KR20140016861A - 나노-광학 굴절 광학기기 - Google Patents

나노-광학 굴절 광학기기 Download PDF

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윤-석 정
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유니버시티 오브 피츠버그-오브 더 커먼웰쓰 시스템 오브 하이어 에듀케이션
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Abstract

수직 쌍극자 어레이 구조는 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않은 박막을 지지하는 기판을 포함한다. 상기 박막은 다수의 경사 배향부들 및 개구들을 포함한다. 경사 배향부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, 상기 경사 배향부들은 입사 방사광이 음 또는 양의 굴절 방향으로 방향을 바꾸도록 구성된다.

Description

나노-광학 굴절 광학기기{Nano-optic refractive optics}
본 발명은 일반적으로 광학 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 구조화된 광학 장치 및 상기 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
두 개의 서로 다른 매질의 계면에서 빛의 굴절은 결상 및 빔-성형 광학기기에 있어서 핵심적인 기초를 형성한다. 부피가 큰 매질의 계면에서 발생하는 거시적인 현상으로서 통상적으로 관찰되는 것이지만, 상기 현상은 원자 또는 분자 수준의 산란자들(재-방사체(re-radiator))을 통과하는 빛의 회절 투과 및 그렇게 생성된 잔파동(wavelet)들 사이의 후속하는 간섭과 연관되어 있다.
본질적인 관련은 굴절과 격자 회절 사이에서 명백한데, 두 현상 모두 회절 투과 및 간섭과 연관되어 있다. 그러나, 그들의 차이점은 관련된 길이 규모가 상당히 다르다는 데 있다. 즉, 굴절은 산란체들의 원자/분자 수준의 간격에 기인하여 발생하고 격자 회절은 파장 크기의 개구 간격에 기인하여 발생한다.
굴절률이 음인 인공적인 매질 간의 계면의 경우에, 빛은 표면 법선에 대해 음의 각도로 휘어질 수 있다. 그러나, 음의 굴절률의 메타 물질(metamaterial)은 통상적으로 파장보다 작은 크기로 설계된 공진 구조와 연관되어 있으며, 본질적으로 손실 및 제한된 동작 스펙트럼 폭을 수반한다. 또한, 통상적인 격자들에 있어서, 투과된 세기는 대부분 0차 회절(즉, 직접 투과)에 의해 운반되며, 다른 고차 회절은 통상적으로 세기가 작다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 종래의 수평-쌍극자 어레이(10)의 방사광 패턴(12)은 주된 빔으로서 0차(직접 투과)를 지지하고 있다.
본 발명의 목적은, 임의로 선택된 소망하는 방향, 즉, 음 또는 양의 굴절 방향으로 입사 방사광을 굴절시키기 위해 음의 굴절률의 메타 물질을 사용하지 않는 구조를 제공하는 것이다. 대신에, 본 발명은 경사 배향된 나노 개구(nanoaperture)들을 통한 고차의 회절 투과 및 간섭을 통해 입사 방사광의 방향을 바꾸는 격자 구조를 제공한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 예를 들어 금속 박막으로 형성된 나노 개구들의 어레이를 고려한다. 각각의 나노 개구는, 감소된 각도 분포로 방사광 패턴(radiation pattern)이 기판 법선으로부터 벗어난 특정 방향을 향하도록, 박막 표면으로부터 경사 배향될 수 있다. 어레이로서, 개구 방사광들은 개개의 개구들의 방사광 패턴들을 정합시키도록 설계된 특정 방향으로 보강 간섭을 만든다.
따라서, 본 발명은 부피가 큰 매질 내의 회절광에 대한 새로운 유형의 박막 격자 구조를 제공한다. 입사빔의 방향에 따라, 이러한 격자 구조는 전파 손실 없이 원거리(far field)까지 빔의 음 또는 양의 굴절을 가능하게 한다. 음의 굴절을 위해, 격자 구조는 -1차 회절을 우선적으로 지원하도록 설계되는 반면, 0차 및 다른 고차 회절 빔들은 넓은 범위의 입사 각도에 대해 억제된다. 양의 굴절을 위해, 격자 구조는 +1차 회절 빔을 우선적으로 활용하는 반면, 다른 회절 성분들을 억제한다. 차수-선택 능력을 갖는 이러한 격자 회절은 선택된 회절 차수의 방향으로만 보상 간섭을 할 수 있도록 나노 개구들의 방사광 패턴들을 처리함으로써 가능하게 된다.
본 발명의 일 유형에 따르면, (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하는 수직 쌍극자 어레이(vertical dipole array) 구조가 제공되며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 입사 방사광의 방향을 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은 수직 쌍극자 어레이 구조를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은, (A) 기판을 제공하는 단계 및 (B) 기판의 표면에 박막을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 박막은 개구들 및 경사 배향부들의 어레이를 포함하지만, 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지는 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 박막 상에 형성된 수직-나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하는 광전지 소자(photovoltaic device)가 제공된다. 상기 전극은 입사 방사광이 박막을 통한 직접 투과 없이 비스듬한 각도 방향으로 휘어지도록 구성된다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, (A) 다수의 오프셋부(offset portion)들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조가 제공된다. 여기서, (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 오프셋부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 오프셋부들은 입사 방사광의 방향을 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는다. 바람직한 실시예에서, 박막을 지지하는 기판의 표면은, 예를 들어, 도 10에 도시된 것과 같은 메사 패턴(mesa pattern)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 유형에 있어서, (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조가 제공되며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 입사 방사광의 방향을 양 또는 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는다.
본 발명의 추가적인 유형에 있어서, (A) 거울막, (B) 상기 거울막 상에 형성된 박막, 및 (C) 상기 박막 상에 형성된 수직-나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하는 광전지 소자가 제공된다. 여기서, 상기 전극, 박막 및 거울막은 페브리-페로 공진기 구조(Fabry-Perot cavity structure)로서 구성된다.
도 1a는 수평-쌍극자 개구들의 종래 격자에서 금속 나노 개구 어레이들을 통과하는 빛의 회절 투과를 도시한다.
도 1b는 일 실시예의 수직-쌍극자 나노 개구 어레이 내의 금속 나노 개구 어레이들을 통한 빛의 회절 투과를 도시한다.
도 1c는 일 실시예의 수직-쌍극자 나노 개구 어레이의 단면도와 함께 그의 금속 나노 개구들을 통한 빛의 결과적인 회절 투과를 중첩하여 도시한다.
도 1d-f는 도 1c에 도시된 수직 나노 개구 어레이 구조의 변형예의 단면도이다.
도 2a는 Ag 층 상에 수직으로 배향되어 형성된 단일한 수직 나노 슬릿의 일 실시예이다. 쌍극자 개구는 기판에 대해 수직하게 배향되어 있다.
도 2b-c는 도 2a의 단일한 수직 나노 슬릿의 방사광 패턴들의 시간 영역 유한 차분(finite-difference time domain; FDTD) 시뮬레이션이다. 도 2b는 크기 맵(magnitude map)이고 도 2c는 크기에 대한 각도 프로파일이다.
도 2d는 도 2a의 단일한 수직 나노 슬릿을 통한 광학적 투과의 실험적으로 측정된 빔 프로파일이다.
도 2e는 Ag 층 상에 형성된 단일한 수직 나노 슬릿의 다른 실시예이다. 쌍극자 개구는 기판에 대해 수직하게 배향되어 있다.
도 2f-g는 도 2e의 단일한 수직 나노 슬릿의 방사광 패턴들의 FDTD 시뮬레이션이다. 도 2f는 크기 맵이고 도 2g는 크기에 대한 각도 프로파일이다.
도 2h는 Ag 층 상에 형성된 비교예의 단일 나노 슬릿의 단면도이다. 쌍극자 개구는 기판에 대해 수평으로 배향되어 있다.
도 2i-j는 도 2h의 단일한 수직 나노 슬릿의 방사광 패턴들의 FDTD 시뮬레이션이다. 도 2i는 크기 맵이고 도 2j는 크기에 대한 각도 프로파일이다.
도 2k는 빔 입사각의 함수로서 계산된 수직한 나노 슬릿의 투과량(세기)를 도시한다. 총 투과 파워(power)는 표면 플라즈몬 파워를 고려하거나 또는 고려하지 않고 r = 1마이크론에서 계산된다. 수직한 입사에서 계산된 투과 세기는 80%의 투과 효율로 전환되었다.
도 3a는 수직한 쌍극자 개구들을 갖는 일 실시예의 나노 슬릿 어레이에 대해 측정된 빔 프로파일을 도시한다.
도 3b는 평면 내의 수평한 쌍극자 개구들을 갖는 종래의 나노 슬릿 어레이에 대해 측정된 빔 프로파일이다.
도 3c는 입사각의 함수로서 측정된 음의 굴절 각도를 도시한다. 실선은 브래그의 회절 법칙에 기초한 계산에 해당한다.
도 3d는 회절 격자에 대한 브래그 법칙에 의한 빔 특징들을 나타내거나 계산하기 위해 사용된, 도 1b에서와 같은, 수직한 나노 슬릿 어레의 형태들을 도시한다.
도 4a는 국소적으로 변화하는, 균일하지 않은 격자 주기들을 갖는 수직-쌍극자 나노 개구에서의 음의 굴절을 도시한다.
도 4b는 음으로 굴절시키는 수직-쌍극자 나노 개구 어레이 구조의 측면-거울 기능을 도시한다.
도 4c는 종래의 거울상(mirror imaging)을 도시한다.
도 5a는 일 실시예, 예를 들어, 수직-나노 개구 어레이 구조를 기초로 한 빔 포커싱 렌즈(수직 나노 슬릿 어레이 렌즈)의 단면도를 도시한다. 각각의 나노 개구 방사광 패턴이 공통 초점을 향하도록 설계되어 있다. 초점까지 각각의 개구 투과의 위상 지연은, 보강 간섭을 할 수 있도록, 인접한 개구의 위상 지연과 2π-라디안의 차이가 있다.
도 5b는 수직 나노 슬릿 어레이 렌즈의 측정된 빔 프로파일을 도시한다.
도 5c는 수직 나노 슬릿 어레이 렌즈의 측정된 빔 프로 파일을 도시하며, 633nm 파장의 광에 대해 초점에서 210nm (반치폭(FWHM))의 빔 스팟(beam spot) 크기가 얻어졌다.
도 6a는 박막 광전지 소자에서 흡수 향상을 위해 사용될 때의 나노 슬릿 어레이의 단면도를 도시한다.
도 6b는 측면으로 적층된 태양전지판들을 도시한다. 태양광은 나노 구조화된 전극에 경사지게 입사하여 비스듬한 각도 방향으로 박막을 통과하여 진행한다. 수직 나노 개구 어레이는 비스듬한 각도의 입사에 대해 뛰어난 투과도를 보인다.
도 7a는 수직 나노 개구 어레이의 투시도인 SEM 영상이다(축척바(scale bar), 400nm).
도 7b는 수평 나노 개구 어레이의 상면도인 SEM 영상이다(축척바, 4um).
도 7c는 도 7b의 수평 나노 개구 어레이의 단면도인 SEM 영상이다(축척바, 500nm).
도 8은 수평-쌍극자 개구들의 종래의 격자에서 금속 나노 개구 어레이들을 통한 빛의 회절 투과를 도시한다.
도 9a는 편광-독립적인 2D 빔 성형 기능을 위한 2D 나노 개구의 단면을 도시한다.
도 9b-c는 빔 포커싱 기능을 위한 수직 나노 개구들의 2D 어레이의 도면으로서, 도 9b는 상면도이고 도 9c는 측면도이다.
도 10a-d는 대면적 기판 상에 수직 나노 개구 어레이들을 제조하기 위한 홀로그래픽 리소그래피 및 경사 증착(angle deposition) 공정을 도시한다. 메사 높이 및 금속 두께는 메사 구조의 일측에 수직 나노 개구들을 만들도록 선택될 수 있다.
도 11a-11b는 도 2a의 단일한 수직 나노 슬릿의 방사광 패턴들의 FDTD 시뮬레이션에 대한 추가적인 도면이다. 도 2b의 크기 맵인 도 11a에서, 화살표(130) 및 수직 점선(135)은 단일한 수직 나노 슬릿 상에서 중첩되며 각각 입사 방사광 및 기판 법선을 나타낸다. 도 11b는 수직 나노 슬릿(V) 및 수평 나노 슬릿(H)에 대한 방사광 패턴들의 각도 프로파일을 나타내며, 범례는 기판 법선에 대한 입사광의 각도 θ를 나타낸다.
도 12a-12b는 박막 광전지 소자에서 흡수 향상을 위해 사용된, 본 발명에 따른 나노 슬릿 어레이의 추가적인 실시예들에 대한 단면도들의 그래픽 표현이다. 화살표들은 조사 각도(irradiance angle)들을 나타낸다.
도 13a-13c는 대형 및 박막 광전지 소자에서 흡수 향상을 위해 사용된, 본 발명에 따른 나노 슬릿 어레이의 추가적인 단면도들을 도시한다.
도 14a는 유전체 계면(공기 대 실리콘)에서 빛의 굴절 투과를 나타낸다.
도 14b는, 유전체 구조 상에 형성된 회절 구조의 격자 주기 대 입사광 파장의 비에 따라, 일부 회절 빔들이 비스듬한 각도의 투과를 얻을 수 있다는 것을 보여준다.
도 15a는 이론적인 나노 개구 구조와 결과적인 방사광 패턴을 도시한다.
도 15b는 도 15a의 이론적인 나노 개구 구조들의 어레이 및 결과적인 방사광 패턴을 도시한다.
도 15c는 도 15b의 이론적인 나노 개구 어레이에 의해 덮인 유전체 표면의 경우에 대한 위상 매칭 조건(파동 벡터 관계)를 보여준다.
도 16a는 수직 나노 슬릿들의 2D 어레이를 도시한다. TE-편광 성분(E = Ez z)을 위해, 수평 격자선(Kgz: z-방향)들이 추가된다. 수직하게 진행하는 격자선(Kgx: x-방향)들이 TM 편광을 위해 우선적이다.
도 16b는 도 16a의 2D 어레이의 x-y 평면을 따른 단면도를 도시한다.
도 16c는 도 16a의 2D 어레이의 y-z 평면을 따른 단면도를 도시한다.
본 명세서에서 "수직 나노 개구 어레이(vertical nanoaperture array)", "수직 나노 슬릿 어레이(vertical nanoslit array)", "수직-쌍극자 어레이(vertical-dipole array)" 및 "수직 쌍극자 개구들의 어레이(array of vertical dipole aperture)"라는 용어들은 교환 가능하게 사용된다.
유전체 계면들에서의 종래의 굴절 투과의 한계를 극복하기
유전체 계면에서의 빛의 굴절 투과는, 투과 각도가 굴절률과 입사각의 비에 의해 결정되는 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 지배된다. 더 높은 굴절률의 매질로 입사하는 빔의 경우에, 예를 들어, 공기로부터 실리콘(n ~ 3.5)으로의 경우에, 최대 투과 각도는 16도까지로 제한된다(도 14a). 주기적인 배열로 위치한 금속 와이어 또는 격자와 같은, 유전체 표면 상에 형성된 격자 구조는 회절 투과를 유발할 수 있다. 격자 주기 대 입사광 파장의 비에 따라서, 일부 회절빔들은 도 14b에 도시된 것과 같은 비스듬한 각도의 투과를 얻을 수 있다. 그러나, 종래의 격자들에 있어서, 투과된 파워는 높은 굴절률-대비 매질의 계면에서는 제한적이고 작은 최대 투과 각도를 갖는 0차 회절에 의해 대부분 운반되며, 다른 높은 차수의 회절은 통상 세기가 작다. 높은 산출량의 비스듬한 각도 투과를 달성하는 데 있어서의 어려움은 2가지 이유로부터 비롯된다: 첫째, 종래의 격자 구조의 개별적인 회절 요소의 산란 패턴은 비스듬한 각도 방향으로 큰 파워를 제공하지 못하고, 따라서 큰 세기의 고차 회절빔들은 소망하는 방향으로 만들어질 수 없다. 둘째, 유전체 표면의 회절 요소들의 유효 범위(coverage) 및 그들의 광 결합 효율이 종래의 격자 구조에서는 통상적으로 낮으며, 따라서 대부분의 입사 파워는 격자 요소들과 상호작용하지 않고 유전체 표면을 통해 통과한다.
이론적인 나노 개구 구조가 도 15a에 도시되어 있다. 나노 개구 구조는 광학적으로 두꺼운 금속막 내에 형성되어 있으며, 비스듬한 각도 방향으로 입사광을 배향시키고 고도의 이방성을 갖도록 설계된 방사광 패턴(radiation pattern)을 갖는다. 유전체 표면이 나노 개구 영역을 제외하고 금속에 의해 가려져 있기 때문에, 입사광의 투과는 단지 개구를 통해서만 일어난다. 따라서, 투과 특성은 경사진 방향으로 배향되어 있는 개구 방사광 패턴 그 자체에 의해서만 전적으로 지배된다. 이제, 도 15b에 도시된 것과 같은 유전체 표면 상에 형성된 그러한 이론적인 나노 개구들의 어레이와 도 15a의 구조를 비교한다. 도 15b에서, 개구 방사광들 사이의 간섭은 다양한 차수의 회절빔들을 가져올 수 있다. 개구 방사광 패턴의 각도 범위 내에 있는 방향을 갖는 특정 차수의 회절빔은 강한 투과를 가질 수 있는 반면, 방사광 패턴 바깥의 방향으로 향하는 다른 빔들은 진행파(propagating wave)로 발전할 수 없다. 도 15c는 이론적인 나노 개구 어레이에 의해 덮여 있는 유전체 표면의 경우에 대한 위상 매칭 조건(파동 벡터 관계)를 도시하고 있다. 상기 도면에서, 투과측에 있는 +1차 회절빔은 나노 개구 방사광 패턴에 정합하도록, 즉, 경사 입사를 위해 비스듬한 각도 방향을 향하도록 설계되어 있으며, 0차 및 다른 고차 회절들은 억제된다. 여기서, 고굴절률의 매질에서의 비스듬한 각도 투과는 높은 지향성의 나노 개구 방사광 패턴들 및 그들의 간섭 효과를 채용함으로써 가능하게 되며, 동작 원리는 부피가 큰 유전체 계면에서의 종래의 굴절의 동작 원리와는 상이하다. 이러한 새로운 원리(수직 쌍극자 방사광 패턴에 의한 회절 차수의 선택)는 아래에서 설명하는 바와 같이, 나노 개구 어레이를 통한 빛의 음의 굴절을 달성하는 데 응용될 수 있다.
음의 굴절률 메타 물질 없는 음의 굴절
높은 전파 손실(propagation loss)을 공통적으로 겪고 있는 부피가 큰 메타 물질들의 경우와 달리, 본 발명에 따른 나노 구조화된 금속막으로 달성되는 음의 굴절은 그러한 어떤 손실도 없이 원거리의 영역에 도달할 수 있다. 또한, 대부분의 메타 물질들은 공진 현상에 의존하고 있고, 음의 굴절은 좁은 스펙트럼 범위로 제한된다. 반면, 본 발명의 수직-쌍극자-어레이 구조는 임의의 파장에서 음의 굴절 방향으로 회절을 가능하게 한다. 부피가 큰 매체의 계면에서 가능한 빛의 음의 굴절은 종래의 굴절 광학기기에서는 달성될 수 없는 각도 범위에 대한 접근을 제공한다. 따라서, 본 발명의 수직하게-경사진 나노 개구 어레이 구조와 같은 나노-광학기기 구조는, 광학적 빔 성형(beam shaping), 영상, 리소그래피, 광학적 데이터 저장, 정보 처리, 계측(instrumentation), 측정(metrology), 광전지(photovoltaics)과 같은 다양한 응용을 위한 기반(platform)으로서 역할을 할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 수직 나노 개구 어레이(100)는 음으로 굴절하는 빔(112)을 형성하는 -1차 격자 회절들만을 지원하도록 설계된다. 수직 쌍극자 어레이 구조는 다수의 경사 배향부(120)들 및 다수의 개구(125)들을 포함하는 박막(115)을 지지하는 기판(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 경사 배향부(120)들 중 적어도 2개는 개구(125)에 의해 분리되어 있다. 상기 경사 배향부들은 입사 방사광(130)의 방향이 음으로 굴절하는 빔(112)에 의해 도시된 바와 같이 음의 굴절 방향으로 바뀌도록 구성될 수 있다.
본 발명에 일치하여, 입사 방사광의 방향이 음의 굴절 방향으로 바뀌도록 구성된 수직 쌍극자 어레이 구조의 경우에도 불구하고, 박막(120)은 음의 굴절률 메타 물질로 구성되지 않는다. 예를 들어, 박막(120)은 높은 도전성 재료의 격자화되고 주기적으로 기울어진, 경사-배향된 또는 기울어진 박막, 즉, 경사 배향된 나노 개구들의 어레이를 제공하는 높은 도전성 재료의 박막을 포함할 수 있다. 높은 도전성 재료는 Ag, Au, Al, Cu, Cr 등, 및/또는 이들의 높은 도전성 합금, 그래핀, 그래파이트 또는 도전성 산화물으로부터 선택될 수 있다.
박막(115)은, 도 1c에 도시된 바와 같이, 경사 배향부(120)를 포함할 수 있으며 기판(135)에 의해 지지될 수 있다. 인접한 경사 배향부(120)들은 적어도 하나의 개구(125)에 의해 분리될 수 있다. 적어도 하나의 개구(125)에 의해 분리된 경사 배향부(120)들은 톱니 패턴으로서 형성된 표면의 일부를 갖는 상부 표면을 구비하는 기판에 의해 지지되는 톱니 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어, 톱니 패턴의 각각의 톱니는 수직한 계단 표면(127)과 경사 배향된 또는 기울어진 표면(121)을 포함할 수 있다. 또한, 기판은 박막(115)의 수평부(122)들을 지지하는 실질적으로 수평한 부분(123)들을 포함할 수 있다. 기판 법선(131)에 대해 각도 θ로 입사하는 방사광(130)은 기판 법선으로부터 멀어지는 각도 φ로 방향이 바뀐다. 기판(135)은 음의 굴절률의 메타 물질이 아닌 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 상술한 설명은 단지 예시적인 이하의 실시예들에 의해 완료된다.
단일한 나노 개구
Ag 층 상에 형성된 60nm의 폭을 갖는 단일한 나노 개구 또는 나노 슬릿의 3개의 상이한 구조들이 도 2a(실시예1), 도 2e(실시예2) 및 도 2h(비교예1)에 도시되어 있다. 도 2a에서, 박막(115)의 경사 배향부(120)와 수평부(122)는 기판(135)에 의해 지지되어 있으며 개구(125)에 의해 분리되어 있다. 도 2e에서, 기판(135)에 의해 각각 지지되는 박막(115)의 2개의 수평부(122)들은 개구(125')를 포함하는 수직한 계단 표면(127)에 의해 정의되는 바와 같이 서로 높이가 다르게 되어 있다. 도 2h에서, 기판(135)에 의해 각각 지지되는 박막(115)의 2개의 수평부(122)들은 서로 높이가 다르지 않으며 개구(125")에 의해 분리되어 있다.
3개의 상이한 구조들의 각각에 대한 방사광 패턴들의 FDTD 시뮬레이션이 도 2b-2c, 2f-g, 및 2i-j에 각각 도시되어 있다. 도 2b, 2f, 및 2i는 포인팅 벡터 분포(크기 맵)를 보이는 반면, 도 2c, 2g 및 2j는 크기의 각도 프로파일을 보인다. 각각의 시뮬레이션에 대해, Ag의 유전상수는 633nm에서 -16+i1.1로 가정되었으며 633nm의 파장을 갖는 TM-편광된 빛이 기판에 수직하게 입사하였다. 시뮬레이션 윈도우는 20um×15um이었다. FDTD 결과들은 10nm 격자 간격을 갖는 2D Yee 메시 및 완전 매칭된 층(perfectly matched layer; PML) 경계 조건을 사용하여 생성되었다.
바닥쪽으로부터 수직하게 입사하는 평면파(planar wave)의 경우에, 슬릿 투과는 기판 법선으로부터 경사 배향된 방사광 패턴을 보인다. 예를 들어, 도 2c에서, 주빔(main lobe)은 50°의 반치폭 각도를 갖는 θ = 140° 방향으로 배향되어 있다(기판 법선으로부터 50° 경사). 이는, 도 2h에 도시된 바와 같이, 쌍극자 축이 수평인 종래의 슬릿의, 박막 표면에 평행한 방사광 패턴과 명백하게 대비된다. 후자의 구조는 20°-160°(기판 법선으로부터 ±70°)의 방사광 각도에 대해 거의 균일한 파워 분포를 보인다.
어떤 특정한 이론에 구애되지는 않지만, 경사-나노 슬릿 개구 구성은 입사파에 의해 여기 상태에 있는 금속막에 수직하게 진동하는 쌍극자 형태의 선광원(line source)으로서 역할을 하는 것으로 믿어진다. 개구에 입사하는 횡자기(transverse magnetic; TM)-편광된 빛의 경우, 금속은 표면 전류를 유도함으로써 응답한다. 유도된 전류는 대향하는 코너들에서 상이하게 작용하는데, 즉, 한쪽 코너에서는 전하를 축적하는 반면, 다른쪽에서는 고갈시킨다. 수직 개구에서의 이러한 쌍극자 진동은 기판 법선으로부터 멀어지게 경사진 방향으로 입사 에너지의 방향을 바꾸는 효과를 갖는다.
슬릿 코너 및 모서리에서 유도되는 쌍극자 전하들의 양은 개구의 기하학적 형태/크기 및 모서리에 대한 입사 전계 벡터들의 배향에 의존한다. 금속 표면(슬릿의 모서리)와 상호작용하는 전자기파는 다음과 같이 표현될 수 있는 표면 전하 밀도를 갖는 분극 표면 전하(polarization surface charge)를 유도할 수 있다:
Figure pct00001
.
여기서, E 1 및 E 2는 각각 계면의 금속측 및 유전체측 상의 전계이며, n21은 표면에 대한 법선 벡터이다. 대부분의 금속/유전체에 대해, |εM| ≫ |εD|이며, 따라서 표면에 유도된 쌍극자 전하들의 양은 금속의 유전상수에는 크게 의존하지 않을 것이다. 코너 영역에서의 전하 유도는 그와 다른 과정을 수반한다. 입사파의 반사는 표면 전류 J = n × H를 유도하며, 여기서 H는 표면에서의 총 자계이다. 그러면 이러한 표면 전류는 연속 방정식에 의해 지배되는 코너에서의 국소적인 전하들을 유도한다. 결과적인 표면 전하 밀도는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00002
.
여기서, Hin는 금속 표면에서의 입사 자계이며 r은 반사 계수이다. 대부분의 금속들의 경우, 반사 계수는 금속의 유전상수에 대한 쌍극자 전하 밀도의 의존성이 무시할 만하다는 것을 의미하는 -1에 가깝에 유지된다. 전체적으로, 이러한 해석은 상이한 유전상수들을 갖는 금속으로 이루어진 수직 나노 슬릿들이 유사한 쌍극자 길이의 방사광 패턴(투과량)을 보일 것이라는 점을 제시한다.
도 2d는 도 2a의 수직 나노 슬릿 구조를 통한 광학적 투과의 실험적인 측정 결과를 보인다. 2개의 시뮬레이션(도 2b-2c)의 비교 및 실험적인 결과(도 2d)들은 방사광 패턴들이 입력 빔의 입사각과는 무관하게 기판 법선으로부터 벗어나 경사 배향되어 유지된다는 것을 확인한다.
방사 각도 및 산출량은 나노 슬릿 및 경사 구조의 기하학적 형태와 크기에 의존한다. 아래쪽 계단의 모서리(계단의 바닥 표면)가 적게 기울어질수록(수평에 가까워질수록) 방사광 패턴은 수평 방향에 대해 더 기울어진다. 슬릿 폭이 더 커지는 경우, 슬릿 투과는 감소한다. 투과는 또한 박막 두께에 대한 의존성을 보이는데, 어떠한 두께 한계까지는(~λ/4) 박막이 두꺼워질수록 증가한다.
수직한 나노 슬릿의 투과량은 빔 입사각의 함수로도 계산되었다(도 2k). 방사광 패턴이 동일한 경사각으로 배향되는 동안, 빔이 더 경사지게, 즉, 개구 방사광 방향에 대해 평행에 가깝게 입사할수록 투과량이 증가한다. 총 투과 파워(자유 공간 방사광 및 표면 플라즈몬 파워 모두)를 슬릿 단면에 떨어지는 입사 파워로 나눈 것으로 정의되는 투과 효율은 -45도 입사 또는 수직 입사에서 80% 수준에 도달하며 +45도 입사에서 400%에 도달한다. (여기서 100%보다 큰 투과 효율은 나노 슬릿이 개구 면적 상에 떨어지는 양보다 더 많은 입사 파워를 포획하여 투과시키는 깔대기 효과(funneling effect)를 나타낸다.) 이러한 각도 의존성은 입사 전계 벡터가 쌍극자 축과 동일한 방향으로 배향될 때 쌍극자 전하들이 최대로 유도된다는 것을 나타낸다. 동일한 금속 두께와 슬릿폭을 갖는 수평 슬릿의 경우에, 투과 효율은 수직 입사에서 최대 53%에 도달한다. 수직 나노 슬릿 구조가 입사 파워를 투과시키는 데 있어서 수평 나노 슬릿을 능가할 수 있다는 점을 확인한 것이 흥미롭다. 막이 두꺼워질수록, 이러한 성능 대비는 더욱 강력해지며, 이는 수평 나노 슬릿의 경우에는 좁은 채널 영역에서 상당한 양의 투과 손실이 발생하는 반면 수직 슬릿의 경우에는 그러한 도파관 수축(waveguide constriction) 및 그에 따른 감쇠가 없다는 사실의 관찰을 통해 이해될 수 있다. 수직 나노 슬릿 구조의 높은 생산량의 투과 및 고도로 지향된 방사 패턴은 종래의 굴절 광학기기의 한계를 극복하기 위한 흥미로운 잠재성을 제공한다.
수직 나노 개구 구조의 변형예들
수직 나노 개구의 기하학적 형상들은 경사진 쌍극자 나노 개구의 본질을 유지하면서 많은 다른 방식들로 변형될 수 있다(도 1d-f 참조). 측면 방향으로 간극을 허용함으로써, 투과량이 증가할 수 있다. 톱니 표면의 덜 경사진 쪽에 나노 개구를 형성함으로써, 개구 방사광 방향이 소망하는 방향으로 더욱 용이하게 조절될 수 있다. 따라서, 도 1c의 수직 계단 표면(127)들은 완전히 수직한 배향으로 한정되지 않으며, 박막(115)의 경사 배향부(120)들은 기판의 경사진 표면(121)들 위에만 형성되는 것으로 한정되지 않는다. 즉, 수직 계단 표면(127)은 기판 법선(131)에 평행하지 않은 각도로 배향될 수 있다. 또한, 경사 배향부(120)들은 수직 계단 표면(127)들을 넘어 연장될 수 있다.
예를 들어, 수직 계단(127)은 기판 법선(131)으로부터 각도 α로 나타나도록 배향될 수 있다. 도 1d-e를 비교하면, α1은 α2보다 작다. 기판 법선(131)과 수직 계단 표면 사이의 각도 α가 90°에 접근함에 따라, 결과적인 투과는 종래의 수평 개구 어레이의 투과량에 근접한다. 따라서, 여기서 기술되는 수직-쌍극자 개구들에 대해 기판 법선으로부터의 수직-계단 표면의 각도 α는 0 ≤ α < 90°, 예컨대, 0-45°, 0-20°, 0-15°, 또는 0-10°일 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 경사 배향부(120)들은 120' 및 120"로 도시된 바와 같이 수직-계단 표면(127)을 넘어(돌출하여) 연장될 수 있다. 즉, 인접한 경사 배향부(120)들의 측벽들은 서로 더 가깝게 될 수 있다.
따라서, 기판을 통과하는 방사광은 각도 α의 적절한 조합을 미리 선택함으로써, 및/또는 인접한 경사 배향부들 사이의 거리를 미리 선택하여 개구 면적을 제한함으로써 제어될 수 있다.
나노 슬릿 어레이
도 3a 및 3b는 760nm의 격자 주기를 가지며 2개의 상이한 개구 배향들, 즉 수직하거나 경사지게 배향된 (도 1b와 같은) 쌍극자 또는 수평한 (도 1a와 같은) 쌍극자들을 각각 갖는 수직 나노 슬릿 어레이를 통과하는 광학적 투과의 FDTD 측정 결과를 보여준다. TM-편광된 빛(633nm 파장)이 다양한 입사각으로 입사하였다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 평면 내의 수평한 쌍극자 개구들을 갖는 종래의 나노 슬릿 어레이는 지배적인 빔으로서 0차 투과(양의 굴절)를 보인다. 반면에, 도 3a에 도시된 바와 같이, 633nm 파장의 TM-편광된 빛의 동일한 입삭각(130)에 대해, 수직 나노 슬릿 어레이는 -1차 빔만을 보인다. 특히, 30°의 입사각에 대해 20°의 굴절각이 관찰되었는데, 이는 격자로부터의 -1차 회절에 해당하는 것이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 입사각(0° 내지 45°)의 범위에 걸쳐 측정들이 이루어졌다.
특정한 이론에 구애되지는 않지만, 각각의 나노 슬릿 개구는, 예를 들어 도 3d에 나타낸 바와 같이, 입사파에 의해 여기 상태에 있는 금속막에 수직하게 진동하는 쌍극자 형태의 선광원으로서 역할을 하는 것으로 믿어진다. 개구에 입사하는 횡자기(TM)-편광된 빛의 경우, 금속은 표면 전류를 유도함으로써 응답한다. 간극을 두고 대향하는 가장자리들에서, 유도된 전류는 전하들에 상이하게 작용하는데, 즉, 한쪽 가장자리에서는 전하들을 축적하는 반면, 다른쪽에서는 고갈시킨다. 그러면 개구에서의 쌍극자 진동은 기판 법선으로부터 멀어지게 경사진 방향으로 입사 에너지를 방사한다. 어레이의 형태로 형성되었을 때, 파장에 대한 격자 주기의 비는, 개구 방사광들이 개별적인 개구의 방사광 패턴 내에 있는 특정 방향으로 보강 간섭을 만들도록 설계될 수 있다. 격자 회절의 용어로, 이러한 개구 어레이는 넓은 범위의 입사각에 대해 -1차 회절(음의 굴절)만을 지원하고 0차(직접 투과) 및 다른 고차 회절을 차단한다.
수직-쌍극자 나노 개구 어레이에서 음의 굴절은 또한 회절 격자들의 브래그 법칙(Bragg law): sinφ = -sinθ - mλ/d에 의해서도 지배된다. 여기서 θ는 기판의 공기측에서 측정된 입사각이고, φ는 출사측에서 음의 굴절 방향으로 측정된 굴절각이다. d는 격자 주기이고, λ는 자유 공간에서의 파장이다. m은 회절 차수를 나타내는 정수이다. 음의 굴절의 경우에 대해, 여기서 논의하는 바와 같이, m = -1 이다. 따라서, 굴절 관계식은 sinφ = -sinθ + λ/d로 표현될 수 있다. 2개의 양의 굴절률 매질의 계면에서 입사각과 굴절각을 관계짓는다는 점에서 상기 공식은 음의 굴절에 관한 스넬의 법칙으로 볼 수 있다. (상기 공식에서 기판의 효과가 연관되지 않는다는 점을 유의한다. 이는 입사각이 기판 내부가 아니라 공기측에서 정의되기 때문이다.)
광학적 빔 성형(Optical beam shaping)
일정한 주기의 경사 배향부들을 갖는 수직-쌍극자 나노 개구 어레이 구조의 경우와 같은 일정한 주기의 격자 구조는 평행하고 콜리메이팅된 입력빔들의 음의 굴절을 허용한다. 그러나, 격자 주기를 국소적으로 변화시키는 것은 콜리메이팅되지 않은 입력빔으로부터 평행한 콜리메이팅된 출력빔들 형성하거나 평행한 콜리메이팅된 입력빔으로부터 콜리메이팅되지 않은 출력빔 프로파일을 제공하는 새로운 기능성을 열어준다. 예를 들어, 도 4a는 균일하지 않은 격자 주기(d1, d2, d3, d4, d5)들을 갖는 수직 쌍극자 어레이 구조에 대한 음의 굴절을 보여준다.
발산하는 입력빔을 음으로 굴절시켜 콜리메이팅된 평행빔들 만들기 위해서, 입사각과 굴절각은 상술한 것과 같은 브래그 법칙을 국소적으로 만족시켜야 한다. 일정한 굴절각 φ에 대해, 국소적인 격자 주기는 발산하는 입사각 θ을 d(θ)=λ/(sinφ + sinθ)에 정합하도록 변화되어야 한다. 종래의 양의 굴절과 유사하게, 유효 굴절률은 음의 굴절률에 대해 n = sinφ/sinθ로 정의될 수 있다. 주어진 입력빔 프로파일에 대해 일정한 유효 굴절률(여기서 'n'은 절대값으로 정의되어 있다는 점을 유의한다)을 유지하고 및/또는 달성하기 위해, 격자 주기는 다음과 같이 국소적으로 변화될 필요가 있다: d(θ)=λ/[(1+n)sinθ).
'거울상(좌우의 반전)' 효과가 없는 후방 시야를 위한 측면 거울
종래의 거울에서, 반사된 영상의 우측 및 좌측의 광선 성분은 동일한 거리를 진행한다. 따라서, 빔 전파 방향이 거울 반사시 반전되기 때문에, (관찰자에게) 좌우 관계가 뒤집혀지게 된다. 음의 굴절 거울 반사의 경우에, 횡단 방향으로 바깥쪽 가장자리의 공간적인 변위(displacement)를 초래하는 반사 후에도 좌우 관계는 바뀌지 않고 유지된다. 수직 나노 슬릿 어레이에 의해 지원되는 음의 굴절 빔에서, 위상 변화를 상쇄시키기 위해 필수적인 위상 시프트가 종단 방향의 위상 지연에 의해 제공된다. 광선 성분들에 대한 전체적인 광학적 경로 길이차는 횡단 방향을 따라 점진적으로 변화해야 하며, 이는 브래그 법칙에 의해 지배되는 격자 회절 및 간섭 효과에 의해 가능하게 된다.
위에서 논의한 바와 같이, 음의 굴절은 일측 전방 방향으로 후방 시야를 결상시키는 새로운 기능을 가능하게 하며, 동일한 평면 표면, 즉 측면 거울 및 측면 윈도우 상에 2개의 상이한 광학기기 성분들을 결합시키는 효과를 갖는다. 따라서, 음의 굴절 거울에 의한 반사는 종래의 '거울상(mirror imaging)', 즉 상의 좌측과 우측의 반전을 초래하지 않는다는 것을 유의하여야 한다. 이러한 반전되지 않는 거울 반사 효과는 도 4b-c에 도시된 광선 추적도를 참조하여 이해할 수 있다.
빔 포커싱
상술한 바와 같은, 소망하는 방향으로 개구 방사광을 성형하는 수직-쌍극자 개구 어레이의 고유한 능력을 기초로, 도 5a에 도시된 것과 같은 어레이 구조는 종래의 광학기기와는 뚜렷하게 다른 방식으로 빔 포커싱 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 각각의 나노 개구는, 안테나 방사광들의 각도 범위 내의 특정한 방향으로 개구 방사광들이 보강 간섭을 할 수 있도록 특정 배향에 대해 고도로 지향된 방사광 패턴을 생성하는 나노 안테나로서 역할을 하도록 설계될 수 있다.
평면 입사파를 포커싱하기 위한 수직 쌍극자 개구 어레이(300)의 단면도가 도 5a에 도시되어 있다. 상기 어레이(300)는 다수의 경사 배향부(120)들 및 다수의 개구들을 포함하는 박막(115)을 지지하는 기판(도시되지 않음)을 포함한다. 경사 배향부(120)들 중 적어도 2개는 적어도 하나의 개구에 의해 분리될 수 있다. 또한, 경사 배향부들은 입사 방사광이 개구를 통해 투과되고 초점에서 보강 간섭할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 경사 배향부들은 서로에 대해 상이한 각도로 구성될 수 있다. 또한, 서로에 대해 상이한 각도로 구성된 경사 배향부들은 서로에 대해 상이한 주기들을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 개구들을 통해 투과된 빔들이 초점에서 수렴될 수 있도록, 초점에 대해 어느 한 편에 있는 경사 배향부들은 반시계 방향의 각도로 배향될 수 있고, 반면 초점에 대해 그 반대 편에 있는 경사 배향부들은 시계 방향의 각도로 배향될 수 있다.
각각의 개구에 대해 초점까지의 위상 지연은, 투과된 빔들이 초점에서 보강 간섭할 수 있도록, 인접한 개구들의 위상 지연과 2π-라이안 차이가 되도록 설계된다. 이러한 위상 지연은 개구 투과에서의 위상 시프트를 포함한다. 개구 배향, 예컨대, 경사-배향은 또한, 초점 방향으로 주빔을 배향시키도록, 즉, 초점에서 방사광 세기가 최대가 되도록 경사 조절될 수 있다. 호이겐스-프레넬(Huygens-Fresnel) 원리에 따르면, 이것은 고도로 선택된 방향/영역으로의 간섭을 달성하기 위한 기울기(경사) 인자를 바꾸는 것과 등가이다. 이러한 잘 지향된 방사광들을 사용함으로써, 결과적인 빔 프로파일은 종래의 동심원 회절판(zone plate)에 비해 크게 향상될 수 있다.
예를 들어, 종래의 프레넬 동심원 회절판은 불투명 및 투명한 영역들의 대칭적이고 교호하는 구역들로 구성된다. 동심원 회절판에 입사하는 빛은 불투명한 가장자리에서 회절되며 회절된 빛은 공통점들에서 보강 간섭한다. 결과적으로, 구역 가장자리 회절의 지향성에 대한 제어가 없으며, 따라서 간섭 패턴은 통상적으로 다수의 초점들을 만든다. 반면에, 위에서 설명되고 도 5a에서 도시된 것과 같은 수직 쌍극자 개구 어레이는 상대적으로 적은 개수의 슬릿으로도 원거리에 있는 단일한 위치에 예리한 초점을 만들 수 있다.
수직 입사하는 빛에 대한 빔 포커싱의 경우에, 음의 굴절이 수반되지 않을 수도 있으며 나노 개구들을 통해 투과된 방사광은 상술한 바와 같이 초점과 같은 공통점을 향해 고도로 지향될 수 있다.
개별적인 슬릿들로부터의 방사광 패턴들의 고도로 지향된 성질은 근거리에서 원거리까지 단일한 잘 정의된 초점을 허용할 뿐만 아니라, 다른 중요한 이점을 제공할 수 있다. 넓은 각도 범위에 걸쳐 방사광 세기의 1/r-의존성을 보이는 균일한 각 분포를 갖는 원주파(cylindrical wave)의 경우와 달리, 고도로 지향된 개구 방사광은 상당히 감소된 감쇠로 원거리에 있는 초점에 도달할 수 있다. 이는 초점으로부터 멀리 위치한 슬릿들로부터의 기여를 향상시키고 따라서 횡단면 상의 공간 주파수들의 유효 대역폭을 증가시키는 효과를 갖는다. 후자의 효과는 영상의 해상도를 향상시킬 것으로 예측된다. 예를 들어, 도 5b는 어레이 표면으로부터 2λ 거리에 있는 초점을 형성시키도록 설계된 수직 쌍극자 나노 개구의 어레이의 측정 결과를 보인다. 측면 방향의 스캔 프로파일은 초점 스폿에서 210nm의 반치폭(FWHM)을 보인다. 이는 종래의 빔-성형 광학기기에서 달성 가능한 회절 한계 스폿 크기(~0.5 내지 ~1.22λ)보다 크게 작은 λ/3에 해당한다. 원거리 영역에서의 회절 한계를 극복하는 것은 결상 및 포커싱에 있어서 많은 실용적인 응용들을 가능하게 할 것이다.
2차원(2D) 빔 성형을 위한 수직 나노 개구 어레이
상술한 수직 나노 개구 어레이들은 1D 빔 성형 기능을 위한 것이고, 편광에 대해 민감하다(TM-편광된 빛을 잘 투과시키고 TE 파를 차단한다). 여기서 "십자가-개구"(925)로도 부르는 십자가 형태의 나노 개구는 도 9a에 도시된 바와 같이 TE 및 TM 편광 성분들을 모두 투과시킬 수 있다. 도 9a에서 어두운 큰 화살표는 예를 들어 전계(E-field) 방향을 나타낸다.
도 9b에 도시된 바와 같이 2D 어레이로 삽자가 형태의 나노 개구(925)들을 배열함으로써, 편광에 무관한 2D-빔 성형 기능이 수행될 수 있다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 2D 쌍극자 축들(따라서 방사광 패턴들)이 기판 법선으로부터 경사지도록 십자가-개구들은 경사 배향된 금속막 부분들에 형성될 수 있다. 예를 들어, 십자가 개구(925)들은 기판의 경사 배향된 표면(121)들에 위치할 수 있다. 또한, 십자가 개구(925)들은 수평한 표면들 상에도 형성될 수 있다. 십자가 개구(925)는 기판(도시되지 않음)의 수직 계단 부분(127)들에 위치할 수 있다.
부피가 큰 태양전지 및 박막 태양전지에서의 흡수 향상
종래의 격자 구조에서, 격자 주기가 충분히 작게 설계될 때(Λ < λ/2), 0차 빔(직접 투과) 이외에는 격자 회절이 없을 것이다. 수직-쌍극자 개구 어레이들의 경우에, 상술한 바와 같이 0차 투과가 완전히 억제될 수 있다. 그러면 투과된 빛은 어떠한 직접 투과도 없이 음의 각도 방향으로 예리하게 구부러질 것이다. 적절한 격자 벡터(grating vector)가 없기 때문에, 짧은 주기의 격자의 경우에 m = -1에 대한 브래그 조건이 더 이상 유효하지 않다는 점을 유의한다. 투과된 빛은 빔 입사각과 무관하게 고정된 각도로 굴절될 것으로 예상된다.
물질들의 계면에서 (직접 투과 없이) 빛의 예리한 굴절은 제한된 두께의 물질 내에서 빛의 흡수를 향상시키는 데 있어서 잠재적으로 흥미롭다. 예를 들어, 박막에 기반한 광전지 소자에 있어서, 박막 내부로/내부에서 입사광을 예리하게 꺾음으로써, 빛을 흡수하는 박막 내부의 상호작용 길이가 크게 증가할 수 있다. 짧은 주기의 격자들의 경우에 대해 빔 굴절각이 입사각에 무관하게 고정되어 있다는 사실은 태양전지판이 태양을 추적할 필요가 없을 것이라는 흥미로운 가능성을 제공한다.
금속의 코너들에서 공통적으로 관찰되는 깔대기(전계 집중) 현상은 플라즈몬 공정을 요구하지 않는다. 상술한 바와 같이 음의 굴절은 격자 회절을 요구하지 않으며 플라즈몬과 명시적으로 연관되어 있지도 않다는 점을 또한 유의한다. 따라서, 음의 굴절 현상은 낮은 도전성의 금속에서도 역시 관찰 가능할 것이라고 예측된다. 1D 격자 패턴들을 채용함으로써, 전기적 연결성(electrical connectivity)이 전극에 걸쳐 유지될 수 있는 한편, 전체 전극 면적은 음의 굴절을 통해 빛의 향상된 흡수를 가능하게 하는 윈도우로서 역할을 한다. 전극층의 두께는 반사 및 직접 투과를 최소화하는 한편 굴절 투과를 최대화하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 수직 쌍극자 나노 개구 어레이와 같은 나노 슬릿 어레이는 박막 광전지 소자에서의 흡수 향상을 위해 사용될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 전극과 같은 박막(115)은 기판(135)에 의해 지지된다. 본 실시예에서, 기판은 상부 전극 또는 태양을 향하는 전극을 지지하는 종래의 광전지 셀 내의 다른 모든 층들을 포함할 수 있다. 상기 전극은, 예를 들어 태양광과 같은 입사광(130)이 박막을 통해 직접 투과 없이 비스듬한 각도 방향으로 예리하게 구부러지도록, 수직 나노 개구 어레이 내에 패터닝될 수 있다.
광전지 응용을 위하여, 수직 나노 개구 어레이 구조는 또한, 입사광이 비스듬한 각도 방향으로 보내진다고 가정할 때, 양의 굴절 방향에서도 동작할 수 있다. 광전지 소자는 박막 상에 형성된 수직-나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하도록 설계될 수 있으며, 여기서 경사지게 입사하는 방사광이 나노 개구화된 전극을 통해 높은 효율(강한 깔대기 효과)로 직접 투과하고 직접 투과된 빛이 비스듬한 각도로 박막을 통해 전파되도록 상기 전극이 구성될 수 있다. 도 2k에 도시된 데이터에 따르면, 수직 나노 개구 어레이 구조는 경사진 입사각들에서 빛의 상당히 높은 직접-투과, 예를 들어 45도의 입사각에서 400%의 투과 효율을 허용한다. 따라서, 이러한 강력한 깔대기 효과는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 태양전지판들을 측면으로 적층함으로써 광전지 소자의 전력 용량을 증가시키는 이점을 위해 활용될 수 있다.
수직 나노 개구 어레이 구조의 제조
수직 나노 개구 어레이 구조는 다음의 단계들을 따라 제조되었다. 먼저, 주기적인 위치(760nm의 격자 주기)들에 수직 계단(200nm 높이)들을 담고 있는 톱니 프로파일을 형성하기 위하여 석영 기판이 집속이온빔(FIB: Seiko SMI-3050SE) 에칭되었다. 격자 벡터 방향을 따라 더 깊은 에칭을 위하여 체류 시간(dwell time)을 점진적으로 증가시켜가며 Ga 이온빔(30keV; 10-pA 빔 전류)이 사용되었다. 에칭 격자 주기 간격(760nm)이 단계적인 점진적 에칭 방식으로 40개의 서브-블록(19nm 폭 및 50um 길이)들로 분할되었다. 그런 후, 140nm 두께의 Ag 층이 열증착(thermal evaporation)에 의해 계단들 상에 증착되었다. 계단 측벽 상의 금속 증착을 피하기 위하여, 증착 각도는 기판 법선으로부터 약간 기울어졌다(10도). 측벽에서의 결과적인 슬릿 폭은 60nm으로 평가되었다. 이렇게 제조된 25개의 주기적인 격자 샘플에 대해, 패터닝된 면적은 19um×50um이다. 수직 나노 개구 어레이의 투시도인 SEM 영상이 도 7a에 도시되어 있다.
대면적의 수직 나노 개구 어레이 구조의 제조
주기적인 또는 비주기적인 구조들의 대면적 패터닝을 위하여, 홀로그래픽 기술 또는 전자빔 리소그래피가 각각 채용될 수 있다. 홀로그래피에서, 주기적인 격자 패턴들이 포토레지스트 표면 상에 현상되고, 이어서 플라즈마 에칭을 통해 기판에 패턴을 전사하고, 그런 후 메사 에칭된 표면들 상에 금속을 경사 증착(angle deposition)하는데, 그 결과 메사 측벽들에서 수직 나노 개구들의 어레이의 형태를 가져온다(도 10). 홀로그래픽 리소그래피를 위해 UV 레이저(325nm 파장)가 사용될 수 있는데, 이 레이저로 350nm만큼 작은 격자 주기(또는 n = 1.45의 굴절률 매칭 유체를 사용하여 ~250nm의 주기)가 ~1㎠의 패턴 면적으로 얻어질 수 있다. 이러한 홀로그래픽 리소그래피는 노광들 사이에 90° 회전시킨 1D 격자 패턴들의 이중 노출에 의해 2차원 격자 구조들을 형성하는데 사용될 수 있다. 대면적의 비주기적인 어레이들의 경우에 대해, 전자빔 리소그래피가 플라즈마 에칭 및 경사 증착과 함께 채용될 수 있다. 여기서 상술한 수직 나노 개구의 제조를 위해, 중요한 요구 사항은, 위에서 논의된 바와 같이, 기판의 수직 계단 표면과 기판 법선 사이의 각도 α가 최소화될 수 있도록 메사 깊이(mesa depth)가 경사 증착의 금속 두께와 함께 적절하게 설계되고 및/또는 제어될 필요가 있다는 것이다.
제조 공정의 한 예에 있어서, 주기적인 격자 패턴(160)들과 같은 격자 패턴들이 도 10(a)에 도시된 바와 같이 기판(135) 상의 포토레지스트(162) 상에 형성된다. 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 그런 후 메사(135') 및 메사 측벽(136)들과 같은 기판의 오프셋 부분들을 정의하는 메사 에칭된 표면들을 포함하는 메사 패터닝된 기판을 형성하기 위하여, 플라즈마 에칭(164)을 통해 기판(135)에 패턴이 전사된다. 후속하여, 도 10(c)-(d)에 도시된 바와 같이, 메사 에칭된 표면들 상의 금속의 경사 증착(166)은 메사 측벽(17)들과 같은 기판의 수직한 부분들에 수직-나노 개구(125)들의 어레이의 형성을 가져온다.
이러한 수직 나노 개구 어레이 구조의 제조는 플라스틱 필름과 같은 가요성 기판들 상에 적용될 수 있다. 메사 구조화된 기판을 적절히 만곡된 형태(오목 또는 볼록)로 구부림으로써 그리고 상기 만곡된 기판 상에 금속의 경사 증착을 수행함으로써, 수직 나노 개구들이 기판의 상이한 부분들 상에 형성될 수 있다.
종래의 나노 슬릿 어레이의 제조
또한, 평면 내의 수평 쌍극자 개구들을 갖는 종래의 나노 슬릿 어레이 구조가 제조되었다. 이러한 종래의 구조의 SEM 영상이 도 7(b)(상면도; 축척바, 4um) 및 도 7(c)(단면도; 축척바, 500nm)에 도시되어 있다. 먼저, 140nm 두께의 Ag 층이 Ag의 열증착에 의해 석영 기판 상에 증착되었다. 그런 후, 집속이온빔 에칭 기술(Seiko SMI-3050-SE 이중 빔 시스템: 30KeV Ga 이온빔; 10pA 빔 전류)을 사용하여 Ag 층 내에 나노 슬릿 어레이(100nm 폭 및 50um 길이)들이 형성되었다. 나노 슬릿들을 위한 통상적인 에칭 깊이는 200nm이었다. 25개의 슬릿 어레이들의 격자 주기는 760nm이었다.
수직 나노 슬릿 어레이의 특성 측정
나노 슬릿 어레이들을 통한 광학적 투과의 프로파일이 나노 프로브(Veeco Aurora NSOM probe 1720-00: 100nm 두께 Al 코팅; 80nm 직경 개구; 4um의 코어 직경 및 0.11의 NA를 갖는 테이퍼진 단일 모드 실리카 광섬유 상에 형성; Al 코팅된 테이퍼진 부분의 총 길이는 1400um; 완전히 테이퍼진 각도는 4°)를 스캐닝함으로써 촬영되었다. TM-편광된 He-Ne 레이저빔(633nm 파장, 1mm 빔경)이 기판측으로 입사되었으며, 스캐닝 프로브는 나노 개구 어레이의 출사측의 근거리부터 원거리로의 방식으로 스캐닝되었다. 프로브 출력은 광증배관(photomultiplier tube)(Hamamatsu H7468-20)으로 측정되었다. 상기 스캐닝 프로브 실험들은 LabView 7.0(National Instruments)와 상호작용하는 자체 제작한 스캐닝 스테이지 설정(나노 위치 설정용으로 PI E-621.1CD, 서보 제어용으로 E-665.CR)으로 수행되었다.
도 8은 기판 표면에 수직하게 정렬된 나노 프로브 광섬유(250)로 수직 쌍극자 개구들의 어레이를 가로질러 스캐닝함으로써 프로파일을 얻기 위한 공정을 도시한다. 스캔 범위는 (화살표(270)로 표시된 바와 같이) 수평 방향으로 60um이고 (화살표(271)로 표시된 바와 같이) 수직 방향으로 40um이었다. 스캐닝의 스텝 크기는 수평 및 수직 방향으로 각각 50nm 및 157nm이었다.
추가적인 실시예들
여기서 개시된 나노-광학 구조는, 예를 들어, 광전지 소자의 활성층 내로 입사광을 결합(즉, 투과)시키는 메커니즘을 변경하도록 설계된다. 종래의 굴절 광학기기 원리에 의해 지배되는 부피가 큰 유전체 계면에서의 투과/반사의 경우와 달리, 입사광은 나노-광학 수직 쌍극자 어레이를 통해 고굴절률의 활성층(예컨대, 실리콘) 내로 비스듬한-각도 투과(glancing-angle transmission)를 만들 수 있다. 따라서 넓은 범위의 입사각에 걸쳐 투과 효율이 높아질 수 있다. 활성층 내에 결합된(투과된) 광이 비스듬한 각도 방향(평면내 방향(in-plane direction))을 따라 진행하기 때문에, 활성층 내의 경로 길이는 층 두께보다 훨씬 커질 수 있다.
수직 쌍극자 어레이를 통한 광학적 투과는 비스듬한 각도 입사에 대해 비가역적(non-reciprocal)이 되도록 설계될 수 있는데, 이는 활성층 내에서 비스듬한 각도로 진행하는 광에 대해 나노-광학 전극이 우수한 거울로서 역할도 할 수 있다는 것을 의미한다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 전면(405) 상의 비가역 투과 전극(415)이 공진 공동 구조(435)를 형성하기 위해 바닥측 반사기(407)와 결합될 때, 활성층(139) 내에 결합된 입사광(130, 130', 130")이 포획되며, 그럼으로써 박막 방향(433)으로 전파되는 동안 완전히 흡수된다.
비스듬한 각도의 투과/전파로, 입사광은 접합 전계(junction field)가 발달하는 곳에서 대부분 흡수될 수 있다. 이는 재료 품질에 대한 의존성을 줄이면서 광 발생 전하의 수집 효율을 향상시키는데, 이는 박막 태양전지를 위한 특히 중요하고 유리한 특징이다.
도 11b의 데이터에 관하여, 위에서 논의된 수직-나노 슬릿 투과의 입사각 의존성은 나노-개구화된 금속층에 걸쳐 빛의 비가역적 투과를 제공한다. 또한 위에서 논의된 바와 같이, 이러한 현상은 박막 태양전지에서 빛의 흡수를 크게 향상시키는 목적을 위해 활용될 수 있다. 예를 들어, 도 14c에 도시된 바와 같이, 유전체층(실리콘 박막)은 나노 개구화된 금속층(115)과 금속막(407) 사이에 끼워져 있다. 상부 전극(115)은 경사진 입사에 대해 높은 투과성을 갖도록 설계된다. 나노 개구 어레이를 통해 유전체 내로 결합된 입사광은 비스듬한 각도 방향으로 전파되며 바닥 거울에 의해 뒤로 반사된다. 바닥에서 반사된 빛은 이제 음의 입사각 방향으로 상부 거울에 입사하는데, 상기 음의 입사각 방향에 대해 상부 전극층(115)은 높은 반사성을 갖는다. 비가역적 투과와 바닥측 반사 기능을 결합한 이러한 구성은 수직 방향으로 입사광을 포획하는 것을 허용하는 한편, 포획된 빛의 평면내 전파를 지원한다. 이는 거울로서 작용하는 2개의 박막들 사이의 다중 반사들을 통해 유전체 내에서 빛의 경로 길이를 증가시킨다.
위에서 설명한 샌드위치 구조는 페브리-페로 공진기(Fabry-Perot cavity)로서 모델링될 수 있다. 공진기 영역에서의 흡수 향상은 다음의 성능 지수 F = AQ로 표현될 수 있으며, 여기서 A는 활성층의 흡수도이고 Q는 FP 공진기의 품질 인자이다. Q는 거울의 반사도 R1 및 R2, 활성층의 흡수 계수 α, 및 박막 두께 t에 의해 다음과 같이 결정된다:
Figure pct00003
.
작은 박막 두께를 갖는 약한 흡수 매질에 대해(αt ≪ 1), Q-인자는 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure pct00004
.
Q-인자는 입력 에너지를 소진시키기 위한 진동(왕복 반사)들의 개수를 나타낸다. 상기 공식을 참조하면, 흡수 향상은 다음의 전망으로부터 올 것으로 예측된다. 먼저, 비스듬한 전파 그 자체는 유효 흡수 계수(α/cosθ)를 증가시키는 효과를 가지며, 둘째, FP 공진기는 (1/[(1-R1)(1-R2)])의 인자에 의해 유효 전파 길이를 증가시킨다. 수직 쌍극자 나노 슬릿 어레이에 대한 수용뿔(acceptance cone)의 각도 범위 내에 입사광이 도달하고 상부 거울에 대해 R1 = 0.8~0.9 및 바닥 거울에 대해 R2 = 0.97~0.99라고 가정하면, 공진기에서의 흡수 향상(경로 길이 증가)은 170~1000로 예측된다. 이는 종래의 무작위 추출(randomization)에 기반한 램버시안 한계인 4n2(n=3.5에 대해 ~50)보다 훨씬 더 큰 것이다.
위에서 논의한 바와 같이, 수직 쌍극자 나노 개구 어레이와 같은 어레이는 본 발명에 따라 박막 광전지 소자에서 흡수를 향상시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 나노 개구 어레이는 태양전지 기판(135) 상에 형성되거나 또는 나노-광학 전극과 같은 전극(115)으로서 태양전지의 활성층(139) 상에 직접 형성될 수 있다. 그렇게 형성된 어레이는 활성층 내로 빛을 결합시킬 수 있으며, 그럼으로써 광 흡수 및 광전하(photocarrier) 수집과 같은 광전지 공정의 근본적인 성능 특성을 향상시키고 향상된 소자 효율을 가져올 수 있다. 수직 나노 개구 어레이는, 도 12a-12b에 도시된 바와 같이, 활성층 내에서 입사광(130)을 비스듬한 각도 방향(112')으로 향하게 하고, 그 결과 유전체와 상호작용하는 빛의 특성을 변경시킨다. 예를 들어, 수직 나노 개구 어레이(1200)는 메사 패터닝된 기판(135)의 메사 부분(135')의 수직한 부분(127)들에 형성된 수직 나노 개구(125)들을 통한 투과에 의해 입사광(130, 130', 130')을 기판(135) 내에서 비스듬한 각도(112', 112")로 향하게 한다. 나노 개구 어레이(1200)에서, 전극막(115)은 수직한 계단 표면(127)들에 형성된 나노 개구(125)들에 의해 분리된 오프셋부(122)들로 구성된다. 수직한 계단 표면(127)은 상술한 바와 같이 기판(135)을 에칭하여 형성된 메사(135')의 측벽을 정의한다.
따라서, 넓은 범위의 입사각(130, 130', 130")들에 대해, 본 발명의 나노 슬릿 어레이는 활성층(139) 내로의 빛의 경사진 투과 및 높은 산출량의 조합을 제공할 수 있으며, 그 결과 주어진 박막 두께에 대해 증가된 광학적 경로 길이 덕분에 흡수를 향상시킨다. 바꾸어 말하자면, 수직 나노 슬릿 어레이는 경사진 입사에서 빛의 비가역적 투과를 가능하게 한다. 예를 들어, 태양전지에 결합될 때, 도 13a-13c에 도시된 바와 같이, 상기 어레이는 따라서 전파 및 거의 완전한 흡수가 되는 동안 입사광이 활성층(139) 내에 포획되도록 하며 다중 반사(133)를 겪게 한다.
본 발명의 나노-광학 전극는 따라서, 한편으로 높은 도전성을 제공하기 위한 금속 두께 또는 적용 범위와 다른 한편으로 종래의 광전지 설계들의 투명성 요구조건들 사이의 상충하는 요건들과 관련된 문제들을 해결한다. 본 발명의 수직 나노 슬릿 어레이들의 사용에 의해 비스듬한 각도 투과 및/또는 전파가 가능하게 되어, 대부분의 빛은 태양전지 내에서 접합 전계가 발달하는 금속/활성층 계면 근처에서 흡수될 수 있다. 이는 광 발생된 전하들의 향상된 수집 효율을 가져오며, 이는 박막 태양전지를 위한 특히 중요하고 유리한 특징이다.
큰 경사 각도까지 및 이를 포함하는 넓은 범위의 입사각에 걸친 높은 산출량의 투과는 상술한 바와 같이 나노-광학 전극들의 사용에 의해 가능하게 된다. 이는 태양 추적을 불필요하게 하며 일조량(solar irradiance)의 최대 흡수를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 경사 입사 모드의 동작은 도시 영역에서의 적용에 적당하다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 수직 나노 슬릿 어레이는 광전지 패널(PV 패널) 상에 결합된 태양전지 상의 나노-광학 전극으로서 활용된다. PV 패널들은 건물의 외관(facade), 측벽 및 지붕에 설치될 수 있으며, 그럼으로써 통상적으로 제한된 양 및 제한된 조사 각도로만 받을 수 있는 입사 태양 에너지의 최대 수광을 제공한다.
편광되지 않은 빛을 위한 2D 어레이
위에서 논의된 수직 쌍극자 금속 나노 슬릿 어레이 구조는 입사광이 TM 편광이라고 가정한다. 그러나, 편광되지 않은 빛의 TE 편광 성분은 금속 상의 쌍극자 진동의 직접적인 여기를 만들 수 없으며, 따라서 슬릿을 통해 투과할 수 없다. 이러한 문제를 처리하기 위하여, 즉, 이러한 편광 성분의 비스듬한 각도 투과도 역시 가능하게 하기 위하여, 도 16에 도시된 바와 같이 추가적인 슬릿 어레이가 형성될 수 있다. 그러한 2D 어레이(1600)에서, 추가된 격자 벡터는 입사 평면에 대해 수직이다. 어떠한 입사 각도에 대해서도, 전계는 이러한 추가된 격자 구조의 수직한 측벽들에 대해 항상 수직하다. TM의 경우와 유사하게, 나노 슬릿 방사광 패턴은 비스듬한 각도 방향으로 경사져 있다. 그러나, TM의 경우와는 달리, 이러한 나노 슬릿 투과의 전파 방향은 입사빔 방향에 대해 수직이다. 상기 2D 어레이는 편광되지 않은 빛(TM과 TE 편광 성분 모두)의 결합을 위해 설계된, 적어도 2개 세트의 1D 격자 구조들을 포함할 수 있다. 1D 격자 구조들은, 예를 들어, 도 1D에 도시되고 위에서 설명한 톱니 프로파일의 경사 배향된 구조들로서 구성될 수 있다. 적어도 하나의 1D 격자 구조는 한 방향으로 연장될 수 있으며, 다른 1D 격자 구조 중 적어도 하나는 다른 방향으로 연장될 수 있다. 1D 격자 구조들은 공통의 점으로부터 연장될 수 있으며 0 내지 90°의 범위 내의 각도로 분리될 수 있다.
도 16a에 도시된 바와 같이, 2D 나노 개구 어레이 구조(1600)는 도 16b에 도시된 제 1 방향으로 연장되는 1D 격자 구조와 도 16c에 도시된 제 1 방향으로 연장되는 다른 격자 구조를 포함할 수 있다. 상기 격자 구조들은, 금속층이 증착되는 톱니 프로파일을 갖는 상부 표면과 함께 형성된 공통의 기판을 공유할 수 있다.
상술한 몇몇 실시예들에서, 박막은 기판에 의해 지지되는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 따라서, 박막은 스스로 지지될 수도 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 투과된 방사광 방향이 조절될 수 있도록 경사 배향부들이 상이한 각도들로 조절 가능하다. 추가적으로, 기판은 가요성일 수도 있고 경성일 수도 있다.
본 발명의 상술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된 것이다. 개시된 형태에 본 발명을 한정하도록 의도된 것이 아니며, 상술한 설명에 비추어 또는 변형 및 변경이 가능하며 또는 본 발명의 실무로부터 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 도면 및 상세한 설명은 본 발명의 원리 및 그의 응용을 설명하기 위하여 선택되었다. 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구범위 및 그의 균등물에 의해 한정된다.

Claims (31)

  1. (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 상기 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 입사 방사광의 방향을 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않은, 수직 쌍극자 어레이 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 하나 이상의 개구에 의해 분리되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막은 높은 도전성 재료를 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막은 Ag, Au, Al, Cu, Cr, 그래핀, 그래파이트 또는 도전성 산화물을 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 배향부들은 발산하는 입력빔이 콜리메이팅된 평행빔으로서 투과되도록 서로에 대해 상이한 각도들로 경사 배향되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 배향부들은 입사 방사광이 개구들을 통해 투과되어 초점에서 보강 간섭하도록 하는 각도로 경사 배향되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구들은 균일한 격자 주기로 분리되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구들은 불균일한 격자 주기로 분리되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 배향부들은 입사 방사광의 -1차 투과를 우선적으로 지원하도록 구성되어 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막을 지지하는 기판의 표면은 적어도 하나의 수직한 계단 표면에 의해 분리되어 있는 경사 배향된 표면들을 포함하는 톱니 프로파일을 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막을 지지하는 기판의 표면은 적어도 하나의 수직한 계단 표면에 의해 분리되어 있는 경사 배향된 표면들을 포함하는 톱니 프로파일을 포함하며; 상기 경사 배향된 표면들은 서로에 대해 실질적으로 평행한 수직 쌍극자 어레이 구조.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 개구들은 상기 박막의 불연속성을 정의하는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 음의 굴절률의 메타 물질을 포함하지 않는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 배향부들은 상이한 각도들로 경사 배향되도록 조절될 수 있는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  15. 제 1 항에 있어서,
    방사광이 거울상 효과 없이 투과되는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  16. (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 상기 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 입사 방사광이 상기 개구를 통해 투과되어 초점에서 보강 간섭하도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않은, 수직 쌍극자 어레이 구조.
  17. (A) 기판을 제공하는 단계 및 (B) 상기 기판의 표면에 박막을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 박막은 개구들 및 경사 배향부들의 어레이를 포함하고 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는, 수직 쌍극자 어레이 구조의 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    적어도 하나의 수직한 계단 표면에 의해 분리된 경사 배향된 표면들을 포함하는 톱니 프로파일을 갖도록 상기 기판의 상부 표면을 에칭하는 단계를 더 포함하는, 수직 쌍극자 어레이 구조의 제조 방법.
  19. 박막 상에 형성된 수직 나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하며, 상기 전극은 입사 방사광이 상기 박막을 통한 직접 투과 없이 비스듬한 각도 방향으로 구부러지도록 구성되는, 광전지 소자.
  20. 박막 상에 형성된 수직 나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하며, 상기 전극은 경사진 입사 방사광이 상기 나노 개구화된 전극을 통해 직접 투과하고 상기 직접 투과된 방사광이 상기 박막을 통해 비스듬한 각도로 전파되도록 구성되는, 광전지 소자.
  21. (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 상기 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 편광에 무관하도록 구성된, 2D 수직 나노 개구 어레이 구조.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 개구들 중 적어도 하나는 십자가형 개구인 2D 수직 나노 개구 어레이 구조.
  23. 홀로그래픽 리소그래피로 기판 및 상기 기판에 의해 지지되는 박막을 패터닝하는 단계, 및 상기 박막 위에 경사 증착으로 금속을 제공하는 단계를 포함하는, 대면적 상에 수직 나노 개구 어레이들을 형성하는 방법.
  24. (A) 다수의 오프셋부(offset portion)들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 오프셋부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 오프셋부들은 입사 방사광의 방향을 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는, 수직 쌍극자 어레이 구조.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 박막을 지지하는 상기 기판의 표면은 메사 패턴을 포함하는 수직 쌍극자 어레이 구조.
  26. (A) 다수의 경사 배향부들을 포함하는 박막을 지지하는 (B) 기판을 포함하며, 여기서 (ⅰ) 상기 박막은 다수의 개구들을 구비하고, (ⅱ) 상기 경사 배향부들 중 적어도 2개는 개구에 의해 분리되어 있으며, (ⅲ) 상기 경사 배향부들은 입사 방사광의 방향을 양 또는 음의 굴절 방향으로 바꾸도록 구성되고, (ⅳ) 상기 박막은 음의 굴절률의 메타 물질로 구성되지 않는, 수직 쌍극자 어레이 구조.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구들을 통해 투과된 방사광은 약 0.5λ보다 작은 스폿 크기를 갖는 빔 포커싱 기능을 위해 주어진 스폿에서 보강 간섭하는, 수직 쌍극자 어레이 구조.
  28. (A) 거울막, (B) 상기 거울막 상에 형성된 박막, 및 (C) 상기 박막 상에 형성된 수직-나노 개구 어레이를 포함하는 전극을 포함하며, 여기서 상기 전극, 박막 및 거울막은 페브리-페로 공진기 구조로서 구성되는, 광전지 소자.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전극 및 거울막은 투과된 빛이 상기 거울막에 의해 반사되도록 구성되는 광전지 소자.
  30. 박막 상에 형성된 적어도 하나의 제 1 1D 격자 구조, 및 상기 박막 상에 형성된 적어도 하나의 제 2 1D 격자 구조를 포함하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 1D 격자 구조들은 편광되지 않은 빛이 상기 박막 내에 결합되도록 구성되는, 2D 수직 나노 개구 어레이 구조.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 1D 격자 구조 및 제 2 1D 격자 구조의 각각은 수직 나노 개구 어레이 구조인, 2D 수직 나노 개구 어레이 구조.
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