원에서 큐빅 구조 메타 물질을 시뮬레이션하였다. 이 경우, 매우 큰 유전율을 수득하였으며 이것은 단위 셀 및 갭 비율이 200 : 1 미만이더라도 매우 큰 굴절률을 수득할 수 있기 때문이다. 상기 결과는 단위 셀들이 실제 응용의 제조 시 완벽하게 구형일 필요가 없으며, 심지어 상이한 모양의 단위 셀들을 사용하더라도 큰 굴절률을 얻을 수 있음을 확인하였다 (도 10a 내지 도 10c).

3-4. 다층의 코어-쉘 배열을 포함하는 메타 물질의 유효 특성

다층 구조 또한 시뮬레이션하였다. 메타 물질들의 구조가 전파 축을 따라 대칭이면, 표면부와 벌크부로 분리될 수 있다. 단층 및 다층의 경우 모두 두 개의 표면부들을 가지지만, 다층의 경우 더 두꺼운 벌크부를 갖는다. 구형 입자들 사이의 필드는 표면 근처보다 벌크 내에서 더 크다. 따라서 수득된 다층 구조의 유효 유전율 및 굴절률은 단층 구조보다 더 높을 수 있음을 확인하였다 (도 11a 내지 도 11c).

도 12a 내지 12c를 참조하면, SiO₂ 코어 및 Au 쉘을 포함하는 코어-쉘 입자에서 구형 입자를 원통형으로 근사하여 유효 투자율을 확인할 수 있다. 구체적으로, 원통의 바깥 반지름인 코어-쉘 입자의 반지름과 쉘 두께에 따른 메타 물질의 유효 투자율을 확인한 결과, 10 GHz의 경우에 Au의 두께가 약 100 nm 이하 정도로만 내려가도 바깥 반지름에 거의 관계없이 0.8 이상의 높은 유효 투자율을 가지는 것을 알 수 있었다(도 12a). 또한, 주파수 영역을 50 GHz을 설정하여 유효 투자율을 확인한 결과, 바깥 반지름 8 μm, Au 두께 50 nm에서 1이상(2.987)의 투자율을 보임을 확인하였다. 그리고 주파수 영역을 100 GHz을 설정하여 유효 투자율을 확인한 결과, 고투자율을 위해선 Au의 두께가 50nm 이하로 떨어져야 함을 확인하였다. 이로써, 대체적으로 주파수가 줄어들수록 유효 투자율이 증가하고, 모든 주파수에서 공통적으로 바깥 반지름이 작을수록, Au 두께가 얇을수록 유효 투자율 증가됨을 알 수 있었다.

종합하면, 제안된 코어-쉘 구조 메타 물질들을 유한 요소법을 사용하여 물질 선택 및 광대역 고 굴절률 특성들을 자유롭게 나타내면서 시뮬레이션하였으며, 두 개의 인접한 입자들 사이의 갭이 작을수록 더 높은 전기적 유전율이 수득되었다. 또한, 입자들의 반경이 클수록 더 낮은 자기적 투자율이 수득될 수 있었다. 따라서, 고정된 갭에서 상기 단위 셀 크기가 증가하면, 유효 유전율은 증가하지만 유효 투자율은 감소함을 확인하였다.

본원에서 제안된 구조는 금속을 자유롭게 선택할 수 있으며, 상대적으로 낮은 저항을 갖는 Al에 대하여 자기적 투자율을 제어하기가 특히 더 용이하였다. 또한, 코어-쉘 구조의 이점은 상기 입자들의 모양 또는 크기가 균일하지 않더라도 고 굴절률을 얻을 수 있음을 확인하였다.

코어-쉘 메타 물질을 포함하는 메타 물질은 광범위한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 소형 팩터 안테나, 효율적인 흡수체, 고해상도 이미징 디바이스가 가능할 수 있다. 최근 5G 기술이 급격히 발전함에 따라, 마이크로파 주파수에서 본원의 고 굴절률의 메타 물질이 응용될 가능성이 매우 크다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

호스트 물질; 및
상기 호스트 물질 내부에 각각 이격되어 배열된 복수의 코어-쉘 입자
를 포함하는, 메타 물질로서,
상기 코어-쉘 입자의 코어는 유전체 물질을 포함하고, 쉘은 전도성 물질을 포함하는 것이고,
상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭(gap width)은 50 nm 이하인 것이고,
상기 복수의 코어-쉘 입자의 쉘의 두께가 100 nm 이하인 것이고,
상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자의 크기가 2 μm 내지 14 μm인 것인,
메타 물질.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자가 육방정계로 배열된 단층 또는 복층을 형성하는 것인, 메타 물질.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코어-쉘 입자 간에 정전 효과를 제어하여 유전율 및/또는 투자율을 제어하는 것인, 메타 물질.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코어-쉘 입자 배열의 단위 격자 크기 : 상기 복수의 코어-쉘 입자 간의 갭 폭의 비율이 280 : 1 이하인 것인, 메타 물질.
제 1 항에 있어서,
상기 호스트 물질은 SiO₂, ZnO, Al₂O₃, ITO, TiO₂, ZrO₂, SnO₃, Si₃N₄, AlGaN, SiC, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 메타 물질.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 물질은 SiO₂, ZnO, Al₂O₃, ITO, TiO₂, ZrO₂, SnO₃, Si₃N₄, AlGaN, SiC, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌(PE) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 메타 물질.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 물질은 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금, 크롬, 팔라듐, 철, 황동, 아연, 청동, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 메타 물질.
제 1 항에 있어서,
상기 메타 물질의 작동 대역폭은 10 GHz 내지 100 GHz인 것인, 메타 물질.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 및 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 메타 물질을 포함하는, 디바이스.