KR20150001749A - 광학장치 - Google Patents
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Abstract
전자파 원과 결합하도록 구성된 장치가 제공된다. 이 장치는 소정의 광학 파장에서 방사선의 강도를 증가시키기 위해 구성된 광학 메타 물질을 포함한다. 광학 메타 물질은 소정의 파장보다 크지 않은 크기를 갖는 주기적 반사 요소를 갖는다.
Description
본 발명은 전자기원(electromagnetic source)의 출력을 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 소정의 파장으로 발생원으로부터 나오는 방사선의 세기를 증가시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광원의 효율성을 증가시키는 장치에 관한 것이다.
소비자/가정용 수준에서 오늘날 널리 사용되는 광원에는 백열등, 컴팩트 형광등(compact-fluorescent: CFL) 및 발광 다이오드 (LED)의 세 가지 주요 유형이 있다.
다양한 광원의 광 효율은 그 발광 효율에 관하여 와트당 루멘(lm/W) 단위로 측정할 수 있다. 이것은 벽면 콘센트에서 전원을 받는 광원 장치에서 방사되는 루멘의 양이다. 촛불은 0.3 lm/W의(눈금의 하단에 위치) 발광 효율을 갖는 반면 이상적인 녹색 단색레이저는 683 lm/W 부근의 발광 효율을 가진다. 이러한 레이저는 가장 효율적인 광원이며, 효율 범위의 상단을 차지한다. 광원이 작은 방을 적절히 조명하는 데 필요로 하는 광 출력의 양은 약 1000 루멘이다. 효율적인 광원의 목적은 가능한 최소의 전력을 소비하면서 이 정도 광 출력에 도달하는 것이다.
백열 전구는 발명 사상 최초의 전구로서 전기를 빛으로 변환한다. 그 주요 기술은 금속 필라멘트를(일반적으로 텅스텐) 빛날 때까지 가열하여 매우 높은 온도로 유지하는 것에 의존하고 있다. 이 기술은 처음 200년 전에 개발되고 19세기 후반에 상용화되었다. 그것은 우리의 눈이 주로 익숙한 태양에 의해 방출되는 빛의 스펙트럼을 닮은, 그래서 인간의 눈에 아주 편안한 유형의 빛(스펙트럼)을 제공한다. 이것이 흑체 라디에이터(black body radiator)의 스펙트럼이다.
그러나 백열 전구는 거기서 발생하는 광 출력에 비해 전력 소모가 매우 높아서 매우 비효율적인 광원이다. 예를 들어, 60W 백열 전구는 15 lm/W 부근의 발광 효율을 가지므로 약 900 루멘의 빛을 방출한다. 백열 전구의 효율이 이렇게 낮은 것은 가열 과정이 수반되기 때문이다. 입력 전력(약 90 %)의 대부분은 유용한 가시광으로서가 아니라 적외선 주파수에서 열로 방출된다.
컴팩트 형광등 램프는 백열 전구를 대체하고 발광(luminescence) 현상, 즉 자외선(ultraviolet: UV) 광을 빛으로 변환함에 따라 동작하도록 설계되었다. CFL은 일반적으로 수은과 아르곤 등의 불활성 가스를 포함한다. 가스를 포함하는 튜브의 단부에 전기가 공급되면 그 힘으로 가스 화합물 중의 수은 원자가 UV 파장에서 에너지를 방출하게 한다. 이 UV 광은 튜브의 특수 화학 코팅에 의해 흡수되고 발광을 통해 가시 광선으로 재방출된다. 화학 코팅은 한 종류 이상의 형광체(phosphor)로 구성되어 있는데, 형광체 각각이 다른 파장 범위의 빛을 담당하여 방출한다.
이 방법은 가열을 수반하지 않기 때문에 CFL의 발광 효율은 약 70 lm/W으로서 백열등보다 4 배 이상 더 효율적이다. 동시에 그 수명은 백열전구에 비해 10배 더 길다. 그러나 CFL의 광 품질은 백열 전구가 발하는 빛의 근처에도 못 갈 정도이다. 그 이유는 CFL이 발하는 빛의 스펙트럼이 백열등에 의해 더 자연스럽게 생성되는 빛에 비해 완전히 다른 것이기 때문이다. 이용할 수 있는 최신형 전구는 LED이다. 이들은 고체소자이며 작은 직류(DC) 전압이 그 단자들 사이에 인가될 때 빛을 방출한다. 이 기술은 수십 년 동안 이용되고 있으며, 밝은 백색광을 항상 필요로 하지 않는 전자 기기와 같은 특정 시장에서는 저전력 LED 라이트가 일상적으로 사용되어왔다. 지난 10년 동안 LED는 가까운 장래에 가장 입지를 굳힐 조명 기술이 될 가능성이 큰 소비자 조명 제품을 향해 분발해 왔다. 그 요인은 LED의 발광 효율이 이론적 최대치 300 lm/W에 도달할 수 있기 때문인데, 이 수치는 백열 전구에 비해 20배 더 높고 CFL에 비해서는 다섯 배 더 높은 것이다. 이와 함께 LED는 30 년에 도달할 수 있는 수명이며, 좋은 LED 램프를 구입하는 것은 소비자의 관점에서 안전한 장기 투자가 된다.
현재 구할 수 있는 소비자용 LED 램프는 일반적으로 "40 와트 상당"의 낮은 와트 수에 한정되어 있었다. 그 의미는 그러한 LED 램프는 약 5 ~ 10 W의 전력만을 소비하면서도 40W 백열 전구와 같은 빛(광도)를 방출한다는 것이다. 현재 실용적인 LED 램프의 대표적인 발광 효율이 약 70 ~ 100 lm/W으로서 CFL에 상응한다. 모든 LED는 방향성이 있는데, 그 때문에 제조자들은 가정용 및 다른 조명 용도로 사용하기 위한 광산란을 만들기 위해 반사체 및 각종 광 확산 코팅 또는 수지 하우징을 반드시 추가하고 있다.
이러한 유형의 광원들에는 각각의 단점들이 있다. 백열등은 효율이 매우 낮고 광 출력과 비교하여 불균형적인 대전력을 소모한다. CFL은 효율을 개선하였지만 광 품질을 희생한 것이어서 장시간 노출 후 불편을 초래한다. LED는 효율이 뛰어나지만 그 절대 발광 출력은 다른 종류의 광원에 비해 낮다.
본 발명은 기존의 광원이 지금 보여주는 제약의 일부를 해결하는 데 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 독립 청구항에 정의되어 있다.
백열 램프 또는 발광 다이오드(LED)와 같은 전자기원과 결합하도록 구성된 장치가 제공된다. 이 장치는 일정한 배열의 반사 소자들 또는 일정한 격자 같은 주기적인 반사 요소를 포함하는 적어도 하나의 광학 메타물질을 포함한다. 주기적 반사 요소는 서브 파장 크기, 즉 가시광 파장 이하 크기(sub-wavelength dimension)를 가진다.
특히, 제공되는 장치는 기존의 전자기원들과 연결(couple), 연동(engage) 또는 전자기원을 수신하여 효율(efficiency 또는 efficacy)을 증가시키는 등 출력의 향상을 가져올 수 있다. 선택적으로 더 발전한 실시예에서 이 장치는 공진용 공동(cavity)을 형성하도록 구성될 수 있다.
유리하게, 이 장치는 특정 파장 또는 파장 대역에서 공진하도록 조정(tuning) 가능하다. 더욱 유리하게, 이 장치는 수동형이고, 그로 인하여 에너지 효율이 향상된다.
도 1은 가로 세로 Lx * Ly의 직사각형 또는 직경 L의 원형 디스크를 포함하는 주기적인 반사 요소에 대한 몇 가지 단위 셀을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 x와 y의 각 차원의 공간주기 Dx와 Dy를 갖는 주기적 2차원 어레이 형태로 배열된 단위 셀을 포함하는 예시적 광학 메타물질을 나타내는 도면이다.
도 3은 평면 광학 메타물질 표면이 옆에 배치된 방사선원(radiation source)이 완전반사면 옆에 자리한 것(왼쪽)과 메타물질의 존재 없이 방사선원이 그 반사면 옆에 자리한 것(오른쪽)을 나타내는 도면이다.
도 4는 구형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고, 투명 지지체 재료 위에 구형으로 배열된 반사 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 원통형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고 원통형 배열의 반사 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 평판형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고 평면 배열의 PRS 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 7A는 평판형 공동 예의 측면도로서, 반사체/기판과 반사 소자 어레이 사이의 떨어진 거리 S를 나타내는 도면이다.
도 7B는 메타물질의 여러 층을 포함하는 평판형 공동 예의 측면도이다.
도 8A는 평면 메타물질 셀들의 원통형 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 8B는 도 8A를 더 상세하게 나타내는 도면이다.
도 9는 원통형 공동들의 원통형 배열 예를 나타낸다.
도 10은 구형 공동들의 원통형 배열 예를 나타낸다.
도 11A는 원통형 셀들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 11B는 평판형 셀들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 12A는 구형 공동들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 12B는 평판형 공동들의 구형 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 x와 y의 각 차원의 공간주기 Dx와 Dy를 갖는 주기적 2차원 어레이 형태로 배열된 단위 셀을 포함하는 예시적 광학 메타물질을 나타내는 도면이다.
도 3은 평면 광학 메타물질 표면이 옆에 배치된 방사선원(radiation source)이 완전반사면 옆에 자리한 것(왼쪽)과 메타물질의 존재 없이 방사선원이 그 반사면 옆에 자리한 것(오른쪽)을 나타내는 도면이다.
도 4는 구형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고, 투명 지지체 재료 위에 구형으로 배열된 반사 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 원통형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고 원통형 배열의 반사 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 평판형 공동 안에 기판 상 배치된 LED 다이가 포함되고 평면 배열의 PRS 소자들이 이들을 둘러싸는 예를 나타내는 도면이다.
도 7A는 평판형 공동 예의 측면도로서, 반사체/기판과 반사 소자 어레이 사이의 떨어진 거리 S를 나타내는 도면이다.
도 7B는 메타물질의 여러 층을 포함하는 평판형 공동 예의 측면도이다.
도 8A는 평면 메타물질 셀들의 원통형 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 8B는 도 8A를 더 상세하게 나타내는 도면이다.
도 9는 원통형 공동들의 원통형 배열 예를 나타낸다.
도 10은 구형 공동들의 원통형 배열 예를 나타낸다.
도 11A는 원통형 셀들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 11B는 평판형 셀들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 12A는 구형 공동들의 평면 배열 예를 나타내는 도면이다.
도 12B는 평판형 공동들의 구형 배열 예를 나타내는 도면이다.
전체 도면에서, 동일 또는 유사한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 지칭한다.
메타물질은 음의 굴절률이나 전자기적 투명망토(cloaking) 현상 같이 자연적으로 일어나지 않는 전자기적 물성을 실현할 수 있는 인공 생성물이다. 메타물질의 이론적 특성은 1960년대에 처음 설명된바 있지만, 지난 10~15 년 사이에 그러한 재료의 설계, 엔지니어링 및 제조에 있어서 중요한 진전이 있었다. 메타물질은 일반적으로 다수의 단위 셀, 즉 다수의 개별 소자로 구성되는데, 각 소자는 동작 파장보다 훨씬 작은 크기를 갖는다. 이러한 단위 셀들은 금속과 유전체 등 전통적인 재료로써 미시적으로 구축되고 있다. 그러나 그들의 정확한 모양, 형상(geometry), 크기, 방향(orientation) 및 구성(arrangement)은 종래와 다른 방식으로 육안으로 보일만큼(macroscopically) 빛에 영향을 미칠 수 있다. 가령 거시적(macroscopic) 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)에 상당하는 공명이나 비정상값(unusual value)을 생성할 수 있다.
접할 수 있는 메타물질의 몇 가지 예로는 음굴절(negatie index) 메타물질, 카이랄(chiral) 메타물질, 플라즈몬(plasmonic) 메타물질, 광학(photonic) 메타물질 등이 있다. 그 광 파장 이하 크기 특성 때문에, 마이크로파 주파수에서 동작하는 메타물질들은 몇 mm의 전형적인 단위 셀 크기를 갖는 한편, 스펙트럼의 가시 부분에서 동작하는 메타물질들은 수 밀리미터의 전형적인 단위 셀 크기를 가진다. 메타물질들은 특정 좁은 범위의 주파수에서 빛을 강하게 흡수할 수 있다.
종래의 재료에 있어서 투자율과 유전율 등의 전자기 파라미터는 그 재료를 구성하는 원자와 분자가 거기를 통과하는 전자파에 응답하는 것에서 유래한다. 메타물질의 경우 이러한 전자기적 물성은 원자 또는 분자 수준에서 결정되지 않는다. 대신 이러한 속성은 더 작은 메타물질을 구성하는 개체의 집합의 선택과 구성에 따라 결정된다. 비록 개체의 집합과 그 구조가 기존의 재료와 같이 원자 수준에서 "보이는" 것은 아니지만, 메타물질의 설계는 전자파가 마치 기존재료를 통과하는 듯이 거기를 통과할 것이라는 전제로 실시할 수 있다. 또한, 메타물질의 특성은 그 정도로 작은(나노) 개체의 조성물 및 구조에서 결정할 수 있기 때문에, 유전율 및 투자율과 같은 메타물질의 전자기 특성을 정확하게 아주 작은 스케일로 정확히 조정할 수 있다.
방사 성능 증강을 위한 광학
메타물질
주기적 반사 요소를 갖는 광학 메타물질이, 소정의 파장으로 전자파 원으로부터 방사되는 방사선의 강도를 증가시키도록 구성되어 제공된다. 주기적 반사 요소는 소정의 파장보다 크기가 작다. 주기적 반사 성분은 "가시광 파장 이하" 크기를 가진다고 할 수 있다.
일 실시예에서 주기적 반사 요소는 각 반사 소자가 소정의 빛의 파장보다 크지 않은 제 1 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 반사 요소들의 일정한 배열을 포함한다.
일 실시예에서, 이 주기적 반사 요소는 단위 셀의 2차원 주기적 어레이 또는 배열을 포함한다. 이 단위 셀들은 평면적으로 배치되고, 예를 들어 직사각형 또는 원형인 반사 요소(101)로 구성되어 있다(도 1a 참조). 유닛 셀은 주 형상(즉, 직사각형 또는 원반)뿐만 아니라 일부 주위 공간(103)도 포함하고, 공간(103)은 반사 소자들에 대한 지지 구조체 역할을 하는 유전체 재료로 구성된다. 도 2가 이것을 더 분명히 보여주는데, 여기서 전체 배열은 Nx * Ny 개의 소자(201)가 서로에 대해 Dx와 Dy 거리로 떨어져 배치된 것으로 나타나 있다. 이러한 형상 변수(geometric parameter)들은 "필 팩터(fill factor)"를 정의하기도 하는데, 이는 어레이에 의해 덮인 표면적의 비율이다. 이것은 도 2의 예에서 f=(D x D y )/(L x L y )와 같다.
다른 실시예에서 주기적 반사 요소는 소정의 빛의 파장 이하의 일 치수인 주기성을 갖는 규칙적인 격자를 포함한다. 즉, 상보적 디자인을 이용할 수 있어서, 단위 셀이 유전체 공간(105)을 반사 격자(107)로 둘러쌓는 구성으로 된 것도 가능하다(도 1b 참조). 즉, 어레이의 반사 요소와 유전체 구성 요소를 서로 바꾸어 놓았다.
반사 요소는 금속 같은 균질재료 및 브래그(Bragg) 반사기를 포함하는 복합 재료 및 나노 복합 재료를 포함한 모든 반사 재료로 형성할 수 있다. 반사 요소는 예를 들어 은, 금 및/또는 알루미나 또는 광 주파수에서 플라즈몬 공명(plasmonic resonance)을 지원하는 어떠한 다른 금속으로도 형성할 수 있다.
반사 요소의 구성재료는 자체 반사성(자립성)을 가질 수 있지만, 그 재료가 특정 퍼센트의 반사성을 가질 수 있다는 점을 알 수 있다. 예를 들어, 실버 시트가 특정 주파수에서 반사율 99.999 %를 가질 수 있다. 즉, 재료는 완전 반사체처럼 작동한다. 당업자는 유전체 지지 구조체 상의 나노 스케일 반사 요소를 제조하는 데 적합한 어떠한 기술도 좋다는 것을 이해할 것이다. 다수 실시예에서 에칭 또는 전자빔 리소그래피와 같은 리소그래피 기술이 이용된다. 다른 실시예들에서는, 자가 조립 화학 공정이 이용된다. 다수 실시예에서, 반사 요소는 지지 구조체에 내장될 수 있다.
도 1과 도 2는 단순 예시 목적으로 직사각형 소자들을 보여주지만 어떤 다른 일정한 형태라도 적합하다.
다수 실시예에서, 지지 구조체는 플렉스 글래스(Plexiglass) 또는 퍼스펙스(Perspex) 같은 열가소성 수지이다. 다른 실시예들에서, 지지 구조체는 폴리카보네이트, 복합 재료(예를 들어, SiO2 및 열가소성 수지), 유리 또는 실리카이다. 그러나 다른 열적으로 안정한 재료도 마찬가지로 적절하다.
광 주파수에서 금속은 매우 손실이 많기 때문에, 실시예들에서는 금속 유전체 및/또는 낮은 손실 및 높은 열 안정성을 동시에 달성하는 유전체 재료와 복합 재료가 적합하다.
일반적으로, 본 발명에 따른 Lx와 Ly는 다른 설계변수, 가령 소정의 파장에 따라 20 ~ 2000 nm이다. 반사 요소의 두께는 관심 파장의 1/50 이상인 것이 일반적이다. 실시예들에서 반사 요소는 표피 깊이보다 큰 두께를 가진다.
메타물질은 "필 팩터"를 가짐을 알 수 있다. 즉, 그 부분만큼의 메타물질 표면적이 반사성이다. 예를 들어, 절반의 표면적이 반사성인 경우, 메타물질은 50 %의 필 팩터를 가질 수 있다. 매타물질의 전체 반사율 또는 투과율은 필 팩터에 의해 결정된다. 따라서 메타물질의 전체적인 반사율이 주기적 반사 요소의 파라미터의 선택에 의해 미리 결정될 수 있는 장치(arrangement)가 제공된다.
본 발명의 실시예들은 효율성을 개선하기 위해 가시 파장을 강화하기 관한 것이다. 따라서 증폭 또는 강화할 소정의 파장은 일반적으로 2000 nm 미만이다. 그러나 본 발명은 100~30000 nm 범위의 파장에 동일하게 적용 가능하다.
바람직하게는 적절하게 배치된 때 실시예들에 따른 광 메타물질은 소정 파장의 방사 강도를 증가시키는 것을 발견했다. 이것은 광학 메타물질의 독특한 특성을 조정하는 능력에 기인한다. 주목할 사실로서, 본 발명자들은 본 발명에 따라 구성된 광학 메타물질이 예를 들어, 소정 파장의 광원으로부터의 빛을 증폭시키기 위해 이용될 수 있고 효율성을 증가시킬 수 있음을 인식했다.
반사 및 투과 소자들의 "서브 파장" 주기적인 배열은 주기적인 반사 요소가 공진 주파수(또는 파장)에서 공진 할 수 있도록 해준다. 적어도 부분적인 공진이 발생하는 공진 주파수를 중심으로 좁은 주파수 대역이 존재할 수 있는 점을 당업자는 이해할 것이다. 자기 공진 주파수는 입사각에 의존한다. 실시예들에서, 주기적 반사 요소의 파라미터는 메타물질이 소정의 파장에서 공진하도록 선택된다. 이 공진을 메타물질의 '자기 공진'이라고 할 수 있다. 이 공진 주파수에서, 공진 주파수 방사는 적어도 부분적으로 메타물질에 "잡힌 상태(trapped)"가 되어, 예를 들면 증폭이 보강 간섭(constructive interference)에 의해 일어날 수 있다. 메타물질은 "도파관" 내부에 필드(field)가 둘러싸여 수용되는 일종의 도파로를 형성한다.
공진 주파수에서는, 필 팩터가 100 %가 아니라면 그렇지 않겠지만 주기적 반사 요소의 전체적인 반사율이 0-10 %로 떨어지는(즉, 투과율이 90~100 %까지 상승하는) 것으로 알려져 있다. 따라서 장치는 공진 주파수에서 방사선원의 방사선을 증폭하고 투과한다. 그에 따라 전자파 원과 결합하도록 구성된 장치를 제공하여 소정의 빛의 파장에서 방사선 강도를 증가한다. 이것은 소정의 파장보다 크지 않은 크기를 갖는 주기적 반사 요소를 갖는 광학 메타물질을 제공함으로써 달성된다.
본 발명자들은 메타물질이 자기 공진을 하기 위해서는 최소 개수의 단위 셀이 필요하다는 것을 발견하였다. 바람직하게는, 본 발명자들은 메타물질이 하나의 치수에서 길이로 적어도 2.5λ를 필요로 하는(여기서 단위 셀은 서브 파장) 점을 확인했다.
실시예들에서, 본 발명의 장치는 예를 들어, 다중 대역(multiband) 광학 성능을 제공하기 위해 메타물질의 층들을 더 포함한다. 즉, 일 실시예에서, 장치는 적어도 하나의 제 2 광 메타물질을 포함하는데, 이 물질은 제 2 소정 파장에서 방사선원으로부터의 방사선 강도를 증가시키도록 구성된 주기적 반사 요소를 갖는다. 두 광학 메타물질을, 예를 들어 적층하여 결합할 수 있다. 실시예들에서, 제 2 메타물질의 반사 성분의 주기는 첫 번째 메타물질의 그것과는 다르다. 따라서 다중 대역 성능을 달성할 수 있다. 실시예들에서 부분적으로 중첩하는 소정의 파장들을 갖는 다수의 상이한 광학 메타물질들이 결합하여 의사 광대역(pseudo-broadband) 응답을 제공할 수 있다. 실시예들에서, 본 발명의 장치에는 다수의 광학 메타물질의 구성이 포함되어 있어 효율성 향상을 제공할 수 있다.
실시예들에서, 본 발명자들은 추가적인 메타물질 층들이 mλ/2 간격(m은 정수)을 갖는 것이 바람직함을 발견하였다. 당업자는 추가적인 메타물질을 제 1 메타물질과 동일한 것으로도 하여 소정의 파장의 강도를 더욱 증가시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이 장치는 예를 들어 공동의 내부 또는 외부 어느 한곳에서 자외선 및 청색 광을 백색광으로 변환하는 형광체 같은 형광 물질을 더 포함할 수 있다. 형광체는 메타물질의 비 반사 부분을 코팅하여 예를 들어, 다른 주파수 응답을 제공할 수 있다. 형광 재료는 지지체 재료에 내장될 수 있다.
광학 메타물질을 포함한 공동
주목할 점으로서, 본 발명자들은 광학 메타물질과 반사체에 의하여 적어도 부분적으로 구분되는 개구를 형성함으로써 소정의 파장의 강도를 더욱 증가시킬 수 있음을 발견하였다.
발광 장치가 제공되고, 이 장치는 적어도 부분적으로 광학 메타물질과 반사체에 의해 구분되는 공동, 및 공동 내의 전자파 원을 포함하고; 광학 메타물질은 전자기 원으로부터의 방사선을 수신하여 소정의 빛의 파장에서 방사선의 강도를 증가시키도록 구성된 주기적 반사 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서는 "개방된" 평판형 공동이 제공된다. 평판형 공동의 효과는, 본 실시 형태에 의하면, 도 3에 시뮬레이션으로 나타낸 것과 같고, 도면은 평면형의 반사체 위 방사선 소스 옆에 광학 메타물질이 배치되었을 때 전계 진폭이 증강되는 것을 보여준다. 도 3(왼쪽)은 방사선 소스가 반사체(소스 왼쪽)와 광학 메타물질(소스 오른쪽) 사이에 포함된 것을 나타낸다. 광학 메타물질은 도 3(오른쪽)에는 존재하지 않는다. 도면들에 나타낸 그레이 레벨(grey level)은 소정의 파장에서의 방사선 강도를 나타낸다(흰색은 높은 강도 표시).
실시예들에서 광학 메타물질과 반사 표면 사이의 최적 거리는 다음 식에 의해 주어지는 것으로 나타났다:
여기서 λ0는 자유 공간에서의 파장이며, m은 정수이고 φ(θ)는 광학 메타물질의 반사 계수 위상(reflection coefficient phase)이다.
반사 계수 위상, 또는 반사 계수의 위상은 당해 기술 분야에서 알려진 용어이다. 그것은 반사에 의한 위상 변이(phase shift)에 대한 정보를 제공한다. 임의의 주어진 재료에 대해 반사 계수 위상은 예를 들면, 네트워크 분석기를 사용하여 이론적 또는 실험적으로 결정될 수 있다. 반사 계수 위상은 입사각에 따른다. 반사 계수 위상은 메타물질의 공진 주파수에 대한 정보를 포함한다.
위의 식에서 파라미터 S는 공동의 "공진 거리"라고 생각할 수 있다. 공동의 공진과 메타물질의 자기 공명 사이를 구별 지을 수 있다.
위의 식을 충족하는 S의 값에서, 공동의 공진이 달성되고 방사선이 공동으로부터 방출된다. S가 공진 거리에서 증가 또는 감소하면 방출되는 방사선의 양이 많이 감소한다. 따라서 필요한 기준이 충족되지 않으면 방사선을 포착(trap)하는 일종의 광 스위치 또는 필터를 제공하는 것도 생각할 수 있다. 전송 대역폭은 일반적으로 몇 nm이다.
예를 들어, 반사 계수 위상의 전형적인 값 φ = -150o이고 m=1이면, λ0=532nm 부근의 동작에 대한 최적의 떨어진 거리는 22.1 nm이다. 도 3의 실시예에서는 Dx=99.3nm, Dy=227.0nm, Lx=92.2nm이고 Ly=216.3nm가 된다. 반사 계수 위상은 단위 셀의 S-파라미터를 측정함으로써 얻어진다. 파라미터 m은 정수이며, 큰 m의 값들도 이용하여 반사기와 광학 메타물질 표면 사이 거리 S를 원하는 값으로 조정할 수 있다. 실시예들에서, m은 설계 파라미터에 따라 15 미만이다.
이 메타물질의 개념은 설계자에게 제어 가능한 반사율을 제공할 자유를 주는데, 일정한 크기에 일정거리로 떨어진 원형소자들을 특별한 기하학적 패턴, 예를 들면, 2차원 주기적 형상(geometry)으로 적용하여 그러한 반사율을 제공한다. 이 구성은 다양한 특수 패턴, 예를 들어 상이한 소자 크기들, 모양들, 주기성(periodicity) 등을 이용하여서도 달성할 수 있다. 이로써 광학 메타물질의 반사율을 완전히 제어하여 예를 들어, 50%, 60%, 99% 반사율 등을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명자들은 부분적으로 반사하고 부분적으로 투과하는 광 메타물질을 제공함으로써 공동의 형성이 가능함을 인식하였다. 이상의 설명으로부터 광학 메타물질 자체가 소정의 자기 공진 주파수와 소정의 반사율을 제공하도록 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 본 발명자들은 공동의 공진 주파수가 메타물질의 자기 공진 주파수와 중첩되는 경우 상당한 증폭이 달성할 수 있는 것을 밝혀냈다. 두 공진 주파수가 중첩되고 공동이 그 주파수에서 방사선에 의해 펌핑된 경우, 방사선이 축적되고 그 방사선은 메타물질을 통과한다. 당업자이면 공진 주파수들과 소정 주파수들을 여기에서 언급하지만 주파수라고 하면 대역폭을 포함해서 말한다는 것을 이해할 것이다. 그 대역폭은 비교적 좁아도 된다. 실시예들에서, 개구에서 "방출되는" 방사선은 낮은 대역폭을 가진다.
적어도 위 설명으로부터 출사 광선의 출사 각도θ는 +/-60도(평면 배열 축에 수직) 사이에서 조정될 수 있는 것도 이해할 수 있다. 임의의 주어진 출사 각도에 대해서도 해당 반사 계수 위상을 찾을 수 있다.
실시예들에서 반사체는 금속 표면 같은 완전 반사면이다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 반사체는 다른 광학 메타물질일 수도 있다. 다른 실시예들에서, 반사체는 복합 또는 나노 복합 재료 또는 브래그 반사체이다.
실시예들에서 메타물질의 반사 소자들은 광원의 주위에 배치되고 공동의 형상으로 광원을 둘러싼다. 이 광원은 공동 바닥면에 또는 공동 체적 내부 어딘가에 위치할 수 있다. 당업자는 이 명세서로부터 장치의 정확한 동작이 공동의 반사율 변경에 의해 조정될 수 있음을 이해할 것이다.
구형 또는 반구형 공동
일 실시예에서 구형 또는 반구형 공동이 형성된다. 이 설정은 도 4에 나타나 있다. 예를 들어, LED 다이일 수 있는 광원(401)이 평판형 반사 기판(403) 위에 배치된다.
위 설명에서 이해할 수 있듯이, 평판형 기판은 선택적이며, 또는 예를 들어, 반사형이 아니어도 된다. 구형 지지체 재료가 기판과 LED 다이 위에 배치된다. 지지체 재료는 공동을 채울 수 있다. 그 다음 반사 소자일 수 있는 단위 셀(405)이 지지 재료 상면에 배치되어 구의 중심을 향하고 있다. 필요에 따라 형광재료(형광체)를 공동의 내부 또는 외부에 포함할 수 있다. 실시예들에서 기판 및/또는 반사 요소의 반사면들은 금속을 사용하거나 브래그 거울 같은 저손실 반사체를 사용하여 생성할 수 있다. 당업자이면 표시된 단위 셀의 수는 예시만을 목적으로 하고, 어떠한 수의 단위 셀이라도 좋다는 것을 이해할 것이다. 실시예들에서 그 정확한 숫자는 첨부 도면에 나타낸 것보다 훨씬 많다.
원통형 또는 반 원통형 공동
다른 실시예를 도 5에 나타내었다. 예를 들어, LED 다이일 수 있는 광원(501)이 반사성을 갖거나 갖지 않을 수 있는 평판형 기판(503) 위에 배치된다. 원통형 지지체 재료가 기판과 LED 다이 위에 배치된다. 반사 소자들(505)이 지지 재료 상면에 배치되어 그 중심을 향하고 있다. 필요에 따라, 형광재료(형광체)를 공동의 내부 또는 외부에 포함할 수 있다. 기판 및/또는 반사 요소의 반사면들은 금속을 사용하거나 브래그 거울 같은 저손실 반사체를 사용하여 만들 수 있다.
평판형 공동
평판형 구성을 갖춘 실시예는 도 6에서 볼 수 있다. 예를 들어, LED 다이일 수 있는 광원(601)이 반사성 또는 비 반사성일 수 있는 평판형 기판(603) 위에 배치된다. 직사각형의 지지체 재료가 기판과 다이 위에 배치된다. 그 다음 반사 소자들(605)이 지지 재료 상면에 배치된다. 필요에 따라, 형광재료(형광체)를 공동의 내부 또는 외부에 포함할 수 있다. 기판 및/또는 반사 요소의 반사면들은 금속을 사용하거나 예를 들어, 브래그 거울 같은 저손실 반사체를 사용하여 만들 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예들에서, 새로운 메타물질을 추가 레이어로 첨가하여 예를 들어 광대역 응답과 같은 다중 대역 응답을 제공할 수 있다. 도 7a는 하나의 광학 메타물질(701) 하나를 포함하는 평판형 공동을 개략적으로 나타낸다. 도 7b는 3개의 광학 메타물질(703,705,707)을 갖는 평판형 공동의 예를 개략도로 나타낸다. 당업자는 임의 개수의 광학 메타물질이 사용될 수 있는 점을 이해할 것이다.
본 발명자들은 메타물질의 반사율이 높을수록 공동 내의 필드는 강해지면서 방출되는 방사선의 대역폭은 낮아지는 절충 관계가 있다는 것을 발견하였다. 특히, 대역폭과 공동 성능 사이의 유리한 균형은 66~75 %의 반사율을 가진 메타물질을 사용하여 얻을 수 있음을 본 발명자들이 밝혀냈다. 실시예들에서, 이는 에너지 이득을 3배에서 5배 증가하는 것으로 나타났다.
본 발명자들은 또한 다중 공동 설계를 제공함으로써 이득과 대역폭 간의 절충을 더욱 해결하였다.
다중 공동
일 실시예에서 다중 소스 및 평판형 공동을 갖는 장치가 제공된다. 다중 공동은 예를 들어, 원통형 기판에 배치될 수 있다. 각 공동은 다른 형상(geometry)을 가질 수 있어서, 다른 형상 및/또는 크기의 반사 소자들이 있을 수 있다. 이렇게 하여 각 공동이 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서 발광할 수 있어서, 전체적인 출력이 예를 들어, 백색광처럼 광대역이 된다. 각 공동은 제 1(m=1) 공진을 일으키지 않는지도 모르지만, 더 고차의 공진을 이용할 수 있다.
다중 공동의 실시예는 도 8-12에 나타나있다.
다중 공동 실시예들에서, 각 공동은 전체 시스템 대역폭을 향상시키기 위해 다양한 모양과 크기의 주기적 소자들을 사용할 수 있다. 따라서 다중 공동을 설치하고, 각 공동이 빛의 소정의 파장을 중심으로 최적으로 작동하도록 공동을 튜닝한다. 모든 공동의 합성 광출력은 예를 들어, 가시광 스펙트럼 전체에 걸쳐 백색 조명을 생성할 수 있다.
실시예들은 백열등과 LED에 관련되지만, 본 발명은 임의의 단방향 또는 무 지향성 광원을 포함한 모든 광원에 동일하게 적용 가능하다.
바람직하게는, 실시예들에 따른 시스템은 기존 전자기 소스(예 : 백열 필라멘트 및 고체 광원)를 위한 "추가 기능" 구성 요소로 이용될 수 있다. 이 장치는 수동적이어서, 외부 전원 또는 능동 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
실시예들에 따른 장치는 광 스펙트럼의 특정 파장 범위에서 광 출력을 증가시킨다. 이 장치는 전체 대역에 걸쳐 협대역 광원의 밝기(예를 들면, 레이저 또는 LED)을 증가시키도록 조정되거나 광대역 광원의 밝기를 증가시키도록 조정될 수 있다. 실시예들은 발광 효율성을 증가, 즉 장치가 입력 와트 수로부터 빛을 더 잘 생성하도록 하는 데 관련된다. 이를 달성할 수 있는 방법으로서 단일 공동 형상을 구성(즉, 평판형, 원통형 또는 구형 단일 공동)하여 고효율을 달성하고, 공동 없는 소스에 비해 소정의 방향에서 높은 와트 당 루멘을 제공할 수 있다. 이러한 공동의 다수를 예를 들어 평판형, 원통형 또는 구형으로 집단 배열하면 각각의 고효율로 다중 광선을 달성할 수 있다. 이것은, 차례로, 전 광속(luminous flux)을 증가시킨다.
본 명세서의 가시 광선에 대한 언급은 예시일 뿐이며, 본 발명은 적외선 및 자외선에 동일하게 적용 가능하다.
태양들 및 실시예들을 상술하였지만, 본 명세서에 개시된 발명의 개념에서 벗어나지 않고 변형들이 이루어질 수 있다.
101: 반사요소 103: 공간
105: 유전체 공간 107: 반사 격자
201: 소자 401: 광원
403: 평판형 반사기판 405: 단위 셀
501: 광원 503: 평판형 기판
505: 반사 소자 601: 광원
603: 평판형 기판 605: 반사 소자
701: 메타물질 703, 705, 707: 광학 메타물질
105: 유전체 공간 107: 반사 격자
201: 소자 401: 광원
403: 평판형 반사기판 405: 단위 셀
501: 광원 503: 평판형 기판
505: 반사 소자 601: 광원
603: 평판형 기판 605: 반사 소자
701: 메타물질 703, 705, 707: 광학 메타물질
Claims (27)
- 전자파원과 결합하도록 배치되고 하나의 광학 메타물질을 포함하는 장치로서, 상기 광학 메타물질은 소정의 광학 파장에서 방사선의 강도를 증가시키도록 구성되고 주기적 반사 요소를 가지며, 상기 주기적 반사 요소는 상기 소정의 광학 파장보다 크지 않은 크기를 갖는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 주기적 반사 요소는 일정한 배열의 반사 소자들을 포함하고, 각 반사 소자는 상기 소정의 광학 파장보다 크지 않은 제 1 치수를 가진 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 주기적 반사 요소는 상기 소정의 광학 파장보다 크지 않은 한 차원의 주기를 갖는 규칙적인 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주기적 반사 요소는 유전체에 의해 지지가 되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 메타물질은 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정의 광학 파장은 전자기 스펙트럼의 가시 부분인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사선의 강도의 증가는 발광 효율(luminous efficacy)의 증가인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정의 광학 파장은 대역폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치가 수동(passive)인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기
광학 메타물질은 형광 물질, 선택적으로 형광체(phosphor)를 더 포함하여 상기 소정의 광학 파장의 방사선을 다른 광학 파장, 선택적으로 가시 파장으로 변환하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 반사체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 반사체는 완전 반사면, 선택적으로 금속인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 반사면은 주기적 반사 요소를 갖는 제 2의 광학 메타물질인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사체는 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 메타물질과 반사체는 각각 전자파원을 받아들이도록 구성된 개방 또는 밀폐 공동을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동은 상기 소정의 광학 파장의 방사선을 소정의 각도 θ로 상기 광학 물질에 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 광학 메타물질과 반사체는 다음 식으로 정의되는 거리 S만큼 공간적으로 떨어져 있고,
여기서 φ(θ)는 소정 각도에서의 반사 계수 위상이고, λ0는 소정의 파장이며, m은 정수인 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 광학 메타물질과 적층된 다른 광학 메타물질을 더 포함하고, 상기 다른 광학 메타물질은 제 2의 소정 광학 파장에서 상기 전자기파원으로부터의 상기 방사선의 강도를 증가시키도록 구성된 주기적 반사 요소를 가진 것을 특징으로 하는 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 제 2의 광학 메타물질의 상기 주기적 반사 요소의 주기는 상기 하나의 광학 메타물질의 상기 주기적 반사 요소의 주기와 다른 것을 특징으로 하는 장치.
- 방사선 방출 장치로서,
광학 메타물질과 반사체에 의해 적어도 부분적으로 구분되는 공동; 및
상기 공동 내의 전자파원;
을 포함하고,
상기 광학 메타물질은 상기 전자파원으로부터 방사선을 수신하여 소정의 광학 파장에서 방사선의 강도를 증가시키도록 구성된 주기적 반사 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 방출 장치. - 제20항에 있어서, 상기 주기적 반사 요소는 각각 상기 소정의 광학 파장보다 크지 않은 제 1 치수를 가지는 반사 소자들을 일정한 배열로 포함하거나, 상기 소정의 광학 파장보다 크지 않은 한 차원의 주기를 갖는 규칙적인 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 방출장치.
- 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 반사체는 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 방사선 방출장치.
- 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동이 평판형, 적어도 부분적으로 구형, 반구형 또는 적어도 부분적으로 원통형인 것을 특징으로 하는 방사선 방출장치.
- 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 소정의 광학 파장의 빛을 소정의 각도로 상기 광학 물질에 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방사선 방출장치.
- 상기 광 방출장치들이 평면 배열 또는 원통형 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는, 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 방사선 방출장치들의 어레이.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 장치, 방사선 방출장치 또는 방사선 방출장치들의 어레이로서, 상기 전자파원이 백열 램프; 발광 다이오드; 컴팩트 형광등; 및 레이저를 포함한 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 장치, 방사선 방출장치 또는 방사선 방출장치들의 어레이.
- 본 명세서에 기재 또는 첨부 도면에 도시한 것과 실질적으로 같은 장치, 방사선 방출장치 또는 방사선 방출장치들의 어레이.
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