KR20120007819A - 메타 물질 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대면적의 메타 물질을 개시한다. 메타 물질은 기판과, 상기 기판 상에 소정의 전자기 파장대에서 음의 굴절률을 갖는 크기로 패터닝된 적어도 하나의 도전성 나노 패턴들과, 상기 도전성 나노 패턴들을 덮는 유전층을 포함하고, 상기 도전성 나노 패턴들은 그래핀 또는 그래핀 산화물을 포함할 수 있다.

Description

메타 물질 및 그의 제조방법{meta material and manufacturing method at the same}
본 발명은 메타 물질 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자연 상태에서 음의 굴절률을 갖는 나노 패턴 구조를 포함한 메타 물질 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자연계에 존재하는 물질들은 스넬의 법칙으로 예측되는 방향으로 전자기파를 반사시킬 수 있다. 즉, 자연계의 물질들은 대부분 양의 굴절률을 갖는다. 반면, 메타 물질은 인공적으로 만들어진 구조물로서, 자연계에서 존재하지 않는 음의 굴절률을 가진 구조체들을 포함할 수 있다. 메타 물질은 광학 현미경의 회절 한계를 극복할 수 있기 때문에 고분해능 이미징 기술, 초미세 패턴 공정 기술 및 계측 기술에 다양하게 응용될 수 있다. 최근 이와 같은 메타 물질에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 대면적을 갖는 메타물질 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 광을 포함한 전자기파의 전파손실을 줄일 수 있는 메타물질 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 메타 물질은, 기판; 상기 기판 상에 소정의 전자기 파장대에서 음의 굴절률을 갖는 크기로 패터닝된 적어도 하나의 도전성 나노 패턴들; 및 상기 도전성 나노 패턴들을 덮는 유전층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴들은 그래핀 또는 산화 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀 또는 산화 그래핀은 금속성분보다 10배 이상의 전도도를 갖기 때문에 전자기파 전파손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴들은 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈 중 적어도 하나의 금속을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴들은 상기 기판과 평행한 방향으로 적어도 하나의 동심 고리들로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 동심 고리들은 상기 기판에 평행한 방향으로 삼각 격자 또는 사각 격자로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 동심 고리들은 25나노미터의 선폭을 가질 때, 400나노미터 내지 650나노미터 파장대에서 적어도 하나의 단일 파장의 전자기파에 대해 상기 음의 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유전층은 상기 도전성 나노 패턴들 사이에 제공되어, 상기 도전성 나노 패턴들과 상기 유전층은 상기 기판 상에 교대로 적층되고, 적어도 하나의 홀들이 상기 도전성 나노 패턴들 및 상기 유전층을 관통할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 홀들은 사각형 또는 원형 중 적어도 하나의 모양을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유전층과, 상기 도전성 나노 패턴들은 각각 17나노미터와, 40나노미터의 두께를 갖고, 상기 사각형 모양의 상기 홀들은 각각 60나노미터와, 90나노미터의 가로 세로 크기를 갖고, 300나노미터의 주기를 가질 때, 670나노미터 파장대의 전자기파에 대해 상기 음의 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전층은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유전층의 유전 상수 또는 고유 굴절률이 낮을수록 짧은 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 음의 굴절률을 갖는 적어도 하나의 도전성 나노 패턴들을 형성하는 단계; 및 상기 도전성 나노 패턴들 상에 유전층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 도전성 나노 패턴들은 동심 고리 모양이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴들은 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀, 또는 그라파이트 산화-환원방법으로 형성된 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 도전성 나노 패턴들은 공중합 소프트 패터닝 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공중합 소프트 패터닝 방법은, 상기 기판 상에 블록 공중합체를 형성하는 단계; 상기 블록 공중합체를 노출하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 블록 공중합체의 자기조립 방법으로 상기 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 기판 상에 상기 그래핀 또는 상기 산화 그래핀으로 상기 동심 고리 모양을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 블록 공중합체는 PS와 PMMA을 포함하는 PS-r-PMMA일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블록 공중합체의 자기조립 방법은 상기 블록 공중합체의 상기 PS와, 상기 PMMA를 상기 기판 상에서 상기 동심 고리 모양으로 배열하는 단계; 및 상기 블록 공중합체의 상기 PMMA를 제거하여 상기 기판을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은, 기판 상에 도전층들 및 유전층을 교대로 적층하는 단계; 및 상기 유전층과 상기 도전층들을 패터닝하여, 상기 유전층과 상기 도전층들을 관통하는 적어도 하나의 홀들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전층들은 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀, 또는 그라파이트 산화-환원방법으로 형성된 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 홀들은 집속 이온빔으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예적 구성에 따르면, 금속성분보다 전도도가 높은 그래핀을 포함한 동심 고리들을 포함하기 때문에 전자기파의 전파손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 동심 고리들 또는 홀들 간의 수평 거리에 따라 자기공명 주파수를 조절할 수 있기 때문에 대면적으로 구현될 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질을 나타내는 평면도들.
도 2는 도 1a의 I~I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들.
도 4a 및 도 4b는 사각 격자와 삼각 격자로 배열되는 차폐층을 갖는 포토 마스크를 나타내는 평면도들.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질을 나타내는 평면도들.
도 6은 도 5a의 Ⅱ~Ⅱ' 선상을 절취하여 나타낸 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질에서 유전층의 종류에 따라 굴절률 변화를 나타내는 그래프들.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질을 나타내는 평면도들이고, 도 2는 도 1a의 I~I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 1a 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질은 기판(10) 상에서 적층되는 복수의 유전층들(30)의 사이에 배치되는 적어도 하나의 동심 고리들(20)을 포함할 수 있다. 동심 고리들(20)은 그래핀(graphene)과 같은 반금속 (semi-metal) 성분과, 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈과 같은 금속 성분으로 이루어진 도전층들을 포함할 수 있다. 동심 고리들(20)은 반금속 성분만으로 구성될 수 있고, 동심 고리들(20)은 반금속 성분과 금속 성분이 개별적으로 구성될 수 있고, 혼용되어 사용될 수도 있다. 그래핀은 금속성분에 비해 약 10배 이상의 전도도가 높을 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질은 금속성분보다 전도도가 높은 그래핀을 포함한 동심 고리들(20)을 포함하기 때문에 전자기파의 전파손실을 줄일 수 있다.
동심 고리들(20)은 소정의 전자기파 파장대에 대해 음의 굴절률을 갖는 나노패턴으로서 크기, 두께 및 개수가 조절될 수 있다. 예를 들어, 동심 고리들(20)은 가시광 영역의 전자기파의 파장보다 현저히 작은 크기를 가질 때, 각각의 동심 고리들(20)에 의한 회절 및 산란을 억제하여 균일한 굴절률을 가지게 되며, 가시광선 파장 영역에서 특정의 크기, 두께 및 개수에 대하여 음의 굴절률을 가질 수 있다. 음의 굴절률을 갖는 특정의 크기, 두께 및 개수는 해석적인 방법으로는 구하기는 매우 어렵고, 수치해석적인 방법을 사용하여 얻을 수 있다. 이때, 동심 고리들(20)로 구성된 메타물질 구조는 내부에서 전파하는 전자기파의 위상속도(phase velocity)의 방향이 광에너지의 전파방향과 반대가 되는 음의 굴절률을 가질 뿐만 아니라, 실제로 공기 또는 유전체에서 동심고리들(20)로 입사하는 전자기파를 반대방향으로 굴절시켜 음굴절 현상을 나타내게 된다.
동심 고리들(20)은 기판(10)과 평행한 방향으로 간격이 조절될 수 있다. 동심 고리들(20)은 기판(10)에 평행한 방향으로 사각 격자(도 1a) 또는 삼각 격자(도 1b) 모양으로 배열될 수 있다. 동심 고리들(20)은 각기 200nm 내지 약 600nm 정도의 직경(d) 내에서 2개 이상의 고리들을 포함할 수 있다. 동심 고리들(20)은 약 500nm 내지 약 800nm 정도의 간격(a)으로 배열될 수 있다. 동심 고리들(20) 각각의 고리들은 약 10nm 내지 약 40nm 정도의 선폭(w)을 갖고, 약 4nm 내지 약 50nm 정도의 두께(t)를 가질 수 있다. 예를 들어, 동심 고리들(20)은 약 25nm의 선폭을 가질 때, 약 400nm 내지 약 650nm정도의 파장 영역 내에서 적어도 하나의 단일 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있다.
유전층들(30)은 전자기파를 투과시킬 수 있다. 유전층들(30)은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막과 같은 적어도 하나의 유전체를 포함할 수 있다.
유전층들(30)은 기판(10)에 수직한 방향으로 적층되는 동심 고리들(20)을 개별적으로 분리할 수 있다. 유전층들(30)은 기판(10)에 수직한 방향으로 모두 동일한 종류의 유전체가 배치되거나, 서로 다른 유전율의 유전체가 배치될 수 있다. 유전층들(30) 내에 배치된 동심 고리들(20)은 기판(10)에 수직한 방향으로 오버랩될 수 있다. 따라서, 유전층들(30)은 동심 고리들(20)을 수직방향으로 이격시키는 스페이서가 될 수 있다. 유전층들(30)과 동심 고리들(20)은 기판(10) 상에서 가시광 영역의 파장대와 동일한 400nm 내지 약 650nm의 높이를 가질 수 있다.
기판(10)은 쿼츠 또는 글래스 중 적어도 하나를 포함하는 평판 기판과, 또는 PMMA (polymethylmethacrylate), PC (polycarbonate), COC (cycloolefin copolymer), PET (polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 플렉서블 기판으로 이루어질 수 있다. 평판 기판 및 플렉서블 기판은 다른 재질로 이루어질 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이고, 도 4a 및 도 4b는 사각 격자와 삼각 격자로 배열되는 차폐층을 갖는 포토 마스크를 나타내는 평면도들이다.
도 3a를 참조하면, 먼저, 기판(10) 상에 블록 공중합체(40)를 형성한다. 블록 공중합체(40)는 기판(10) 상에 스핀 코팅될 수 있다. 예를 들어, 블록 공중합체(40)는 PS-r-PMMA(polystyrene-random-poly(methyl methacrylate))를 포함할 수 있다.
도 3b와 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 블록 공중합체(40) 상에 포토레지스트(50)를 도포한다. 포토레지스트(50)는 블록 공중합체(40) 상에 스핀 코팅될 수 있다. 포토레지스트(50)는 자외선에 감광될 수 있다. 포토레지스트(50)는 글래스(64)에서 차폐층(62)이 사각 격자 또는 삼각 격자 모양으로 형성된 포토 마스크(60)에 의해 선택적으로 자외선에 노광될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 포토레지스트 패턴(52)을 형성한다. 포토레지스트(50)는 자외선에 감광된 부분이 현상액에 의해 현상되는 포지티브 포토레지스트(50)와, 자외선에 감광되지 않은 부분이 현상되는 네거티브 포토레지스트(50)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3b 및 도 3c에서는 네거티브 포토레지스트(50)가 개시되고 있다. 포토레지스트 패턴(52)은 동심 고리들(20)의 평면 크기를 정의할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 포토레지스트 패턴(52) 내에서 노출되는 블록 공중합체(40)를 자기조립한다. 블록 공중합체(40)는 고열, 전기장, 또는 자기장에 의해 자기 조립되는 복수개의 서로 다른 물질들을 포함한다. 예를 들어, PS-r-PMMA의 블록 공중합체(40)는 약 150℃ 내지 약 250℃정도에서 용융될 수 있다. 또한, 전기장이 인가되면, PS(42)와 PMMA(44)가 자발적으로 분리될 수 있다. 따라서, PS-r-PMMA는 포토레지스트 패턴(52) 내에서 고열과 전기장에 의해 PS(42)와 PMMA(44)으로 분리되고, 각기 동심원 모양으로 자기조립될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 블록 공중합체(40)의 PMMA(44)를 제거한다. PMMA(44)는 유기체 선택 식각 용제에 의해 제거될 수 있다.
도 3f를 참조하면, 기판(10) 상에 제 1 도전층(21a)을 형성한다. 제 1 도전층(21a)은 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀 또는 그라파이트 산화-환원법으로 형성된 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 화학기상증착법은 약 500℃ ~ 1000℃ 정도의 흑연과, 메탄 및 수소가스의 반응가스와, 금속 (니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 플라티늄(Pt), 팔라디늄(Pd), 루테니늄(Ru))의 촉매로부터 그래핀을 생성할 수 있다. 그라파이트 산화-환원법은 그라파이트를 물속에서 초음파로 파쇄하여 산화와 환원 과정을 거쳐 그래핀 산화물을 생성할 수 있다. 또한, 제 1 도전층(21a)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착과 같은 물리기상증착 방법으로 형성된 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈과 같은 금속을 포함할 수 있다.
도 3g를 참조하면, 제 1 동심 고리들(21)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(52)과 PS(42)를 리프트 오프시켜 제 1 도전층(21a)으로 이루어진 제 1 동심 고리들(21)을 기판(10) 상에 형성할 수 있다. 포토레지스트 패턴(52)과 PS는 메탄올과 같은 휘발성이 높은 용액에 의해 제거될 수 있다. 포토레지스트 패턴(52)과 PS(42) 상의 제 1 도전층(21a)은 리프트 오프되고, 기판(10)에 접촉된 제 1 도전층(21a)은 제 1 동심 고리들(21)로 잔존될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은 포토레지스트 패턴(52)으로부터 노출되는 블록 공중합체(40)의 자기조립방법을 포함하는 공중합 소프트 패터닝 방법으로 제 1 동심 고리들(21)을 형성할 수 있다.
도 3h를 참조하면, 기판(10) 및 제 1 동심 고리들(21) 상에 제 1 유전층(31)을 형성한다. 제 1 유전층(31)은 제 1 동심 고리들(21)과 기판(10) 상에 스핀 코팅된 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 유전층(31)은 스퍼터링 및 전자빔 증착법, 원자층 증착법 등으로 형성된 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은 블록 공중합체(40)의 자기조립을 이용하여 기판(10) 상에 제 1 동심 고리들(21)을 형성할 수 있다. 또한, 제 1 동심 고리들(21) 상에 제 1 유전층(31)이 형성된 후 다시 블록 공중합체(40)의 자기조립으로 제 2 동심 고리들이 형성될 수 있다. 제 2 동심 고리들은 제 1 동심 고리들(21)과 유사한 방법으로 형성될 수 있다. 이에 대해 구체적으로 설명하고자 한다.
도 3i를 참조하면, 제 1 유전층(31) 상에 블록 공중합체(40)를 형성한다. 블록 공중합체(40)는 제 1 유전층(31) 상에 스핀 코팅될 수 있다. 상술한 바와 같이, 블록 공중합체(40)는 PS-r-PMMA를 포함할 수 있다.
도 3j와, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 블록 공중합체(40) 상에 포토레지스트(50)를 도포한다. 포토레지스트(50)는 블록 공중합체(40) 상에 스핀 코팅될 수 있다. 포토레지스트(50)는 자외선에 감광될 수 있다. 포토레지스트(50)는 글래스(64)에서 차폐층(62)이 사각 격자 또는 삼각 격자 모양으로 형성된 포토 마스크(60)에 의해 선택적으로 자외선에 노광될 수 있다.
도 3k를 참조하면, 포토레지스트 패턴(52)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(52)은 자외선에 감광되지 않은 부분이 현상되는 네거티브 포토레지스트(50)로부터 형성될 수 있다. 포토레지스트 패턴(52)은 제 1 동심 고리들(21)과 동일한 크기로 블록 공중합체(40)를 노출 시킬 수 있다.
도 3l을 참조하면, 포토레지스트 패턴(52) 내에서 노출되는 블록 공중합체(40)를 자기조립한다. 예를 들어, 블록 공중합체(40)는 전기장에 의해 PS(42)와 PMMA(44)가 포토레지스트 패턴(52) 내에서 동심원 모양으로 자기조립되는 PS-r-PMMA를 포함할 수 있다.
도 3m을 참조하면, 블록 공중합체(40)의 PMMA(44)를 제거한다. PMMA(44)는 유기체 선택 식각 용제에 의해 제거될 수 있다.
도 3n을 참조하면, 기판(10) 상에 제 2 도전층(22a)을 형성한다. 제 2 도전층(22a)은 제 1 도전층(21a)과 동일한 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀 또는 그라파이트 산화-환원법으로 형성된 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 화학기상증착법은 약 500℃ ~ 1000℃ 정도의 흑연과, 메탄 및 수소가스의 반응가스와, 금속 (니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 플라티늄(Pt), 팔라디늄(Pd), 루테니늄(Ru))의 촉매로부터 그래핀을 생성할 수 있다. 그라파이트 산화-환원법은 그라파이트를 물속에서 초음파로 파쇄하여 산화와 환원 과정을 거쳐 그래핀 산화물을 생성할 수 있다. 또한, 제 2 도전층(22a)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착과 같은 물리기상증착 방법으로 형성된 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈과 같은 금속을 더 포함할 수 있다.
도 3o를 참조하면, 포토레지스트 패턴(52)과 PS(42)를 리프트 오프시켜 제 2 도전층(22a)으로 이루어진 제 1 동심 고리들(21)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(52)과 PS(42)는 메탄올과 같은 휘발성이 높은 용액에 의해 제거될 수 있다. 포토레지스트 패턴(52)과 PS 상의 제 2 도전층(22a)은 리프트 오프되고, 기판(10)에 접촉된 제 2 도전층(22a)은 제 2 동심 고리들(22)로 잔존될 수 있다. 제 2 동심 고리들(22)은 제 1 동심 고리들(21)과 오버랩될 수 있다.
도 3p를 참조하면, 제 1 유전층(31) 및 제 2 동심 고리들(22) 상에 제 2 유전층(32)를 형성한다. 제 2 유전층(32)은 제 2 동심 고리들(22)과 제 1 유전층(31) 상에 스핀 코팅될 수 있다. 제 2 유전층(32)은 스퍼터링 및 전자빔 증착법, 원자층 증착법 등으로 형성된 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제 2 유전들(32) 상에 다른 동심 고리들(20)과 유전층들(30)을 교번하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 동심 고리들(20)과 유전층들(30)은 약 400nm 내지 약 650nm의 높이까지 교번하여 반복적으로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은 블록 공중합체(40)의 자기조립으로 기판(10)과 유전층들(30) 사이에 적어도 하나의 동심 고리들(20)을 반복적으로 형성할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질을 나타내는 평면도들이고, 도 6은 도 5a의 Ⅱ~Ⅱ' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다. 여기서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은 제 1 실시예와 동일한 부호로 설명될 수 있다. 다만, 도전층들에 대해서는 제 1 실시예에서 인용한 부호와 일부 다른 부호로 인용될 수 있다.
도 5a 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은, 기판(10) 상에 교번하여 적층되는 도전층들(70)과 유전층들(30)이 제거된 홀들(80)을 포함할 수 있다. 도전층들(70)은 각기 약 10층 이하의 그래핀 또는 그래핀 산화물과 같은 반 금속 성분을 포함할 수 있다. 그래핀은 금속 성분들보다 약 10배 이상의 전도도를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은 금속 성분보다 전도도가 높은 그래핀을 포함하기 때문에 전자기파의 전파손실을 최소화할 수 있다.
도전층들(70)은 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈과 같은 금속 성분을 포함할 수도 있다. 유전층들(30)은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막과 같은 유전체를 포함할 수 있다. 도전층들(70)과 유전층들(30)은 서로 교번하여 반복적으로 배치될 수 있다. 이 때 유전층들(30)은 광학 고분자와 같은 유전체를 포함 할 수 있다. 도전층들(70)과 유전층들(30)은 모두 약 1층부터 99층까지 배치될 수 있는 데, 도전층들(70)은 1층부터 49층까지 배치되고, 유전층들(30)은 1층부터 48층까지 배치될 수 있다.
홀들(80)은 가시광 영역의 전자기파의 파장보다 현저히 작은 크기를 가질 때 특정한 크기 및 개수에 대하여 음의 굴절률을 가질 수 있다. 음의 굴절률을 갖는 특정의 크기 및 갯수는 해석적인 방법으로는 구하기는 매우 어렵고, 수치해석적인 방법을 사용하여 얻을 수 있다. 이 때, 홀 구조 내부에서 전파하는 전자기파의 위상속도(phase velocity)의 방향이 광에너지의 전파방향과 반대가 되는 음의 굴절률을 가질 뿐만 아니라, 실제로 공기 또는 유전체에서 홀(20)구조로 입사하는 전자기파를 반대방향으로 굴절시켜 음굴절 현상을 나타내게 된다.
사각형(도 5a)의 홀들(80)은 약 150nm 내지 약 950nm 정도의 가로(w) 세로(h)의 길이를 가질 수 있다. 마찬가지로, 원형(도 5b)의 홀들(80)은 약 150nm 내지 약 950nm 정도의 직경(w, 또는 h)을 가질 수 있다. 홀들(80)은 기판(10)과 평행한 방향으로 각각 약 200nm 내지 약 1000nm 정도의 가로간격(a)과 세로 간격(b)으로 배열될 수 있다.
기판(10)은 쿼츠 또는 글래스 중 적어도 하나의 평판 기판과, 또는 PMMA (polymethylmethacrylate), PC (polycarbonate), COC (cycloolefin copolymer), PET (polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나의 플렉서블 기판을 포함할 수 있다. 평판 기판 및 플렉서블 기판은 다른 재질로 이루어질 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질에서 유전층의 종류에 따라 굴절률 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 5a 및 도 6과, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은 유전층들(30)의 유전 상수가 낮아짐에 따라 짧은 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있다. 여기서, 가로축은 전자기 파장대를 나타내고, 세로축은 메타 물질에서 굴절률을 나타낸다. 도전층들(70)과 유전층들(30)은 21층으로 교번하여 배치될 수 있다. 도전층들(70)은 11층이고, 유전층들(30)은 10층이다. 도전층들(70)은 은(Ag)을 포함하고, 유전층들(30)은 각기 마그네슘 불화막, 실리콘 산화막, 또는 알루미늄 산화막을 포함할 수 있다. 도전층들(70)과 유전층들(30)은 각각 50nm정도의 두께를 갖는다. 메타 물질에서 홀들(80)의 크기는 가로 세로가 각각 295nm과 595nm이고, 홀들(80)의 주기는 860nm이다.
마그네슘 불화막의 유전상수는 1.17 실리콘 산화막의 유전상수는 1.20이고, 알루미늄 산화막의 유전상수는 1.32이다. 유전층들(30)의 고유 굴절률은 유전상수의 제곱근에 대응될 수 있다. 마그네슘 불화막의 고유 굴절률은 1.37이고, 실리콘 산화막의 고유 굴절률은 1.45이고, 알루미늄 산화막의 고유 굴절률은 1.75이다. 메타 물질은 마그네슘 불화막, 실리콘 산화막, 또는 알루미늄 산화막이 유전층들로 이루어질 때, 각각 약 1450nm, 1550nm, 1800nm에서부터 음의 굴절률을 갖는다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은 유전층들(30)의 유전 상수 및 고유 굴절률이 줄어듦에 따라 짧은 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 홀들(80)의 주기와, 가로 세로 크기, 및 도전층들(70)과 유전층들(30)의 두께가 줄어듦에 따라 보다 짧은 파장대에서 음의 굴절률을 가질 수 있다.
예를 들어, 유전층들(30)과 도전층들(70)은 각각 약 17nm와, 400nm정도의 두께를 갖고, 사각형 모양의 홀들의 가로 세로 크기는 각각 약 60nm와 90nm이고, 홀들(80)의 주기는 약 300nm정도일 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질은 약 670nm 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 8a를 참조하면, 기판(10) 상에 제 1 도전층(21)을 형성한다. 제 1 도전층(21)은 화학기상증착 방법으로 형성된 그래핀, 또는 그라파이트 산화-환원방법으로 형성된 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함할 수 있다. 제 1 도전층(71)은 약 10층 이하의 그래핀 또는 산화 그래핀 층을 포함할 수 있다. 나아가, 제 1 도전층(71)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착 방법과 같은 물리기상증착 방법으로도 형성될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 제 1 도전층(71) 상에 제 1 유전층(31)을 형성한다. 제 1 유전층(31)은 스핀 코팅 방법으로 형성된 광학 고분자를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 유전층(31)은 스퍼터링 및 전자빔 증착법, 원자층 증착법 등으로 형성된 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 제 1 유전층(31) 상에 제 2 도전층(72)을 형성한다. 제 2 도전층(72)은 제 1 도전층(71)과 마찬가지로, 화학기상증착 방법으로 형성된 그래핀 또는 그라파이트 산화-환원방법으로 형성된 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 제 2 도전층(72) 상에 제 2 유전층(32) 내지 제 7 유전층(37)을 포함하는 유전층들(30)과, 제 3 도전층(73) 내지 제 8 도전층(78)을 포함하는 도전층들(70)을 교번하여 형성한다. 유전층들(30)은 스핀 코팅으로 형성된 광학 고분자, 또는 화학기상증착방법으로 형성된 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다. 도전층들(70)은 화학기상증착 방법으로 형성된 그래핀 또는 그라파이트 산화-환원방법으로 형성된 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함할 수 있다.
도 8e를 참조하면, 도전층들(70)과 유전층들(30)을 기판(10)에 수직으로 제거하여 기판(10)이 노출되는 홀들(80)을 형성한다. 도전층들(70)과 유전층들(30)은 집속 이온빔이나 반응성 이온 식각법에 의해 제거될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 메타 물질의 제조방법은 기판(10) 상에 교번 증착된 도전층들(70)과 유전층들(30)이 제거되는 적어도 하나의 홀들(80)을 상기 기판(10)에 수평한 방향에 대해 반복적으로 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 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판 20: 동심 고리들
30: 유전층들 40: 블록 공중합체
50: 포토레지스트 60: 포토마스크
70: 도전층들 80: 홀들

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 소정의 전자기 파장대에서 음의 굴절률을 갖는 크기로 패터닝된 적어도 하나의 도전성 나노 패턴들; 및
    상기 도전성 나노 패턴들을 덮는 유전층을 포함하는 메타 물질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 나노 패턴들은 그래핀 또는 산화 그래핀을 포함하는 메타 물질.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 나노 패턴들은 은, 금, 알루미늄, 구리, 니켈 중 적어도 하나의 금속을 더 포함하는 메타 물질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 나노 패턴들은 상기 기판과 평행한 방향으로 적어도 하나의 동심 고리들로 형성된 메타 물질.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동심 고리들은 상기 기판에 평행한 방향으로 삼각 격자 또는 사각 격자로 배열되는 메타 물질.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동심 고리들은 25나노미터의 선폭을 가질 때, 400나노미터 내지 650나노미터 파장대에서 적어도 하나의 단일 파장의 전자기파에 대해 상기 음의 굴절률을 갖는 메타 물질.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전층은 상기 도전성 나노 패턴들 사이에 제공되어, 상기 도전성 나노 패턴들과 상기 유전층은 상기 기판 상에 교대로 적층되고, 적어도 하나의 홀들이 상기 도전성 나노 패턴들 및 상기 유전층을 관통하는 메타 물질.
  8. 제 7 항에 있어서
    상기 홀들은 사각형 또는 원형 중 적어도 하나의 모양을 갖는 메타 물질.
  9. 제 8 항에 있어서
    상기 유전층과, 상기 도전성 나노 패턴들은 각각 17나노미터와, 40나노미터의 두께를 갖고, 상기 사각형 모양의 상기 홀들은 각각 60나노미터와, 90나노미터의 가로 세로 크기를 갖고, 300나노미터의 주기를 가질 때, 670나노미터 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 갖는 메타 물질.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전층은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 또는 마그네슘 불화막을 포함하는 메타 물질.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유전층의 유전 상수 또는 고유 굴절률이 낮을수록 짧은 파장대의 전자기파에 대해 음의 굴절률을 갖는 메타 물질.
  12. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 음의 굴절률을 갖는 적어도 하나의 도전성 나노 패턴들을 형성하는 단계; 및
    상기 도전성 나노 패턴들 상에 유전층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 도전성 나노 패턴들은 동심 고리 모양인 메타 물질의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도전성 나노 패턴들은 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀, 또는 그라파이트 산화-환원법으로 형성된 그래핀 산화물을 포함하는 메타 물질의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 도전성 나노 패턴들은 공중합 소프트 패터닝 방법으로 형성된 메타 물질의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 공중합 소프트 패터닝 방법은
    상기 기판 상에 블록 공중합체를 형성하는 단계;
    상기 블록 공중합체를 노출하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 블록 공중합체의 자기조립 방법으로 상기 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 및
    상기 노출된 기판 상에 상기 그래핀 또는 상기 산화 그래핀으로 상기 동심 고리 모양을 형성하는 단계를 포함하는 메타 물질의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 블록 공중합체는 PS와 PMMA을 포함하는 PS-r-PMMA인 메타 물질의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 블록 공중합체의 자기조립 방법은 상기 블록 공중합체의 상기 PS와, 상기 PMMA를 상기 기판 상에서 상기 동심 고리 모양으로 배열하는 단계; 및
    상기 블록 공중합체의 상기 PMMA를 제거하여 상기 기판을 노출시키는 단계를 포함하는 메타 물질의 제조방법.
  18. 기판 상에 도전층들 및 유전층을 교대로 적층하는 단계; 및
    상기 유전층과 상기 도전층들을 패터닝하여, 상기 유전층과 상기 도전층들을 관통하는 적어도 하나의 홀들을 형성하는 단계를 포함하는 메타 물질의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 도전층들은 화학기상증착방법으로 형성된 그래핀, 또는 그라파이트 산화-환원법으로 형성된 그래핀 산화물을 포함하는 메타 물질의 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 홀들은 집속 이온빔이나 반응성 이온 식각법으로 형성된 메타 물질의 제조방법.
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