KR102568791B1 - 메타 소자 - Google Patents

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KR102568791B1
KR102568791B1 KR1020160104492A KR20160104492A KR102568791B1 KR 102568791 B1 KR102568791 B1 KR 102568791B1 KR 1020160104492 A KR1020160104492 A KR 1020160104492A KR 20160104492 A KR20160104492 A KR 20160104492A KR 102568791 B1 KR102568791 B1 KR 102568791B1
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김선일
신창균
이두현
김정우
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삼성전자주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

메타 소자를 제공한다. 본 메타 소자는 이격 배치되어 있으면서 입사된 광 중 적어도 일부를 반사시키는 복수 개의 메타 구조 및 이격 배치된 복수 개의 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 전극에 인가되는 전압에 의해 반사되는 광의 위상 변이를 제어하는 제어부을 포함한다.

Description

메타 소자{Meta device}
본 개시는 메타 소자에 관한 것이다.
메타 물질은 파장보다 작은 임의의 크기 및 모양으로 패터닝된 인공적인 메타 구조를 포함한다. 메타물질에 포함된 각 메타 구조는 메타물질에 인가된 전자기파 또는 음파에 대한 응답으로 소정의 특성을 나타낸다. 이러한 메타 물질은 전자기파 또는 음파에 대하여 자연계에 존재하지 않는 임의의 유효 굴절율 및 유효 물질 계수를 갖도록 설계 및 제작될 수 있다. 예를 들어, 메타물질은 서브파장 포커싱(subwavelength focusing), 음굴절(Negative refraction) 등과 같은 새로운 현상들을 발생시킬 수 있다.
본 개시는 메타 물질을 포함하는 메타 소자를 제공한다.
일 유형에 따르는 메타 소자는 이격 배치되는 복수 개의 전극; 상기 복수 개의 전극을 덮는 절연층; 이격 배치되는 복수 개의 메타 구조를 포함하는 메타 물질; 및 상기 절연층과 상기 메타 물질 사이에 배치되며, 전기적 신호에 따라 전하 밀도가 변하는 활성층; 을 포함한다.
그리고, 상기 복수 개의 메타 구조 각각은 상기 복수 개의 전극 중 어느 하나와 중첩될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조 중 적어도 두 개의 메타 구조와 중첩될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극 사이의 영역은, 상기 절연층에 의해 채워질 수 있다.
또한, 상기 전하 밀도는, 상기 활성층 중 복수 개의 전극과 중첩되는 영역에서 변할 수 있다.
그리고, 상기 활성층에 특정 크기의 전압이 인가되고, 상기 복수 개의 전극에 상기 특정 크기와 다른 크기의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 활성층은 접지될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극 각각에는 독립적으로 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극 중 적어도 두 개의 전극에 서로 다른 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극 중 이웃하는 두 개의 전극에 서로 다른 전압을 인가될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극에는, 상기 메타 소자에서 반사된 광이 특정 지점으로 조향되도록 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 조향되는 상기 특정 지점은, 상기 복수 개의 전극에 인가되는 전압에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극에 전압을 인가하는 회로 기판;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 회로 기판은, 상기 복수 개의 전극과 접할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 메타 구조 각각은 동작 파장보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극간의 간격 크기는, 상기 복수 개의 메타 구조간의 간격 크기이하일 수 있다.
또한, 상기 활성층은, 상기 전하 밀도에 대응하여 반사되는 광의 위상 변이를 유도할 수 있다.
그리고, 상기 절연층은 제1 절연층이며, 상기 활성층과 상기 메타 물질 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 절연층은, 금속 화합물 및 실리콘화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 절연층은, Al2O3, HfO, ZrO, HfSiO, SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층은, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 절연층은, 금속 화합물 및 실리콘 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연층은, Al2O3, HfO, ZrO, HfSiO, SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극은, 형상 및 크기가 동일할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극은, 1차원 또는 2차원으로 배열될 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 메타 소자는, 이격 배치되어 있으면서 입사된 광 중 적어도 일부를 반사시키는 복수 개의 메타 구조; 및 이격 배치된 복수 개의 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 전극에 인가되는 전압에 의해 반사되는 광의 위상 변이를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조와 이격 배치되며, 상기 복수 개의 메타 구조 각각은 상기 복수 개의 전극 중 어느 하나와 중첩될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조 중 적어도 두 개의 메타 구조와 중첩될 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 전극을 덮는 절연층; 및 상기 절연층에 배치되며, 전기적 신호에 따라 전하 밀도가 변하는 활성층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층에 특정 크기의 전압이 인가되고, 상기 복수 개의 전극에 상기 특정 크기와 다른 크기의 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 절연층은 제1 절연층이며, 상기 활성층과 상기 복수 개의 메타 구조 사이에 배치되는 제2 절연층;을 더 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 메타 소자의 개략적인 구조를 나타내는 사시도의 일부이다.
도 3은 도 1의 메타 소자를 나타내는 단면도이다.
도 4은 도 3의 메타 소자가 빔 스티어링 소자로 동작할 수 있음을 예시적으로 보인 개념도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 도 7에 도시된 메타 소자의 셀에 인가되는 전압에 따른 공진 파장을 측정한 결과이다.
도 9는 도 7에 도시된 메타 소자의 셀에 인가되는 광의 파장에 따른 반사되는 광의 위상을 측정한 결과이다.
도 10은 비교예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다.
도 11은 메타 소자의 인가 전압에 따른 전하 밀도의 변화를 나타내는 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1의 메타 소자의 개략적인 구조를 나타내는 사시도의 일부이며, 도 3은 도 1의 메타 소자를 나타내는 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 메타 소자(100)는 메타 물질과 메타 물질이 아닌 다른 물질 또는 층을 포함하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 메타 소자(100)는 이격 배치되어 있으면서 입사된 광을 반사시키는 복수 개의 메타 구조(110)를 포함하는 메타 물질(10) 및 이격 배치된 복수 개의 전극(120)을 포함하고, 복수 개의 전극(120)에 인가되는 전압에 의해 반사되는 광의 위상 변이를 제어하는 제어부(20)를 포함할 수 있다.
메타 물질(10)은 이격 배치된 복수 개의 메타 구조(110)를 포함할 수 있다. 복수 개의 메타 구조(110)는 격자 형태로 배열될 수 있다. 도 2에서는 복수 개의 메타 구조(110)가 2차원으로 배열된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 복수 개의 메타 구조(110)는 1차원으로 배열될 수 있음도 물론이다.
메타 구조(110)는 일정 크기로 패터닝되어 구조화된 물질일 수 있다. 메타 구조(110)는 동작 파장에 따라 크기 또는 형상 달라질 수 있다. 메타 구조(110)는 기둥 형상일 수 있으며, 단면은 사각형, 삼각형 등의 다각형, 원형, 타원형, 십자형 등 다양할 수 있다. 도면에는 메타 구조(110)가 십자형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 메타 구조(110)의 크기, 예를 들어, 메타 구조(110)의 두께, 길이 등은 동작 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 메타 구조(110)의 최장 길이는 동작 파장의 1/3 내외일 수 있다. 또한, 메타 구조(110)간의 간격도 동작 파장보다 작을 수 있다.
메타 구조(110)는 동작 파장의 광에 대해 임의의 굴절률을 가질 수도 있다. 일 실시예에 따른 메타 소자(100)에 포함된 메타 구조(110)는 입사광 중 적어도 일부 광을 반사시킬 수 있다. 반사되는 광은 동작 파장과 동일한 파장의 광일 수 있다.
메타 구조(110)는 전도성 물질, 예를 들어, 전도성이 높은 금속 물질로 형성될 수 있다. 금속 물질은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성되거나, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또는 메타 구조(110)는 Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수도 있다
제어부(20)는 메타 물질(10)에서 반사되는 광의 위상 변이를 제어할 수 있다. 제어부(20)는 이격 배치되는 복수 개의 전극(120), 복수 개의 전극(120)을 덮는 제1 절연층(130) 및 제1 절연층(130)상에 배치되며, 전기적 신호에 따라 전하 밀도가 변하는 활성층(140)을 포함할 수 있다. 제어부(20)는 복수 개의 전극(120)에 전기적 신호를 인가하는 회로 기판(150)을 더 포함할 수 있다.
복수 개의 전극(120)은 이격되게, 1차원 또는 2차원의 형태로, 예를 들어, 격자 형태로 배열될 수 있다. 복수 개의 메타 구조(110) 각각은 복수 개의 전극(120) 중 어느 하나와 중첩되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 메타 구조(110) 각각은 복수 개의 전극(120) 각각과 일대일 대응되게 중첩될 수 있다. 도 3에서는 일대일 대응하는 복수 개의 메타 구조(110)와 복수 개의 전극(120)이 도시되어 있으나 이러한 구조에만 한정되는 것은 아니다. 복수 개의 전극(120) 중 적어도 하나의 전극(120)은 복수 개의 메타 구조(110) 중 적어도 두 개의 메타 구조(110)와 중첩되게 배치될 수도 있다. 그리하여, 전극(120)과 대응하는 메타 구조(110) 사이의 공간은 커패시터가 될 수 있다. 전극(120)과 그에 대응하는 메타 구조(110), 그 사이의 제1 절연층(130)의 영역 및 활성층(140)의 영역이 셀(C)이 될 수 있다. 일 실시예에 따른 메타 소자(100)는 셀(C) 단위로 광을 위상 변이시킬 수 있다.
복수 개의 전극(120) 각각은 전도성 물질일 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 전극(120) 각각은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au) 또는 이들의 합금 등의 금속, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다. 복수 개의 전극(120)은 동일한 물질로 형성될 수 있지만 다른 물질로 형성될 수도 있다.
복수 개의 전극(120)은 기둥 형상일 수 있으며, 단면은 사각형, 삼각형 등의 다각형, 원형, 타원형 등 다양할 수 있다. 복수 개의 전극(120)은 동일한 형상일 수도 있지만 다른 형상일 수도 있다. 전극(120)의 단면은 메타 구조(110)의 단면 보다 클 수 있다. 이 경우, 전극(120) 각각은 하나 이상의 메타 구조(110)와 중첩될 수 있다. 메타 소자(100)의 소형화를 위해 전극(120)의 두께는 전극(120)의 단면 크기보다 작을 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 복수 개의 전극(120)은 동일한 형상일 수도 있지만 다른 형상일 수도 있다.
또한, 복수 개의 전극(120)간의 간격은 복수 개의 메타 구조(110)간의 간격이하일 수 있다. 복수 개의 전극(120)에는 전압이 인가될 수 있고, 복수 개의 전극(120)은 입사된 광을 반사시키는 미러 기능을 수행할 수 있다.
제1 절연층(130)은 복수 개의 전극(120)을 덮을 수 있다. 제1 절연층(130)은 Al2O3,HfO,ZrO, HfSiO 등 금속 화합물일 수 있고, SiOx, SiNx, SiON 등 실리콘 화합물일 수도 있다. 제1 절연층(130)의 절연 물질은 동작 파장에 따라 그 종류가 달라질 수 있다. 제1 절연층(130)의 일부 영역은 복수 개의 전극(120) 사이의 영역에 채워지기 때문에 복수 개의 전극(120)간의 전기적 통전을 방지할 수 있다. 또한, 제1 절연층(130)은 인가된 전기적 신호에 따라 후술하는 활성층(140)의 전하 밀도 변화를 유도할 수 있는 유전체적 성질을 가질 수 있다.
활성층(140)은 전기적 신호(예를 들어, 전기장)에 의해 전하 밀도가 변하면서, 전극 기능을 수행할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 활성층(140)은 예컨대, ITO(indium tin oxide)를 포함하거나, IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide) 와 같은 ZnO 계열의 산화물, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice) 등을 포함할 수 있다. 활성층(140)에는 전압이 인가될 수 있고, 복수 개의 전극(120)에는 활성층(140)에 인가되는 전압의 크기와 다른 크기의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 활성층(140)은 접지될 수 있으며, 복수 개의 전극(120)에는 독립적으로 크기가 다른 전압이 인가될 수 있다.
회로 기판(150)은 복수 개의 전극(120)과 접할 수 있고, 전극(120)에 전압을 인가하기 위한 하나 이상의 회로, 예를 들어, 주문형 반도체(application specific integrated circuit: ASIC)를 포함할 수 있다. 회로기판(150)을 통해 전극(120)에 전압을 직접 인가할 수 있도록 회로를 형성함으로써 제어부(20)의 구조를 간소화할 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 회로 기판(150)은 복수 개의 전극(120) 중 적어도 두 개의 전극에 서로 다른 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 회로 기판(150)은 복수 개의 전극(120) 중 이웃하는 두 개의 전극에 서로 다른 전압을 인가할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 활성층(140) 중 전극(120)에 대응하는 영역(142)에 전하 밀도가 변할 수 있다. 활성층(140) 중 전하 밀도가 변하는 영역(142)은 활성층(140) 중 제1 절연층(130)과 인접한 영역일 수 있다. 전극(120)에 의해 활성층(140)의 전하 밀도가 변하므로 상기한 전극(120)은 게이트 전극이라고 할 수 있고, 전극(120)이 활성층(140) 아래에 배치되므로 메타 소자(100)는 바텀 게이트 구조라고도 할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 전극(120) 중 제1 전극(121)에 제1 전압이 인가되면, 활성층(140) 중 제1 전극(121)에 대응하는 영역에 제1 전하 밀도가 형성될 수 있으며, 복수 개의 전극(120) 중 제2 전극(122)에 인가되는 제2 전압이 인가되면, 활성층(140) 중 제2 전극(122)에 대응하는 영역에 제2 전하 밀도가 형성될 수 있다. 이러한 전하 밀도의 변화는 메타 구조(110)와 전극(120) 사이의 공진 특성을 변화시키고, 변화된 공진 특성은 메타 구조(110)에서 반사되는 광의 위상 변이를 발생시켜, 반사되는 광의 위상 변이를 달라지게 할 수 있다.
회로 기판(150)은 복수 개의 전극(120)에 독립적으로 전압을 인가하기 때문에 메타 물질(10)에서 반사된 광은 특정 지점으로 조향(steering)될 수 있다. 조향되는 특정 지점은 복수 개의 전극(120)에 인가되는 전압에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 메타 소자(100)에 포함된 개개의 셀(C)에서 일어나는 위상 변이에 적절한 규칙성을 부여함으로 메타 소자(100)에서 반사되는 광을 특정 지점으로 조향할 수 있다. 따라서, 복수 개의 전극(120)을 1차원 또는 2차원으로 배열하고, 조향되는 지점의 범위를 1차원 또는 2차원으로 제어하면 메타 소자(100)는 빔 스티어링 소자로 동작할 수 있다.
도 4은 도 3의 메타 소자(100)가 빔 스티어링 소자로 동작할 수 있음을 예시적으로 보인 개념도이다. 도 4를 참조하면, 복수의 셀(C)은 3π/2, π, π/2, 0의 위상 변조가 일어나도록 해당 셀(C)에는 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 인접한 셀(C)이 이처럼, 계단형의 위상 변이 분포를 가지도록 제어될 때, 반사광은 각 위상 변이 값을 연결한 직선에 수직인 방향으로 스티어링된다. 이는 위상 어레이(optical phased array) 방식의 빔 스티어링이며, 위상 어레이의 위상 변이 규칙을 조절하여 입사광의 스티어링 방향을 다양하게 조절할 수 있다.
상기한 설명에서, 반사광이 한 방향으로 스티어링 되는 것을 예시하였지만, 영역마다 다른 방향으로 스티어링 되어 소정의 빔 정형(beam shaping)이 가능할 수도 있다. 예를 들어, 메타 소자(100)는 각각 복수의 셀을 포함하는 복수의 영역을 포함할 수 있고, 복수의 영역마다 다른 방향으로 빔을 스티어링함으로써 원하는 형태로의 빔 정형(beam shaping)이 가능하다.
도 5는 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다. 도 3과 도 5를 비교하면, 도 5의 메타 소자(100A)는 메타 구조(110)와 활성층(140) 사이에 제2 절연층(160)을 더 포함할 수 있다. 활성층(140)도 전극 기능을 수행하기 때문에 활성층(140)에 접하게 메타 구조(110)가 배치되면 이웃하는 메타 구조(110)간의 전하 이동으로 공진 특성이 저하될 수 있다. 이러한 메타 구조(110) 간의 전하 이동을 방지하기 위해 도 5의 메타 소자(100A)는 메타 물질(10)과 활성층(140) 사이에 제2 절연층(160)을 더 포함할 수 있다.
제2 절연층(160)은 Al2O3,HfO,ZrO, HfSiO 등 금속 화합물일 수도 있고, SiOx, SiNx, SiON 등 실리콘 화합물일 수도 있다. 제2 절연층(160)의 절연 물질은 동작 파장에 따라 그 종류가 달라질 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 메타 소자(100B)는 활성층(140)의 일부 영역에 홈(132)이 형성될 수 있다. 홈(132)은 활성층(140) 중 메타 구조(110) 사이의 영역에 형성될 수 있고, 제2 절연층(160)과 동일한 물질로 채워질 수 있다.
공진은 전극(120)과 그에 대응하는 메타 구조(110) 사이에서 주로 발생하지만, 전극(120)과 이웃하는 메타 구조(110) 사이에서도 발생할 수 있다. 이렇게 전극(120)과 이웃하는 메타 구조(110)사이에서 발생하는 공진을 방지하기 위해 활성층(140)에 홈(132)이 배치될 수 있다. 홈(132)의 폭은 메타 구조(110) 간의 간격보다 작을 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 홈(132)은 메타 구조(110) 간의 간격보다 약간 클 수 있음도 물론이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다. 도 3과 도 7을 비교하면, 도 7의 메타 소자(100C)는 하나의 전극(120)에 복수 개의 메타 구조(110)가 대응할 수 있다. 셀(C)은 하나의 전극(120)과 복수 개의 메타 구조(110)를 포함할 수 있다. 셀(C)에 포함된 복수 개의 메타 구조(110)는 1차원으로 배열될 수도 있고, 2차원으로 배열될 수 있다. 도 7에서 물리적으로 하나의 층으로 형성된 전극이 하나의 전극(120)이라고 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이격 배치된 복수 개의 서브 전극에 동일한 크기의 전압이 인가됨으로써 복수 개의 서브 전극이 하나의 전극이 될 수 있다. 이와 같이, 하나의 전극(120)에 복수 개의 메타 구조(110)가 배열됨으로써 메타 소자(100C)는 보다 많은 양의 광을 조향시킬 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 도 7에 도시된 메타 소자의 셀에 인가되는 전압에 따른 공진 파장을 실제 측정한 결과이고, 도 9는 도 7에 도시된 메타 소자의 셀에 인가되는 광의 파장에 따른 반사되는 광의 위상을 측정한 결과이다. 제1 절연층(130)은 Al2O3, 제2 절연층(160)은 SiO2로 하였으며, 활성층(140)은 ITO로 하였다. 제1 절연층(130)의 두께는 약 10nm이고, 제2 절연층(160)의 두께는 약 3nm이며, 활성층(140)의 두께는 약 5nm로 하였다. 또한, 메타 구조(110)와 전극(120)은 Au로 하였으며, 메타 구조(110)의 가로 및 세로의 크기는 각각 약 200nm 및 약 140nm이고, 메타 구조(20)의 두께는 약 50nm이며, 메타 구조(20)간의 간격은 약 400nm로 하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전극(120)에 다른 전압이 인가될 경우, 공진 파장이 변하는 것을 알 수 있다. 이것은 인가 전압에 따라 반사되는 광의 위상을 변화시킬 수 있음을 나타내는 결과이다. 그리고, 도 9에 도시된 바와 같이, 전극(120)에 인가되는 전압의 크기에 따라 반사되는 광의 위상이 변함을 확인할 수 있다.
도 10은 비교예에 따른 메타 소자를 나타내는 단면도이다. 도 10의 메타 소자(200)는 기판(250), 전극(220), 활성층(240), 절연층(230) 및 메타 구조(210) 순으로 배치될 수 있다. 활성층(240)의 밀도를 변경시키기 위해서는 메타 구조(210) 에 전압을 인가하고, 전극(220)을 접지시킬 수 있다. 이 경우, 메타 구조(210)는 게이트 전극 역할을 하고, 전극이 활성층(240) 위에 배치되므로, 도 10의 메타 소자(200)는 탑 게이트 구조라고 할 수 있다.
도 10의 메타 소자(200)을 이용하여서도 광을 조향할 수 있다. 그러나, 광을 조향하기 위해 도 10의 메타 소자(200)의 메타 구조(210) 중 적어도 두 개의 메타 구조에 서로 다른 전압을 인가하여야 한다. 만약, 도 10의 기판(250)이 전압 인가를 위한 회로 기판인 경우, 기판(250)에서 메타 구조(210)에 전압을 인가하기 위해 별도의 전극을 형성하여야 한다. 하지만 별도의 전극을 형성하는 공정에 어려움이 있다. 예를 들어, 절연층(230), 활성층(240) 및 전극(220)에 비아를 형성하여 별도의 전극을 구비하고자 하는 경우, 메타 소자(100)의 공정이 복잡해지고 수율이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 탑 게이트 구조의 메타 소자(200) 보다는 바텀 게이트 구조의 메타 소자(100)의 공정이 수월하고, 수율도 높다.
이러한 탑게이트 구조의 문제를 해결하기 위해 메타 구조에 동일한 전압을 인가하고 하부의 전극을 분리하여 사용하면, 비아(via)를 사용하는 공정을 피할 수 있다. 하지만 메타 구조에 동일한 전압을 인가하기 위해서는 메타 구조가 서로 연결되어 있어야 하는데, 이럴 경우 메타구조가 연결된 방향으로는 빔을 조향할 수 없어 2D로 빔을 조향 하는데 한계가 있다.
뿐만 아니라, 탑 게이트 구조의 메타 소자(200) 보다는 바텀 게이트 구조의 메타 소자(100)가 성능이 우수할 수 있다. 도 11은 메타 소자의 인가 전압에 따른 전하 밀도의 변화를 나타내는 도면이다. 도 11의 바텀 게이트 구조는 도 3의 메타 소자(100)이고, 탑 게이트 구조는 도 10의 메타 소자(200)이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 바텀 게이트 구조의 활성층내 전하 밀도가 인가 전압에 보다 민감하게 반응함을 확인할 수 있다. 전하 밀도의 변화량(Delta n)과 위상 변이량은 비례하는 상관관계를 가지므로, 바텀 게이트 구조의 메타 소자가 탑 게이트 구조 보다 용이하게 반사광의 위상 변이를 제어할 수 있음을 예상할 수 있다.
해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 개시된 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하며,권리 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위 및, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100A, 100B, 100C, 200: 메타 소자
10: 메타 물질
20: 제어부
110: 메타 구조
120: 전극
130: 제1 절연층
140: 활성층
150: 제2 절연층

Claims (31)

  1. 이격 배치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극을 덮는 절연층;
    이격 배치되는 복수 개의 메타 구조를 포함하는 메타 물질; 및
    상기 절연층과 상기 메타 물질 사이에 배치되며, 전기적 신호에 따라 전하 밀도가 변하는 활성층; 을 포함하고,
    상기 복수 개의 전극 사이의 영역은,
    상기 절연층에 의해 채워진 메타 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 구조 각각은 상기 복수 개의 전극 중 어느 하나와 중첩되는 메타 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조 중 적어도 두 개의 메타 구조와 중첩되는 메타 소자.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전하 밀도는,
    상기 활성층 중 복수 개의 전극과 중첩되는 영역에서 변하는 메타 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층에 특정 크기의 전압이 인가되고,
    상기 복수 개의 전극에 상기 특정 크기와 다른 크기의 전압이 인가되는 메타 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 활성층은 접지된 메타 소자.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 각각에는
    독립적으로 전압이 인가되는 메타 소자.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 중 적어도 두 개의 전극에 서로 다른 전압이 인가되는 메타 소자.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 중 이웃하는 두 개의 전극에 서로 다른 전압을 인가되는 메타 소자.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극에는,
    상기 메타 소자에서 반사된 광이 특정 지점으로 조향되도록 전압이 인가되는 메타 소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    조향되는 상기 특정 지점은,
    상기 복수 개의 전극에 인가되는 전압에 따라 달라지는 메타 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극에 전압을 인가하는 회로 기판;을 더 포함하는 메타 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 회로 기판은,
    상기 복수 개의 전극과 접하는 메타 소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 구조 각각은 동작 파장보다 작은 메타 소자.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극간의 간격 크기는,
    상기 복수 개의 메타 구조간의 간격 크기이하인 메타 소자.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은,
    상기 전하 밀도에 대응하여 반사되는 광의 위상 변이를 유도하는 메타 소자.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은 제1 절연층이며,
    상기 활성층과 상기 메타 물질 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함하는 메타 소자.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제2 절연층은,
    금속 화합물 및 실리콘화합물 중 적어도 하나를 포함하는 메타 소자.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 제2 절연층은,
    Al2O3,HfO,ZrO, HfSiO, SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함하는 메타 소자.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은,
    ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 메타 소자.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    금속 화합물 및 실리콘 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 메타 소자.
  23. 제1 항에 있어서,
    상기 절연층은,
    Al2O3, HfO, ZrO, HfSiO, SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함하는 메타 소자.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극은,
    형상 및 크기가 동일한 메타 소자.
  25. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극은,
    1차원 또는 2차원으로 배열된 메타 소자.
  26. 이격 배치되어 있으면서 입사된 광 중 적어도 일부를 반사시키는 복수 개의 메타 구조; 및
    이격 배치된 복수 개의 전극을 포함하고, 상기 복수 개의 전극에 인가되는 전압에 의해 반사되는 광의 위상 변이를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수 개의 전극을 덮는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 배치되며, 전기적 신호에 따라 전하 밀도가 변하는 활성층;
    상기 활성층과 상기 복수 개의 메타 구조 사이에 배치되는 제2 절연층;을 포함하는 메타 소자.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조와 이격 배치되며, 상기 복수 개의 메타 구조 각각은 상기 복수 개의 전극 중 어느 하나와 중첩되는 메타 소자.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나의 전극은 상기 복수 개의 메타 구조 중 적어도 두 개의 메타 구조와 중첩되는 메타 소자.
  29. 삭제
  30. 제 26항에 있어서,
    상기 활성층에 특정 크기의 전압이 인가되고,
    상기 복수 개의 전극에 상기 특정 크기와 다른 크기의 전압이 인가되는 메타 소자.
  31. 삭제
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