KR102576656B1 - 나노 복합재를 이용한 메타 표면 제조 장치, 제조 방법 및 메타 표면 - Google Patents

나노 복합재를 이용한 메타 표면 제조 장치, 제조 방법 및 메타 표면 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 복합재를 이용한 메타 표면 제작 장치, 제작 방법 및 메타 표면에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고 굴절률을 갖게 형성되어 낮은 파장의 빛도 효과적으로 굴절시킬 수 있는 메타 표면을 제작하기 위한 장치, 방법 및 이에 의해 제작된 메타 표면에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성된 표면을 갖는 연질 주형; 상기 연질 주형의 상기 표면에 도포되는 나노 복합재(nanocomposite)를 포함하며, 상기 나노 복합재는, 열경화성 소재로 형성된 수지(resin); 및 상기 수지에 혼합된 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 규소(Si) 입자인, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.

Description

나노 복합재를 이용한 메타 표면 제조 장치, 제조 방법 및 메타 표면{Meta surface manufacturing apparatus, manufacturing method and meta surface using nanocomposite}
본 발명은 나노 복합재를 이용한 메타 표면 제조 장치, 제조 방법 및 메타 표면에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고 굴절률을 갖게 형성되어 낮은 파장의 빛도 효과적으로 굴절시킬 수 있는 메타 표면을 제조하기 위한 장치, 방법 및 이에 의해 제작된 메타 표면에 관한 것이다.
메타 렌즈는 재료를 메타 표면으로 처리하여 제작된 렌즈를 일컫는다. 메타 표면은 50㎚ 크기의 나노 입자들이 규칙적으로 배열되어 형성된다. 메타 렌즈는 기존 사용되는 유리 등 투명한 소재의 물질로 형성되는 렌즈에 비해, 빛의 투과성, 굴절률이 향상되고 그 크기 및 두께가 감소될 수 있어, 최근 다양한 형태의 스마트 기기에 활용되고 있다.
메타 표면은 빛의 파장보다 작은 크기의 나노 구조체가 배열되어 형성된다. 따라서, 그 크기의 미소함으로 인해 통상 사용되는 UV(Ultra Violet) 리소그래피로는 제작이 어려워, 전자 빔 리소그래피를 활용하여 메타 표면이 제작됨이 일반적이다.
그런데, 전자 빔 리소그래피의 경우 메타 표면의 제작을 위해 매우 긴 시간이 요구된다. 따라서, 공정의 효율 및 생산 효율 측면에서, 넓은 면적의 메타 표면을 대량 생산함에는 한계가 있다.
또한, 메타 표면의 제작 효율을 향상시키기 위해서는 이산화티타늄(TiO2) 또는 질화갈륨(GaN) 등 고굴절, 저손실의 성질을 갖는 유전체가 사용되어야 한다. 그런데, 상기 유전체의 경우 고 종횡비(aspect ratio) 나노 구조체에 증착 및 식각이 어려운 한계가 있다.
한국공개특허문헌 제10-2020-0047612호는 투과성 메타 표면 렌즈 통합 시스템을 개시한다. 구체적으로, 투과성 메타 표면을 다른 반도체 장치 또는 추가적인 메타 표면 소자와 통합하기 위한 시스템 및 방법 등을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 메타 표면 렌즈 통합 시스템은 메타 표면을 신속하고 효과적으로 제작하기 위한 방안을 제시하지 못한다. 즉, 상기 선행문헌은 여전히 이산화티타늄 등의 유전체가 활용될 수 있음을 개시할 뿐, 상기 유전체를 사용할 경우 발생되는 불이익을 해소하기 위한 방안에 대해서는 개시하지 않는다.
한국공개특허문헌 제10-2019-0033283호는 메타 표면 광학소자 및 그 제조방법을 개시한다. 구체적으로, 기판에 배치된 제1 메타 표면과, 제1 메타 표면 둘레에 광 제어 부재를 배치하되, 광 제어 부재와 기판 사이에 제1 메타 표면과 같은 소재의 물질로 형성된 레이어를 추가한 메타 표면 광학소자 및 그 제조 방법을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 메타 표면 광학소자 및 그 제조방법은, 기존의 유전체를 전통적인 식각 공정을 활용하여 메타 표면을 제작한다. 즉, 상기 선행문헌은 기존의 공정에 따른 메타 표면 제작 공정의 비효율을 극복하기 위한 방안을 제시하지 못한다.
한국공개특허문헌 제10-2020-0047612호 (2020.05.07.) 한국공개특허문헌 제10-2019-0033283호 (2019.03.29.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 나노 복합재를 이용한 메타 표면 제작 장치, 제작 방법 및 메타 표면을 제공함을 목적으로 한다.
먼저, 고 굴절률을 확보할 수 있는 메타 표면, 이를 제작하기 위한 메타 표면 제작 장치 및 제작 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 고 굴절률을 확보하면서도, 공정의 효율성 및 경제성이 제고될 수 있는 메타 표면, 이를 제작하기 위한 메타 표면 제작 장치 및 제작 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 파장에 따른 빛의 다양한 성분을 굴절시킬 수 있는 메타 표면, 이를 제작하기 위한 메타 표면 제작 장치 및 제작 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 입사된 빛의 산란 정도를 최소화할 수 있는 메타 표면, 이를 제작하기 위한 메타 표면 제작 장치 및 제작 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성된 표면을 갖는 연질 주형; 상기 연질 주형의 상기 표면에 도포되는 나노 복합재(nanocomposite)를 포함하며, 상기 나노 복합재는, 열경화성 소재로 형성된 수지(resin); 및 상기 수지에 혼합된 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 규소(Si) 입자인, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 연질 주형은, 상기 표면을 형성하며, 상기 나노 복합재가 도포되는 제1 층; 및 상기 제1 층과 결합되며, 상기 표면에 반대되게 위치되는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층을 형성하는 소재는, 상기 제2 층을 형성하는 소재보다 점성이 낮고, 강성이 높은, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 층은, h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 소재로 형성되고, 상기 제2 층은, PDMS(polydimethylsiloxane) 소재로 형성되는, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 양각부 및 음각부와 상보적으로 배치되는 복수 개의 오목부 및 볼록부가 형성된 표면을 갖는 경질 주형을 포함하며, 상기 연질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부는, 상기 경질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부에 의해 복제되어 형성되는, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 연질 주형의 상기 표면과 접촉되어, 상기 연질 주형의 상기 표면에 도포된 상기 나노 복합재가 안착되는 지지층을 포함하는, 메타 표면 제작 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 메타 표면 제작 장치에 의해 제작되며, 상기 나노 복합재가 경화되어 형성되는 나노 구조체를 포함하는, 메타 표면이 제공될 수 있다.
또한, 상기 나노 구조체는, 상기 나노 구조체의 베이스를 형성하며, 판 형으로 형성되는 나노 베이스; 및 상기 나노 베이스에서 돌출 형성되는 나노 컬럼을 포함하는, 메타 표면이 제공될 수 있다.
또한, 상기 나노 컬럼은 복수 개 형성되어, 복수 개의 상기 나노 컬럼은 서로 이격되어 배치되는, 메타 표면이 제공될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, (a) 연질 주형의 표면에 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성되는 단계; (b) 상기 연질 주형의 상기 표면에 나노 복합재가 도포되는 단계; (c) 도포된 상기 나노 복합재가 지지층에 인쇄되는 단계; 및 (d) 인쇄된 상기 나노 복합재가 나노 구조체로 형성되는 단계를 포함하며, 상기 나노 복합재는 규소(Si) 입자를 포함하는, 메타 표면 제작 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 제1 층 및 제2 층이 적층되는 단계; (a2) 상기 제1 층이 복수 개의 오목부 및 볼록부가 형성된 경질 주형의 표면에 압착되는 단계; 및 (a3) 상기 제1 층의 표면에 상기 복수 개의 오목부 및 볼록부에 대해 상보적인 상기 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성되는 단계를 포함하는, 메타 표면 제작 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 수지(resin)에 복수 개의 나노 입자가 주입되어 상기 나노 복합재가 생성되는 단계; (b2) 주입된 복수 개의 상기 나노 입자가 산개되게 분포되는 단계; 및 (b3) 상기 나노 복합재가 상기 연질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부에 도포되는 단계를 포함하는, 메타 표면 제작 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 도포된 상기 나노 복합재가 지지층에 결합되는 단계; 및 (c2) 결합된 상기 나노 복합재가 가압 및 가열되는 단계를 포함하는, 메타 표면 제작 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 결합된 상기 나노 복합재가 경화되어, 상기 지지층에 결합되는 나노 베이스 및 상기 나노 베이스와 결합되며, 상기 연질 주형을 향해 돌출되는 복수 개의 나노 컬럼이 형성되는 단계; 및 (d2) 상기 지지층에 결합된 상기 나노 복합재와 상기 연질 주형이 분리되는 단계를 포함하는, 메타 표면 제작 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 달성될 수 있다.
먼저, 나노 구조체는 수지 및 수지의 내부에 혼합되는 복수 개의 나노 입자를 포함한다. 나노 입자는 그 자체로 높은 굴절률을 갖는 규소(Si)로 형성된다. 특히, 규소(Si)로 형성된 나노 입자는 가시광 영역(파장 532 nm)에서의 굴절률이 2.38 이상으로 나노 구조체 및 이를 포함하는 나노 구조체 전체의 굴절률이 증가될 수 있다.
따라서, 나노 입자를 포함하는 메타 표면의 굴절률이 소정의 기준치 이상으로 확보될 수 있다.
또한, 나노 구조체의 소재의 특성에 의해 높은 굴절률이 확보될 수 있어, 높은 굴절률을 확보하기 위한 나노 구조체의 과다한 구조 변경이 요구되지 않는다. 예를 들어, 나노 구조체를 구성하는 나노 컬럼의 종횡비가 낮더라도 빛을 굴절시키기에 충분한 굴절률이 확보될 수 있다.
더불어, 나노 구조체는 서로 다른 기계적 강성 및 점성을 갖는 적어도 두 개의 소재로 구성되는 연질 주형을 통해 제작된다. 연질 주형은 상대적으로 높은 기계적 강성 및 낮은 점성을 갖는 제1 층 및 제1 층을 지지하는 제2 층을 포함한다.
나노 구조체를 형성하기 위한 나노 복합재는 제1 층을 덮도록 제1 층에 도포된다. 따라서, 나노 복합재가 열 또는 압력 등에 의해 경화된 후 형성되는 나노 구조체와 연질 주형이 용이하게 분리될 수 있다.
또한, 나노 구조체의 형상을 복제받기 위해 연질 주형이 경질 주형과 결합되어 열 또는 압력을 인가받더라도, 연질 주형의 형상 변형이 최소화될 수 있다.
결과적으로, 나노 구조체의 구조를 간명하게 형성하더라도 높은 굴절률이 확보될 수 있어 제작 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다. 더 나아가, 연질 주형은 복수 회 사용될 수 있어 나노 구조체를 제작할 때마다 새로 제작할 필요가 없으므로, 역시 제작 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다.
또한, 나노 입자로 규소(Si) 소재가 적용됨에 따라, 제작된 나노 구조체 및 이를 이용하여 제작된 메타 표면은 가시광 영역 뿐만 아니라 적외선 영역(파장 940 nm)에서도 높은 굴절률이 확보될 수 있다.
따라서, 가시광을 이용하는 일반 영상 장치 뿐만 아니라 적외선을 활용하는 영상 장치에도 메타 표면이 적용될 수 있다.
또한, 나노 입자로 규소(Si) 소재가 적용됨에 따라, 나노 복합재의 경화는 가열에 의해 진행된다. 따라서, UV를 이용하여 경화를 진행하는 경우에 비해 나노 복합재의 경화가 고르고 균일하게 진행될 수 있다.
결과적으로, 제작된 메타 표면에 입사된 빛의 산란 정도가 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치의 구성을 도시는 블록도이다.
도 2는 도 1의 메타 표면 제작 장치를 이용한 메타 표면 제작 방법의 흐름을 도시하는 개념도이다.
도 3은 경질 주형의 표면(a), 연질 주형의 표면(b) 및 제작된 나노 구조체의 표면(c)을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 5는 도 4의 메타 표면 제작 방법 중 S100 단계를 도시하는 순서도이다.
도 6은 도 4의 메타 표면 제작 방법 중 S200 단계를 도시하는 순서도이다.
도 7은 도 4의 메타 표면 제작 방법 중 S300 단계를 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 4의 메타 표면 제작 방법 중 S400 단계를 도시하는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 복합재를 도시하는 확대도이다.
도 10은 도 9의 나노 복합재에 조사된 빛의 편광 변화(a) 및 굴절률(n) 및 흡광 계수(k)(b)를 도시하는 그래프이다.
도 11은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis) 및 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방식을 이용하여 측정된 투과율 및 나노 컬럼의 위상을 도시하는 그래프이다.
도 12는 나노 컬럼의 직경에 따른 자기장의 강도를 도시하는 그래프이다.
도 13은 단일의 나노 컬럼당 빛의 위상 변화를 도시하는 빔-스티어링(Beam-steering) 시뮬레이션의 결과를 도시하는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면을 갖는 메타 렌즈에 요구되는 공간의 위상 변화를 도시하는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면을 갖는 메타 렌즈를 통과된 광학장(optical field)의 강도를 도시하는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 방법에 의해 제작된 메타 표면을 포함하는 메타 렌즈를 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면을 포함하는 메타 렌즈에 의해 생성된 이미지를 도시하는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면을 포함하는 메타 렌즈에 의해 생성된 이미지의 초점 중앙의 단면의 강도(a) 및 회절-제한(diffraction-limited) 메타 렌즈와 변조 전달 함수(MTF, Modulation Transfer Function)와의 비교 결과를 도시하는 그래프이다.
도 19는 서로 다른 조리개 직경을 이용하여 획득된 이미지를 도시하는 도면이다.
도 20은 도 19의 예 중, 최적화된 조리개 직경을 이용하여 획득된 이미지를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 나노 복합재를 이용한 메타 표면 제작 장치(10), 제작 방법 및 메타 표면을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.
1. 용어의 정의
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 설명에서 사용되는 "상측", "하측", "전방 측", "후방 측", "좌측" 및 "우측"이라는 용어는 도 ~~에 도시된 좌표계를 참조하여 이해될 것이다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10)의 구성의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10)는 종래 기술에 따른 메타 렌즈의 한계를 극복하기 위해, 나노 복합재를 활용한다. 나노 복합재는 열 또는 압력을 이용하여 인쇄 가능한 수지에 나노 입자를 분산시켜 합성된다. 이때, 상기 수지는 열 또는 자외선에 의해 경화될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10)는 메타 표면을 높은 효율의 공정으로 제작할 수 있다. 또한, 제작된 메타 표면은 높은 굴절률을 갖게 되어, 시장성 및 제품에의 적용성이 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10)는 경질 주형(100), 연질 주형(200), 나노 복합재(300) 및 지지층(400)을 포함한다.
또한, 이해의 편의를 위해 도시된 실시 예에서, 메타 표면 제작 장치(10)에는 나노 구조체(500)가 포함되는 것으로 도시되었다. 다만, 나노 구조체(500)는 경질 주형(100), 연질 주형(200), 나노 복합재(300) 및 지지층(400)에 의해 제작되는 것으로, 메타 표면 제작 장치(10)가 사용된 결과물임이 이해될 것이다.
경질 주형(100)은 나노 구조체(500)에 인쇄 작업을 수행하기 위한 연질 주형(200)을 제조하기 위해 활용된다. 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 압착 등의 형태로 결합 및 탈거되어, 경질 주형(100)에 인쇄된 무늬가 연질 주형(200)에 복제될 수 있다.
경질 주형(100)은 연질 주형(200)과 결합 및 탈거되어, 경질 주형(100)의 표면에 존재하는 입체 형상이 연질 주형(200)에 복제될 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
명칭에서 알 수 있듯이, 경질 주형(100)은 연질 주형(200)에 비해 경질의 소재로 형성된다. 따라서, 연질 주형(200)이 경질 주형(100)에 결합된 후 열 또는 압력 등이 인가되더라도, 경질 주형(100)의 형상은 변화되지 않게 된다.
경질 주형(100)은 판 형으로 구비될 수 있다. 판 형의 경질 주형(100)에는 연질 주형(200)이 적층될 수 있다. 상기 실시 예에서, 경질 주형(100)과 연질 주형(200)은 서로 상응하는 형상으로 형성될 수 있다.
경질 주형(100)은 연질 주형(200)을 향하는 일 표면에 형성된 볼록부(110) 및 오목부(120)를 포함한다. 볼록부(110) 및 오목부(120)가 형성하는 패턴 또는 무늬는 연질 주형(200)의 일 표면에 복제될 수 있다.
볼록부(110)는 경질 주형(100)의 표면에서 연질 주형(200)을 향해 상대적으로 돌출된 부분이다. 오목부(120)는 경질 주형(100)의 표면에서 연질 주형(200)에 반대되게 상대적으로 함몰된 부분이다. 즉, 볼록부(110)와 오목부(120)는 연질 주형(200)을 향하는 방향에 대해 서로 상대적인 관계임이 이해될 것이다.
볼록부(110) 및 오목부(120)는 복수 개 형성될 수 있다.
복수 개의 볼록부(110)는 경질 주형(100)의 표면에 소정의 규칙을 갖게 배치될 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 복수 개의 볼록부(110)는 상하 방향 및 좌우 방향으로 서로 소정 거리만큼 이격되어 나란하게 배치된다.
복수 개의 볼록부(110)는 서로 다른 형상을 갖게 형성될 수 있다. 도 3의 (a)에 도시된 실시 예에서, 좌측에 위치되는 볼록부(110)의 단면의 직경은 우측에 위치되는 볼록부(110)의 단면의 직경보다 작게 형성된다.
복수 개의 볼록부(110) 사이에는 오목부(120)가 형성된다. 복수 개의 오목부(120)는 경질 주형(100)의 표면에 소정의 규칙을 갖게 배치될 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 복수 개의 오목부(120)는 복수 개의 볼록부(110) 사이에 상하 방향 및 좌우 방향으로 각각 형성된다.
즉, 경질 주형(100)의 표면에는 좌우 방향 또는 상하 방향을 따라, 볼록부(110) 및 오목부(120)가 서로 교번적으로 배치된다. 볼록부(110) 및 오목부(120)의 상기 배치는 경질 주형(100)의 표면에 소정의 패턴 또는 무늬를 형성한다.
따라서, 경질 주형(100)의 표면에 접촉되는 연질 주형(200)의 표면에는 볼록부(110) 및 오목부(120)가 형성하는 상기 소정의 패턴 또는 무늬가 복제될 수 있다.
연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 접촉되어 경질 주형(100)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬, 즉 볼록부(110)와 오목부(120)가 형성하는 패턴 또는 무늬를 복제받는다. 상기 패턴 또는 무늬는 연질 주형(200)의 표면에 복제되어, 나노 복합재(300)를 나노 구조체(500)로 형성하기 위해 활용될 수 있다.
즉, 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 형성된 패턴 또는 무늬를 복제받고, 이를 나노 복합재(300)에 전달한다.
연질 주형(200)은 경질 주형(100)과 결합 및 탈거되어, 경질 주형(100)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬를 복제받을 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
또한, 연질 주형(200)은 나노 복합재(300)가 분리 가능하게 도포되어, 전달받은 패턴 또는 무늬가 나노 복합재(300)로 복제될 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
명칭에서 알 수 있듯이, 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 비해 연질의 소재로 형성된다. 따라서, 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 결합된 후, 열 또는 압력이 인가되면, 경질 주형(100)의 패턴 또는 무늬가 연질 주형(200)으로 복제될 수 있다.
연질 주형(200)은 판 형으로 구비될 수 있다. 판 형의 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 적층될 수 있다. 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에 상응하는 형상으로 형성될 수 있음은 상술한 바와 같다.
연질 주형(200)은 복수 개의 층(layer)으로 형성될 수 있다. 복수 개의 상기 층은 서로 다른 소재로 형성될 수 있다. 복수 개의 층 중 경질 주형(100)과 직접 접촉되는 어느 하나의 층은 다른 층에 비해 상대적으로 점성은 낮고, 기계적 강성은 높은 소재로 형성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 연질 주형(200)의 상기 어느 하나의 층은 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 소재로 형성되고, 상기 다른 층은 PDMS(polydimethylsiloxane) 소재로 형성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 연질 주형(200)은 제1 층(210) 및 제2 층(220)을 포함한다.
제1 층(210)은 연질 주형(200)을 형성하는 복수 개의 층 중 어느 하나의 층으로 정의될 수 있다. 제1 층(210)은 연질 주형(200)이 경질 주형(100)과 결합되는 층이다. 즉, 제1 층(210)은 연질 주형(200)을 형성하는 복수 개의 층 중에서, 경질 주형(100)에 가장 인접한 층으로 정의될 수 있다.
제1 층(210)은 경질 주형(100)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬를 복제받는다. 경질 주형(100)의 볼록부(110) 및 오목부(120)에 의해 형성된 패턴 또는 무늬는 제1 층(210)의 표면으로 복제될 수 있다.
제1 층(210)에는 나노 복합재(300)가 도포된다. 후술될 바와 같이, 경질 주형(100)에서 복제된 패턴 또는 무늬가 형성된 제1 층(210)의 표면에, 나노 복합재(300)가 도포된다. 이에 따라, 경질 주형(100)에 형성된 패턴 또는 무늬는 나노 복합재(300)에 의해 형성되는 나노 구조체(500)로 복제될 수 있다.
제1 층(210)은 경질 주형(100)의 표면에서 복제받은 패턴 또는 무늬가 유지될 있도록 충분한 기계적 강성을 갖는 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 층(210)은 경질 주형(100) 및 나노 복합재(300)와 용이하게 분리될 수 있도록 낮은 점성을 갖는 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 일 실시 예에서, 제1 층(210)은 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 소재로 형성될 수 있다.
경질 주형(100)의 표면과 접촉되어 패턴 또는 무늬를 복제받은 제1 층(210)의 표면에는 패턴 또는 무늬를 형성하는 입체 형상이 구비된다. 도시된 실시 예에서, 제1 층(210)은 양각부(211) 및 음각부(212)를 포함한다. 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성하는 패턴 또는 무늬는 나노 복합재(300)에 복제될 수 있다.
양각부(211)는 제1 층(210)의 표면에서 경질 주형(100)을 향해 상대적으로 돌출된 부분이다. 달리 표현하면, 양각부(211)는 제1 층(210)의 표면에서 그에 도포된 나노 복합재(300)를 향해 상대적으로 돌출된 부분이다. 양각부(211)는 경질 주형(100)의 오목부(120)에 의해 형성된 패턴 또는 무늬가 복제되어 형성된다.
음각부(212)는 제1 층(210)의 표면에서 경질 주형(100)에 반대되게 상대적으로 함몰된 부분이다. 달리 표현하면, 음각부(212)는 제1 층(210)의 표면에서 그에 도포된 나노 복합재(300)에 반대되게 상대적으로 함몰된 부분이다. 음각부(212)는 경질 주형(100)의 볼록부(110)에 의해 형성된 패턴 또는 무늬가 복제되어 형성된다.
양각부(211) 및 음각부(212)는 복수 개 형성될 수 있다.
복수 개의 양각부(211)는 복수 개의 음각부(212) 사이에 형성된다. 복수 개의 양각부(211)는 제1 층(210)의 표면에 소정의 규칙을 갖게 배치될 수 있다. 도 3의 (b)를 참조하면, 복수 개의 양각부(211)는 복수 개의 음각부(212) 사이에 상하 방향 및 좌우 방향으로 각각 형성된다.
복수 개의 음각부(212)는 제1 층(210)의 표면에 소정의 규칙을 갖게 배치될 수 있다. 도 3의 (b)를 참조하면, 복수 개의 음각부(212)는 상하 방향 및 좌우 방향으로 서로 소정 거리만큼 이격되어 나란하게 배치된다.
복수 개의 음각부(212)는 서로 다른 형상을 갖게 형성될 수 있다. 도 3의 (b)에 도시된 실시 예에서, 좌측에 위치되는 음각부(212)의 단면의 직경은 우측에 위치되는 음각부(212)의 단면의 직경보다 작게 형성된다.
즉, 제1 층(210)의 표면에는 좌우 방향 또는 상하 방향을 따라, 양각부(211) 및 음각부(212)가 서로 교번적으로 배치된다. 양각부(211) 및 음각부(212)의 상기 배치는 제1 층(210)의 표면에 소정의 패턴 또는 무늬를 형성한다.
이때, 제1 층(210)의 표면에 형성되는 소정의 패턴 또는 무늬는 경질 주형(100)의 표면에 형성되는 패턴 또는 무늬가 상하 방향으로 반전된 것임이 이해될 것이다.
제1 층(210)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬는 나노 복합재(300)에 복제되어, 나노 구조체(500)의 형상으로 구현된다.
제1 층(210)은 제2 층(220)과 적층된다. 제1 층(210)은 제2 층(220)에 의해 지지된다.
제2 층(220)은 연질 주형(200)을 형성하는 복수 개의 층 중 다른 하나의 층으로 정의될 수 있다. 제2 층(220)은 제1 층(210)을 지지한다. 즉, 제2 층(220)은 연질 주형(200)을 형성하는 복수 개의 층 중에서, 제1 층(210)에 비해 경질 주형(100)과 이격된 층으로 정의될 수 있다. 따라서, 제2 층(220)은 경질 주형(100)과 직접 접촉되지 않는다.
제2 층(220)은 경질 주형(100) 또는 나노 복합재(300)와 결합된 후 인가되는 열 또는 압력에 의한 형상 변화가 방지되기 위해, 충분한 기계적 강성을 갖는 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 층(220)은 제1 층(210)과 결합된 상태로 유지되어, 제1 층(210)을 안정적으로 지지할 수 있게 충분한 점성을 갖는 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 제2 층(220)은 제1 층(210)에 비해 기계적 강성은 낮고, 점성은 높은 소재로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 제2 층(220)은 PDMS(polydimethylsiloxane) 소재로 형성될 수 있다.
나노 복합재(300)는 연질 주형(200)에 복제된 패턴 또는 무늬를 복제받는 매개체로 기능된다. 나노 복합재(300)는 복제받은 패턴 또는 무늬에 상응하는 입체 형상을 갖게 형성된 후 경화되어 메타 표면을 형성하기 위한 나노 구조체(500)로 형성된다.
나노 복합재(300)는 연질의 상태로 구비될 수 있다. 즉, 나노 복합재(300)는 외부의 압력 또는 열 등에 의해 형상 변형될 수 있다.
따라서, 나노 복합재(300)는 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성된 제1 층(210)의 표면에 고르게 도포될 수 있다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 나노 복합재(300)는 제1 층(210)의 표면을 덮게 도포될 수 있다.
또한, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 나노 복합재(300)는 지지층(400)에 안착되어, 제1 층(210)의 표면에 고르게, 특히 음각부(212)에 유입될 수 있다.
이에 따라, 경질 주형(100)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬가 나노 복합재(300)로 복제될 수 있다. 이후, 외부에서 열 또는 압력이 인가되면, 나노 복합재(300)는 형상 변형된 상태(즉, 상기 패턴 또는 무늬가 복제된 상태)로 경화되어 나노 구조체(500)로 형성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 나노 복합재(300)는 수지(resin)(310) 및 나노 입자(320)를 포함한다.
수지(310)는 나노 입자(320)를 수용하는 용매(solvent)로 기능된다. 수지(310)는 연질의 소재로 형성되어, 제1 층(210)의 표면에 고르게 도포되고, 외부의 압력 또는 열 등에 의해 형상 변형될 수 있다.
수지(310)는 열 또는 UV 등에 의해 경화될 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 다만, 후술될 나노 입자(320)가 불투명한 소재로 구비되는 실시 예에서, 조사된 UV는 나노 입자(320)에 의해 산란되어 수지(310)가 충분히 경화되기 어렵다.
따라서, 상기 실시 예에서, 수지(310)는 열 경화성 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 일 실시 예에서, 수지(310)는 실리콘(Silicon) 소재로 형성될 수 있다.
나노 입자(320)는 수지(310)에 혼합되어, 수지(310)의 내부에 산개되어 분포된다. 나노 입자(320)는 조사된 빛을 굴절시켜, 제작된 메타 표면이 메타 렌즈로 기능될 수 있게 한다.
나노 입자(320)는 빛에 대한 굴절률이 높고, 굴절된 빛의 손실율이 낮은 임의의 소재로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 나노 입자(320)는 이산화티타늄(TiO2), 질화갈륨(GaN) 또는 규소(Si)로 형성될 수 있다.
다만, 나노 입자(320)가 이산화티타늄(TiO2) 또는 질화갈륨(GaN)으로 형성될 경우, 상기 소재들은 굴절률이 크게 높지 않다(가시광 영역(파장 532 nm)에서 1.9 내외). 따라서, 충분한 굴절률을 확보하기 위해서는 형성된 나노 구조체(500)의 종횡비가 높아야 한다.
이는, 나노 구조체(500)의 제작 공정의 번잡화, 제작 시간의 증가 및 단가의 상승을 유발할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 입자(320)는 규소(Si)로 형성되어, 그 자체로 높은 굴절률(가시광 영역(파장 532 nm)에서 2.38 이상)을 가질 수 있다.
이에 따라, 나노 구조체(500)의 종횡비가 증가되지 않더라도 충분한 굴절률이 확보될 수 있어, 나노 구조체(500)가 용이하면서도 저렴하게 제작될 수 있다.
더욱이, 나노 입자(320)가 규소(Si)로 형성될 경우, 가시광 영역 뿐만 아니라 적외선 영역(파장 940 nm)에서도 높은 굴절률이 확보될 수 있다. 따라서, 규소(Si) 소재의 나노 입자로 제작된 메타 렌즈의 굴절률의 활용도가 증가될 수 있다.
명칭에서 알 수 있듯이, 나노 입자(320)는 나노(nanometer) 단위의 직경을 갖는 입자로 구비될 수 있다.
나노 입자(320)는 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 나노 입자(320)는 수지(310)의 내부에 산개되어 분포될 수 있다. 따라서, 나노 복합재(300)에 의해 형성된 나노 구조체(500)는 다양한 각도에서 입사되는 빛을 굴절시킬 수 있게 되어, 메타 렌즈의 구성으로 활용될 수 있다.
제1 층(210)의 표면에 도포된 나노 복합재(300)는 지지층(400)에 안착되어 가열 또는 가압된다.
지지층(400)은 나노 복합재(300)가 제1 층(210)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬를 복제받고, 경화될 때까지 복제받은 패턴 또는 무늬로 유지되도록 나노 복합재(300)를 지지한다.
도 2의 (c) 및 (d)에 도시된 실시 예에서, 지지층(400)은 나노 복합재(300)를 하측에서 지지한다. 달리 표현하면, 지지층(400)은 나노 복합재(300)를 사이에 두고 연질 주형(200)을 마주하게 위치된다.
도 2의 (e)에 도시된 실시 예에서, 지지층(400)은 경화된 나노 구조체(500)를 하측에서 지지한다. 즉, 지지층(400)은 제작된 메타 표면의 일부(도시된 실시 예에서 하측)를 구성한다.
지지층(400)은 판 형으로 구비될 수 있다. 판 형의 지지층(400)에는 도포된 나노 복합재(300) 및 연질 주형(200)이 안착될 수 있다. 상기 실시 예에서, 지지층(400)은 연질 주형(200)과 상응하는 형상으로 형성될 수 있다.
지지층(400)은 내열성 및 내압성 소재로 형성될 수 있다. 후술될 바와 같이, 안착된 나노 복합재(300)를 경화시키기 위해 인가되는 외부의 압력 또는 열에 의해 형상 변형됨을 방지하기 위함이다.
나노 구조체(500)는 지지층(400)에 안착된 나노 복합재(300)가 열 또는 압력에 의해 경화되어 형성된다. 나노 구조체(500)는 나노 복합재(300)와 동일한 소재를 포함하되, 경질이라는 점에서 나노 복합재(300)와 차이가 있다.
나노 구조체(500)는 경질 주형(100)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 나노 구조체(500)는 연질 주형(200)의 제1 층(210)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬에 대해 상하 방향으로 반전된 형상으로 형성될 수 있다.
나노 구조체(500)는 지지층(400)의 표면에 안착될 수 있다. 또한, 나노 구조체(500)는 지지층(400)의 표면에 결합될 수 있다. 따라서, 나노 구조체(500)는 지지층(400)과 임의 분리되지 않게 된다.
도시된 실시 예에서, 나노 구조체(500)는 나노 베이스(510), 나노 컬럼(520) 및 나노 입자(530)를 포함한다.
나노 베이스(510)는 나노 구조체(500)의 저부(bottom)를 형성한다. 나노 베이스(510)는 나노 구조체(500)가 지지층(400)과 결합되는 부분이다.
나노 베이스(510)의 형상은 제1 층(210)에 형성된 양각부(211)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 나노 베이스(510)의 상측 면은 편평한 면으로 형성된다.
나노 베이스(510)는 지지층(400)의 형상에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 나노 베이스(510)는 지지층(400)을 덮게 형성되는 판 형으로 구비된다.
나노 베이스(510)의 표면에서 나노 컬럼(520)이 연장 형성된다.
나노 컬럼(520)은 조사된 빛이 통과되는 매질로 기능된다.
나노 컬럼(520)의 형상은 제1 층(210)에 형성된 음각부(212)의 형상에 따라 결정될 수 있다.
나노 컬럼(520)은 나노 베이스(510)에 반대되는 방향, 도 2의 (e)에 도시된 실시 예에서 상측으로 연장 형성된다. 나노 컬럼(520)의 연장 길이는 음각부(212)의 함몰 길이와 같을 수 있다.
나노 컬럼(520)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 나노 컬럼(520)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 나노 컬럼(520)은 소정의 규칙에 따라 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 나노 컬럼(520)은 그 단면의 직경이 서로 다르게 형성될 수 있다.
즉, 도 3의 (c)에 도시된 실시 예에서, 복수 개의 나노 컬럼(520)은 상하 방향 및 좌우 방향을 따라 서로 이격되도록, 즉 격자형으로 배치된다. 또한, 좌측에 배치되는 나노 컬럼(520)의 단면의 직경은 우측에 배치되는 나노 컬럼(520)의 단면의 직경보다 크게 형성된다.
나노 컬럼(520)의 형상 및 배치 방식은 제1 층(210)의 표면의 형상, 더 나아가 경질 주형(100)의 표면의 형상에 따라 변경될 수 있음이 이해될 것이다.
나노 입자(530)는 나노 구조체(500)의 내부로 조사된 빛을 굴절시킨다.
나노 입자(530)는 상술한 나노 복합재(300)에 구비되는 나노 입자(320)와 그 소재 및 형상 등이 동일하다.
즉 부언하면, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 입자(530)는 빛에 대해 높은 굴절률(약 2.38)을 갖는 규소(Si) 소재로 형성된다. 따라서, 나노 컬럼(520)의 연장 길이가 과다하게 증가되지 않더라도, 나노 입자(530)에 의해 빛이 충분히 굴절될 수 있다.
따라서, 나노 구조체(500) 및 이를 포함하는 메타 표면을 제작하기 위한 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다. 더 나아가, 제작된 메타 표면을 구성 요소로 하는 메타 렌즈의 제작을 위한 공정의 효율성 및 경제성 또한 향상될 수 있다.
3. 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 방법의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 방법은 상술한 메타 표면 제작 장치(10)의 각 구성 요소를 통해, 나노 복합재(300)를 이용하여 나노 구조체(500)를 제작할 수 있다. 이때, 나노 구조체(500)는 신속하면서도 저렴한 공정을 통해 제작될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 도시된 실시 예에 따른 메타 표면 제작 방법을 상세하게 설명한다.
도시된 실시 예에서, 메타 표면 제작 방법은 연질 주형(200)의 표면에 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성되는 단계(S100), 연질 주형(200)의 표면에 나노 복합재(300)가 도포되는 단계(S200), 도포된 나노 복합재(300)가 지지층(400)에 인쇄되는 단계(S300) 및 인쇄된 나노 복합재(300)가 나노 구조체(500)로 형성되는 단계(S400)를 포함한다.
(1) 연질 주형(200)의 표면에 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성되는 단계(S100)의 설명
연질 주형(200)의 제1 층(210)의 표면에 나노 구조체(500)의 형상에 대한 패턴 또는 무늬가 형성되는 단계(S100)이다. 이하, 도 5를 참조하여 본 단계(S100)를 상세하게 설명한다.
먼저, 연질 주형(200)이 형성된다. 이를 위해, 제1 층(210) 및 제2 층(220)이 순차적으로 적층된다(S110).
경질 주형(100) 및 나노 복합재(300)와 직접 접촉되는 제1 층(210)은 상대적으로 기계적 강성이 높고 점성이 낮은 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 소재로 형성될 수 있다.
경질 주형(100) 및 나노 복합재(300)와 직접 접촉되지 않고, 제1 층(210)을 지지하는 제2 층(220)은 상대적으로 기계적 강성이 낮고 점성이 높은 PDMS(polydimethylsiloxane) 소재로 형성될 수 있다.
다음으로, 제1 층(210)이 복수 개의 볼록부(110) 및 오목부(120)가 형성된 경질 주형(100)의 표면에 압착된다(S120). 즉, 연질 주형(200)이 경질 주형(100)의 표면에 안착된다.
이에 따라, 제1 층(210)의 표면에는 경질 주형(100)의 표면에 형성된 복수 개의 볼록부(110) 및 오목부(120)에 대해 상보적인 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성된다(S130).
즉, 제1 층(210)의 표면에 형성되는 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)는 경질 주형(100)의 표면에 형성된 복수 개의 볼록부(110) 및 오목부(120)와 반대되게 형성된다.
제1 층(210)의 표면에 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)가 형성되면, 연질 주형(200)은 경질 주형(100)에서 탈거된다.
(2) 연질 주형(200)의 표면에 나노 복합재(300)가 도포되는 단계(S200)의 설명
복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)에 의해 패턴 또는 무늬가 형성된 연질 주형(200)의 표면에 나노 복합재(300)가 도포되는 단계(S200)이다. 이하, 도 6을 참조하여 본 단계(S200)를 상세하게 설명한다.
먼저, 나노 복합재(300)가 형성된다(S210). 구체적으로, 연질의 수지(310)에 복수 개의 나노 입자(320)가 주입되어 나노 복합재(300)가 형성된다. 이때, 수지(310)는 실리콘(Silicon) 소재로, 나노 입자(320)는 규소(Si) 소재로 구비될 수 있음은 상술한 바와 같다.
수지(310)에 주입된 복수 개의 나노 입자(320)는 산개되어 분포된다(S220). 따라서, 복수 개의 나노 입자(320)는 수지(310) 내부 전체에 걸쳐 고르게 분포될 수 있다. 이에 따라, 완성된 나노 구조체(500)에 다양한 각도로 입사되는 빛이 효과적으로 굴절될 수 있다.
제작된 나노 복합재(300)는 연질 주형(200)의 제1 층(210)의 표면에 도포된다(S230). 즉, 나노 복합재(300)는 제1 층(210)의 표면에 형성된 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)에 도포된다. 이때, 나노 복합재(300)는 복수 개의 양각부(211) 및 음각부(212)에 고르게, 그리고 치밀하게 도포될 수 있다.
따라서, 본 단계(S200)가 완료되면, 나노 복합재(300)는 연질 주형(200)의 제1 층(210)을 덮고 있는 상태가 됨이 이해될 것이다.
(3) 도포된 나노 복합재(300)가 지지층(400)에 인쇄되는 단계(S300)의 설명
연질 주형(200)의 표면에 도포된 나노 복합재(300)에, 연질 주형(200)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬가 복제(즉, 인쇄)되는 단계(S300)이다. 이하, 도 7을 참조하여 본 단계를 상세하게 설명한다.
도포된 나노 복합재(300)는 지지층(400)에 결합된다(S310). 구체적으로, 그 표면에 나노 복합재(300)가 도포된 제1 층(210)을 포함하는 연질 주형(200)이 지지층(400)에 안착된다. 따라서, 지지층(400)의 표면과 제1 층(210)의 표면은 도포된 나노 복합재(300)를 사이에 두고 마주하게 된다.
다음으로, 나노 복합재(300)가 가열 또는 가압된다(S320). 이때, 나노 복합재(300)는 제1 층(210)에 결합된 상태로 유지되므로, 제1 층(210)에 형성된 패턴 또는 무늬에 상응하는 형상을 유지한 채로 경화된다.
이에 따라, 본 단계(S300)가 완료되면, 나노 복합재(300)는 경질 주형(100)의 표면 및 연질 주형(200)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬에 상응하는 형상으로 인쇄될 수 있다.
(4) 인쇄된 나노 복합재(300)가 나노 구조체(500)로 형성되는 단계(S400)
연질 주형(200)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬가 인쇄된 나노 복합재(300)가 경화되어, 나노 구조체(500)가 형성되는 단계(S400)이다. 이하, 도 8을 참조하여 본 단계를 상세하게 설명한다.
먼저, 나노 복합재(300)가 경화된다(S410). 나노 복합재(300)는 가압 또는 가열되어 경화될 수 있다. 상술한 바와 같이, 나노 복합재(300)에는 연질 주형(200)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬에 상응하는 형상이 안쇄된 상태이다.
따라서, 경화된 나노 복합재(300)는 지지층(400)에 결합되는 나노 베이스(510) 및 나노 베이스(510)와 결합되며, 연질 주형(200)을 향해 돌출되는 복수 개의 나노 컬럼(520)이 형성된다.
이때, 복수 개의 나노 컬럼(520)의 구조, 개수 및 배치 방식은 연질 주형(200)의 표면에 형성된 패턴 또는 무늬에 따라 결정될 수 있다.
다음, 나노 복합재(300)(즉, 나노 구조체(500)가 된)와 결합된 연질 주형(200)이 분리된다(S420). 이에 따라, 나노 구조체(500)는 그 하측이 지지층(400)에 의해 지지되고, 나노 컬럼(520)이 지지층(400)에 반대되는 방향으로 연장된 형상이 된다.
이에, 본 단계(S400)가 완료되면, 지지층(400)에 결합된 나노 구조체(500)에 의해 메타 표면이 제작될 수 있다.
4. 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10) 또는 메타 표면 제작 방법에 의해 제작된 메타 표면의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10) 및 메타 표면 제작 방법에 따르면, 제작되는 나노 구조체(500)의 나노 컬럼(520)의 길이가 과다하게 증가되지 않더라도 높은 굴절률이 확보될 수 있다.
이에 따라, 메타 표면 및 이를 제작하기 위한 나노 구조체(500)의 제작 공정이 용이해지고, 결과적으로 제작 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10) 및 메타 표면 제작 방법에 의해 제작된 나노 구조체(500) 및 이를 이용하여 제작된 메타 표면을 상세하게 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지지층(400) 및 지지층(400)에 안착된 나노 복합재(300)가 도시된다.
상술한 바와 같이, 수지(310)의 내부에는 복수 개의 나노 입자(320)가 산개되어 분포된다. 일 실시 예에서, 복수 개의 나노 입자(320)는 고르게 분포될 수 있다.
이때, 수지(310)는 실리콘(Silicon) 소재로, 나노 입자(320)는 규소(Si) 소재로 형성될 수 있음은 상술한 바와 같다.
도 10을 참조하면, 나노 복합재(300)의 다양한 성질 중, 편광 변화, 굴절률(n) 및 흡광 계수(k)에 대한 그래프가 도시된다.
각 그래프의 가로축은 파장 길이(Wavelength) (nm)이며, 도 10의 (a)의 세로축은 진폭 성분(Ψ)(°)(좌측) 및 위상 차(phase difference)(Δ)(°)(우측)이다. 또한, 도 10의 (b)의 세로축은 굴절률(n)(좌측) 및 흡광 계수(k)(우측)이다.
도 10의 (a)에 도시된 그래프 중 좌하측에서 우상측으로 연장되는 그래프는 위상차(Δ)에 대한 그래프이며, 파형의 형태로 연장되는 그래프는 진폭 성분(Ψ)에 대한 그래프이다. 또한, 실선은 측정된 데이터를, 원은 맥스웰-가넷 모델(Maxwell-Garnett Model)을 이용하여 피팅된 결과이다.
상기 그래프에서, 나노 복합재(300)에 대한 규소(Si) 나노 입자(320)의 부피 분율은 58.6%로 측정되었으며, 측정된 데이터와 피팅된 결과 사이의 평균 제곱 오차는 23.426으로, 측정된 데이터의 결과가 신뢰할 수 있음을 알 수 있다.
도 10의 (b)에 도시된 그래프 중 상측에 위치되는 실선 및 파선은 흡광 계수(k)에 대한 그래프이며, 하측에 위치되는 실선 및 파선은 굴절률(n)에 대한 그래프이다. 또한, 실선은 규소(Si) 나노 입자(320)에 대한 데이터이고, 파선은 나노 입자(320)에 대한 데이터이며, 점선은 수지(310)에 대한 데이터이다.
상기 그래프는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 복합재(300)가 고효율 NIR(Near Infrared Spectrometry) 메타 렌즈의 지표인 굴절률(n) 2.2를 초과함을 보여준다.
도 11을 참조하면, 파장(λ)이 940 nm인 조건에서 나노 구조체(500)에 입사되는 빛의 투과율 및 나노 컬럼(520)의 위상에 대한 그래프가 도시된다.
상기 데이터는 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis) 및 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방식을 활용하여 획득되었다.
상기 그래프에서 가로축은 나노 컬럼(520)의 직경(d)이고, 좌측의 세로축은 투과율이며, 우측의 세로축은 나노 컬럼(520)의 위상(ㅀ)이다.
나노 컬럼(520)의 직경은 260 nm에서 650 nm 사이의 범위에서 변화되며, 나노 컬럼(520)의 높이는 1.2 μm, 나노 베이스(510)의 폭(p)은 900 nm이다.
그래프 중 좌하측에서 우상측으로 연장되는 그래프는 위상(°)에 대한 그래프이며, 파형의 형태로 연장되는 그래프는 투과율에 대한 그래프이다.
따라서, 상기 그래프는 나노 구조체(500)의 형상을 조정함으로써 투과율 및 위상(ㅀ)을 조절할 수 있음을 보여준다.
도 12를 참조하면, 파장(λ)이 940 nm인 조건에서 시뮬레이션된 자기장 강도(magnetic field intensity)(|H|2)가 도시된다. 검은색 파선 부분은 각 구조의 윤곽이며 가로축은 X축 위치, 세로축은 각각 Y축 위치 및 Z축 위치이다.
그래프 (i) 및 (ii)는 나노 컬럼(520)의 직경(d)이 400 nm인 조건이며, 그래프 (iii) 및 (iv)는 나노 컬럼(520)의 직경이 600 nm인 조건이다.
상기 그래프는 나노 구조체(500)의 높은 굴절률로 인해, 형성되는 전자기장이 나노 구조체(500)의 내부에 유지됨을 보여준다.
도 13을 참조하면, 파장(λ)이 940 nm인 조건에서 단위 나노 컬럼(520)당 위상 변화를 확인하기 위한 빔 스티어링 시뮬레이션(Beam-steering simulation) 결과가 도시된다. 가로축은 X축 위치, 세로축은 Z축 위치이다.
좌측에서 우측을 향하는 방향으로 나노 컬럼(520)의 직경은 262, 288, 306, 324, 352, 396, 464 및 586 nm로 변화되며, 편각(θ)인 7°는 나노 컬럼(520)에 대해 연산된 위상 변화에 대응된다.
도 14를 참조하면, 파장(λ)이 940 nm인 조건에서 초점 거리가 2 cm인 금속 렌즈에 필요한 공간의 위상에 대한 그래프가 도시된다. 가로축 r은 메탈 렌즈의 중심으로부터의 방사 방향의 거리(μm)이다.
도 15를 참조하면, 설계된 메타 렌즈를 통과된 빛의 광학장(optical field)의 강도에 대한 그래프가 도시된다. 상기 그래프에서, 가로축은 X축 위치, 세로축은 Z축 위치이다.
상기 그래프는 입사된 빛이 의도된 위치인 Z축 위치 2 mm에 집중됨을 보여준다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10) 및 메타 표면 제작 방법에 의해 제작된 메타 표면이 구비된 메타 렌즈를 도시하는 사용 상태도이다. 메타 렌즈(내부에 원으로 표시된 부분)의 직경은 4 mm이며, 메타 렌즈가 장착된 렌즈 튜브의 직경은 1인치(in)이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면은 복수 개의 층을 구비한 연질 주형(200)을 통해 제작된 나노 구조체(500)를 이용하여 제작될 수 있다.
따라서, 연질 주형(200)은 유연하고 재사용이 가능하므로, 도시된 메타 렌즈 및 이를 포함하는 렌즈 튜브의 제작 공정의 효율성 및 경제성이 향상될 수 있다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 나노 구조체(500)를 사용하여 제작된 메타 렌즈의 광학적 특성(optical characterization)이 도시된다.
도 17을 참조하면, 상기 메타 렌즈에 의해 생성된 초점의 이미지가 도시된다. 가로축은 X축 위치, 세로축은 y축 위치이다. 상기 그래프에서, 생성된 초점의 이미지는 수평 방향에서 나노 컬럼(520)의 중심으로 갈수록 강하게 형성됨을 알 수 있다.
도 18의 (a)를 참조하면, 초점 중앙의 단면 강도 프로파일이 도시된다. 가로축은 X축 위치, 세로축은 강도를 나타낸다.
파선으로 표시된 Airy 디스크의 경우, 최대값의 절반 부분의 폭은 6.3 μm이고, 메타 렌즈(ML)의 경우 최대값의 절반 부분의 폭은 8.1 μm로 Airy 디스크의 경우보다 더 길다.
도 18의 (b)를 참조하면, 메타 렌즈(ML)의 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function)와 회절 제한 MTF(Modulation Transfer Functions)의 비교 결과가 도시된다. 가로축은 주파수(cycles/mm), 세로축은 변조 전달 함수(MTF)를 나타낸다.
실선으로 도시된 메타 렌즈(ML)의 MTF의 주파수는 mm-1의 회절 제한 차단 주파수에 도달된다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 메타 표면 제작 장치(10) 및 메타 표면 제작 방법에 의해 제작된 메타 표면이 적용된 NIR 카메라에 의한 촬영 결과가 도시된다.
도 19를 참조하면, 조리개 직경(φ)에 따른 생성 이미지가 도시된다. 조리개 직경(φ)이 증가됨에 따라, 생성 이미지의 밝기가 증가됨을 알 수 있다. 또한, 생성 이미지의 명암 차(contrast)는 조리개 직경(φ)이 메타 렌즈의 영역과 같을 때 최대가 된다.
도 20을 참조하면, 조리개 직경(φ)이 메타 렌즈의 영역과 같을 때(4 mm) 명암 차가 최대가 된 예가 도시된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 메타 표면 제작 장치
100 : 경질 주형
110 : 볼록부
120 : 오목부
200 : 연질 주형
210 : 제1 층
211 : 양각부
212 : 음각부
220 : 제2 층
300 : 나노 복합재
310 : 수지(resin)
320 : 나노 입자
400 : 지지층
500 : 나노 구조체
510 : 나노 베이스
520 : 나노 컬럼
530 : 나노 입자

Claims (13)

  1. 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성된 표면을 갖는 연질 주형;
    상기 연질 주형의 상기 표면에 도포되는 나노 복합재(nanocomposite)를 포함하며,
    상기 나노 복합재는,
    열에 의해 경화되는 열경화성 소재로 형성된 수지(resin); 및
    상기 수지에 혼합된 나노 입자를 포함하며,
    상기 나노 입자는 규소(Si) 입자인,
    메타 표면 제작 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연질 주형은,
    상기 표면을 형성하며, 상기 나노 복합재가 도포되는 제1 층; 및
    상기 제1 층과 결합되며, 상기 표면에 반대되게 위치되는 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층을 형성하는 소재는,
    상기 제2 층을 형성하는 소재보다 점성이 낮고, 강성이 높은,
    메타 표면 제작 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 층은,
    h-PDMS(hard polydimethylsiloxane) 소재로 형성되고,
    상기 제2 층은,
    PDMS(polydimethylsiloxane) 소재로 형성되는,
    메타 표면 제작 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양각부 및 음각부와 상보적으로 배치되는 복수 개의 오목부 및 볼록부가 형성된 표면을 갖는 경질 주형을 포함하며,
    상기 연질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부는,
    상기 경질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부에 의해 복제되어 형성되는,
    메타 표면 제작 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연질 주형의 상기 표면과 접촉되어, 상기 연질 주형의 상기 표면에 도포된 상기 나노 복합재가 안착되는 지지층을 포함하는,
    메타 표면 제작 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 메타 표면 제작 장치에 의해 제작되며,
    상기 나노 복합재가 경화되어 형성되는 나노 구조체를 포함하는,
    메타 표면.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는,
    상기 나노 구조체의 베이스를 형성하며, 판 형으로 형성되는 나노 베이스; 및
    상기 나노 베이스에서 돌출 형성되는 나노 컬럼을 포함하는,
    메타 표면.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 나노 컬럼은 복수 개 형성되어, 복수 개의 상기 나노 컬럼은 서로 이격되어 배치되는,
    메타 표면.
  9. (a) 연질 주형의 표면에 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성되는 단계;
    (b) 상기 연질 주형의 상기 표면에 나노 복합재가 도포되는 단계;
    (c) 도포된 상기 나노 복합재가 지지층에 인쇄되는 단계; 및
    (d) 인쇄된 상기 나노 복합재가 나노 구조체로 형성되는 단계를 포함하며,
    상기 나노 복합재는,
    열에 의해 경화되는 열경화성 소재로 형성된 수지(resin); 및
    상기 수지에 혼합된 규소(Si) 입자를 포함하는,
    메타 표면 제작 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 제1 층 및 제2 층이 적층되는 단계;
    (a2) 상기 제1 층이 복수 개의 오목부 및 볼록부가 형성된 경질 주형의 표면에 압착되는 단계; 및
    (a3) 상기 제1 층의 표면에 상기 복수 개의 오목부 및 볼록부에 대해 상보적인 상기 복수 개의 양각부 및 음각부가 형성되는 단계를 포함하는,
    메타 표면 제작 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 수지(resin)에 복수 개의 나노 입자가 주입되어 상기 나노 복합재가 생성되는 단계;
    (b2) 주입된 복수 개의 상기 나노 입자가 산개되게 분포되는 단계; 및
    (b3) 상기 나노 복합재가 상기 연질 주형의 상기 표면에 형성된 상기 복수 개의 양각부 및 음각부에 도포되는 단계를 포함하는,
    메타 표면 제작 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 도포된 상기 나노 복합재가 지지층에 결합되는 단계; 및
    (c2) 결합된 상기 나노 복합재가 가압 및 가열되는 단계를 포함하는,
    메타 표면 제작 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 결합된 상기 나노 복합재가 경화되어, 상기 지지층에 결합되는 나노 베이스 및 상기 나노 베이스와 결합되며, 상기 연질 주형을 향해 돌출되는 복수 개의 나노 컬럼이 형성되는 단계; 및
    (d2) 상기 지지층에 결합된 상기 나노 복합재와 상기 연질 주형이 분리되는 단계를 포함하는,
    메타 표면 제작 방법.
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