KR102262913B1 - 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법 - Google Patents

편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법 Download PDF

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고숭
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Abstract

본 발명은 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면은 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 적어도 한 개 이상의 나노 기둥들을 포함하며, 상기 나노 기둥은 유전체만으로 구성되며 직육면체의 형상을 가지고, 상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 나노 기둥은 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판 상으로부터 수직하는 방향으로 연장 형성된다.

Description

편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법{ Metasurfaces for realizing polarization rotation and focusing}
본 발명은 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 선형 편광 각도를 제어하여, 투과 가시광의 파면을 조작할 수 있는 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
현대 광학 기술의 급속한 발전에 따라 다양한 기능들이 집적되어 소형화되는 고성능, 초소형의 광학 시스템 구현에 대한 사회적, 기술적 요구가 늘어나고 있다.
하지만, 기존에 주로 쓰이던 렌즈와 같은 광학 소자들은 크기가 크고 복잡한 구조로 되어 있어 소형 집적화에 대한 제약이 있었다.
이러한 기존 광학 소자의 소형화에 대한 한계를 극복하기 위해 최근 국내외의 대학들 및 많은 연구 기관들에서 메타표면(metasurface)을 사용하는 나노 광학 디바이스에 대한 연구가 진행되고 있다.
메타표면은 자연계에는 존재하지 않는 인공의 광학 평면을 구현하는 소자 기술을 뜻하며, 나노미터 급의 작은 크기의 금속, 유전체 물질의 조합을 통해 구현된다.
메타표면에 존재하는 두 매체(media) 사이의 인터페이스(interface)를 따라, 선형으로 변하는 위상 지연(linearly varying phase delay) 즉, 일정한 위상 구배(constant phase gradient)가 유도된다.
즉, 서브 파장(subwavelength) 대역에서 서로 공간을 두고 배치된 메타 나노 안테나 세트는 입사된 광의 변칙적인 굴절을 초래했으며, 이로 인해 고전적 스넬의 법칙(Snell's law)은 적용되기 어려웠다.
이러한, 메타표면의 점진적 위상차(phase-gradient)를 형성할 수 있는 특성 때문에, 자유 공간에서 전파되는 파동을 조작할 수 있는 메타표면에 대한 연구가 진행되었으며, 집광, 홀로그램 생성 및 와류 빔(vortex beam)과 관련된 연구에서 메타표면의 역할이 연구되었다.
이러한 최근 연구에서, 메타표면이 급격한 위상 변화를 중재할 수 있는 특성을 이용하여, 광학 경로 설정 및 모드 변환 기능을 가진 메타표면을 광 도파관에 적용하였다.
또한, 메타표면은 빛의 위상, 진폭 및 편광 방향과 같은 광의 특성을 조절할 수 있기 때문에, 기존의 광학 소자들을 대체하는 물질로써, 광학 디바이스를 획기적인 작은 크기로 구현할 수 있도록 만들었다.
그리고, 메타표면을 광학 소자로써 채택함으로써, 기존 광학 디바이스의 성능은 그대로 유지시키면서 하나의 광학 디바이스에 다양한 기능을 가진 광학 모듈들을 집적할 수 있도록 하였다.
메타표면은 메타물질로 구성되며, 이러한 메타물질은 빛의 파장보다 짧은 구조적 길이를 가지고, 이러한 구조들이 반복적으로 패턴을 형성하는 인공 합성 물질을 의미한다.
예를 들어, '광학 메타물질'로도 알려져 있는 '포토닉 메타물질'은 가시광의 전파를 제어하는 기능을 가지고 있으며, 나노미터 수준의 구조적 길이를 가진다.
이에 반해, 가시광의 파장은 수백 나노미터 수준이다.
따라서, '메타표면'은 서브 파장 영역의 구조물들이 반복적으로 패턴을 형성하는 2차원 메타물질로 간주되며, 메타물질과 동일한 장점을 포함한다.
게다가, 메타표면은 상술한 메타물질의 집약에 의해 메타물질보다 더 효율적으로 광을 투과시킨다.
특히, 유전체만으로 형성된 메타표면은 편광과 위상을 제어하는 전례없는 능력을 보이고 있으나, 이러한 메타표면에 대한 이전 연구는 주로 교차 편파(cross-polarized) 기법에만 국한되어 있다.
편광 상태는 양자 비트의 데이터(큐비트, qubits)를 개별 광자의 편광에 저장시킬 수 있다는 특성 때문에 기존 광학 응용 분야에서 매우 중요하였으며, 최근 양자 광학에 대한 관심이 급증함에 따라 편광 기능을 갖는 물질에 대한 연구 수요가 증가하고 있다.
그럼에도 불구하고, 최근 몇 년 동안의 연구는 메타표면에 대한 입사광이 특정 상태에서 직각 위상으로 전환될 때, 빔 조향, 빛 포커싱, 홀로그램 생성 및 와류 빔 생성(beam steering, light focusing, hologram generation, and vortex beam generation)과 같은 서로 유사한 기능들에 대한 연구만 진행되어왔다.
또한, 최근의 연구는 빛 편광의 측정, 분석 및 이미징(measuring, analyzing, and imaging light polarization)을 목적으로 메타표면 기반 초박형 편광계(ultra-thin polarimeters)를 실현하는 데만 전념해왔다.
더욱이, 종래의 메타표면은 임의의 편광 및 위상 제어를 가능하도록 하기 위해, 쌍을 이룬 나노 안테나(paired nanoantennas), 기하 위상 및 전파 위상의 조합(combinations of geometric and propagation phases) 및 푸리에 홀로그래피 기술(Fourier holography technique)을 사용하는 것 만을 제시하였을 뿐이다.
이 외에 다차원의 다중 메타원자(meta-atom)들을 이용하여 편광 및 위상 제어를 하고자 하였으나, 적외선 영역 및 갭-플라즈몬 메타표면에만 국한되어 있다는 한계점이 있었다.
1 논문 N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats, F. Aieta, J. P. Tetienne, F. Capasso and Z. Gaburro, Science, 2011, 334, p333 ~337. 2 논문 M. Khorasaninejad, W. T. Chen, R. C. Devlin, J. Oh, A. Y. Zhu and F. Capasso, Science, 2016, 352, p1190~1194. 3 논문 X. Li, L. Chen, Y. Li, X. Zhang, M. Pu, Z. Zhao, X. Ma, Y. Wang, M. Hong and X. Luo, Sci. Adv., 2016, 2, e1601102. 4 논문 B. Wang, F. Dong, Q. T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y. F. Xiao, Q. Gong and Y. Li, Nano Lett., 2016, 16, p5235 ~ 5240. 5 논문 L. Huang, S. Zhang and T. Zentgraf, Nanophotonics, 2018, 7, p1169 ~ 1190.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 메타표면에 입사되는 빛의 편광 방향을 변환, 즉 편광에 따라 반파장판(half-waveplate)으로 동작하는 동시에 렌즈(Lens)의 기능을 모두 수행할 수 있는 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 적어도 한 개 이상의 나노 기둥들을 포함하며, 상기 나노 기둥은 유전체만으로 구성되며 직육면체의 형상을 가지고, 상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 나노 기둥은 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되는 메타표면을 제공한다.
상기 나노 기둥은 상기 기판과 접하는 면과 마주보는 면이 평면이 되도록 면 처리될 수 있다.
상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.
상기 유전체는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)일 수 있다.
본 발명은 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 일정한 단위 면적으로 구분될 수 있는 기판, 유전체만으로 이루어지며 상기 기판상에 형성되는 복수의 나노 기둥들을 포함하며, 상기 단위 면적당 한 개의 나노 기둥이 형성되는 복수의 단위 셀들을 포함하고, 상기 나노 기둥은 직육면체의 형상을 가지며, 상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되고, 상기 단위 면적은 240nm*240nm인 메타표면을 제공한다.
상기 복수의 단위 셀들은 제1 내지 제8단위 셀들 및 상기 제1 내지 제8단위 셀 각각에 형성된 제1 내지 제8 나노 기둥들을 포함하며, 상기 제1 내지 제8 나노 기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)로만 구성될 수 있다.
상기 제1 내지 제8 나노 기둥 각각의 가로, 세로 및 높이의 크기는 각각 서로 다를 수 있다.
상기 제1 내지 제8 나노 기둥은 320nm의 높이를 가질 수 있다.
본 발명은 상기의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 일정한 단위 면적으로 구분된 기판, 상기 단위 면적에 따라 구분된 기판상에 형성되는 나노 기둥을 포함하는 복수의 단위 셀들을 포함하며, 상기 복수의 단위 셀들은 제1 내지 제8단위 셀들 및 상기 제1 내지 제8단위 셀 각각에 형성된 제1 내지 제8 나노 기둥들을 포함하고, 상기 제1 내지 제8 나노 기둥들 각각은 상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되며, 유전체만으로 구성되고, 직육면체의 형상을 가지며, 상기 제1 내지 제8단위 셀은 서로 연결되어 슈퍼 셀을 형성하고, 상기 제1 내지 제8 나노 기둥들 중 적어도 4개의 나노 기둥과 다른 4개의 나노 기둥은 각각 90도 각도를 이루면서 마주보도록 배치되는 메타렌즈를 제공한다.
상기 제1축 및 제2축의 길이를 나타내는 피치 Λ는 240nm일 수 있다.
복수 개의 상기 슈퍼 셀이 서로 연결되어 원판을 이루고, 상기 원판의 직경과 초점 길이(focal length)는 모두 60㎛일 수 있다.
본 발명은 상기의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 기판을 준비하는 제1단계, 상기 기판에 유전체 박막층을 증착시키는 제2단계, 상기 유전체 박막 층에 전자빔 레지스트 (electron beam resist)를 증착시키는 제3단계, 전자빔 리소그라피 (electron beam lithography)를 통해 메타렌즈 패턴을 형성하는 제4단계, 상기 층에 알루미늄 층을 증착하고 리프트 오프(lift-off)하여 에치 마스크를 형성하는 제5단계, 상기 유전체 박막층에 에칭(etching)을 하여 메타렌즈 구조를 형성하는 제6단계, 상기 메타렌즈 구조에 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하는 제7단계를 포함하는 메타표면 및 메타렌즈 제조방법을 제공한다.
상기 제1단계는 상기 기판의 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 웨이퍼 클리닝을 하는 제1-1 단계, 수분을 제거하는 디하이드레이션 베이킹(dehydration baking)을 하는 제1-2 단계, 상기 기판의 표면이 소수성을 띄도록 변형하는 프라임하는 제1-3 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2단계는 상기 기판상에 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition)을 통해 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 유전체 박막 층을 증착하며, 상기 수소화 비정질 실리콘을 320nm의 두께로 증착하는 제2-1 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제3단계는 스핀 코팅(spin-coated) 방법으로 전자선 레지스트 (electron beam resist) 를 증착하는 제3-1 단계, 소프트 베이크(soft baking)를 하는 제3-2 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제4단계는 전자빔 리소그라피(electron beam lithography)를 이용하여 메타표면 패턴을 형성하고, 전자빔이 조사된 레지스트를 제거하여 현상 (development)하는 4-1단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제5단계는 상기 층에 알루미늄 (Al)을 증착하여 형성하고, 상기 알루미늄 층의 두께는 60nm가 되도록 하는 5-1단계, 리프트 오프 (lift-off)를 수행하여 에치 마스크 (etch mask)를 형성하는 5-2단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제6단계는, 상기 기판에 불소 기반의 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(fluorine-based inductively coupled plasma-reactive ion etching)을 행하는 제6-1 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제7단계에서, 상기 기판에 습식 식각(wet etching)을 통해 남아있는 알루미늄 층을 제거하는 제7-1 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈는 입사광이 편광되는 방향에 따라 다양한 기능을 가지므로, 라이다(LiDAR)나 현미경을 포함하는 광학 디바이스 응용 분야에서 광학 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면 및 메타렌즈를 제조하는 방법은 개별적인 반파장판형 수소화 비정질 실리콘 나노 기둥들(distinct half-waveplate-like hydrogenated amorphous silicon nanoposts)로 구성되며, 선형 편광 각도(linear polarization angles)를 제어하여, 투과 가시광선의 파면을 조작할 수 있는 유전체만으로 형성된 메타표면 및 메타렌즈의 제작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면 및 메타렌즈는, 위상, 진폭 및 편광을 포함하는 광 특성의 변조 외에도, 공명 분산 및 근접장 전자기파 분포(resonance dispersion and the near-field electromagnetic wave distributions) 기능을 갖는 평면 무색 렌즈 및 센싱 장치로 구현될 수 있다.
도 1은 반파장판과 렌즈를 각각 포함하고 있는 종래의 광학 시스템과 본 발명에 따른 메타렌즈를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 메타표면의 단위 셀 구성, 편광된 입사광에 대한 전송 효율과 위상 및 u축과 v축 사이의 위상차를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈의 u축과 v축에 대해 시뮬레이션 된 유효 인덱스 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 메타표면에 수직한 입사각에 대해 투과된 광의 편광 및 회절 효율을 시뮬레이션한 결과로 편광 상태가 변하는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 메타표면을 이용하여 출력 편광 상태를 조절할 수 있는 빔 디플렉터를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈에 서로 다른 입사 각도로 입사한 광의 편광 각도에 대한 광파면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈의 특성을 측정하기 위한 시스템 및 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈에 파장 690nm의 광이 입사 각도가 변화됨에 따라 나타나는 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서 설명되는 모든 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것이며, 여기에 설명된 실시 예들과 다르게 변형되어 다양한 실시 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 공지 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위해서 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있으며, 각 구성요소들에 참조번호를 기재할 때, 동일한 구성요소들에 대해서는 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시하였다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명에 대한 다양한 변형 실시 예들이 있을 수 있다.
그리고 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 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.
또한, 본 출원에서 사용된 단수의 표현은 문맥상 명백히 다른 것을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는, 첨부된 도 1 내지 도 9를 참조하여, 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면 및 이를 포함하는 메타렌즈 대하여 자세히 설명한다.
도 1은 반파장판과 렌즈를 각각 포함하고 있는 종래의 광학 시스템과 본 발명에 따른 메타렌즈를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 메타표면의 단위 셀 구성, 편광된 입사광에 대한 전송 효율과 위상 및 u축과 v축 사이의 위상차를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈의 u축과 v축에 대해 시뮬레이션 된 유효 인덱스 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 메타표면에 수직한 입사각에 대해 투과된 광의 편광 및 회절 효율을 시뮬레이션한 결과로 편광 상태가 변하는 것을 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 메타표면을 이용하여 출력 편광 상태를 조절할 수 있는 빔 디플렉터를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈에 서로 다른 입사 각도로 입사한 광의 편광 각도에 대한 광파면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈의 특성을 측정하기 위한 시스템 및 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈에 파장 690nm의 광이 입사 각도가 변화됨에 따라 나타나는 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 메타표면은 기판(SiO2) 및 나노 기둥(nanopost)을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판은 이산화규소(SiO2)로 구성되며, 일정한 단위 면적으로 구분될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기판은 도 2에 도시된 x축을 가로축 및 제1축으로 하고, y축을 세로축 및 제2축으로 정의할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 제1축 및 제2축의 길이는 240nm로 동일하게 구성될 수 있으며, 이 경우, 기판의 단위 면적은 240nm*240nm으로 구분할 수 있다.
나노 기둥(nanopost)은 기판(SiO2) 위에 형성되며, 유전체만으로 구성된다. 본 실시 예에 따른 유전체는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)이므로, 나노 기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 구성된다.
나노 기둥은 직육면체의 형상을 가지며, 기판을 단위 면적으로 구분할 경우, 각 단위 면적당 적어도 한 개 이상의 나노 기둥을 포함한다.
따라서, 기판의 단위 면적이 240nm×240nm으로 이루어질 경우, 가로 및 세로가 240nm×240nm의 면적을 가지는 기판 상에 한 개의 나노 기둥이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에서 나노 기둥은 도 2에 도시된 바와 같이, 기판의 제1축 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성된다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 나노 기둥이 기판과 접하는 면과 마주보는 면은 평면이 되도록 면 처리된다.
이는 나노 기둥이 특정한 모드(mode)에서 광 전파를 하는 도파관 역할을 하기 때문이다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노 기둥을 포함하는 기판들은 일정한 단위 면적으로 구분될 경우, 단위 셀(unit cell)로 지칭될 수 있다.
즉, 상술한 일 실시 예처럼, 가로 및 세로가 240nm*240nm의 면적을 가지는 기판으로 단위 면적을 구분할 경우, 각각의 단위 면적에 해당하는 기판을 단위 셀로 지칭하며, 단위 셀마다 각각 한 개의 나노 기둥이 형성된다.
또한, 이러한 단위 셀들은 서로 연결되어, 슈퍼 셀(super cell)을 구성하며, 슈퍼 셀은 복수의 나노 기둥들을 포함하게 된다.
본 발명에서 슈퍼 셀은 제1 내지 제8단위 셀(#1, #2, #3, #4, #5, #6, #7, #8, 도 2의 (c) 참조)을 포함하는 것을 일 실시 예로 하여 설명하며, 제1 내지 제8단위 셀((#1, #2, #3, #4, #5, #6, #7, #8) 각각은 제1 내지 제8 나노 기둥을 포함하는 것을 예시로 하여 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단위 셀은 그 자체로 단일한 메타표면을 구성하며, 이러한 단위 셀들이 서로 연결되어 슈퍼 셀을 형성하며, 메타렌즈로 구현된다.
따라서, 슈퍼 셀은 복수의 단위 셀들의 집합체로써 메타렌즈를 구성하는 기본 구성이 된다.
이러한 슈퍼 셀에 포함된 제1 내지 제8 나노 기둥은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 그 크기와 넓이가 서로 다르게 구성될 수 있다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 각각의 나노 기둥에 대한 가로, 세로 및 높이를 각각 w2, w1 및 h로 정의할 경우, 제1 나노 기둥 내지 제8 나노 기둥의 w2, w1 및 h는 모두 다르게 구성될 수 있다.
이 경우, 광의 편광 특성에 따라 다양한 기능을 가지는 메타렌즈를 구현할 수 있다.
하지만, 광의 편광 특성을 일정하게 제어하기 위해, 제1 나노 기둥 내지 제8 나노 기둥의 w2, w1 및 h는 모두 동일하게 구성될 수도 있다.
즉, 제1 나노 기둥 내지 제8 나노 기둥은 모두 320nm의 동일한 높이(h) 값을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 슈퍼 셀에 포함되는 제1 내지 제8 나노 기둥들 중 적어도 4개의 나노 기둥과 다른 4개의 나노 기둥은 입사하는 광을 편광시키는 메타렌즈의 기능을 가지도록 구성되기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 90도 각도를 이루면서 마주보도록 배치된다.
예를 들어, 제1 내지 제4 나노 기둥들은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 기판의 오른쪽 세로축을 바라보도록 비스듬하게 배열되는 반면, 제5 내지 제8 나노 기둥들은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 기판의 왼쪽 세로축을 바라보도록 비스듬하게 배열될 수 있다.
즉, 도 2(c)에 도시된 제1 내지 제8 나노 기둥의 배열을 상면에서 바라보는 평면도로 나타낼 경우, 제1 내지 제4 나노 기둥들과 5 내지 제8 나노 기둥들은 V자 형태로 배열되며, 서로 90도 각도를 이루며 비스듬히 마주보도록 배열된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에서, 기판의 가로를 나타내는 제1축 및 세로를 나타내는 제2축의 길이는 피치 Λ는 모두 240nm이므로, 도 2의 (c)에 도시된 제1 내지 제8 나노 기둥들은 모두 각각 240nm만큼의 간격을 갖도록 이격 배치된다.
한편, 복수의 단위 셀들이 결합하여 구성된 슈퍼 셀은 그 자체로써 메타렌즈를 구현할 수 있으나, 도 7의 (a) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 복수의 슈퍼 셀들이 서로 연결되어 원판 형태의 메타렌즈를 구현할 수도 있다.
도 7의 (a) 및 (c)에 나타난 본 실시 예에 따른 메타렌즈는 원판의 직경이 60㎛로 형성된다.
또한, 60㎛의 직경을 가진 본 실시 예에 따른 메타렌즈는 초점 길이(focal length) 역시 60㎛로 형성된다.
본 발명에 따른 메타렌즈는 서브 파장 영역에서 공간을 가지도록 구획된 나노 구조(subwavelength-spaced nanostructure)이며, 이러한 나노 구조는 상술한 나노 기둥으로 구현된다.
한편, 이러한 나노 구조들은 개별적으로 입사광과 상호 작용하고 광을 산란시킬 수 있는 메타원자(meta-atom)라고 정의할 수도 있으며, 각각의 나노 구조의 크기, 모양 및 나노 구조가 바라보고 있는 방향에 따라 위상 지연이 달라진다.
본 발명에 따른 메타렌즈가 가지고 있는 편광 기능과 편광 효율을 검증하기 위하여, 비정상 빔 디플렉터(anomalous beam deflector)를 설계하여, 지정된 위치에서 교차 편광(cross-polarized light)을 시키고, 집광 현상(light focusing phenomenon)을 관찰하였다.
결론적으로, 본 발명에 따른 메타렌즈는 교차 편파 방식에서 82%의 절대 편향 효율(absolute deflection efficiency), 96%의 편광 변환 효율(polarization conversion efficiency) 및 37dB의 소광비(extinction ratio)를 가짐이 입증되었다.
또한, 본 발명에 따른 메타렌즈에 의해 편향된 광은 입사 편광 각도를 변화시킴으로써 0.96보다 큰 선형 편광도를 유지할 수 있으며, 편광을 연속적으로 회전시킬 수 있다.
또한, 입사 편광 각도를 맞추는 것으로써, 선형 편광 각도가 회전될 수 있음을 입증하였다. 여기서 선형 편광 각도는 집광되는 스폿(focused beam spot)의 출력과 대응한다.
따라서, 본 발명에 따른 메타렌즈는 반파장판(half-waveplate) 및 포커싱 렌즈(focusing lens)와 동일한 기능을 갖는다.
일반적으로 광학 파장판(optical waveplate)은 광학 디바이스 또는 시스템에서 빛의 편광을 회전 또는 변환하는데 사용된다.
또한, 본 발명에 따른 메타렌즈는 메타렌즈를 구성하는 메타표면을 여러 섹터로 나누고, 각 섹터가 지정된 편광 상태로 작동하여 입사광이 서로 다른 편광 상태가 되도록 한다.
본 발명에 따른 메타렌즈의 편광 상태를 실험함에 있어서, 입사광 및 출력광의 편광 상태는 각 기능이나 각 모드에 있어 모두 동일하게 유지되었다.
복굴절 재료로 구성된 종래의 파장판은, 빛의 파장보다 훨씬 긴 전파 거리에 걸쳐 축적된 위상 지연을 이용하여, 2개의 직교 편광 사이의 위상 지연을 발생시킨다.
또한, 종래의 메타표면은 출력되는 광파면을 조작한다. 이때, 출력되는 광은 교차 편광되어(cross-polarized) 입사하는 광의 편광과 직교하는 광이 된다.
이때, 종래의 메타표면은 원형 편광(circularly polarized light)을 조작하기 위해 기하학적 위상(geometric phase)을 이용하거나, 직선 편광(linearly polarized light)을 제어하기 위해 공명-유도된 위상 시프트(resonance-induced phase shift)를 이용하는 것 중 어느 하나의 방법을 사용하여 광파면을 조작한다.
종래의 메타표면은 교차 편광된 광의 파면을 조작할 수 있는 기능은 기본적으로 가지고 있었으므로, 메타표면의 기하학적 구조에 대하여 다양한 연구가 있었다.
그러나 종래의 단일층 플라즈몬 메타표면(monolayer plasmonic metasurface)은 편광 변환의 불량(poor polarization conversion)이 발생하였으며, 이러한 불량을 갭-플라즈몬 구성(gap-plasmon configuration)으로 어느 정도 해결할 수 있었지만, 메타표면은 반사 모드(reflection mode) 만으로 동작이 제한된다는 단점이 있었다.
특히, 메타표면의 편광 조작 능력은 전적으로 동일한 메타원자 또는 나노 구조들 간의 상호 공간적 관계 즉, 나노 구조들이 서로 다른 방향을 바라보도록 배치되는 것에 기반하기 때문에, 위상 제어의 결과는 원형 편광을 갖는 입사광에만 유효하며, 선형 편광된 입사광에 대해서는 편광의 공간 변조 만이 허용된다.
이러한 종래의 메타표면에 대한 위상 제어는 스펙트럼 대역이 넓은 경우에는 제어가 효과적일지라도, 광대역을 넘어서는 대역에서의 편광 변환 효율은 일정하게 유지될 수 없거나 효율이 매우 낮아진다.
이를 극복하기 위해 종래에는 메타표면에 포함된 나노 구조의 기하학적 형태를 조절하는 것 이외에도 초박형 하이브리드 이중층 플라즈몬 메타표면(ultra-thin hybrid bilayer plasmonic metasurface)을 도입하여, 가시광선 영역 내 700nm 부근의 파장에서, 보다 향상된 선형 편광 변환 효율(linear polarization conversion efficiency)을 유지한 체, 광 전송이 가능하도록 하였다.
하지만, 이렇게 다차원의 다중 메타원자 또는 다중 메타표면을 사용하는 경우에는 적외선 영역에서만 사용 가능하였으며, 갭-플라즈몬 메타표면(gap-plasmon metasurfaces)으로만 구성할 수 밖에 없었다.
따라서, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈는 유전체만으로 메타표면을 구성하여 편광 변환 효율을 극대화 하였으며, 맞춤형 직선 편광 상태를 제공한다.
또한, 유전체만으로 형성된 메타표면 및 메타렌즈를 사용하여 가시광 영역에서도 광파면 성형이 가능하도록 하였다.
본 발명에 따른 메타표면은 약 36%의 최적 변환 효율을 보이며, 종래보다 상대적으로 낮은 유도 소산 손실(induced dissipation loss) 값을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈에 포함된 8개의 나노 기둥들은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 구성되었으며, 입사광에 대하여 다양한 위상 지연을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 메타표면에 포함된 각 나노 기둥들은 스스로가 반파장판(half-waveplate, HWP)으로 작용하며, 입사광 편광 각도를 회전시키는 역할을 하고, 본 발명에 따른 메타렌즈는 교차 편향된 광을 포커싱(focusing)한다.
본 발명에 따른 메타렌즈는 입사 편광 각도를 변경하여 집광되는 스폿(focused spot)에서의 선형 편광 각도를 조정할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 반파장판(HWP)과 포커싱 렌즈의 기능이 결합된 구성이다.
여기서 포커싱 렌즈란 종래의 광학 시스템에 사용되는 부피가 크고 정확하게 정렬될 필요가 있는 포커싱 렌즈를 의미한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 나노 기둥(nano post)은 SiO2 기판 위에 형성되어 직사각형의 형상을 가지고, 유전체만으로 형성된 메타표면의 단위 셀을 형성한다.
한편, 본 발명에 따른 나노 기둥은 유전체인 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)만으로 구성되며, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 채택함에 따라 다음과 같은 장점을 수반한다.
결정질 실리콘과 달리 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 낮은 온도임에도 불구하고 외부 기판상에서 쉽게 성장할 수 있으며, 690nm의 파장에서 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 높은 굴절률을 보인다.
또한, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 효율적으로 광을 조작할 수 있을 정도의 수치인 서브 파장 규모(subwavelength scale)의 낮은 소광계수(n
Figure 112019136130716-pat00001
4.077 + 0.005i)를 보여준다.
하지만, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈는 반드시 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)만을 사용해야 하는 것은 아니며, 경우에 따라 짧은 가시광 파장에서 메타렌즈가 동작할 경우, 결정질 실리콘, 이산화 티타늄, 질화규소 및 질화 갈륨을 포함하는 다른 유전체 물질들이 사용하는 것이 높은 흡수율을 가지는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 보다 바람직하다.
특히, 결정질 실리콘을 제외하고, 나머지 물질들은 상대적으로 낮은 지수를 가지며, 나머지 물질들 대부분은 전체 2π 위상 제어(entire 2π phase control)를 수행할 수 있도록, 근접 파장 구조(near-wavelength)의 높이로 나노 기둥이 형성되도록 나노 구조의 성장을 제한한다.
한편, 이러한 장치를 제조하기 위해, 원자층 증착과 같은 추가적인 공정이 요구될 수 있다.
본 발명에 따른 일정한 단위 면적으로 이루어진 메타표면을 단위 셀이라고 하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 단위 셀의 피치(Λ)는 240nm이고, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 나노 기둥(nanopost)은 h=320nm의 높이를 가지며 약 0.46λ 파장 길이에 해당한다.
한편, 나노 기둥(nanopost)들은 단위 셀의 x축에 대해 45° 회전되며, 그 결과 입사하는 x-편광(x-polarized light) 또는 y-편광(y-polarized light)이 u축과 v축을 따라 두 개의 직교 성분으로 분해될 수 있다.
여기서 u축과 v축은 각각 도 2에 도시된 나노 기둥의 가로(w2)와 평행한 축과 세로(w1)와 평행한 축을 나타낸다.
u축과 v축 사이에서
Figure 112019136130716-pat00002
의 위상차로 단위 전송이 발생한다고 가정하면, 나노 기둥으로 입사하는 x-편광은 완전히 y-편광된 광으로 변환될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 유한차분 시간영역법에 기반한 툴(Finite-Difference Time-Domain method-based tool, FDTD Solutions, Lumerical, Canada)을 사용하여 구조물의 최적 치수를 결정하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다.
이러한 시뮬레이션에서, x-편광은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단위 셀에 수직으로 입사하도록 설정되었으며, y-편광은 도 2의 (b)에 묘사된 것처럼, 나노 기둥의 넓이(w1, w2)를 변화시킴으로써 투과 효율(Transmission Efficiency, TEy) 및 위상 변화(Phase Shift, φEy)의 관점에서 검증했다.
결과적으로, 본 실시 예에 따른 나노 기둥(nanopost) 치수의 적절한 조정에 의해, 투과된 y-편광의 위상 변화는 0에서 2π까지 조정될 수 있으며, 교차 편광계(cross-polarized scheme)를 형성하는 데 있어, 광파면에 결정적인 손실은 없었다.
본 실시 예에서는, 도 2의 (b)에서 십자 표시되어 있는 8개의 나노 기둥들(nanoposts)이 완전한 2π 위상 제어를 제공하기 위해 선택되었다.
도 2의 (c)에서도 볼 수 있듯이, 파장 λ=690nm에서 수직으로 입사한 x-편광은, 나노 기둥을 통과하면서 89%를 전송 효율(검은색 점으로 표현됨)을 나타내었고, 이러한 전송 효율은 거의 변화가 없었다.
또한, x-편광은 나노 기둥을 통과하면서 π/4의 점진적인 위상 이동(청색 점으로 표현됨)이 진행되었다. 이들 모두는 y-편광과 관련된다.
선택된 나노 기둥 각각에 대해, 긴 축들(u-axes)과 짧은 축들(v-axes) 사이의 위상차도 계산되었다.
도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 추정된 위상차들은 별모양으로 표현되며, ð의 근사값을 모방한 것으로써, 모두 0.05π 라디안 이내의 차이 값을 보이고 있다. 각 나노 기둥은 설계 파장에서 거의 완벽한 반파장판(HWP)으로 취급됨을 알 수 있으며, 나노 기둥의 긴 축들(u-axes) 및 짧은 축들(v-axes)은 각각 파장판(waveplate)의 저속(slow) 및 고속(fast) 축에 대응한다.
본 발명에 따른 유전체만으로 형성된 나노 기둥은 특정 모드의 전파를 허용하기 위해 일단면이 잘려진 형태의 모서리가 되도록 단면 처리된 (truncated) 도파관으로 이해할 수 있다.
나노 기둥의 폭은 특정 모드에서 실효 굴절률(effective index)을 변조하기 위한 변수 값이 되며, 나노 기둥의 일단면이 도파관의 일단면이 되므로 나노 기둥의 일단면에서 광이 분산됨과 동시에 다른 위상 변이들을 야기할 수 있다.
각 나노 기둥들마다 긴 축들(u-axes) 및 짧은 축들(v-axes)의 길이가 다를 수 있으므로, 모든 나노 기둥들에 있어서 두 개의 유효 굴절률(neff_u 및 neff_v) 값이 발생할 수 있으며 이 두 값들은 긴 축(u-axe) 및 짧은 축(v-axes)의 길이에 의해 결정된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 다음의 수식(1)에 따라, 상술한 두 개의 유효 굴절률(neff_u 및 neff_v) 값에 대응하는 위상 변이를 계산한다.
Figure 112019136130716-pat00003
(1)
각 나노 기둥들마다 π영역 근방에서 위상 차를 유발하였으며, 두 실효 굴절률(neff_u 및 neff_v) 사이의 차이 값(△neff_u 및 △neff_v)은 도 2의 (c)에 나타난 시뮬레이션 결과와 일치한다.
반면, 서로 근접한 두 개의 나노 기둥들은, u축과 v축을 따라 발생하는 각각의 실효 굴절률들 간 차이인 차이값(△neff_u 및 △neff_v)이 거의 동일했으며, 두 개의 나노 기둥들 모두 거의 일정한 π/4의 위상 변이를 유도하였다.
한편, 본 발명에 따른 메타렌즈가 편광 변환 및 파면 형성을 함에 있어서, 본 발명에 따른 유전체만으로 형성된 메타표면이 이중 기능을 가지고 있는지 여부를 검증하기 위하여, 8개의 나노 기둥들을 통합하여 슈퍼 셀(super cell)을 형성하였고, 이러한 슈퍼 셀을 통해 비정상적인 빔 디플렉터(anomalous beam deflector)를 만들었다.
본 실시 예에 따른 슈퍼 셀은 π/4 간격으로 선형 증가하는 위상 변이가 주어져 일정한 위상 기울기를 형성하였다.
또한, 도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, x축과 평행하게 편광된 평면 파를 정상적으로 입사시키고, 전기장의 x성분(Ex) 및 y성분(Ey)을 각각 계산하였다.
투과 프로필(transmission profile)은 y성분(Ey)이 x성분(Ex)보다 강하게 나타났으며, 선형 편광의 변환을 나타냈다.
또한, 도 4의 (b)의 전기장 프로파일(field profile)은 경사진 전파 각도(oblique propagation angle)와 관련된 평면 파면(planar wavefront)을 나타내며, 비정상적인 굴절(anomalous refraction)을 보여준다.
비정상적인 굴절의 각도는 θt=20.9°으로 측정되며, 정규화된 스넬의 법칙(the generalized Snell's law)에 따라 계산된 각도 값은 21.1°에 가깝다.
정규화된 스넬의 법칙과 수정된 회절 방정식(modified diffraction equation) 간의 동등성에 따르면, 비정상적으로 전송된 빔은 첫번째 회절 차수(이 경우, 양의 1차수)의 광파와 일치한다.
도 4의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 편광 투과율(Tpol), 양의 1차 회절 차수(D+1), 음의 1차 회절 차수(D-1) 및 0차 회절 차수(D0)에 대한 효율들은 각각 x성분(Ex) 및 y성분(Ey)으로 계산되며, 600nm 내지 800nm의 스펙트럼 대역 내에서 계산된다.
제안된 유전체 메타표면의 총 전송 효율(Ttotal)은 비교를 위해 도 4에서 점선과 함께 표시된다.
파장 λ=690nm에서, 총 전송 효율(Ttotal), Ey 편광 투과율(
Figure 112019136130716-pat00004
) 및 Ey 편광 양성 1차 회절(
Figure 112019136130716-pat00005
)의 절대 회절 값은 각각 88.6%, 85.5% 및 82.2% 이다.
이러한 비 동일성 요소들이 서로 다른 상이한 반사 계수(reflection coefficients)를 나타내기 때문에, 비단위 전체 투과율(non-unity total transmission efficiency)은 실리콘 흡착(5.4%) 및 나노 기둥들에 의해 불가피하게 발생하는 반사(6%)로 설명된다.
한편, 본 실시 예에 따른 빔 디플렉터의 성능은 변환 효율(conversion efficiency, CE) 및 소광비(extinction ratio, ER)의 측면에서 더 분석되었다.
변환 효율(CE)은 투과광 파워에 대한 비정상 굴절 광 파워(anomalous refracted light power)(D+1)의 비율로 정의되며, 소광비(ER)는 dB 단위의
Figure 112019136130716-pat00006
로 주어진다.
여기서
Figure 112019136130716-pat00007
는 x성분(Ex)에 관한 0차 회절을 나타낸다.
도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 최대 변환 효율(CE) 및 소광비(ER)는 각각 96.5% 및 37dB이며, 이는 유사한 스펙트럼 대역에서 종래의 하이브리드 이중층 플라즈몬 메타표면으로부터 검출된 값을 초과하는 값이다.
종래의 하이브리드 이중층 플라즈몬 메타표면은 초박막 두께(∼λ/6)를 특징으로 하지만, 본 실시 예에 따른 유전체 메타표면의 두께는 작동 파장(∼λ/2)에 비해 현저하게 작다.
또한, 본 실시 예에 따른 유전체만으로 형성된 메타표면 및 메타렌즈는 80% 이상의 편광 변환 효율(polarization conversion efficiency)을 가지며, 동작 대역폭(operation bandwidth)은 100nm에 가깝다.
도 5의 (a)를 참조하면, 지정된 입사 편광에 대해서만 교차 편광된 광을 조작할 수 있는 이전의 메타표면들과는 달리, 본 실시 예에 따른 유전체만으로 형성된 메타표면 및 메타렌즈는 입사 편광의 각도를 변경함으로써 투과되는 광의 편광을 조절할 수 있다.
본 발명에서 선형 편광된 입사광은 아래의 수학식 (2)로 정의되는 존스 벡터(the Jones vector)를 사용하여 설명할 수 있다.
Figure 112019136130716-pat00008
여기서
Figure 112019136130716-pat00009
는 x축에 대한 입사 편광 각도를 나타낸다.
본 발명에 따른 메타표면에 존재하는 각각의 나노 기둥들을, 입사하는 광이 포함하는 존스 벡터에 대해 이상적으로 작용하는 반파장판(HWP)이라고 가정하면, 나노 기둥들은 존스 행렬(Jones Matrix)의 형태인 다음의 수학식 (3)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019136130716-pat00010
여기서, α는 파장판의 빠른 축과 x축 사이의 각도를 나타낸다.
한편, α=45°일 경우, 본 발명에 따른 유전체로만 형성된 메타표면은, 출력되는 투과광의 선형 편광을 다음의 수학식 (4)로 표현할 수 있다.
Figure 112019136130716-pat00011
수학식4에서, 입력 및 출력되는 전기장은 파장판의 빠른 축에 대한 각도와 동일한 각도를 가진다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예로써, 파장 λ=690nm으로 설계된 빔 디플렉터의 경우, 첫 번째 회절 차수에서의 편광 상태는 편광 타원 지도(polarization ellipse map)를 기반으로 분석되었으며, 입사 편광 각도는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이,
Figure 112019136130716-pat00012
=0°부터 90°까지 다양하게 분포된다.
이때, 첫 번째 회절 차수에서의 편광 상태는 지배적인 투과광(dominant transmitted light)을 보존하는 것과 관련된다.
Figure 112019136130716-pat00013
=0° 및 90°에서, 출력되는 광은 y축과 x축을 따라 각각 선형적으로 편광되었지만, 출력되는 광은 중간 입사 편광 각도들(도 5의 (b)의 삽화는
Figure 112019136130716-pat00014
=45°에서의 가장 타원인 경우를 나타냄)을 갖는 타원 편광을 나타낸다.
해당 선형 편광도(Degree Of Linear Polarization, DOLP)와 1차 편광 각도는 도 5의 (c)와 같이 계산된다.
여기서 선형 편광도(DOLP)는 선형 편광 품질을 나타내며, 아래의 수학식5로 표현될 수 있다.
Figure 112019136130716-pat00015
여기서
Figure 112019136130716-pat00016
는 주축(major axes)에서 부축(minor axes)의 길이에 대한 비율을 나타낸다.
이 비율은 편광 타원 지도에서 나타나는 타원 형태와 관련되며, DOLP = 1는 완벽한 선형 편광을 의미한다.
본 실시 예에 따른 메타표면을 시뮬레이션한 선형 편광도(DOLP)는 0.96을 초과하는 것으로 나타났으며, 이 수치는 높은 선형 편광을 나타낸다.
본 실시 예에 따른 메타표면을 시뮬레이션한 결과에 따르면, 이상적인 반파장판은 출력과 입력 편광 간의 각도 차가 파장판의 축 및 입력 편광 간의 각도 차에 비하여 두 배일 때 형성됨을 알 수 있다.
따라서, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이,
Figure 112019136130716-pat00017
은
Figure 112019136130716-pat00018
와 동일하며, 본 실시 예에 따른 메타표면을 시뮬레이션 한 1차 편광 각도는 이론 결과와 일치함을 알 수 있다.
도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 입사 편광이 0°에서 90°까지 스캔 방식으로 진행되면, 예상한 것과 같이,
Figure 112019136130716-pat00019
및
Figure 112019136130716-pat00020
의 2개의 분해된 편광 투과율은 각각
Figure 112019136130716-pat00021
가 감소하고,
Figure 112019136130716-pat00022
증가하는 것으로 나타나며, 총 전송 효율(Ttotal)은 상당히 안정적으로 유지되는 것으로 나타난다.
도 6에 도시된 바와 같이, 편광 제어와는 별도로, 본 실시 예에 따른 메타표면 및 메타렌즈가 파면 제어를 할 수 있음을 보여주기 위해, x-편광 및 y-편광과 평행하게 나노 기둥을 투과한 광파면들을 검사하였다.
한편, 본 실시 예에 따른 메타표면으로 파면 제어를 할 경우, 교차 편광 방식의 파면 조작은 입사광이 x-편광 또는 y-편광일 때만 유효하다.
임의의 선형 편광 각도(arbitrary linear polarization angle)를 갖는 입사광에 대해, 교차-편광 방식(the cross-polarized scheme)을 이용하여 일정한 파면 조작(constant wavefront manipulation)을 하기 위해서, 본 실시 예에 따른 메타표면 및 메타렌즈로 구성된 광학 디바이스는 서로 다른 편광 각도에 대응하는 서로 다른 각도의 빠른 축들을 나타낼 필요가 있다.
또한, 광학 디바이스는 반파장판(HWP)과 포커싱 렌즈를 필수로 하므로, 본 실시 예에 따른 메타표면 및 메타렌즈로 구성된 광학 디바이스는 이 두 가지의 부피가 큰 구성요소(반파장판과 포커싱 렌즈)를 대체할 수 있는 초박형 단일층 유전체 메타렌즈를 제안한다.
본 실시 예에 따른 메타렌즈에 포함된 나노 기둥들(nanoposts)의 분포를 설명하기 위해, 전자 현미경 이미지(electron microscopy images)로 나타낸 본 실시 예에 따른 메타렌즈가 도 7의 (c)에 도시되어 있다.
본 실시 예에 따른 메타표면 및 메타렌즈에 대한 위상 분포(phase distribution)는 다음의 수학식6과 같이 주어진다.
Figure 112019136130716-pat00023
여기서, f0는 초점 거리이고, (x, y)는, (x0, y0) = (0, 0)으로 표현되는 원점(origin)을 기반으로, 본 실시 예에 따른 메타렌즈에 포함된 각 단위 셀의 중심과 대응하는 좌표를 나타낸다.
도 7의 (a)는 본 실시 예에 따른 메타렌즈의 기하학적 구조(geometry)를 나타내며, 본 실시 예에 따른 메타렌즈의 직경과 초점 길이(focal length)는 각각 60㎛로 형성됨을 나타낸다.
도 7의 (b)의 전기장 강도 프로파일(electric field intensity profiles)을 참조하면, x-편광되어 본 실시 예에 따른 메타렌즈에 입사한 광이, xz-평면(xz-plane) 및 xy-평면(xy-plane) 양쪽의 초점 영역(focal region) 근처에서 나타낸 전기장 강도에 대한 시뮬레이션 결과가 나타나있다.
이 결과를 살펴보면, y-편광된 광은 z=60㎛의 예상된 위치에서만 단독으로 포커싱(focusing) 되었다.
또한, 파장이 690nm일 경우, 본 실시 예에 따른 메타렌즈는 ~0.45의 개구수(numerical aperture, NA)를 가지며, xz-평면에서 길이 방향으로 ~6.67λ파장에 해당하는 4.6㎛의 초점 거리(longitudinal focal length)를 가진다.
한편, xy-평면상의 초점 평면(focal plane)에서, 집광된 빔 스폿(focused beam spot)은 최대값의 반에서 최대 폭(full-width at half-maximum, FWHM)으로 720nm의 폭을 가지며, 이는 ~770nm(~λ/2NA)의 회절 제한 스폿 크기(diffraction limited spot size) 보다 작다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈의 특성을 측정하기 위한 시스템 및 측정 결과를 나타낸다.
광원으로 초연속 레이저(Supercontinuum laser)(SuperK compact, NKT Photonics)에서 방출되는 광대역의 무편광된 광(broadband unpolarized light)을 사용하였다.
메타렌즈에서 투과된 광은 튜브 렌즈와 쌍을 이루는 대물렌즈를 통해 수집되며, 카메라상에서 xy-평면상의 강도 분포 이미지(intensity distribution image)를 추출할 수 있다.
광이 샘플에 도달하기 전에, 글랜 톰슨 선형 편광자(Glan-Thompson linear polarizer)(GTH10M-A) 및 협대역 투과필터(narrow band-pass filter) (FB690-10, 중심 파장이 690nm 및 FWHM이 10nm 임)를 통해 좁은 스펙트럼 대역에 걸쳐 광은 선형적으로 편광되도록 변환되었다.
도 8의 (a)를 참조하면, 서로 다른 편광 성분들의 강도 패턴(intensity patterns)을 모니터할 수 있도록 추가적인 선형 편광기를 통합시켰다.
일반적으로 수직 입사하는 x-편광된 광의 경우, z-축을 따라 2㎛씩 증가하면서 이미징 시스템을 변환시킴으로써, y-편광된 광의 강도 패턴(y-polarized intensity patterns)이 포착되었다.
기록된 강도 패턴의 중심을 연결하는 횡선을 따라 강도를 추출함으로써 z=0㎛의 위치에 메타렌즈가 배치되며, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 교차 편광된 광(the cross-polarized light)은 z=60㎛에서 z=75㎛까지의 범위에서 초점이 맞춰지는 것이 명확하게 밝혀졌다.
필터의 0이 아닌 대역폭(the non-zero bandwidth of the filter) 및 메타렌즈의 색 분산 특성(the chromatic dispersion nature of the metalens) 때문에, 측정된 초점 프로파일은 도 7의 (b)에 표시된 시뮬레이션 결과와 비교하여 약간 더 늘어났다.
또한, 도 8의 (b)에 도시된 Case 1을 참조하면, z=68㎛에서 포착된 교차-편광된 강도 패턴 중 하나를 나타내며, 메타렌즈를 통과하는 빛은 초점 평면의 중심에서 밝은 점에 초점이 형성된다.
이때, 점선인 원은 메타렌즈의 위치에 해당하며, 이를 고려할 때, 메타렌즈가 위치한 영역 밖에서는 빛이 보이지 않는다.
또한, 도 8의 (b)에서 초점(focal spot) 주변에서 관측되는 광의 강도는 분석기 때문에 발생하는 것이며, 도 8의 (c)에 도시된 케이스 2처럼 분석기가 없는 경우, 집광된 광 스팟은 보다 미세한 원형을 띄며 균일한 광 강도가 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 도 8의 (b)에 도시된 케이스 1을 참조하면, 메타렌즈 영역의 외부에서는 상대적으로 광 강도가 약하게 나타나는 것은, 입사 광선이 메타렌즈의 크기보다 크기 때문에 x-편광된 입사 광에 의해 발생하는 현상으로 보여진다.
이것은 도 8의 (c)에 도시된 케이스 3에서 더 정확히 입증되는데, 분석기의 편광이 x축 방향을 따라 설정되는 경우, 즉, 분석기의 편광은 입사 편광과 평행한 경우, y-편광될 것으로 예상되었던 집광된 광 스팟이 사라진 것을 제외하면, 비슷한 강도 분포가 관찰되는 것을 그 증거로 들 수 있다.
도 8의 (d)는 케이스 1 내지 3에 있어, 초점 중심을 가로지르는 1차원 강도 분포를 그래프로 나타냄으로써 상술한 분석을 요약 정리하였다. 케이스 1 및 2의 결과는 케이스 3을 고려하여 정규화되었다.
이를 참조할 때, 집광된 광 스팟의 경우, Ey 및 Ex 구성요소 사이의 피크 강도 비율은 약 40 정도에 도달한 것을 알 수 있으며, 전반적으로 y-편광된 광이 집광된 광 스팟을 지배한다고 볼 수 있다.
따라서, y-편광된 광이 집중 출력광인 경우, Malus의 법칙에 따라 분석기를 회전시켜 광 강도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 고정된 출력 편광을 갖는 종래의 유전체 메타렌즈들과는 달리, 본 발명에 따른 메타렌즈에 의해 생성된 초점 스팟(focal spot)의 선형 편광은 입사 편광 각도를 조정함으로써 회전시킬 수 있다.
여기에서, 출력 편광이 회전 가능하다는 것을 증명하기 위해, 선형 편광기를 회전시킴으로써 집광된 광 스팟의 강도를 모니터링 하였으며, 그동안 분석기의 편광은 y-축에 평행하도록 고정시켰다.
도 9의 (a)는 입력 편광자가
Figure 112019136130716-pat00024
= 0°에서
Figure 112019136130716-pat00025
= 180°로 회전했을 때, 초점 스팟(focal spot)에서 측정된 피크 강도를 보여준다.
동시 편광되어
Figure 112019136130716-pat00026
= 90°일 경우에 있어서 측정 결과와 이론 모두, 피크 강도를 나타내지 않았으며, 교차 편광되어
Figure 112019136130716-pat00027
= 0°와
Figure 112019136130716-pat00028
= 180°인 경우, 측정과 이론 모두 피크 강도는 최고점을 보였다.
이러한 현상은 언뜻 보면 Malus의 법칙과 모순되는 것처럼 보인다. 하지만, 입사 편광 각도가 메타렌즈에 의해 변경되었다는 것을 고려하면 이해할 수 있는 현상이다.
또한, 입사 편광이
Figure 112019136130716-pat00029
= 0°에서
Figure 112019136130716-pat00030
= 90°까지 변할 때, 초점이 맞춰진 출력 광의 선형 편광 각도를 정량적으로 조사하였다.
이 경우에 있어서, 고정된 입사 편광 각도를 고려하여, 분석기를 회전시킴으로써, 검출된 강도가 최대에 도달했을 때 출력 편광을 결정하였다.
또한, 최대 강도 지점을 식별하는 데 어려움이 있을 수 있으므로, 강도가 완전히 사라진 지점을 찾았다. 여기서 강도가 완전히 사라지는 지점이란 분석기의 편광이 출력 편광과 직각을 이루는 지점을 의미한다.
이러한 분석을 바탕으로, 도 9의 (b)에서 오른쪽에 표시된 바와 같이, 분석기의 편광 각도 (
Figure 112019136130716-pat00031
)는
Figure 112019136130716-pat00032
과 동일해야 한다.
결국, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 측정된 편광 각도는 이론적으로 계산된 편광 각도와 일치한다.
이러한 결과는 본 실시 예에 따른 메타렌즈가 반파장판(HWP) 및 포커싱 렌즈의 두 기능을 모두 가질 수 있다는 것을 뒷받침한다.
즉, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈는 오로지 유전체만으로 구성되어, 가시광 영역에서 동시에 편광 회전과 파면 형성을 할 수 있으며, 다양한 종류의 광학 디바이스들을 통합할 수 있고, 위상 전이(phase shift) 및 편광(light polarization)을 동시에 제어하는 기능을 갖고 있다.
이러한 기능을 가진 본 실시 예에 따른 메타렌즈를 이용하면, 양자화 정보를 저장하여 대용량에 이르는 정보를 손쉽게 암호화할 수 있다.
또한, 유전체로써 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 채택하여 제조 용이성, 저손실 및 높은 굴절률을 가진 메타렌즈를 구현하였다.
본 발명에서는 엄격한 시뮬레이션을 통해, 반파장판처럼 동작하는 여덟 개의 나노 기둥들이 완전한 2π 위상을 제공하는 것을 확인할 수 있었다. 동시에, 이러한 나노 기둥들로 인해 고전송의 효율이 일정하게 유지되었다.
그 결과, 비정상적인 편향 효율, 편광 변환 효율 및 소광비에 있어서 종래보다 향상된 성능을 보이는 빔 디플렉터를 설계할 수 있었다.
교차 편광에 의해 제한되는 정적 출력 편광을 보여주는 종래의 유전체 메타표면과는 다르게, 본 발명에 따른 메타표면은, 비정상적으로 편향된 광의 선형 편광이 단순히 입사 편광을 변화시키는 것만으로도, 높은 선형 편광도(DOLP)를 가지면서 연속적으로 회전된다.
또한, 입력되는 광의 편광 각도를 조절함으로써, 초점이 맞춰진 스폿(focused spot)의 편광을 쉽게 회전시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈는 상술한 설명 및 도면에 도시된 실험 결과에 나타난 바와 같이 종래의 메타표면들에 비하여 더 안정되고 완벽한 위상 및 편광 제어를 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈는 종래의 메타표면에 비하여 현저하게 감소된 두께로 편광 변환이 가능하며, 하나의 판에 파장판, 포커싱 렌즈 및 편광 빔 스플리터(polization beam splitter) 등을 통합할 수 있으므로, 광학 디바이스 또는 시스템을 초소형, 초박막형으로 구성할 수 있게 한다.
또한, 종래의 광학 디바이스에서 렌즈와 같은 구성요소의 정렬을 불필요하게 만든다.
이하에서는 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈를 제조하는 방법에 대하여 설명함에 있어서, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈와 동일한 구성 요소에 대하여는 설명 및 도면의 기재를 생략할 수 있으며, 동일한 도면 참조번호를 사용하여 설명할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈를 제조하는 방법은 기판을 준비하는 단계(s1100), 상기 기판에 유전체 박막층을 증착시키는 단계(s1200), 기 유전체 박막층에 전자빔 레지스트 (electron beam resist)를 증착시키는 단계 (s1300), 전자빔 리소그라피 (electron beam lithography)를 통해 메타렌즈 패턴을 형성하는 단계(s1400), 상기 층에 알루미늄 층을 증착하여 리프트 오프 (liff-off) 하는 단계 (s1500), 상기 유전체 박막층에 에칭(etching)을 하여 메타렌즈 구조를 형성하는 단계 (s1600) 및 상기 메타렌즈 구조에 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하는 단계(s1700)를 포함한다.
이때, 기판을 준비하는 단계(s1100)는 기판의 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 웨이퍼 클리닝을 하는 단계, 기판상의 수분을 제거하기 위해 디하이드레이션 베이킹(dehydration baking)을 하는 단계, 및 기판의 표면이 소수성을 띄도록 변형하는 프라임(priming)하는 단계로 구분된다.
기판의 표면을 소수성으로 변환하는 과정이 종료되면, 기판을 준비하는 단계가 마무리되며, 이후, 상기 기판상에 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition)을 통해 유전체 박막 층을 증착시키는 단계(s1200)를 진행한다.
이때, 본 실시 예에서는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 320nm의 두께로 증착한다.
수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 증착이 완료되면, 상기 층에 스핀 코팅(spin-coated) 방법으로 전자빔 레지스트 (electron beam resist)를 증착하고, 소프트 베이크(soft baking)를 한다(s1300).
소프트 베이크가 완료되면, 전자빔 리소그라피 (electron beam lithography)를 이용하여 메타표면 패턴을 형성하고, 전자빔이 조사된 레지스트를 제거하여 현상(development)하는 단계(s1400)를 진행한다.
이후, 상기 층에 알루미늄(Al)을 증착하여 형성하고, 리프트 오프 (lift-off)를 수행하여 에치 마스크 (etch mask)를 형성하는 단계(s1500)를 진행하며, 이때, 상기 알루미늄 층의 두께는 60nm가 되도록 증착할 수 있다.
에치 마스크가 형성되면, 상기 기판에 불소 기반의 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(fluorine-based inductively coupled plasma-reactive ion etching)을 하여 메타렌즈 구조를 형성한다. (s1600)
에칭(etching) 과정이 완료되면, 상기 기판에 습식 식각(wet etching)을 통해 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하여 메타표면 및 메타렌즈를 최종 형성하는 단계(s1700)를 진행한다.
또한, 본 발명에 따른 메타표면 및 메타렌즈를 제조하는 방법의 다른 실시 예는 상술한 실시 예에 비하여 간략한 과정으로 구성되며, 다음과 같은 과정을 포함한다.
본 실시 예에 따른 메타렌즈 제조 방법은 우선, 플라즈마 강화 화학 기상 증착기(plasma-enhanced chemical vapor deposition)(Oxford, Plasmalab 100)를 통해, 유리 기판상에 320nm 두께의 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 증착시킨다.
그 다음 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막 위에 전자빔 레지스트 (electron beam resist)(ZEP520A)를 스핀 코팅(spin-coated)한다.
이후, 전자빔 라이터(electron beam writer)(EBL, Raith150)로 기판상에 메타표면 패턴을 형성하고, 전자빔이 조사된 레지스트를 제거하여 현상 (development)한다.
이때, 전자빔이 조사된 부분의 레지스트(ZEP520A)는 제거되고, 메타표면 패턴이 남는다.
이후 전자빔 증착기 (electron beam evaporation)를 통해, 패턴 위에 60nm 두께의 Al층을 증착시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, ZEP 리무버를 이용하여 리프트 오프 (lift-off)를 수행하면 레지스트 패턴은 제거되고, 알루미늄의 에치 마스크 (etch mask)가 형성된다.
에치 마스크가 형성되면, 상기 기판에 불소 기반의 유도 결합 플라즈마 반응성 이온에칭(fluorine-based inductively coupled plasma-reactive ion etching)(Oxford, Plasmalab System 100)을 통해 메타렌즈 구조를 형성한다.
에칭(etching) 이후, 상기 기판에 습식 식각(wet etching)을 통해 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하고 최종적으로 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 나노 기둥(nanopost)만 기판 상에 남도록 하여 메타표면 및 메타렌즈를 형성하다.
이와 같이 본 발명에 따른 메타렌즈는, 반파장판(half-wave plate)과 렌즈를 결합함으로써, 광학 장치에 필수적인 요소인 편광과 포커싱 기능을 동시에 컨트롤할 수 있는 가능성을 보여주었다.
기존의 반파장판과 렌즈의 기능을 하나로 합치면서도 수백 nm 두께에 해당하는 매우 얇은 두께로 구현이 가능하다.
여러 광학 소자들을 한 번에 사용할 경우, 이러한 광학 소자들을 모두 정렬해야 한다는 불편함이 있었지만, 본 발명을 사용할 경우 이러한 불편함은 없어지게 된다.
증강 현실, 홀로그램 등의 기술을 간소화하는데 쓰이거나, 광 암호화, 보안, 라이다(LiDAR), 초박형 카메라 모듈 등의 응용 분야에 모두 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
#1, #2, #3, #4, #5, #6, #7, #8: 제1 내지 제8단위 셀

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 편광제어가 가능한 메타표면에 있어서,
    상기 메타표면은,
    일정한 단위 면적으로 구분된 기판;
    상기 단위 면적에 따라 구분된 기판상에 형성되는 나노 기둥을 포함하는 단위 셀 및
    상기 단위 셀이 8개의 제1 내지 제8 단위셀로 서로 연결되어 형성된 슈퍼셀; 을 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 제1 내지 제8 단위 셀 각각에 형성된 제1 내지 제8 나노 기둥들 각각은,
    수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 형성된 유전체의 직육면체 형상을 가지며, 상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1 내지 제8 나노 기둥들 중 적어도 4개의 나노 기둥과 다른 4개의 나노 기둥은 각각 90도 각도를 이루면서 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 메타표면,
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1축 및 제2축의 길이를 나타내는 피치 Λ는 240nm이고, 상기 제1 내지 제8 나노 기둥은 가로, 세로의 크기가 각각 다르고 일정 높이를 가지는 것으로서, 상기 가로 세로의 크기 치수의 변화에 따라 상기 메타표면에 투과된 y편광의 위상이 0에서 2π까지 제어되는 것을 특징으로 하는 메타표면.
  8. 메타표면으로 구성되는 메타렌즈에 있어서,
    상기 메타렌즈는,
    일정한 단위 면적으로 구분된 기판;
    상기 단위 면적에 따라 구분된 기판상에 형성되는 나노 기둥을 포함하는 단위 셀 및
    상기 단위 셀이 8개의 제1 내지 제8 단위셀로 서로 연결되어 형성된 슈퍼셀; 을 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 제1 내지 제8 단위 셀 각각에 형성된 제1 내지 제8 나노 기둥들 각각은,
    상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되고, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 형성된 유전체의 직육면체 형상을 가지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 내지 제8 나노 기둥들 중 적어도 4개의 나노 기둥과 다른 4개의 나노 기둥은 각각 90도 각도를 이루면서 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 메타렌즈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1축 및 제2축의 길이를 나타내는 피치 Λ는 240nm이고, 상기 제1 내지 제8 나노 기둥은 가로, 세로의 크기가 각각 다르고 일정 높이를 가지는 것으로서, 상기 가로 세로의 크기 치수의 변화에 따라 상기 메타표면에 투과된 y편광의 위상이 0에서 2π까지 제어되는 것을 특징으로 하는 메타렌즈.
  10. 청구항 9에 있어서,
    복수 개의 상기 슈퍼 셀이 서로 연결되어 원판을 이루고,
    상기 원판의 직경과 초점 길이(focal length)는 60㎛인, 메타렌즈.
  11. 메타표면으로 구성되는 메타렌즈 제조방법에 있어서,
    상기 메타렌즈 제조방법은,
    기판을 준비하는 제1단계;
    상기 기판에 유전체 박막층을 증착시키는 제2단계;
    상기 유전체 박막층에 전자빔 레지스트 (electron beam resist)를 증착시키는 제3 단계;
    전자빔 리소그라피 (electron beam lithography)를 통해 메타렌즈 패턴 층을 형성하는 제4 단계;
    상기 메타렌즈 패턴 층에 알루미늄 층을 증착하여 리프트 오프(lift-off)하여 에치마스크를 형성하는 제5 단계;
    상기 유전체 박막층에 에칭(etching)을 하여 메타렌즈 구조를 형성하는 제6 단계; 및
    상기 메타렌즈 구조에 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 메타렌즈는,
    일정한 단위 면적으로 구분된 기판;
    상기 단위 면적에 따라 구분된 기판상에 형성되는 나노 기둥을 포함하는 단위 셀 및
    상기 단위 셀이 8개의 제1 내지 제8 단위셀로 서로 연결되어 형성된 슈퍼셀; 을 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 제1 내지 제8 단위 셀 각각에 형성된 제1 내지 제8 나노 기둥들 각각은,
    상기 기판의 가로축을 제1축, 상기 기판의 세로축을 제2축이라고 할 때, 상기 제1 및 제2축과 각각 45도의 각도를 이루면서 상기 기판상으로부터 수직 하는 방향으로 연장 형성되고, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 형성된 유전체의 직육면체 형상을 가지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 내지 제8 나노 기둥들 중 적어도 4개의 나노 기둥과 다른 4개의 나노 기둥은 각각 90도 각도를 이루면서 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 메타렌즈 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 기판의 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 웨이퍼 클리닝을 하는 제1-1 단계;
    수분을 제거하는 디하이드레이션 베이킹(dehydration baking)을 하는 제1-2 단계;
    상기 기판의 표면이 소수성을 띄도록 변형하는 프라임 제1-3 단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 기판상에 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition)을 통해 유전체 박막 층을 증착하는 제2-1 단계를 더 포함하며,
    상기 유전체 박막 층은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 층이고,
    상기 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 층의 두께는 320nm가 되도록 증착하는, 메타렌즈 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3단계는,
    스핀 코팅(spin-coated) 방법으로 전자빔 레지스트 (electron beam resist)를 증착하는 제3-1 단계;
    소프트 베이크(soft baking)를 하는 제3-2 단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제4단계에서,
    전자빔 리소그라피(electron beam lithography)를 이용하여 메타표면 패턴을 형성하고, 전자빔이 조사된 레지스트를 제거하여 현상 (development)하는 4-1단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제5단계는,
    상기 메타렌즈 패턴 층에 알루미늄(Al)을 증착하여 형성하고, 상기 알루미늄 층의 두께는 60nm가 되도록 하는 5-1단계; 및
    리프트 오프 (lift-off)를 수행하여 에치 마스크 (etch mask)를 형성하는 5-2단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 제6단계는,
    상기 기판에 불소 기반의 유도 결합 플라즈마 반응성 이온에칭(fluorine-based inductively coupled plasma-reactive ion etching)을 행하는 제6-1 단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 제7 단계는,
    상기 기판에 습식 식각(wet etching)을 통해 남아있는 잔여 알루미늄 층을 제거하는 제7-1 단계를 더 포함하는, 메타렌즈 제조방법.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114815228A (zh) * 2022-05-16 2022-07-29 中山大学 一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法
CN115136035A (zh) * 2022-05-17 2022-09-30 香港应用科技研究院有限公司 单纳米结构集成超镜头
CN115327678A (zh) * 2022-09-01 2022-11-11 天津山河光电科技有限公司 双向光路系统、光学模组及光学设备
CN115542432A (zh) * 2022-09-23 2022-12-30 成都信息工程大学 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法
CN115903094A (zh) * 2022-10-12 2023-04-04 深圳市穗晶半导体有限公司 一种可变焦超透镜及其制备方法和调控方法
CN116865093A (zh) * 2023-05-31 2023-10-10 边际科技(珠海)有限公司 一种850纳米波段vcsel激光二极管集成的二维介质透镜
WO2023195345A1 (ja) * 2022-04-05 2023-10-12 国立研究開発法人情報通信研究機構 光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法
CN117406436A (zh) * 2023-12-14 2024-01-16 浙江大学杭州国际科创中心 透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质
WO2023235186A3 (en) * 2022-05-24 2024-01-25 The Penn State Research Foundation Large-scale, mass-producible, high efficiency metalenses
US20240085590A1 (en) * 2022-09-14 2024-03-14 Imagia, Inc. Materials for metalenses, through-waveguide reflective metasurface couplers, and other metasurfaces

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040104955A (ko) * 2002-02-06 2004-12-13 옵티바, 인크. 도너 플레이트로부터의 전달을 통한 리셉터 플레이트 상의이방성 결정막 제조 방법 및 도너 플레이트 및 그의 제조방법
KR20180124106A (ko) * 2016-04-05 2018-11-20 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 파장이하 해상도 촬영을 위한 메타렌즈

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040104955A (ko) * 2002-02-06 2004-12-13 옵티바, 인크. 도너 플레이트로부터의 전달을 통한 리셉터 플레이트 상의이방성 결정막 제조 방법 및 도너 플레이트 및 그의 제조방법
KR20180124106A (ko) * 2016-04-05 2018-11-20 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 파장이하 해상도 촬영을 위한 메타렌즈

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1 논문 N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats, F. Aieta, J. P. Tetienne, F. Capasso and Z. Gaburro, Science, 2011, 334, p333 ~337.
2 논문 M. Khorasaninejad, W. T. Chen, R. C. Devlin, J. Oh, A. Y. Zhu and F. Capasso, Science, 2016, 352, p1190~1194.
3 논문 X. Li, L. Chen, Y. Li, X. Zhang, M. Pu, Z. Zhao, X. Ma, Y. Wang, M. Hong and X. Luo, Sci. Adv., 2016, 2, e1601102.
4 논문 B. Wang, F. Dong, Q. T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y. F. Xiao, Q. Gong and Y. Li, Nano Lett., 2016, 16, p5235 ~ 5240.
5 논문 L. Huang, S. Zhang and T. Zentgraf, Nanophotonics, 2018, 7, p1169 ~ 1190.
C.S. Park 등 "Structural Color Filters Enabled by a Dielectric Metasurface Incorporating Hydrogenated Amorphous Silicon Nanodisks" SCIENTIFIC REPORTS(2017.05.31. 공고)* *
Z.Guo 등 "High-Order Dielectric Metasurfaces for High-Efficiency Polarization Beam Splitters and Optical Vortex Generators" Nanoscale Reasearch Letters(2017.08.29. 공고)* *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023195345A1 (ja) * 2022-04-05 2023-10-12 国立研究開発法人情報通信研究機構 光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法
CN114815228A (zh) * 2022-05-16 2022-07-29 中山大学 一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法
CN114815228B (zh) * 2022-05-16 2023-08-08 中山大学 一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法
CN115136035B (zh) * 2022-05-17 2024-01-19 香港应用科技研究院有限公司 单纳米结构集成超镜头
CN115136035A (zh) * 2022-05-17 2022-09-30 香港应用科技研究院有限公司 单纳米结构集成超镜头
WO2023235186A3 (en) * 2022-05-24 2024-01-25 The Penn State Research Foundation Large-scale, mass-producible, high efficiency metalenses
CN115327678A (zh) * 2022-09-01 2022-11-11 天津山河光电科技有限公司 双向光路系统、光学模组及光学设备
US11933940B1 (en) * 2022-09-14 2024-03-19 Imagia, Inc. Materials for metalenses, through-waveguide reflective metasurface couplers, and other metasurfaces
US20240085590A1 (en) * 2022-09-14 2024-03-14 Imagia, Inc. Materials for metalenses, through-waveguide reflective metasurface couplers, and other metasurfaces
CN115542432A (zh) * 2022-09-23 2022-12-30 成都信息工程大学 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法
CN115542432B (zh) * 2022-09-23 2023-06-30 成都信息工程大学 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法
CN115903094A (zh) * 2022-10-12 2023-04-04 深圳市穗晶半导体有限公司 一种可变焦超透镜及其制备方法和调控方法
CN116865093A (zh) * 2023-05-31 2023-10-10 边际科技(珠海)有限公司 一种850纳米波段vcsel激光二极管集成的二维介质透镜
CN117406436A (zh) * 2023-12-14 2024-01-16 浙江大学杭州国际科创中心 透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质
CN117406436B (zh) * 2023-12-14 2024-03-29 浙江大学杭州国际科创中心 透镜组生成方法、装置、透镜组、设备和存储介质

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