KR102246363B1 - 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치 - Google Patents

전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102246363B1
KR102246363B1 KR1020160120978A KR20160120978A KR102246363B1 KR 102246363 B1 KR102246363 B1 KR 102246363B1 KR 1020160120978 A KR1020160120978 A KR 1020160120978A KR 20160120978 A KR20160120978 A KR 20160120978A KR 102246363 B1 KR102246363 B1 KR 102246363B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refractive index
layer
crystal structure
conductivity
units
Prior art date
Application number
KR1020160120978A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170034778A (ko
Inventor
신종화
이용희
장태용
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Publication of KR20170034778A publication Critical patent/KR20170034778A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102246363B1 publication Critical patent/KR102246363B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0087—Simple or compound lenses with index gradient
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0126—Opto-optical modulation, i.e. control of one light beam by another light beam, not otherwise provided for in this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3556—Semiconductor materials, e.g. quantum wells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/06—Materials and properties dopant
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/01—Function characteristic transmissive
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/02—Function characteristic reflective

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

본 발명의 일면에 따른 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체는 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제1층; 상기 제1층에 인접하고, 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제2층; 및 상기 제1층과 제2층 사이에 존재하는 전도성이 작은 물질로 구성된 차단층; 을 포함하되, 상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체는 상기 제2 층에 배치된 복수의 전도성이 큰 단위체와 오버랩되고, 상기 제1층-차단층-제2층-차단층의 순서로 적층되는 것이 하나 이상 반복되는 것을 특징으로 한다.

Description

전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치{BROADBAND EXTREMELY HIGH REFRACTIVE INDEX MESOSCOPIC CRYSTAL STRUCTURE BASED ON SPACE-FILLING OF ELECTRIC DIPOLES AND OPTICAL APPARATUS USING THE MESOSCOPIC CRYSTAL STRUCTURE}
본 발명은 전기 쌍극자의 공간 채움에 기반한 광대역 고굴절률 중시 결정 구조체에 관한 것이다.
광학 렌즈가 발명된 이후, 모든 광학 물질의 근본적 특성인 굴절률 분야에서 광학 연구가 활발히 진행되었다. 스넬의 법칙에 의하여 기술되는 굴절률은 전파 속도, 파장, 회절, 에너지 밀도 및 물질에서 빛의 흡수와 방출에 영향을 미친다. 그리하여, 복잡하게 설계된 인공 매질을 사용하더라도 실험적으로 광대역 굴절율은 40 이하에서 실현되었다.
여기서 우리는 유전 상수(dielectric constant)가 3백만 이상인 중시 결정(mesoscopic crystal)으로부터 1800 이상의 측정된 굴절률을 보여주고자 한다. 이렇게 강력한 강화 효과는 수학 이론인 공간 채움 곡선 개념에 기인한다. 상기 개념은 광대역의 굴절률에 대하여 매우 강인한 특성을 가진다. 본 발명에 따르는 메가 유전 상수를 갖는 광대역 유전체는 강화된 이미지 해상도와 리소그래피를 제공하고, 빛 에너지 장치에서 본질적인 흡수한계를 증가시킬 뿐 아니라, 광통신 분야의 소형화된 에너지-효율적인 콤포넌트를 제공하고, 많은 다른 응용에서 성능을 향상 시킬 수 있다.
원자 규모에서 자연적 또는 인공적 매질의 굴절률의 상한은 근본적으로 제한된다. 비자성 물질의 경우, 굴절률(n)은 원자(또는 분자)의 분극률(polarizability)과 공간적 배치에 의하여 결정되는 유전 상수(εr)에 의하여만 결정된다.
이상적인 2-레벨 시스템의 체적 평균 분극률은 다음 수학식 1로 요약된다.
Figure 112016091674299-pat00001
Figure 112016091674299-pat00002
: 2-레벨 시스템의 밀도
Figure 112016091674299-pat00003
: 연관 전이 쌍극자 모멘트
Figure 112016091674299-pat00004
: 진공 유전률
Figure 112016091674299-pat00005
: 유도 플랑크 상수
Figure 112016091674299-pat00006
: 2-레벨 사이에 전이 주파수
Figure 112016091674299-pat00007
: 주파수
Figure 112016091674299-pat00008
: 유효 감쇠 인자
낮은 주파수 대역(
Figure 112016091674299-pat00009
)에서 이상적인 2-레벨 시스템의 체적 평균 분극률은
Figure 112016091674299-pat00010
이다. 고체의 전형적인
Figure 112016091674299-pat00011
과
Figure 112016091674299-pat00012
에 있어서,
Figure 112016091674299-pat00013
의 오더가 1(unity)의 수준을 유지하므로, 물질들의 굴절률도 1의 오더 수준이다. 만약 이 오더를 6자리 증가시키면, 유전 상수도 같은 양 증가하고, 굴절률의 오더는 3자리 증가한다. 굴절률을 증가시키기 위한 현존하는 접근법은 공명 방식과 비공명 방식으로 나뉜다. 공명 스키마는 원자 전이 레벨 또는 인공적으로 설계된 서브 파장 구조(메타-원자)의 전자기장 공명을 이용하여 공명주파수 근처(
Figure 112016091674299-pat00014
)에서 나누는 수(
Figure 112016091674299-pat00015
)의 요소를 최소화한다. 실제 시스템에서는
Figure 112016091674299-pat00016
가 0이 되지 않도록 하는 다양한 공명 넓힘 메커니즘으로 인하여 공명에서 유전 상수는 발산하지 않는다.
공명 넓힘 요인을 최소화하면, 결과적으로 굴절률은 대상 주파수에서 더 크게 된다. 그러나, 동시에 굴절률은 주파수에 더 분산되며 약간만 다른 주파수에 대하여도 심각하게 벗어난다. 이것은 왜곡 없이 시간적으로 짧은 펄스의 전파를 불가능하게 한다. 이러한 좁은 대역 성질과 강화 대역폭의 트레이드 오프는 공명 기반의 본질적 특성이고, 이러한 스키마의 실제적인 실행에 있어 근본적인 장애물이다. 반면에 준정적 경계 조건에 기반하여 굴절률의 증가시키는 제안이 있다. 이는 트레이드 오프 관계가 자유롭고, 광대역에서 거의 주파수 독립적인 강화를 제공한다. 제안된 고전 모델에서 금속 삽입체의 공간적 틈을 좁히면 임의로 굴절률을 증가시킬 수 있다. 그러나, 몇몇 실제적 이론적 제한으로 강화의 상한에 노출되고, 실험적으로 측정된 굴절률은 40 이하의 값을 가진다. 이러한 제한은 측면 조립 해상도, 유전체 붕괴 및 보다 근본적으로 나노 사이즈에서의 고전 물질 모델의 붕괴를 포함한다. 그리하여 굴절률을 현재 수준을 훨씬 초과하도록 강화하기 위하여는 완전히 다른 접근 방법을 요한다.
본 발명에 따르면 실험적으로 확인된 메가 유전율을 가지는 중시 결정을 제안한다. 이는 측정된 굴절률이 1800이고, 유전 상수는 3.3 x 106이다. 이 원리는 본질적으로 주파수에 독립적인 준정적 경계 조건 및 공간 채움 기하학에 기반한다. 실험 결과는 이론적 수치적 예측과 일치한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체는 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제1층; 상기 제1층에 인접하고, 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제2층; 및 상기 제1층과 제2층 사이에 존재하는 전도성이 작은 물질로 구성된 차단층; 을 포함하되, 상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체는 상기 제2 층에 배치된 복수의 전도성이 큰 단위체와 오버랩되고, 상기 제1층-차단층-제2층-차단층의 순서로 적층되는 것이 하나 이상 반복되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광대역 메가 유전 상수를 갖는 매질은 강화된 이미지 해상도와 리소그래피를 제공하고, 빛 에너지 장치에서 본질적인 흡수한계를 증가시킬 뿐 아니라, 광통신 분야의 소형화된 에너지 효율적인 콤포넌트를 제공하고, 많은 다른 응용에서 성능을 향상 시킬 수 있다.
도 1(a)는 발명에 따른 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체(mesoscopic crystal structure)의 모식도이다.
도 1(b)는 수직으로 절단한 면에서의 도 1(a)에 표시된 단위 셀을 나타내고, 단위 셀에서의 편광된 전자기파의 전기장의 방향을 표시하고 있다.
도 1(c)는 주어진 전기장(Eave)에 의하여 유도된 단위 셀에서의 전기쌍극자를 나타낸다.
도 2는 중시 결정에 대응하는 공간 채움 곡선을 나타낸다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 중시 결정의 공간 채움 곡선을 나타낸다.
도 2(b)는 금속판을 나란히 쌓은 중시 결정의 공간 채움 곡선을 나타낸다.
도 2(c)는 도 2(a)와 도 2(b)에 따른 진공 유전율 대비 유효 유전율의 값을 나타낸다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 샘플을 나타내고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 중시 결정의 미세 구조를 나타내고, 도 3(c)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 X-밴드 주파수 범위에서의 유효 유전 상수의 실수부(좌축)와 허수부(우축)를 나타내고, 도 3(d)는 유효 굴절률과 FOM(figure of merit)를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 유전률과 투자율을 구하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4(a)는 반사계수의 크기와 위상을 나타내고, 도 4(b)는 전파 계수의 크기와 상을 나타내고, 도 4(c)는 중시 결정 구조체가 비자성 물질이라 가정한 경우 및 가정하지 않은 경우의 복소 상대 유전률을 나타내고, 도 4(d)는 복소 상대 투자율을 나타내고, 도 4(e)는 중시 결정 구조체가 비자성 물질이 가정한 경우 및 가정하지 않은 경우의 굴절률 및 FOM 값을 나타낸다.
도 5는 외관 비율(a/h)에 따른 유효 유전 상수의 실수부와 허수부를 나타낸다.
도 6(a)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 파장에 따른 유전체의 유효 굴절률을 나타내고, 도 6(b)는 파장과 외관 비율에 따른 굴절률을 나타내고, 도 6(c)는 파장과 외관 비율에 따른 FOM 값을 나타내고, 도 6(d)는 도 6(b)-(c)를 이용하여 파장에 따른 굴절률과 FOM값을 동시에 표시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 광대역 서브 파장 이미징 수행 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 타원 이방성 중시 결정 구조체의 깊은 서브 파장 이미지 전송을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 서브 파장 포커싱을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)는 서브 파장 포커싱을 위한 볼록렌즈의 모식도이다. 도 9(b)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 서브 파장 포커싱을 2차원 FDTD 시뮬레이션에 의한 자기장 강도 프로파일을 나타낸다. 도 9(c)는 서브 파장 포커싱의 반치폭을 구하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 S21 기초 데이터(raw data)와 각각의 샘플의 실험, 시뮬레이션 및 해석 모델로부터 얻은 유효 유전 상수를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고 굴절률 메타 물질에 의한 빛 흡수를 강화하기 위한 전략을 나타낸다.
도 12(a)는 본 발명에 따른 광대역 고굴절률 중시 결정 구조체의 모식도이고, 도 12(b)는 본 발명에 따른 중시 결정의 측정된 굴절률과 FOM 값을 나타낸다.
도 13은 어긋나 쌓이는 금속 리본(스트립)으로 구성된 2축 이방성 중시 결정이다.
도 14는 어긋나 쌓이는 유한 길이 금속 선으로 구성된 단축 이방성 중시 결정이다.
도 15는 어긋나 쌓이는 육각 금속 판으로 구성된 단축 이방성 중기 결정의 평면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 파라미터를 설명하기 위한 모식도이다.
도 17은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 10 GHz 근방의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
도 18은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 1 THz 근방의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
도 19는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 적외선 영역의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
도 20은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 방출기(emitter)가 포함된 경우의 낮은 손실의 빠른 방출기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 빛 흡수기(Light Absorber)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 22는 외부의 전기장에 따라 유효 유전 상수가 변하는 유전체에 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하여 유체 유전체의 유전율을 정밀하기 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하여 항원의 밀도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 25는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 변형을 이용하여 평면 렌즈를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 굴절률 대비 그레이팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a)는 발명에 따른 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체(mesoscopic crystal structure)의 모식도이고, 도 1(b)는 수직으로 절단한 면에서의 도 1(a)에 표시된 단위 셀을 나타내고, 단위 셀에서의 편광된 전자기파의 전기장의 방향을 표시하고, 도 1(c)는 주어진 전기장(Eave)에 의하여 유도된 단위 셀에서의 전기쌍극자를 나타낸다.
도 1(a)의 메가 유전 상수의 중시 결정은 제안된 중시 결정의 구조이다. 전기적으로 절연된 금속층(A, B)이 절연층(I)과 교대로 A-I-B-I 순으로 쌓여있고, 금속층은 반-유닛 셀만큼 겹쳐있다. 절연체 역할을 하는 유전체 호스트는 명확하게 표시되지 않았으나, 금속 사이사이의 전 영역에 채워져 있다. 도 1(b)에 표시된 사각형은 단일 단위 셀의 단면을 나타낸다. 중시 구조(위의 그림)는 효과적이고 균질한 매질이므로 준정적 가정하에서 Eave는 일정하다고 가정할 수 있다(아래 그림). 도 1(c)에서는 FEM 시뮬레이션으로부터 단일 유닛 셀의 단면의 전기장 프로파일을 얻었다(이 때, 중시 결정 구조체의 파라미터 값은 a=750 ㎛, g=100 ㎛, hm=400 nm, hd=300 nm 을 사용). 실리카 호스트에 구리가 삽입된 것을 가정한다. 유전체 안에서의 강화된 z-방향 전기장은 몇 자리수 크기로 증가된 쌍극자 모멘트(작은 수직방향 타원)를 만든다. 금속 내부의 이미지 쌍극자(큰 수평의 타원)는 더 강화된다. 결과적으로 기하학적으로 강화된 공간 채움 국부 쌍극자는 거대하고 균질한 분극을 생성한다.
일부 실시예에서, 광대역 초 고굴절률 중시 결정 구조는 금속, 탄소화합물, 도핑된 반도체 물질을 포함한다. 상기 금속은 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Zn, Ti, Fe, Cr, Ni, Mg, Na, K, Ir, Os, W, Re, Ru, Rh 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 탄소화합물은 그래핀일 수 있다. 상기 도핑된 반도체 물질은 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)과 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide(IZO)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 유전 물질은 유전률의 실수부분이 음수인 물질로 산화물, 질화물 또는 저충전 밀도를 가지는 반도체 물질, 중합체를 포함할 수 있고, 상기 산화물은 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(III)(Al2O3), 산화은(II)(AgO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 질화물은 사질화 규소를 포함할 수 있고, 유전 물질은 상기 산화물, 상기 질화물, 상기 반도체 물질 및 상기 중합체의 조합으로 구성될 수 있다.
도 2는 중시 결정에 대응하는 공간 채움 곡선을 나타낸다. 도 2(a)는 본 발명에 따른 중시 결정의 공간 채움 곡선을 나타내고, 도 2(b)는 금속판을 나란히 쌓은 중시 결정의 공간 채움 곡선을 나타내고, 도 2(c)는 도 2(a)와 도 2(b)에 따른 진공 유전율 대비 유효 유전율의 값을 나타낸다.
도 2(a)는 다양한 외관 비율에 대한 제안된 구조의 2차원 공간 채움 곡선이다. 공간 채움 곡선은 금속 사이의 유전체를 따라서 형성된다. 외관 비율 a/h가 증가할수록 단위 부피를 가로질러서 상단의 양 끝점(각각 V0+2aEx,ave와 V0로 표시) 사이의 공간 채움 곡선의 전체 길이도 선형적으로 증가한다. 또한, 오른쪽에 표시된 화살표는 국부 쌍극자 모멘트를 나타내는데, 공간 채움 곡선의 단위 길이 당 국부 쌍극자 모멘트도 선형적으로 증가하는 것을 직관적으로 확인할 수 있다. 외관 비율(a/h)의 증가에 따라 더 길어진 실선과 더 두꺼운 화살표가 이를 나타낸다. 도 2(b) 다양한 외관 비율에 대하여 금속판이 나란히 정렬된 경우의 공간 채움 곡선을 나타낸다. 외관 비율이 증가할 경우 곡선을 따라서 쌍극자 모멘트 밀도가 증가하지만, 외관 비율의 증가에 따라 공간 채움 곡선의 전체 길이는 일정하다. 이 경우 공간 채움 곡선은 도 2(a)처럼 공간을 채우지 못한다. 도 2(c)는 상기 도 2(a)의 구조와 도 2(b)의 구조에 대한 로그 스케일로 작성된 외관 비율(a/h)와 유전 상수 강화요소(εeff /εD)의 함수이다. 유전 상수 강화요소는 금속판의 배열에 따라 도 2(a)의 경우 외관 비율의 제곱에 비례하여 증가하나, 도 2(b)의 경우 외관 비율과 선형적 관계에 있다.
본 발명에 따른 광대역 메가-유전율 결정은 공간 채움 기하학에 기반한다. 도 1(a)는 제안된 복합 물질의 구조도이다. 얇고 넓은 금속판을 반복적으로 배열하는 층(A,B)과 이를 절연시키는 유전체 층(I)을 교대로 적층하는 것이 본 발명의 기술적 사상의 핵심이고, 전체적으로 A-I-B-I 순서로 적층하고, A층과 B층의 금속판은 평면적으로 관찰할 때, A층의 금속판의 꼭지점이 B층의 금속판의 중심 근방에 오도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 상기 B층의 금속판의 중심 근방이란 도 1(a)의 g값에 의하여 정하여지는 값이다. 즉, A층과 B층의 금속판은 서로에 대하여 반유닛 셀만큼 측면 방향으로 밀려있는 체심입방구조를 형성한다. 결정이 유효하고 균질한 매질로 본다면 단위 셀 사이즈는 파장보다 훨씬 작아야 한다. 판의 두께는 광대역 작용에 대한 표피효과의 깊이보다 작아야 한다. 여기서 상정한 사각격자의 사각판에 덧붙여 판의 형태와 측면 배열의 설정은 삼각판 또는 육각판(도 15)과 같이 다양하게 변경할 수 있다. 유전 상수 강화의 원리는 주어진 거시 전기장에 대하여 유효 편광 밀도 강화의 견지에서 이해될 수 있다.
개념적 설명으로서, 단순화하기 위하여 몇몇 가정을 할 수 있고, 이러한 가정은 엄격한 해석 모델에서 완화될 것이다. 먼저, 우리는 x-편광된 거시 평면파가 무한 결정 내부에서 z-방향으로 진행하는 것을 가정한다(도 1(a)-(b)). 결정의 몇몇 단위 셀로 구성된 중시 영역에 초점을 맞추면, 단위 셀의 길이는 파장 대비 훨씬 작고, 거시적 전기장(Eave)는 이 영역(좁은 영역)에서 균일하다(도 1(b)). 단위 셀 크기(a)가 작고(a < λ/40, λ는 관심 파장), 판의 두께가 작아서( hm < 표피효과의 두께), 준정적 근사(비회전 전기장) 하에서 단위 셀내의 장(field)과 전하 분포를 계산한다. 금속 내부의 전기장은 무시하고(금속 표피의 전하분포만 고려), 금속의 유전율은 충분히 크다고 가정한다. 우리는 y-방향으로 균일한 구조를 가정하는데(유한 금속판 대신 무한히 긴 금속 스트립으로 가정), 이는 판 사이의 측면 분리 간격(g << a)가 매우 작은 경우, 좋은 근사이다. 이 조건 하에서, 각각의 메탈 스트립은 전위값이 공간적으로 일정하고, 이를 도 1(c)에 나와 있듯이 Vn으로 표시한다. 인접한 상하의 메탈 스트립은 x-방향으로 a/2만큼 겹쳐 있으므로, 그들(인접한 상하의 메탈 스트립들)의 전위차는 단순히 ΔV = V+1-V0 = V0-V-1 = (a/2) ·Eave가 된다. 이 때, Eave는 x-방향이므로(z-방향과 수직이므로), z-방향 변위(hd+hm)는 ΔV에 영향을 끼치지 못한다. 이제, 국부 전기장 분포로부터 유전 상수 강화 매커니즘이 이해될 수 있다. 메타스트립의 표면은 등전위면이므로, 표면으로부터 수직방향의 국부 전기장이 발생한다. 더욱이 스트립의 양쪽 반대면 사이의 z-방향을 따라서 적분할 때, 국부 전기장은 전위차(ΔV)와 무관하게 일정하므로, Eave로부터 계산된다. 즉, 국부화된 전기장(Eloc)은 수학식 2을 만족한다.
Figure 112016091674299-pat00017
그리하여, 유전체를 채우는 이러한 전기장에 의하여 유도된 z-방향 국부 전기장 및 국부 쌍극자 모멘트는
Figure 112016091674299-pat00018
에 의하여 강화된다. 이러한 국부 유도 쌍극자 모멘트는 도 1(c)의 금속 스트립의 가상 전하 때문에
Figure 112016091674299-pat00019
의 배수로 x-방향 쌍극자 모멘를 훨씬 더 크게 한다.(다른 메탈 스트립은 서로 절연되어 있으므로, 가상 전하는 작은 금속 스트립내에서 반대 전하를 갖는 쌍극자 쌍을 갖을 수 밖에 없다.) 결국, 부피 평균 거시 편광은 쌍극자 모멘트의
Figure 112016091674299-pat00020
만큼 강화된 값을 유지한다. 다만, 국부 쌍극자 모멘트는 금속을 제외한 공간을 채우는 것이므로, 부비 비율인
Figure 112016091674299-pat00021
을 반영하여 전체 강화 인자는
Figure 112016091674299-pat00022
(
Figure 112016091674299-pat00023
)가 된다. 강화인자를 반영한 유효 유전율은 수학식 3를 따른다.
Figure 112016091674299-pat00024
도 1(c)의 국부 전기장의 정량적인 값은 (우측의 칼라 바)은 FEM(finite element method simulation)으로부터 산출하였고, 실리카(SiO2)에 구리 스트립이 내재된 것으로, 단위 셀의 파라미터는 a = 750 ㎛, g = 100 ㎛, hd = 300 nm, hm = 400 nm 및 파장 λ0 = 15 mm 이다. 결과는 상기 준정적 분석(quasi-static analysis)이 매우 정확함을 보여준다.
상기 자료로부터 균질한 유전 상수가
Figure 112016091674299-pat00025
와
Figure 112016091674299-pat00026
(
Figure 112016091674299-pat00027
)의 비율로 비례하는 것을 즉시 알 수 있다. 중시 결정 구조체가 통상 유전 상수의 승수로서 작용한다. 강화 계수가 단순히 기하학적 파라미터에 의해 결정되고,
Figure 112016091674299-pat00028
와 주파수와는 독립적이기 때문이다. 이것은 본질적으로 영 주파수에서 기능적 주파수까지의 광대역에서 거의 일정한 강화 현상이 발생한다. 이것은 준정적 근사가 타당한 경우에 한한다. 금속 스트립 내에서 전위차가 무시할 수 있을 정도일 때를 의미한다. 구조적 물질적 파라미터의 견지에서, 단위 셀 크기 a가 파장보다 훨씬 작고, 금속의 유전률
Figure 112016091674299-pat00029
이 커야 한다. 즉,
Figure 112016091674299-pat00030
을 만족해야 한다. 심지어 광학 주파수에서도
Figure 112016091674299-pat00031
이기 때문에, 기능적 주파수는 라디오 주파수 및 마이크로웨이브 주파수 뿐만 아니라 테라헤르츠 또는 광학 주파수도 될 수 있다. 일부 실시예에서, 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체를 관통하는 전자기파의 파장은 10 nm - 100 nm 일 수 있으나, 여기에 제한되지 아니한다.
또한 강화 요인이
Figure 112016091674299-pat00032
에 비례한다(단,
Figure 112016091674299-pat00033
). 외관 비율에 2차 종속 특성은 공간 채움 곡선으로 알려진 특별한 곡선 유형에 대하여 같은 수학적 성질을 공유한다. 곡선 같은 낮은 차원의 오브젝트로 영역 같은 높은 차원 공간을 채울 수 있다는 것이 증명된다. 이 공간 채움 디자인 원리는 이전 고 굴절률 매질에는 없던 것이고, 이전의 균질화된 유전 상수는 외관비율과 2차 종속이 아니라 선형관계에 있었다. 이 때문에 외관비율이 1000에 가까운 높은 값이라도, 이전의 측정된 유효 유선 상수는 수천 정도의 값으로 조정되도록 제한된다. 이 때문에 이전의 고굴절률 매질의 유전 상수는 본 발명에서 제안하는 비슷한 외관 비율을 가지는 중시 결정의 획득가능한 유전 상수보다 몇 차 작은 것이다.
본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 샘플은 아래와 같은 방법으로 제작된다.
X-밴드 파장 측정을 위하여 잘게 잘라진 석영 조각(약 0.5 mm 두께)이 기본물질(substrate)로 사용된다. 구리 타켓을 철-니켈 합금 다공 금속판(INVAR shadow mask)에 DC 전자관 박막증착(DC magnetron sputtering)하는 방법으로 금속판이 형성되고, 실리카(SiO2) 타겟을 RF 전자관 박막증착하는 방법으로 유전체 층이 형성된다. 유전체 층 형성시에는 합금 다공 금속판과 같은 마스크를 사용하지 아니한다. 다공 금속판을 정렬하여 추가되는 금속 층의 측면 배치를 조정한다. 수직 방향으로 정확히 2 단위 셀을 쌓기 위하여, 바닥과 최상위 금속 층은 다른 금속 층 대비 절반의 두께를 가진다. 최종 금속 층의 배치 후에는 구리의 산화 방지를 위하여, 실리카(SiO2)를 500 nm 두께로 배치시킨다.
본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 샘플에 마이크로 웨이브를 이용하여 측정하는 것은 다음과 같은 방법이 이용된다.
네트워크 분석기(8510C, Agilent)가 연결된 X-밴드 도파관(X281C, Agilent)이 샘플의 전파 계수(transmission coefficients) S21을 측정하는데 사용된다. 샘플의 유효 유전 상수 및 유효 굴절률은 이동 행렬 방법에 의해 얻는다. 각 측정 전에 표준 TRL 2-포트 보정 방법에 의하여 설정이 보정된다. 샘플은 도파관 샘플 홀더 안으로 삽입되고, 전자기파의 전위 손실을 방지하기 위하여 은 반죽이 접촉 경계에서 적용된다. S21 미가공 데이터는 FWHM(full width at half maximum)가 0.1 GHz인 가우시안 함수를 사용한 이동 평균값이다. 이동 평균 S21은 유효 광학 파라미터를 얻는데 사용되고, S21 미가공 데이터는 도 9에 있다.
측정 결과에 따라 시뮬레이션은 다음의 방법을 이용한다.
단위 셀(도 1(c), 5GHz) 내부의 전기장을 계산하고, 유효 광학 파라미터(도 3 내지 6 및 도 10)를 얻기 위하여, 유한 요소 방법(FEM, finite element method) 시뮬레이션 도구(COMSOL Multiphysics)가 사용된다. 구리의 유전률은 측정된 직류 전도률로부터 계산되고, SiO2의 유전률은 3.9로 가정한다. 파장과 비교하여 매우 작은 y-방향의 g는 무시하고(예를 들어, 금속 스트립의 양축 결정), x-z 2차원 평면에 대하여 시뮬레이션을 수행한다. 결과는 관련된 기하학적 요소를 곱하여 단축 케이스로 변환된다. 산개 계수 S11 및 S21은 얻고, 균질한 상대 유전률과 투자률(도 4)을 전송 행렬 방법으로 얻기 위하여 사용된다. 도 7,8의 이미징과 도 9의 포커싱 시뮬레이션을 위하여 유한 차분 시간영역 시뮬레이션 도구(Lumerical FDTD 솔루션)이 광대역 성능을 보여주기 위하여 사용된다. 마이크로 웨이브 이미징 시뮬레이션을 위하여 중시 결정은 크기 파라미터는 hd = hm = 0.4 ㎛, g = 40 ㎛, a = 1200 ㎛ 이고, 구리와 실리카(SiO2)를 사용하는 것으로 가정한다. 적외선 포커싱에 대한 파라미터는 hd = hm = g = 10 nm, a = 200 nm이고, 알루미늄과 굴절률 1.4인 유전체를 사용하는 것으로 가정한다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체 샘플의 거시적 구조를 나타내고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 중시 결정의 미세 구조의 상단 뷰를 나타내고, 도 3(c)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 X-밴드 주파수 범위에서의 유효 유전 상수(εeff)의 실수부(좌축)와 허수부(우축)를 나타내고, 도 3(d)는 유효 굴절률과 FOM(figure of merit)를 나타낸다.
도 3은 실험, 시뮬레이션 및 해석 모델 3가지 방법으로 산출한 유효 유전 상수, 유효 굴절률 및 FOM값을 나타낸다. 중시 결정 파라미터는 도 1(c)와 같은 a=750 ㎛, g=100 ㎛, hm=400 nm, hd=300 nm 이다.
도 3으로부터 해석 모델, 시뮬레이션 및 실험 결과는 Re[εeff]의 값이 상당히 잘 일치하는 것을 보여준다. 도 3(d)로부터 X-밴드 주파수 범위에서 유효 굴절률은 1000 이상이며, 실험적으로 측정된 FOM는 15 이상인 것을 알 수 있다.
상기 해석 모델은 다음과 같이 유도된다.
단위 셀의 측면 크기는 a로 표시하고, 금속판과 유전체의 두께와 유전율은 각각 (hm, εm) 과 (hd, εd)이다. 수직의 유전체 간격 내부의 전기장은 Ezd(x)이고, 금속 내부의 전기장의 수평 요소는 Exm(x)이다. hm과 hd가 작은 값이므로 두가지 양은 모두 각 영역 내의 수직 방향으로 상수라 가정한다. 준정적 소스-프리 조건으로부터
Figure 112016091674299-pat00034
을 만족한다. D 필드의 솔레노이드 특성은 Dx 와 Dz 필드와 관련되 있는 한, E 필드의 비회전 특성에 의하여 한 판의 중심(x=0, z=0)으로부터 다른 판의 중심(x=a/2, z=hm+hd)까지 임의 경로의 E 필의 선적분은 불변이다. 즉, 다음 수학식 4를 만족한다.
Figure 112016091674299-pat00035
변환 대칭
Figure 112016091674299-pat00036
와 (x=a/4, z=(hd+hm)/2) 에서의 2겹 회전 대칭을 이용하여, Exdo 필드와 비례하는 Ezd 필드를 구할 수 있다. Exdo 필드는 금속판과 측면 유전체 간격 사이의 접촉면의 유전측의 필드이다.
Figure 112016091674299-pat00037
단,
Figure 112016091674299-pat00038
유사하게
Figure 112016091674299-pat00039
도 구할 수 있다. 유효 유전 상수는 평균 전기장과 단위 셀 내의 전기적 변위를 이용하여 수학식 4에 따라 구할 수 있다.
Figure 112016091674299-pat00040
where
Figure 112016091674299-pat00041
Figure 112016091674299-pat00042
일 때,
Figure 112016091674299-pat00043
는
Figure 112016091674299-pat00044
에 수렴한다.
그러면,
Figure 112016091674299-pat00045
에 대하여
Figure 112016091674299-pat00046
가 성립한다.
다만,
Figure 112016091674299-pat00047
가 성립하지 않는 경우에도 상기 수학식 4를 이용하여 해석 모델을 적용할 수 있다.
10GHz 근방의 마이크로 웨이브 작동(도 3(a), (b) 및 방법)에 제안된 구조가 설계되었다. 단위셀의 파라미터는 도 1(c)와 동일하고, 그 구조는 테라헤르츠의 전자기파와 가시광선 영역에서는 그 구조의 스케일이 작아진다. 기하학적으로 단순하기 때문에 다른 스케일로 조정하는 것이 쉽다. 복소 유효 유전 상수는 벡터 네트워크 분석기에 의한 도파관 방법을 사용하여 측정된 상개 파라미터로부터 얻는다. 얻어진 유전 상수 및 굴절률은 정량적인 이론적 예측과 수치 시뮬레이션 결과와 비교된다. 이론적 값에 대하여, 우리는 금속의 유한 복소 유전율을 고려하여 해석 모델을 개발하였다. 시뮬레이션에 대하여는 금속의 실제 유전율을 고려하여 FEM 분석을 사용하였다.
도 3 (c) 및 (d)는 측정된 유효 유전 상수와 굴절률이 해석 예측과 수치 예측이 잘 일치하는 것을 보여준다. 이론값과 수치 결과가 자유 파라미터나 실험 결과에 맞춤없이 얻어진 점에서 주목할만하다. 유효 유전 상수의 측정된 실수부는 1.4 x 106 이상이고, 굴절률의 실수부는 1200 이상이다. 더욱이 이 값들은 거의 분산이 없고, 전체 X-밴드 영역에 걸쳐 거의 동일한 값을 보여준다. 이론적으로 그리고 수치적으로 거의 상수인 경향은 주파수가 0에 가까운 경우에도 적용되며, 이는 다른 메타물질에서 매우 이례적인 것이다. 우리는 획득 알고리즘에서 상대 자기 투자율(μ)이 1이라 가정했다. 실험한 주파수 영역에서 금속의 두께 hm은 표피 두께(구리의 경우 500 내지 600 nm)보다 작기 때문이다. 그리하여 금속판의 반자성 행동은 무시될 수 있다. 이런 가정(μ=1) 없이 행해진 수치적 시뮬레이션에서 유전 상수 뿐만 아니라 투자율까지 추출하여 위의 가정을 검증하였다.
도 4는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 유전률과 투자율을 구하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4(a)는 반사계수(S11)의 크기와 위상을 나타내고, 도 4(b)는 전파 계수(S21)의 크기와 상을 나타내고, 도 4(c)는 중시 결정 구조체가 비자성 물질이라 가정한 경우 및 가정하지 않은 경우의 복소 상대 유전률을 나타내고, 도 4(d)는 복소 상대 투자율을 나타내고, 도 4(e)는 중시 결정 구조체가 비자성 물질이 가정한 경우 및 가정하지 않은 경우의 굴절률 및 FOM 값을 나타낸다.
도 4는 수치적 시뮬레이션으로부터 제안된 중시 결정과 관련하여 얻은 유전률과 투자율이다. 단위 셀의 파라미터는 도 1(c)와 동일한 a=750 ㎛, g=100 ㎛, hm=400 nm, hd=300 nm 이다.
도 4(c)에서 μ=1인 시뮬레이션은 비자성물질을 가정(μ=1)하고 S21만으로부터 얻어진 복소 상대 유전률이고, 하단의 선은 어떤 가정 없이 S11과 S21로부터 얻어진 복소 상대 유전률이다. 두 결과는 X-밴드 주파수 범위(8.5-12 GHz)에서 거의 동일하나 20 GHz 근처에서 μ=1인 경우의 그래프가 약간 크다.
도 4(d)는 S11과 S21로부터 얻어진 복소 상대 투자율이다. 적어도 X-밴드 주파수 범위에서 비자성 가정 하에서 투자율은 5% 범위 내에서 진공 투자율에 가까우나 더 높은 주파수 범위에서 금속 판의 두께(400 nm)는 표피두께에 상당하여 유효 투자율은 진공 투자율과 차이가 난다.
도 4(e)는 S11만으로부터 얻어진 굴절률과 FOM(μ=1), S11와 S21로부터 얻어진 굴절률과 FOM을 나타낸다.
상기 S11과 S21을 구하는 방법은 다음과 같다.
우선 반사 계수 S11의 크기는 1에 가깝고, S11의 작은 측정 에러는 추출된 파라미터의 표준편차를 크게 하기 때문에, S21만을 이용하되, 유효 투자율은 진공 투자율이라 가정한다. S21은 X-밴드 도파관(X281C, Agilent)이 부속된 벡터 네트워크 분석기(8510c, Agilent)를 이용하여 측정한다. X-밴드 사각 도파에 도파된 입사 모드는 TE10 모드로 간주한다. 그런고로 전자기파에 대한 물질 응답은 ε xx , μ yy , μ zz 에만 의존한다. μ(= μ yy = μ zz ) = 1로 가정하므로, 설계된 중시 결정은 εiso = ε xx , μ iso = 1인 유효 등방성 매질로 볼 수 있다. 이 때, 굴절률은 n = [εiso ·εiso]1/2 로 계산된다. 중시 결정의 전송 행렬은 비스듬한 평면 입사파가 가진 단순 등방성 판의 전송 행렬이 되므로 전체 전송 행렬은 수학식 5와 같다.
Figure 112016091674299-pat00048
Figure 112016091674299-pat00049
보호층은 500 nm 두께의 RF-sputtered SiO2 로 되어있고, 기질은 0.5 mm 두께의 깍뚝 썰린 조각의 웨이퍼로 만들어져 있어서, TE 평면에 비스듬하게 입사하는 평면파를 이용하여 중시 결정의 전송 행렬 성분을 수치적으로 계산하여 유효 파라미터를 계산할 수 있다. 우리는 보호층과 기질이 없다고 가정하므로 S21은 더 단순한 형태로 수학식 6과 같이 계산이 가능하다.
Figure 112016091674299-pat00050
Figure 112016091674299-pat00051
Figure 112016091674299-pat00052
Figure 112016091674299-pat00053
Figure 112016091674299-pat00054
Figure 112016091674299-pat00055
Figure 112016091674299-pat00056
유효 투자율은 진공 투자율이라 가정하였으므로, 실험결과와 직접 비교할 수 있고, 수학시 7의 S11으로부터 유효 투자율을 얻을 수 있다.
Figure 112016091674299-pat00057
도 5는 외관 비율(a/h)에 따른 유효 유전 상수의 실수부와 허수부를 나타낸다.
즉, 도 5는 상기 S11과 S21로부터 얻어진 외관 비율(a/h)의 함수로서 측정되고 얻어진 유전 상수이다. 균질한 유전 상수가 10 GHz의 로그 스케일로 그려져 있다. 점선은 유효 유전 상수가 외관 비율의 2차식일 때의 기준선이다. 4가지 설계된 샘플의 유전체의 두께는 각각 hd = 1200, 600, 300 및 150 nm 이다. hd = 150 nm 인 샘플의 경우, 굴절률은 1800이상이고, Im[εeff]는 Re[εeff]보다 크기가 작다.
도 5는 10 GHz에서 제안된 구조체의 외관 비율에 따른 측정된 유효 유전 상수의 관계를 보여준다. 이론값, 시뮬레이션 결과, 실험값이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 절연 실리카(SiO2) 층의 두께는 다양하다( hd = 1200, 600, 300 또는 150 nm ). 다른 파라미터들은 일정하게 유지된다. 적당한 외관비율에서 금속 내부에서 필드를 무시하는 것으로 가정하고, 단순한 공식으로 예측한 유효 유전 상수는 외관 비율에 2차 종속(대쉬 선)으로 나타난다. 큰 외관 비율에서 유전 상수의 실수부는 엄격하게 2차 종속을 따르지는 않고, 허수부는 증가한다. 이러한 해석 예측과 실험적으로 측정된 행동은 일치하지 않는데, 금속판 내부의 전기장을 무시할 수 없기 때문이다. hd = 150 nm (a/hd = 5000 )인 샘플의 경우, 측정된 유효 유전 상수와 굴절률은 각각 3.2 x 106 과 1800 이상이었다. 실험적으로 측정된 허수부는 해석 예측과 수치 예측보다 더 컸으며, 이는 실험적 설정내의 내재적 손실에 기인한다. 여전히 내재적 손실은 실수부의 경우 훨씬 작고, 설계된 샘플이 낮은 손실 탄젠트를 갖는다는 의미이다. 만약 로스에 민감한 응용에 있어서는 더 작은 외관 비율(예컨대 625)을 사용하면 굴절률 375에 FOM 59를 제공할 수 있다. 이것은 이전의 광대역 굴절률보다 10배 정도 큰 것이다.
엄격한 해석 모델과 마찬가지로, 중시 공간 채움 기하학에서의 전기적 변위 취급은 가시광선 영역에서 적용될 수 있다. 다만, 높은 주파수에서 λ 와 |εm|가 감소하기 때문에, 분산에 자유롭고 매우 높은 굴절률을 얻기 위하여 필요한 상술한 조건들을 충족시키기가 점점 더 어려워진다. 높은 굴절률을 위하여 큰 a/h를 요하고, a << λ0 이고,
Figure 112016091674299-pat00058
을 만족해야 하기 때문이다. 그 결과로서 가시광선 영역에서 얻을 수 있는 최대 굴절률은 계속하여 더 작아진다. 도 6에서는 다양한 주파수별 합리적인 FOM을 가진 높은 굴절률 기록을 보여준다.
도 6(a)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 파장에 따른 유전체의 유효 굴절률을 나타내고, 도 6(b)는 파장과 외관 비율에 따른 굴절률을 나타내고, 도 6(c)는 파장과 외관 비율에 따른 FOM 값을 나타내고, 도 6(d)는 도 6(b)-(c)를 이용하여 파장에 따른 굴절률과 FOM값을 동시에 표시한 것이다.
도 6는 준정적 근사에 의하여 제안된 중시 결정의 유효 굴절률의 해석 계산 결과이다. 도 6(a)는 0.3 ㎛ 부터 4 ㎛ 까지의 파장 범위에서 FDTD 시뮬레이션으로부터 얻은 굴절률과 잘 일치하는 것을 보여준다. 실선은 해석 계산 결과이고, 점선은 시뮬레이션 결과를 의미한다. 실수부는 2 ㎛ 이상에서 9 이상의 굴절률을 갖고, 허수부는 2 ㎛ 이상에서 거의 0이다.
도 6(b) 및 도 6(c)는 다양한 외관 비율에 대하여 파장에 의존적인 굴절률과 FOM( Re[nx]/Im[nx] )를 나타낸다. 왼쪽 상단의 회색 영역은 a > λ0/3 인 영역으로 중시 결정의 균질성이 보장되지 않는 영역이다.
도 6(d)는 파장의 함수로서 작성된 유효 굴절률의 획득범위를 나타낸다. 파장이 증가하면 최대 획득 유효 굴절률은 떨어진다. 그러나, 1.55 ㎛의 파장과 FOM 값이 5인 경우 유효 굴절률은 15에 가깝다.
도 6을 작성하기 위하여, 알루미늄의 알려진 투자율 데이터와 유전체의 굴절률 1.4를 사용하였다. 구조적 파라미터는 g = hd = hm = 5 nm 를 가정했고, a는 다양하다. 예컨대, 도 6(a)에서는 FDTD 시뮬레이션으로부터 추출한 유효 굴절률과 해석모델로부터 계산된 유효 굴절률이 비교되었다. 이 때, 파장은 0.3 내지 5 ㎛ 이고, 외관비율은 15로 고정되어있다. 즉, a = 75 nm 이다. 마이크로 웨이브 영역에서 해석 모델의 유효 굴절률은 시뮬레이션에서 얻은 값과 잘 일치한다. 2 ㎛ 이상의 파장에서 분산이 작고, 허수부 값이 작으며, 실수부의 굴절률은 9이상이다. 더 짧은 파장에 대하여 유효 굴절률의 실수부와 허수부가 증가하고, 1.2 ㎛ 근방에서 공명이 있다. 높은 주파수에서 |εm|가 더 작고, 분산 자유 높은 굴절률 기준
Figure 112016091674299-pat00059
이 만족되지 아니하므로 이러한 주파수 분산이 관찰된다. 만약 외관 비율을 변경한다면, 더 작은 FOM 을 갖는 더 큰 굴절률을 얻을 수 있고, 더 큰 FOM을 갖는 더 작은 굴절률을 얻을 수도 있다. 도 6(b) 및 도 6(c)는 파장과 외관 비율의 함수로서 해석적으로 계산된 유효 굴절률과 FOM 을 보여준다. 각 주파수별로 유용한 외관 비율의 상한이 존재하고, 주파수가 증가할수록 상한이 감소하는 것은 주목할만하다. |εm|/εd가 감소하므로 예상되는 행동이다. 도 6(d)는 도 6(b)와 도 6(c)를 조합하여 유도한 복합 그래프이다. 도 6(d)는 주어진 FOM 대하여 파장의 함수로서 굴절률의 최대값을 나타낸다. 큰 유효 굴절률에 대한 구조적 물질적 조건들이 짧은 파장에 대하여 더 엄격하지만, FOM 5, 파장 1.55에서 중시 결정의 실제적 물리적 크기의 유효 굴절률은 15만큼 클 수 있다. 은의 광학적 손실이 더 낮기 때문에 적외선 또는 가시광선 영역에서 알루미늄 대신 은으로 만들어진 제안된 구조체는 유효 굴절률 및 FOM의 최대값이 더 큰 값을 보여준다. 다만, 은을 사용한 경우에 주파수 분산이 더 크다. 높은 굴절률은 깊은 서브 파장(deep-subwavelength) 포커싱 및 이미징에 사용될 수 있다. 중시 결정으로 만들어진 볼록 렌즈를 이용한 평면파 실험의 FDTD 시뮬레이션에서 깊은 서브 파장 허리를 포함하는 광학 빔은 반치폭(FWHM, full width at half maximum)이 λ0 = 1.55 ㎛ 일 때 λ0/23.6 이었다.
결정이 극도의 비등방성(Re[εx,y]/Re[εz] ~ 105)의 평면에 수직인 4겹 또는 3겹 회전 대칭축을 가지면, 얇고 넓은 판으로 만들어진 제안된 중시 결정은 단축이다. 이러한 구조체의 비등방성 형태의 디자인이 가능하면, 현재 디자인의 극도의 비등방성은 깊은 서브 파장 이미징을 포함하는 응용에 이상 자연적으로 가장 적합할 것이다. 더욱이 비등방성 정도가 파장에 둔감하다면(도 7), 실제 응용에 있어서 매우 유용할 것이다. 이것은 서브 파장 이미징에 제안된 기존의 메타물질과 완전히 대조적이다. 기존의 메타물질은 주파수-분산적인 등주파수 표면을 가지고 있다. 제안된 중시 결정의 이미지 전파 능력의 시현으로서 FDTD(Finite difference time domain) 계산이 수행되고, 도 8(a)는 2개의 동상의 쌍극자 소스로부터 빔을 보여준다. 소스는 30 ㎛ 떨어져있고, 이는 자유 공간에서의 20 GHz 의 파장(15000 ㎛)의 1/500이다. 소스는 15 mm를 전파한 후에도 잘 떨어져 있다. 도 8(b)는 균질의 실리카(SiO2)의 경우, 50 ㎛를 전파한 후에 하나의 빔으로 빠르게 병합되는 것이 나타나 있다. 결정의 광대역 성능은 도 7에서도 확인된다. 이 계산은 마이크로 웨이브 주파수에서 구리의 알려진 물질 파라미터를 사용하여 수행되었다. 도 9에서는 같은 원리가 가시광선 영역에서 스케일이 축소된 알루미늄 판 배열 결정에서 확인된다. 볼록 렌즈의 형태를 가지며 반치폭은 λ0 = 1.8 ㎛ 일 때 λ0/27 이었다.
중시 결정의 극도의 비등방성은 마이크로 웨이브 주파수에서 λ0 길이까지의 λ0/500-특징 전파의 수치적 시현에 사용되고, 적외선 영역에서 λ0/27의 초점에 사용된다. 광대역 굴절률 및 유전 상수의 암시는 순수한 과학적 호기심을 넘어 넓은 주파수 범위에 걸쳐 극도의 광학 관련 분야인 깊은 서브 파장 이미징, 에너지 어플리케이션 등 다른 영역에까지 확장된다.
도 7은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 광대역 서브 파장 이미징 수행 결과를 나타낸다.
도 7은 제안된 중시 결정의 광대역 서브 파장 이미징 수행을 나타낸다. (a) 자유 공간의 등주파수 윤곽(EFC)(회색 곡선)과 비교할 때, 다양한 주파수에 대하여 제안된 타원 이방성 결정의 등주파수 윤곽(EFC)을 나타낸다. 극도로 넓은 파수 범위에서 EFC는 평평하다. 다른 타원 또는 쌍곡선 메타물질과 매우 달리 매우 넓은 주파수 범위에서 EFC의 모양은 형태가 동일하다. (b) 중시 결정의 15-30 GHz 의 마이크로 웨이브 대역 서브 파장의 이미징 수행을 나타낸다. 이것은 30 ㎛ 간격(도 8 참고)으로 동상(in-phase)의 쌍극자 소스가 15 mm 전파 후 각 파장의 최대값으로 정규화하여 자기장 강도를 그래프로 그린 것이다. 유사한 이미지 전송 수행이 전 주파수 영역 걸쳐 유지 된다.
도 8은 본 발명에 따른 타원 이방성 중시 결정 구조체의 깊은 서브 파장 이미지 전송을 나타낸다.
도 8은 제안된 타원 이방성 중시 결정의 깊은 서브 파장 이미지 전송을 나타낸다. 20 GHz에서의 자기장 강도를 보여준다. 2개의 인접한 (λ0/500) 동상의 쌍극자는 1 λ0 (λ0 = 15 mm)에서 잘 분리되는 것이 관찰된다(왼쪽 그림). 대조적으로 단일 유전체(SiO2) 매질은 수십 마이크로미터에서 분리된 이미지를 전송할 수 없다(오른쪽 그림). 밝은 파란 실선으로 된 곡선은 왼쪽은 1 λ0 후의 자기장 강도이고, 오른쪽은 1 λ0 /300 전파 후의 자기장 강도이다.
도 9는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 서브 파장 포커싱을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)는 서브 파장 포커싱을 위한 볼록렌즈의 모식도이다. 도 9(b)는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 서브 파장 포커싱을 2차원 FDTD 시뮬레이션에 의한 자기장 강도 프로파일을 나타낸다. 도 9(c)는 서브 파장 포커싱의 반치폭을 구하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 중시 결정 렌즈의 서브 파장 포커싱을 나타낸다. (a) 서브 파장 포커싱을 위한 제안된 중시 결정의 볼록 렌즈의 도식도이다. (b) 2차원 FDTD 시뮬레이션으로부터 계산되어 입사 자기장 강도로 정규화된 자기장 강도 프로파일이다. 중시 결정과 자유 공간 사이의 경계는 회색 실선으로 나타내어져 있다. 자유 공간의 파장이 λ0 = 1.8 m 입사 평면파는 중시 결정 렌즈의 바닥( x = 0 )에서 초점이 생긴다. λ0 = 1.8 m 에서 해석 모델로부터 중시 결정의 유효 굴절률은 nx=20, ny=2 이다. (c) 초점 평면에서 FWHM=0.067 ㎛ ( = λ0 /27 ) 정규화된 자기장 강도(파란 점)와 가우시안 피팅(검은 실선)을 나타낸다.
도 10은 S21 기초 데이터(raw data)와 각각의 샘플의 실험, 시뮬레이션 및 해석 모델로부터 얻은 유효 유전 상수를 나타낸다.
도 10은 S21 기초 데이터(raw data)와 각각의 샘플의 실험, 시뮬레이션 및 해석 모델로부터 얻은 유효 유전 상수를 나타낸다. 다른 유전체 두께로 된 샘플들에 대하여 광대역 측정이 처리되었다. 여기에 보이는 S21 값은 이동 평균을 계산하기 전의 기초 데이터이다. 유효 유전 상수를 얻기 위하여 이동 평균된 S21 값이 사용된다. 유전체의 두께는 (a) hd = 1200 nm, (b) hd = 600 nm, (c) hd = 300 nm 및 (d) hd = 150 nm 이다. 기타 다른 모든 유닛 셀의 파라미터는 도 1(c)와 동일하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 고 굴절률 메타 물질에 의한 빛 흡수를 강화하기 위한 전략을 나타낸다.
일부 실시예에서, 고 굴절율(neff)중시 결정 구조는 태양광 전지에 사용될 수 있으나 여기에 제한되지 아니한다. 예컨대, 구조체의 굴절률이 증가할수록 빛(전자기파)의 부피 대비 에너지 밀도 비율이 굴절률의 제곱 비율로 증가하기 때문에 1800 이상의 고굴절률(마이크로 웨이브 범위) 중시 결정 구조체가 태양광 전지에 사용될 수 있다. 그리하여, 부피 대비 빛(전자기파)의 흡수율은 수학식 2에 따라 빛(전자기파)의 에너지 밀도에 비례하여 증가한다.
Figure 112016091674299-pat00060
이 경우, 알려진 온도에서 전자기파의 최대 스펙트럼 에너지 밀도는 굴절률의 제곱(Yablonovitch 한계)에 비례한다. 그리하여, 만약 누군가 유효 굴절률이 높은 물질을 만들 수 있다면, 그 에너지 밀도는 증가할 수 있고, 전자기파의 흡수율도 마찬가지로 증가할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 고굴절률 중시 결정 구조체는 태양광 전지 또는 다른 파장-에너지 흡수 장치에 유용할 수 있다. 우리는 유효굴절률이 높은 매질을 설계하고, 마이크로 웨이브 영역에서 1800 이상의 굴절률을 실험적으로 관찰하였다.
도 12(a)는 본 발명에 따른 광대역 고굴절률 중시 결정 구조체의 모식도이고, 도 12(b)는 본 발명에 따른 중시 결정의 측정된 굴절률과 FOM 값을 나타낸다.
메타 물질이다. (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제안된 중시 결정의 구조도이다. (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 중시 결정의 측정된 굴절률을 나타낸다. 본 실시예의 중시 결정은 1800 이상의 광대역 고 굴절률을 갖는다.(마이크로웨이브 영역)
도 12는 광대역 고굴절률 메타물질이다: (a)는 제안된 중시 결정의 도식적인 구조이다. (b)는 중시 결정의 측정된 굴절률의 그래프이다. 본 발명에 따른 중시 결정은 광대역 고굴절률(마이크로 웨이브 영역에서 1800 이상)을 나타낸다.
도 13은 어긋나 쌓이는 금속 리본(스트립)으로 구성된 2축 이방성 중시 결정이다.
도 13은 비스듬히 빗겨 쌓인 금속 리본(스트립)으로 구성된 양축 비등방성 중시 결정이다. 여기서도, 각각의 금속 리본은 채워진 유전체에 의하여 절연된다. 여기에 εx는 공간 채움 강화 매커니즘에 기하여 극도로 크고, εy는 εm와 비슷한 값이고, εz는 εd와 비슷한 값이다.
도 14는 어긋나 쌓이는 유한 길이 금속 끈으로 구성된 단축 이방성 중시 결정이다. 도 14(a)는 금속 끈이 직사각형 형태인 경우의 예시도이나, 통상 도 14(b)와 같이 원기둥 형태의 금속 끈이 일반적이라 할 것이다. 도 14(a)와 도 14(b)는 그 목적과 효과가 거의 유사하므로 도 14(b)를 기준으로 설명한다.
도 14(b)는 비스듬히 빗겨 쌓인 유한 길이 금속 끈으로 구성된 단축 비등방성 중시결정이다. 여기서도 각각의 금속 끈은 채워진 유전체에 의하여 절연된다. 여기에 εx는 공간 채움 강화 매커니즘에 기하여 극도로 크고, εy, εz는 εd와 비슷한 값이다.
도 15(a)는 어긋나 쌓이는 육각 금속 판으로 구성된 단축 이방성 중시 결정의 평면도이다.
도 15(a)는 비스듬히 빗겨 쌓인 육각 금속판으로 구성된 단축 비등방성 중시결정이다. 도 15(a)는 중시 결정의 x-y 평면도이다. 여기서도 각각의 금속 판은 채워진 유전체에 의하여 절연된다. 도 1과 유사하게 εx , εy는 공간 채움 강화 매커니즘에 기하여 극도로 크고, εz는 εd와 비슷한 값이다.
도 15(a)의 육각형 형태의 금속판은 원형의 금속판으로 대체될 수 있고, 도 15(b)에 원형 금속판을 포함하는 중시 결정 구조체가 예시되어 있다.
도 16은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 파라미터를 설명하기 위한 모식도이다. 주파수에 따라 주어진 파라미터(a, g, hm, hd)의 값이 변경되어야 한다.
도 17은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 10 GHz 근방의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
10 GHz 근방의 주파수의 경우, 도 16의 파라미터 값들은 a는 1 mm 이하, g는 a의 1/10 내지 1/5, hm는 1 ㎛ 이하, hd는 1 ㎛ 이하가 적당하고, 금속은 금, 구리, 은, 알루미늄이 적당하고, 유전체는 실리카, 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 아크릴라이트 중 어느 하나이면 충분하다.
도 17은 금속으로 구리를 사용하고, 유전체로 실리카(ε=3.9), 구조 파라미터는 a = 750 ㎛, g = 120 ㎛, hm = 400 nm, hd = 150 nm를 가정하였을 때의 얻은 굴절률과 3차 민감도를 나타낸다.
도 18은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 1 THz 근방의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
1 THz 근방의 주파수의 경우, 도 16의 파라미터 값들은 a는 수 ㎛ 정도, , g는 a의 1/10 내지 1/5, hm는 수십 nm 정도, hd는 수십 nm 정도가 적당하고, 금속은 금, 은, 알루미늄이 적당하고, 유전체는 실리카, 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 아크릴라이트 중 어느 하나이면 충분하다.
도 18은 금속으로 금을 사용하고, 유전체로 산화아연(ε=8), 구조 파라미터는 a = 1.8 ㎛, g = 0.4 ㎛, hm = 20 nm, hd = 20 nm를 가정하였을 때의 얻은 굴절률과 3차 민감도를 나타낸다.
도 19는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 대하여 적외선 영역의 주파수에 대한 굴절률 및 3차 민감도에 대한 그래프를 나타낸다.
적외선 근방의 주파수의 경우, 도 16의 파라미터 값들은 a는 약 100 nm, g는 a의 1/10 내지 1/5, hm는 수 nm 정도, hd는 수 nm 정도가 적당하고, 금속은 은, 알루미늄이 적당하고, 유전체는 실리카, 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 아크릴라이트 중 어느 하나이면 충분하다.
도 19은 금속으로 금을 사용하고, 유전체로 실리카(ε=2), 구조 파라미터는 a = 75 nm, g = 5 nm, hm = 5 nm, hd = 5 nm를 가정하였을 때의 얻은 굴절률과 3차 민감도를 나타낸다.
도 20은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체에 방출기(emitter)가 포함된 경우의 낮은 손실의 빠른 방출기를 설명하기 위한 개념도이다.
염료 분자 등의 발광체가 구조 내부에 있을 때 퍼셀 요인(purcell factor)에 의해 자발 발광률(spontaneous emission rate)이 빨라지게 된다. 발광체가 본 발명의 구조에 적절히 위치하면, 굴절률 증대효과에 의해 증대된 굴절률만큼 spontaneous emission rate이 빨라지게 된다. 기존 금속 구조를 이용한 퍼셀 요인의 증대는 금속의 내재적 광흡수에 의해 실제로 복사 발광률(radiative emission rate)의 증대율이 상대적으로 작았지만, 본 구조에서는 금속의 광흡수가 적은 준정적 영역에서 고굴절률 효과를 볼 수 있기 때문에 복사 발광률을 크게 증대시킬 수 있다.
도 21은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 빛 흡수기(Light Absorber)를 설명하기 위한 개념도이다.
실리콘, 유기 반도체, 염료 등 적당한 흡수율을 가진 광 재료의 흡수율의 최대치는 Yablonovitch limit, 즉 굴절률의 제곱에 비례한다. 본 발명에서의 구조는 굴절률을 매우 높이는 구조로써 흡수율을 매우 높일 수 있다. 이때, metal의 흡수가 적은 quasistatic 영역에서 고굴절률 효과를 볼 수 있기 때문에, metal의 loss가 아닌 실제로 쓰일 수 있는 흡수 물질(filling dielectric)의 광 흡수율을 매우 크게 높일 수 있다. 이 때 흡수 물질으로는 응용에 따라 실리콘 (amorphous 등), GaAs, Ge 등의 무기 반도체, 유기 반도체, 염료(dye) 등이 쓰일 수 있다.
도 22는 외부의 전기장에 따라 유효 유전 상수가 변하는 유전체에 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
직류 전기장(DC electric field)이 가해졌을 때 광학적 성질이 변하는 물질을 이용하는 것은 종래에도 존재하였으나, 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용할 경우 매우 얇은 구조에서도 직류(또는 저주파의) 전기장 의 유무에 따라 광 위상차(optical phase difference)를 크게 할 수 있고, 예민한 공명을 얻을 수 있기 때문에, 매우 작은 크기의 전기광학 변조기(electro-optic modulator)를 구현할 수 있다.
도 23은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하여 유체 유전체의 유전율을 정밀하기 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명에서 따른 중시 결정 구조체는 흡수 물질의 유전 상수와 굴절률을 매우 크게 증대시킨다. 이를 이용하여, 도 23에서와 같이 유체 시스템을 만들면, 중시결정구조의 굴절률은 미세한 내부 유전 유체의 굴절률 변화로도 크게 변하게 된다. 광학적 방법 등으로 중시결정구조의 굴절률을 알아내면, 내부 유전 유체의 굴절률을 매우 정확하게 측정하거나 미세한 굴절률 변화 등을 감지해 낼 수 있다.
도 24는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용하여 항원의 밀도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24에서와 같은 구조에서 유전체 부분에 항체를 붙여놓으면 유전체의 유효 굴절률이 항원이 붙을 때와 떨어졌을 때 미세하게 달라지게 된다. 본 발명에서의 구조는 채워진 유전체의 굴절률을 매우 크게 증대시키므로, 채워진 유전체의 미세한 굴절률 변화도 감지할 수 있기 때문에, 위와 같은 센서를 만들면 항원의 농도를 광학적 방법 혹은 전기적 방법을 이용하여 높은 민감도로 측정할 수 있다.
도 25는 본 발명에 따른 중시 결정 구조체의 변형을 이용하여 평면 렌즈를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 25에서와 같이 일부 금속층 (녹색)에서 금속 판들의 주기를 공간적으로 조금씩 다르게 하면, 다른 금속층(노란색)과의 겹쳐진 면적이 공간적으로 달라지게 된다. 본 발명의 중시결정구조에서 겹쳐진 면적과 굴절률은 대략 비례하므로, 결과적으로 위와 같은 구조에서 공간에 따라 다른 굴절률을 얻을 수 있다. 위의 예는 가운데는 굴절률이 높고 주변부는 낮은 굴절률을 가지는 구조로, 렌즈로 쓰일 수 있다.
도 26은 본 발명에 따른 중시 결정 구조체를 이용한 굴절률 대비 그레이팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 26에서와 같이 어떤 금속층과 다른 금속층에서 금속판들이 겹치는 주기를 다르게 하면 무아레 간섭무늬처럼 겹쳐진 면적 공간적인 주기성을 가지고 달라지게 된다. 이와 같은 경우에 굴절률 또한 주기성을 가지고 공간에따라 달라지게 되고, 굴절률 대비(index contrast)를 가지는 격자(grating) 구조로 쓰일 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니 되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제1층;
    상기 제1층에 인접하고, 매트릭스 형태로 배열된 다수의 전도성이 큰 단위체가 배치되고, 전도성이 큰 단위체 사이에 전도성이 작은 물질이 배치되어 전도성이 큰 단위체들을 서로 절연시키는 제2층; 및
    상기 제1층과 상기 제2층 사이에 존재하는 전도성이 작은 물질로 구성된, 제1차단층 및 제2차단층을 포함하는 차단층;
    을 포함하되,
    상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체는 상기 제2 층에 배치된 복수의 전도성이 큰 단위체와 오버랩되고,
    상기 차단층은 상기 제1층의 다수의 전도성이 큰 단위체와 상기 제2층의 다수의 전도성이 큰 단위체를 서로 절연시키고,
    상기 제1층 - 상기 제1차단층 - 상기 제2층 - 상기 제2차단층의 순서로 적층되는 것이 하나 이상 반복되는 것을 특징으로 하는,
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성이 작은 물질는 이산화규소, 규소, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 아크릴라이트, 산화 아연, 산화알루미늄 및 산화은 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성이 큰 단위체는 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Zn, Ti, Fe, Cr, Ni, Mg, Na, K, Ir, Os, W, Re , Ru, Rh 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성이 큰 단위체는 직육면체의 형태이고,
    상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체는 상기 제2 층에 배치된 4개의 전도성이 큰 단위체와 오버랩되고,
    상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체의 중심이 상기 4개의 전도성이 큰 단위체의 모여 있는 꼭지점 근방에 있는 것을 특징으로 하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성이 큰 단위체는 육각판의 형태이고,
    상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체는 상기 제2 층에 배치된 3개의 전도성이 큰 단위체와 오버랩되고,
    상기 제1층의 각 전도성이 큰 단위체의 중심이 상기 3개의 전도성이 큰 단위체의 모여 있는 꼭지점 근방에 있는 것을 특징으로 하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차단층은 발광체를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
  7. 제1항의 중시 결정 구조체를 이용하여 전자기파를 흡수하는
    전자기파 흡수 장치.
  8. 제1항의 중시 결정 구조체와
    상기 중시 결정 구조체에 직류 전기장을 가하는 직류 전원장치를
    포함하는
    전기 광학 모듈레이터.
  9. 제1항의 중시 결정 구조체를 이용하는 굴절률 센서에 있어서,
    상기 전도성이 작은 물질는 유체이고,
    상기 중시 결정 구조체의 굴절률을 측정함으로써 상기 전도성이 작은 물질의 굴절률을 산출하는 것을 특징으로 하는
    굴절률 센서.
  10. 제1항의 중시 결정 구조체 및 항체를 포함하는 항원 센서에 있어서,
    상기 전도성이 작은 물질는 유체이고,
    상기 전도성이 큰 단위체 표면에 상기 항체가 부착되고,
    상기 항체가 항원과 결합여부를 측정하여, 상기 항원의 밀도를 산출하는 것을 특징으로 하는
    항원 센서.
  11. 제1항의 중시 결정 구조체를 이용하는 그레이드 인덱스 렌즈에 있어서,
    상기 제1층의 전도성이 큰 단위체와 제2층의 전도성이 큰 단위체의 오버랩되는 부분의 배치에 의하여 상기 중시 결정 구조체 상의 위치에 따라 굴절률이 결정되는 것을 특징으로 하는
    그레이드 인덱스 렌즈.
  12. 제1항의 중시 결정 구조체를 포함하는 굴절률 대비 그레이팅 장치에 있어서,
    상기 제1층의 전도성이 큰 단위체와 제2층의 전도성이 큰 단위체의 너비가 서로 상이하고, 서로 오버랩되는 형태가 주기성이 있어 굴절률도 주기적으로 변하는 것을 특징으로 하는
    굴절률 대비 그레이팅 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전도성이 큰 단위체는 강유전체인 것을 특징으로 하고,
    편광된 전자기파가 입사됨에 따라, 상기 강유전체의 강유전성 상태 회귀에 따라 편광된 전자기파의 특성을 검출하는
    전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체.
KR1020160120978A 2015-09-21 2016-09-21 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치 KR102246363B1 (ko)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20150132969 2015-09-21
KR1020150132969 2015-09-21
KR1020150151969 2015-10-30
KR20150151969 2015-10-30
KR20160109940 2016-08-29
KR1020160109940 2016-08-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170034778A KR20170034778A (ko) 2017-03-29
KR102246363B1 true KR102246363B1 (ko) 2021-04-29

Family

ID=58386506

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160120978A KR102246363B1 (ko) 2015-09-21 2016-09-21 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치
KR1020160120985A KR102246367B1 (ko) 2015-09-21 2016-09-21 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160120985A KR102246367B1 (ko) 2015-09-21 2016-09-21 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10295885B2 (ko)
KR (2) KR102246363B1 (ko)
WO (1) WO2017052196A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017052196A1 (ko) * 2015-09-21 2017-03-30 한국과학기술원 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치
CN110109199B (zh) * 2019-05-24 2021-02-19 太原理工大学 一种实现任意线偏振光单向传输的光子晶体异质结构
CN112684525B (zh) * 2021-01-05 2021-10-26 复旦大学 接近零频率及虚频率的共振腔及相关器件
KR102627563B1 (ko) * 2021-02-10 2024-01-24 한국과학기술원 고변조 메타물질 구조체
CN113076630B (zh) * 2021-03-22 2022-05-20 华中科技大学 一种光电器件中介观层的仿真模型建立方法及其应用
CN115598091B (zh) * 2022-10-31 2024-03-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性测量方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006167855A (ja) 2004-12-15 2006-06-29 Ricoh Co Ltd 周期性構造物の作成方法、周期性構造物、および、周期性構造物を用いた光学素子
US20090323014A1 (en) 2006-03-15 2009-12-31 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Passive and active photonic crystal structures and devices
US20100253997A1 (en) 2009-04-02 2010-10-07 Jingjing Li Electronically reconfigurable planar crossbar array optical elements

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4974870B2 (ja) * 2006-12-27 2012-07-11 キヤノン株式会社 光学素子、センサ装置及びセンシング方法
JP4621270B2 (ja) * 2007-07-13 2011-01-26 キヤノン株式会社 光学フィルタ
JP5821511B2 (ja) * 2011-10-17 2015-11-24 セイコーエプソン株式会社 光デバイス及び検出装置
WO2017052196A1 (ko) * 2015-09-21 2017-03-30 한국과학기술원 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006167855A (ja) 2004-12-15 2006-06-29 Ricoh Co Ltd 周期性構造物の作成方法、周期性構造物、および、周期性構造物を用いた光学素子
US20090323014A1 (en) 2006-03-15 2009-12-31 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Passive and active photonic crystal structures and devices
US20100253997A1 (en) 2009-04-02 2010-10-07 Jingjing Li Electronically reconfigurable planar crossbar array optical elements

Also Published As

Publication number Publication date
KR102246367B1 (ko) 2021-04-29
WO2017052196A1 (ko) 2017-03-30
KR20170034778A (ko) 2017-03-29
US10295885B2 (en) 2019-05-21
KR20170034779A (ko) 2017-03-29
US20180275486A1 (en) 2018-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102246363B1 (ko) 전기쌍극자의 공간채움을 이용한 광대역 초고굴절률 중시 결정 구조체 및 이를 이용한 광학 장치
Chen et al. Manipulation of terahertz radiation using metamaterials
US7421178B2 (en) Left-handed materials and structures based on strong dielectric anisotropy
Drachev et al. Experimental verification of an optical negative‐index material
US8599489B2 (en) Near field raman imaging
Davidovich Hyperbolic metamaterials: production, properties, applications, and prospects
Shuvo et al. A wide-angle, enhanced oblique incidence, bend-able metamaterial absorber employed in visible region with a sun shape resonator
Sohr et al. Simultaneous large mode index and high quality factor in infrared hyperbolic metamaterials
Sadafi et al. A tunable hybrid graphene-metal metamaterial absorber for sensing in the THz regime
Wongkasem et al. Novel broadband terahertz negative refractive index metamaterials: Analysis and experiment
Gu et al. Tunable THz perfect absorber with two absorption peaks based on graphene microribbons
Borzooei et al. Graphene disks for frequency control of terahertz waves in broadband applications
Kang et al. A polarization-insensitive dual-band plasmonic metamaterial absorber for a sensor application
Beiranvand et al. A proposal for a multi-functional tunable dual-band plasmonic absorber consisting of a periodic array of elliptical grooves
Arezoomandan et al. Graphene–dielectric integrated terahertz metasurfaces
Zhou et al. High-efficient light absorption of monolayer graphene via cylindrical dielectric arrays and the sensing application
Wu et al. The enhanced nonreciprocal radiation in a grating structure containing a Weyl semimetal film under conical incidence
Ralević et al. Modulating light with graphene embedded into an optical waveguide
Seliuta et al. Guided lattice modes in terahertz metasurface deposited on ultrathin dielectric substrate
Liu et al. Design and analysis of Matts-shaped perfect metamaterial absorber using equivalent circuit model
Goswami et al. Structured surfaces for generation of negative index of refraction
Hwang et al. Electromagnetically-induced Transparency in Metamaterials for the Potential Applications
Khodadadi et al. Sensitivity increment of metamaterial-based refractive index sensor with silicon layers
Xiao et al. Tunable circular dichroism based on graphene-Au chiral metasurface structure
Sun et al. Rapid and nondestructive determination of graphene thickness with an all dielectric metasurface

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right