KR102308216B1 - 메타물질 기반 광 흡수체 - Google Patents

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KR102308216B1
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김재현
이학주
김미현
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한국전자통신연구원
한국기계연구원
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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Abstract

본 발명은 메타물질 기반 광 흡수체에 관한 것으로, 도전성의 반사층, 상기 반사층 상의 절연층 및 상기 절연층 상의 나노 구조체를 포함하되, 상기 나노 구조체는 원통 형상의 코어부 및 상기 코어부의 측면을 둘러싸는 제1 도전 링을 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체가 제공된다.

Description

메타물질 기반 광 흡수체{light absorber based on metamaterial}
본 발명은 메타물질 기반 광 흡수체에 관한 것으로, 상세하게는 나노스케일의 도전 링을 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체에 관한 것이다.
최근 사물인터넷, 웨어러블 기기등 첨단 ICT 기기의 수요가 증가함에 따라 기존 소재의 특성을 뛰어넘을 수 있는 초물질 소재에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 메타물질(Metamaterial)이란 아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 설계된 인공구조물이다. 메타물질의 특성은 그를 구성하는 물질의 특성이 아닌 그의 구조에 의해 생긴다. 메타물질은 형상, 밀도, 구조 및 물질 등에 조절함으로써 손쉽게 특성을 조절할 수 있다. 최근 이러한 특성을 갖는 메타물질을 에너지 하베스팅 및 고해상도 렌즈 등에 적용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 메타물질이 에너지 하베스팅 기술에 적용되기 위해서는 다중대역의 파장에 대한 흡수특성을 갖는 메타물질에 대한 연구가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중대역의 광/전자기파에 대한 흡수특성을 갖는 메타물질 기반 광 흡수체를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체는 도전성의 반사층; 상기 반사층 상의 절연층; 및 상기 절연층 상의 나노 구조체를 포함하되, 상기 나노 구조체는 원통 형상의 코어부 및 상기 코어부의 측면을 둘러싸는 제1 도전 링을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제 1 도전 링은 속이 빈 원통 형상을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링은 상기 코어부의 측면을 전부 둘러쌀 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링의 상기 코어부의 측면의 일부를 노출할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링은 상기 반사층과 전기적으로 절연될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 코어부 및 상기 제1 도전 링 중 적어도 하나는 투명 금속 산화물을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 코어부의 상면 및 상기 제1 도전 링의 상면은 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 코어부의 상면으로부터 연장되는 상부 코어부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 상부 코어부는 원뿔 형상을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링의 측면을 둘러싸는 제1 절연 링 및 상기 제1 절연 링의 측면을 둘러싸는 제2 도전 링을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링 및 상기 제2 도전 링은 전기적으로 절연될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 절연 링 및 상기 제2 도전 링은 속이 빈 원통 형상을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 도전 링은 전기적으로 플로팅될 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 도전 링의 외경은 상기 제1 절연 링의 내경과 같고, 상기 제1 절연 링의 외경은 상기 제2 도전 링의 외경과 같을 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 절연 링의 상면의 높이는 상기 제1 도전 링의 상면의 높이보다 낮고, 상기 제2 도전 링의 상면의 높이보다 높을 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 절연 링은 금속-절연체 전이(metal-insulator transition:MIT) 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 다중대역의 파장에 대한 흡수 특성을 가지며, 제조가 용이하고, 다양한 에너지 소자에 적용 가능한 메타물질 기반 광 흡수체가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3a는 도 2의 I~I'선에 따른 단면도들로서, 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3b 및 도 3c는 도 2의 I~I'선에 따른 단면도들로서, 나노 구조체의 변형예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 4의 II~II' 선에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 도 6의 III~III' 선에 따른 단면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께 및 형태는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 평면도이다. 도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체는 복수 개의 단위 광 흡수체를 포함할 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 1에 도시된 단위 광 흡수체를 중심으로 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 광 흡수체는 기판(102), 반사층(104), 절연층(106) 및 나노 구조체(200)를 포함할 수 있다.
나노 구조체(200)와 반사층(104)이 절연층(106)을 사이에 두고 서로 이격되어 배치될 수 있다. 나노 구조체(200)는 다중대역의 광을 수신할 수 있는 나노안테나(nano-antenna)로 기능할 수 있다. 즉, 나노 구조체(200)는 광 흡수체의 외부로부터 다중대역의 광을 수신할 수 있다. 나노 구조체(200)는 수신된 다중대역의 광을 반사층(104)을 향하여 출력할 수 있다. 반사층(104)을 향하여 출력된 광은 나노 구조체(200)와 반사층(104) 사이에서 공진(resonance)될 수 있다. 공진된 광은 열 등의 형태로 변환되어 광 흡수체에 흡수될 수 있다. 즉, 광 흡수체는 다중대역의 광에 대한 흡수특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 도전성의 반사층(104)이 기판(102) 상에 배치될 수 있다. 반사층(104)은 소정의 두께를 갖는 평판의 형상을 가질 수 있다. 반사층(104)은 기판(102)의 상면을 완전히 덮을 수 있으며, 평탄한 상면을 가질 수 있다. 반사층(104)은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 반사층(104)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있다. 반사층(104)은 전기적으로 플로팅될 수 있다. 즉, 반사층(104)은 접지되지 않을 수 있고, 또한, 외부전원에 연결되지 않을 수 있다.
기판(102)이 반사층(104)의 아래에 배치되어 반사층(104)을 지지할 수 있다. 기판(102)은 반사층(104)이 전기적으로 플로팅될 수 있도록 절연체를 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(102)은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있다.
절연층(106)이 반사층(104) 상에 배치될 수 있다. 절연층(106)은 반사층(104)과 나노 구조체(200) 사이에 배치될 수 있고, 반사층(104)과 나노 구조체(200)를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 절연층(106)은 반사층(104)의 상면을 완전히 덮을 수 있다. 절연층(106)은 소정의 두께를 갖는 평판의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 절연층(106)은 반사층(104)의 상면과 나노 구조체(200)의 하면을 일정한 거리만큼 이격시키기 위한 적절한 구조를 가질 수 있다. 절연층(106)은 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 폴리머(polymer) 등을 포함할 수 있다.
나노 구조체(200)가 절연층(106) 상에 배치될 수 있다. 나노 구조체(200)는 반사층(104)과 이격될 수 있다. 또한, 나노 구조체(200)는 반사층(104)과 전기적으로 절연될 수 있다. 나노 구조체(200)는 코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)을 포함할 수 있다. 제1 도전 링(202) 및 제2 도전 링(204)은 전기적으로 플로팅되어 특정 파장의 광을 흡수하는 안테나로 기능할 수 있다. 이에 따라, 나노 구조체(200)는 다중대역의 광에 대한 흡수 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 코어부(201)가 절연층(106) 상에 배치될 수 있다. 코어부(201)는 기판(102)의 상면과 수직한 방향으로 연장된 원통 형상을 가질 수 있다. 코어부(201)의 상면(201t) 및 하면(201d)은 원형 또는 타원형일 수 있다. 코어부(201)의 직경(w1)은 상면(201t)에서부터 하면(201d)까지 일정할 수 있다. 코어부(201)의 직경(w1)은 수십 내지 수백nm일 수 있다.
코어부(201)는 절연체이거나 또는 도전체일 수 있다. 예컨대, 코어부(201)가 절연체인 경우, 코어부(201) 실리콘옥사이드(SiO2), 티타늄 옥사이드(TiO2) 또는 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다. 코어부(201)가 도전체인 경우, 코어부(201)는 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 코어부(201)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 코어부(201)는 투명 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 예컨대, 코어부(201)는 ITO(Indium-Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함할 수 있다. 코어부(201)가 투명 금속 산화물을 포함하는 경우, 제1 도전 링(202)에 입사되는 광량이 증가될 수 있다.
코어부(201)의 주위에 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)이 배치될 수 있다. 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)은 튜브(tube) 또는 속이 빈 원통(hollow cylinder)의 형상을 가질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 중심은 코어부(201)의 중심과 동일한 직선 상에 위치할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)은 기판(102)과 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 제1 도전 링(202), 및 제2 도전 링(204)은 전기적으로 플로팅될 수 있다.
구체적으로, 제1 도전 링(202)이 코어부(201)의 측면 상에 배치될 수 있다. 제1 도전 링(202)은 코어부(201)의 측면을 둘러쌀 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 도전 링(202)의 내경은 코어부(201)의 직경(w1)과 같을 수 있다. 즉, 제1 도전 링(202)의 내측면은 코어부(201)의 측면과 접할 수 있다. 제1 도전 링(202)의 외경(w2)은 수십 내지 수백nm일 수 있다. 제1 도전 링(202)은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 도전 링(202)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 제1 도전 링(202)은 투명 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 예컨대, 제1 도전 링(202)은 ITO(Indium-Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함할 수 있다.
제1 도전 링(202)은 특정 파장의 광을 수신하는 나노 안테나로 기능할 수 있다. 예컨대, 제1 도전 링(202)은 제1 파장의 광에 대한 흡수 특성을 가질 수 있으며, 광 흡수체의 외부로부터 제1 파장의 광을 수신할 수 있다. 제1 도전 링(202)은 수신된 제1 파장의 광을 반사층(104)을 향하여 출력할 수 있다. 제1 파장은 300nm 내지 4000nm의 범위를 가질 수 있다.
제1 절연 링(203)이 제1 도전 링(202)의 외측면 상에 배치될 수 있다. 제1 절연 링(203)은 제1 절연 링(203)의 외측면을 둘러쌀 수 있다. 제1 절연 링(203)의 내경은 제1 도전 링(202)의 외경(w2)과 같을 수 있다. 제1 절연 링(203)의 외경(w3)은 수십 내지 수백nm일 수 있다. 제1 절연 링(203)은 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 티타늄 옥사이드(TiO2)를 포함할 수 있다. 제1 절연 링(203)은 제1 도전 링(202) 및 제2 도전 링(204) 사이에 개재되어, 제1 도전 링(202)과 제2 도전 링(204)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제2 도전 링(204)이 제1 절연 링(203)의 외측면 상에 배치될 수 있다. 제2 도전 링(204)은 제1 절연 링(203)의 측면을 둘러쌀 수 있다. 제2 도전 링(204)의 내경은 제1 절연 링(203)의 외경(w3)과 같을 수 있다. 제2 도전 링(204)의 외경(w4)은 수십 내지 수백nm일 수 있다. 제2 도전 링(204)의 내측면은 제1 절연 링(203)의 외측면과 접할 수 있다. 제2 도전 링(204)은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 도전 링(204)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있다. 제2 도전 링(204)은 코어부(201)및 제1 도전 링(202)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전 링(204)은 제2 파장의 광을 수신하는 나노 안테나로 기능할 수 있다. 제2 파장은 제1 파장보다 길 수 있다. 예컨대, 제2 파장은 300nm 내지 4000nm의 범위를 가질 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 상면들은 동일한 높이를 가질 수 있다. 예컨대, 코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 상면들은 공면을 이룰 수 있다.
도 3b 및 도 3c는 도 2의 I~I'선에 따른 단면도들로서, 나노 구조체의 변형예들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 상면들은, 도3a를 참조하여 설명한 것과 달리, 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 예컨대, 도 3b에 도시된 바와 같이, 코어부(201)의 상면의 높이는 제1 도전 링(202)의 상면의 높이보다 높을 수 있다. 제1 도전 링(202)의 상면의 높이는 제1 절연 링(203)의 상면의 높이보다 높을 수 있다. 제1 절연 링(203)의 상면의 높이는 제2 도전 링(204)의 상면의 높이보다 높을 수 있다.
예컨대, 도 3c에 도시된 바와 같이, 코어부(201)의 상면의 높이는 제1 도전 링(202)의 상면의 높이보다 낮을 수 있다. 제1 도전 링(202)의 상면의 높이는 제1 절연 링(203)의 상면의 높이보다 낮을 수 있다. 제1 절연 링(203)의 상면의 높이는 제2 도전 링(204)의 상면의 높이보다 낮을 수 있다.
코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 상면들이 서로 다른 높이를 가짐에 따라, 코어부(201), 제1 도전 링(202), 제1 절연 링(203) 및/또는 제2 도전 링(204)의 측면들의 일부가 노출될 수 있다. 이에 따라, 나노 구조체(200)의 광 흡수 특성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 사시도이다. 도 5는 도 4의 II~II' 선에 따른 단면도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 3c를 참조하여 설명한 메타물질 기반 광 흡수체와의 차이점을 위주로 설명하고, 중복되는 구성의 상세한 설명은 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 코어부(201)는 하부 코어부(201a) 및 상부 코어부(201b)를 포함할 수 있다. 하부 코어부(201a)가 절연층(106) 상에 배치될 수 있다. 하부 코어부(201a)는 기판(102)의 상면과 수직한 방향으로 연장된 원통 형상을 가질 수 있다. 상부 코어부(201b)가 하부 코어부(201a)의 상면 상에 배치될 수 있다. 달리 말해서, 상부 코어부(201b)는 하부 코어부(201a)의 상면으로부터 연장될 수 있다. 상부 코어부(201b)는 원뿔 형상을 가질 수 있다. 상부 코어부(201b)의 하면의 직경은 하부 코어부(201a)의 상면의 직경과 같을 수 있다. 상부 코어부(201b)는 하부 코어부(201a)와 멀어질수록 직경이 감소할 수 있다. 그 외 다른 구성들은 도 1, 도2 및 도 3b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 본 실시예가 도 3a 및 도 3c를 참조하여 설명한 실시예들에 적용될 수도 있음은 물론이다. 예컨대, 도 3a의 실시예에 본 실시예를 적용하는 경우, 하부 코어부(201a)의 상면의 높이는 제1 절연 링(203) 및 제2 도전 링(204)의 상면들의 높이와 동일할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체를 설명하기 위한 평면도이다. 도 7은 도 6의 III~III' 선에 따른 단면도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 3c를 참조하여 설명한 메타물질 기반 광 흡수체와의 차이점을 위주로 설명하고, 중복되는 구성의 상세한 설명은 생략한다.
도 6및 도 7을 참조하면, 나노 구조체(200)는 제2 절연 링(205) 및 제3 도전 링(206)을 더 포함할 수 있다. 제2 절연 링(205) 및 제3 도전 링(206)은 튜브 또는 속이 빈 원통의 형상을 가질 수 있다. 제2 절연 링(205) 및 제3 도전 링(206)의 중심은 코어부(201)의 중심과 동일한 직선 상에 위치할 수 있다.
제2 절연 링(205)은 제2 도전 링(204)을 둘러쌀 수 있다. 제2 절연 링(205)의 내경은 제2 도전 링(204)의 외경과 같을 수 있다. 제2 절연 링(205)의 내측면은 제2 도전 링(204)의 외측면과 접할 수 있다. 제2 절연 링(205)은 절연체를 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 절연 링(205)은 티타늄 옥사이드(TiO2)를 포함할 수 있다. 제2 절연 링(205)은 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206) 사이에 개재되어, 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제3 도전 링(206)이 제2 절연 링(205)의 외측면 상에 배치될 수 있다. 제3 도전 링(206)은 제2 절연 링(205)의 측면을 둘러쌀 수 있다. 제3 도전 링(206)의 내경은 제2 절연 링(205)의 외경과 같을 수 있다. 제3 도전 링(206)의 외경은 수십 내지 수백nm일 수 있다. 제3 도전 링(206)의 내측면은 제2 절연 링(205)의 외측면과 접할 수 있다. 제3 도전 링(206)은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 제3 도전 링(206)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있다. 제3 도전 링(206)은 광/전자기파를 수신하는 나노 안테나로 기능할 수 있다. 제1 도전 링(202)은 제3 파장의 광/전자기파에 대한 흡수 특성을 가질 수 있다. 제3 파장은 제1 및 제2 파장보다 길 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 절연 링(203) 및 제2 절연 링(205) 중 적어도 하나는 금속-절연체 전이(metal-insulator transition:MIT) 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 절연 링(203) 및 제2 절연 링(205) 중 적어도 하나는 VO2 또는 V2O3를 포함할 수 있다. 금속-절연체 전이 물질은 임계온도 이상에서 저항이 급격히 떨어질 수 있다. 즉, 금속-절연체 전이 물질은 임계온도 이상에서 도전체의 특성을 가질 수 있다. 광 흡수체의 광 흡수 특성은 온도에 따라 가변될 수 있다.
일 예로, 제1 절연 링(203)이 금속-절연체 전이물질을 포함할 수 있다. 즉, 제1 도전 링(202) 및 제2 도전 링(204)은 임계온도 이상에서 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적으로 연결된 제1 도전 링(202) 및 제2 도전 링(204)은 특정 파장 대역의 광에 대한 흡수 특성을 갖는 단일 안테나로 기능할 수 있다.
다른 예로, 제2 절연 링(205)이 금속-절연체 전이물질을 포함할 수 있다. 즉, 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206)은 임계온도 이상에서 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적으로 연결된 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206)은 특정 파장 대역의 광에 대한 흡수 특성을 갖는 단일 안테나로 기능할 수 있다.
다른 예로, 제1 절연 링(203) 및 제2 절연 링(205)이 금속-절연체 전이물질을 포함할 수 있다. 즉, 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206)은 임계온도 이상에서 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적으로 연결된 제1 도전 링(202), 제2 도전 링(204) 및 제3 도전 링(206)은 특정 파장 대역의 광에 대한 흡수 특성을 갖는 단일 안테나로 기능할 수 있다.
이하 도 8a 내지 도 8d를 참고하여 본 발명의 실시예들에 따른 메타물질 기반 광 흡수체의 제조방법을 설명한다.
도 8a를 참조하면, 기판(102) 상에 반사층(104) 및 절연층(106)을 순차적으로 형성할 수 있다. 반사층(104) 및 절연층(106)은 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition: PVD) 공정, 화학 기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정, 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 스핀 코팅(spin coating) 공정들 중 적어도 하나의 공정을 통해 형성될 수 있다. 반사층(104)은 실질적으로 기판(102)의 상면을 전부 덮도록 형성될 수 있다. 예컨대, 반사층(104)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 플래티넘(Pt) 중 하나를 포함할 수 있으며, 평판의 형상을 가질 수 있다. 절연층(106)은 반사층(104)의 상면의 적어도 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
절연층(106) 상에 원통 형상의 코어부(201)를 형성할 수 있다. 코어부(201)는 절연층(106) 상에 나노 임프린트 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 코어부(201)를 형성하는 것은 증착 공정 및 식각 공정을 통하여 수행될 수도 있다.
이어서, 절연층(106)의 상면 및 코어부(201)의 표면들을 따라 제1 도전막(202p)을 형성할 수 있다. 제1 도전막(202p)은 스텝 커버리지(step coverage) 및/또는 컨포멀 특성이 우수한 공정 조건을 활용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 도전막(202p)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 플래티넘(Pt)을 사용하여 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 8b를 참조하면 제1 도전막(202p)을 부분적으로 제거하여 제1 도전 링(202)을 형성할 수 있다. 예컨대, 에치-백(etch-back) 공정을 통해 제1 도전막(202p)을 부분적으로 제거할 수 있다. 상기 에치-백 공정에 의해 절연층(106)의 상면 및 코어부(201)의 상면 상에 형성된 제1 도전막(202p)의 부분들이 제거될 수 있다. 이에 따라, 코어부(201)의 측면을 둘러싸는 제1 도전 링(202)이 형성될 수 있다.
도 8c를 참조하면, 절연층(106)의 상면, 코어부(201)의 상면 및 제1 도전 링(202)의 상면들을 따라 제1 절연막(203p)을 형성할 수 있다. 제1 절연막(203p) ALD 공정을 통해 형성될 수 있다. 제1 절연막(203p)은 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 티타늄 옥사이드(TiO2)를 포함할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 제1 절연막(203p)을 부분적으로 제거하여 제1 절연 링(203)을 형성할 수 있다. 예컨대, 에치-백(etch-back) 공정을 통해 제1 절연막(203p)을 부분적으로 제거할 수 있다. 상기 에치-백 공정에 의해 절연층(106)의 상면, 코어부(201)의 상면 및 제1 도전 링(202)의 상면 상에 형성된 제1 절연막(203p)의 부분들이 제거될 수 있다. 이에 따라, 제1 도전 링(202)의 측면을 둘러싸는 제1 절연 링(203)이 형성될 수 있다.
다시 도 3a를 참조하면, 절연층(106)의 상면, 코어부(201)의 상면, 제1 도전 링(202)의 상면 및 제1 절연 링(203)의 상면을 덮는 제2 도전막(미도시)을 형성하고, 이를 부분적으로 제거하여 제2 도전 링(204)으 형성할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 도전성의 반사층;
    상기 반사층 상의 절연층; 및
    상기 절연층 상의 나노 구조체를 포함하되,
    상기 나노 구조체는 원통 형상의 코어부 및 상기 코어부의 측면을 둘러싸는 제1 도전 링을 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링은 속이 빈 원통 형상을 갖는 메타물질 기반 광 흡수체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링은 상기 코어부의 측면을 전부 둘러싸는 메타물질 기반 광 흡수체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링의 상기 코어부의 측면의 일부를 노출하는 메타물질 기반 광 흡수체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링은 상기 반사층과 전기적으로 절연되는 메타물질 기반 광 흡수체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부 및 상기 제1 도전 링 중 적어도 하나는 투명 금속 산화물을 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부의 상면 및 상기 제1 도전 링의 상면은 서로 다른 높이를 갖는 메타물질 기반 광 흡수체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부의 상면으로부터 연장되는 상부 코어부를 더 포함하되,
    상기 상부 코어부는 원뿔 형상을 갖는 메타물질 기반 광 흡수체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링의 측면을 둘러싸는 제1 절연 링 및
    상기 제1 절연 링의 측면을 둘러싸는 제2 도전 링을 더 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링 및 상기 제2 도전 링은 전기적으로 절연되는 메타물질 기반 광 흡수체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 절연 링 및 상기 제2 도전 링은 속이 빈 원통 형상을 갖는 메타물질 기반 광 흡수체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 도전 링은 전기적으로 플로팅된 메타물질 기반 광 흡수체.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 도전 링의 외경은 상기 제1 절연 링의 내경과 같고,
    상기 제1 절연 링의 외경은 상기 제2 도전 링의 외경과 같은 메타물질 기반 광 흡수체.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 절연 링의 상면의 높이는 상기 제1 도전 링의 상면의 높이보다 낮고, 상기 제2 도전 링의 상면의 높이보다 높은 메타물질 기반 광 흡수체.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 절연 링은 금속-절연체 전이(metal-insulator transition:MIT) 물질을 포함하는 메타물질 기반 광 흡수체.
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