KR20160057950A - 메타물질 기반 테라헤르츠파 변조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 온도에 따라 유전체 - 메탈 상전이 또는 유전율이 변화하는 물질로 이루어진 박막 위에, 정사각 고리 형태로 형성되는 메타물질 구조인 제1 패턴; 및 상기 제1 패턴의 상호 마주보는 두변의 중심에서 상기 제 1 패턴의 외측으로 연장되어 형성되어, 상기 상전이 물질 및 상기 메타물질의 특성변화를 야기하는, 전압 인가용 도선을 포함하는, 테라헤르츠파 변조기를 제공한다.

Description

메타물질 기반 테라헤르츠파 변조기{TERAHERTZ WAVE MODULATOR BASED ON METAMATERIAL}

본 발명은 메타물질 기반 테라헤르츠파 변조기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상전이 물질 위에 형성된 메타물질 구조에 직접 연결되는 도선에 인가되는전압을 변화시키는 간단한 방법으로 테라헤르츠파를 변조할 수 있는 테라헤르츠파 변조기에 관한 것이다.

테라헤르츠파는 전자기파 스펙트럼에서 마이크로파와 원적외선의 중간 영역에 해당하는 0.1 ~ 10 THz 대역의 전자파로, 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가지고 있으며, 분자 운동의 진동주파수 영역이 테라헤르츠파 주파수 대역에 존재하여 물질의 성분 분석에 적합한 전자파로 알려져 있다.

대부분의 테라헤르츠파 대역에서 연구되는 기술은,테라헤르츠파 생성 및 검출 기술과 테라헤르츠파의 특성을 이용한 응용 기술에 집중되고있다. 이에 따라, 테라헤르츠파 대역에서 사용 가능한 소자 개발은 마이크로파와 광파 대역에 비교하여 매우 부족한 상태이다.

또한, 테라헤르츠파 기술을 보다 다양한 분야에 응용하기 위해서는, 테라헤르츠파 대역에서 사용 가능한 다양한 종류의 능동 및 수동 소자의 개발이 필수적이다. 그러나, 테라헤르츠파 주파수 대역에서 대부분의 자연계 물질의 전기적, 자기적 특성이 소자 개발에 적합하지 않아 소자 개발이 지연되고 있다.

이러한, 테라헤르츠파 주파수 대역에서의 소자 개발의 한계를 해결하기 위한 대안으로, 인공적으로 물질의 특성을 조절할 수 있는 메타물질이 제시되고 있다.메타물질은 메탈이나 유전체 물질을 이용하여, 파장에 비하여 매우 작은 구조를 주기적으로 배열함으로써, 전체적으로 균일한 물질로 인식되도록 인공적으로 형성한 물질이다. 이러한 메타물질은 음굴절률, 클로킹 기술 등과 같이 자연계에서 존재하지 않는 특이한 성질을 만들어 낼 수 있어 많은 관심을 받고 있다.

메타물질의 경우, 그 구조가 파장 대비 매우 작은 크기로 형성되어야 하므로 광학 주파수 대역보다는 일반적인 광리소그래피 기술로 메타물질 구현이 가능한 테라헤르츠 대역에서 활발히 연구된다.

테라헤르츠 메타물질은,메타물질을 형성하는 기판의 특성에 따라 달라지므로 기판 유전율의 실수부와 허수부를 변화시킴으로 메타물질의 공진 주파수와 공진 진폭을 변화시킬 수 있다. 또한, 메타물질을 형성하는 기판은 외부 에너지 즉, 광학적 펌핑, 전압 인가, 온도 변화 등을 통하여 그 특성 변화가 가능하다.

전술한 바와 같은, 메타물질을 이용하여, 테라헤르츠파의 다양한 특성을 변조할 수 있는데, 메타물질을 이용한 테라헤르츠파의 변조 기술은 2006년 미국 로스알라무스 국립 연구소의 메타물질을 이용한 테라헤르츠파 투과를 조절할 수 있는 기술이 대표적이다.

본발명은, 상전이 물질의 전도율변화를 야기할 수 있는 전압 인가용 도선을 메타물질 구조와 공유하는, 테라헤르츠파 변조기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은, 메타물질에 직접 전압을 인가하는 용이한 방법을 통해 상전이 물질로 이루어진 박막의 특성 변화를 유도하여 메타물질의 특성을 조절하여 테라헤르츠파를 변조할 수 있는, 테라헤르츠파 변조기를 제공하고자 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 상전이 물질로 이루어진 박막; 상기 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 상전이 물질로 이루어진 박막 위에, 폐루프 형태로 형성되는 메타물질 구조인 제1 패턴; 및 상기 제1 패턴의 상호 마주보는 두변의 중심에서 상기 제1 패턴의 외측으로 연장되어 형성되어, 상기 상전이 물질 및 상기 메타물질의 특성변화를 야기하는, 전압 인가용 도선;을 포함하는, 테라헤르츠파 변조기를 제공한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기는 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 상기 전압 인가용 도선을 중심으로 대칭되도록, 상기 제1 패턴의 외각을 따라, 상기 제1 패턴과 일정 간격을 두고, 상기 상전이 물질로 이루어진 박막 위에 형성되는 메타물질 구조인 제2 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 제2 패턴은,

상기 전압 인가용 도선과는 직접적으로 연결되지 않거나, 또는 상기 전압 인가용 도선과 연결되는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 제 1 패턴의 폐루프 형태가 정사각, 직사각, 원형, 타원, 또는 삼각형 폐루프 형태인 것이 가능하다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기는 폐루프 공진기 형태이고, 전압인가형 도선과 연결되고, 다중 공진 형태를 만들 수 있는 상기 제 1 패턴의 내부 또는 외부에 형성되는 제 n 패턴(n은 3 이상)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 상전이 물질은, 온도에 따라서 전도율이 변화하는 물질인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 상전이 물질은, 온도에 따라서 유전율이 변화하는 물질인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 상전이 물질은, 특정 온도에서 금속에서 절연체로 상전이하는 물질인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 상전이 물질은, 이산화바나듐(VO₂)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 제1 패턴 또는 상기 제2 패턴으로 입사하는 테라헤르츠파의 전계 방향은, 상기 전압 인가용 도선과 수직한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기에 있어서, 상기 제1 패턴 또는 상기 제2 패턴으로 입사하는 테라헤르츠파의 전계 방향은, 상기 전압 인가용 도선과 평행한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 테라헤르츠파 변조기를 이용하는 테라헤르츠파 대역 센서를 제공한다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기는 메타물질 구조에 직접 연결되는,전압 인가용 도선을통해, 상전이 물질의 특성변화가 메타물질 특성변화를 가능하게 함으로써, 메타물질의 변조특성을 전압인가라는 간단한 방법을 통하여 용이하게 조절할 수 있다.

본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기는 인가하는 전압의 변화를 통하여, 간단하게 상전이 물질의 특성을 변화시키고 이러한 상전이 물질의 변화가 메타물질로 전달될 수 있어, 다양한 메타물질 테라헤르츠 능동형 소자에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 메타물질을 센싱에 사용할 경우,메타 물질의 특성 변화를 직접 연결된 전압 인가용 도선을 통해 전기적으로 쉽게 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)에 모드 1의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)에 모드 2의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에 모드 1의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에 모드 2의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.
도 7은, 도6(b)에 도시된 테라헤르츠파 통과대역에서 이산화바나듐 박막 도전율 변화에 따른 투과 계수 변화 특성을 동작 주파수 별로 도시한 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 그리고 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기에 대하여 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는, 제1 패턴(110) 및 전압 인가용 도선(120)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는, 도 1에 도시된 제1 패턴(100) 및 전압 인가용 도선(120)을 하나의 단위 셀로 하는, 복수개의 단위 셀로 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 제1 패턴(110)은, 정사각형의 고리 형태로 형성되고, 테라헤르츠파에 반응하여 공진하는, 메타물질구조이다. 일실시예에 따른 제1 패턴(110)은, 상전이 물질로 이루어진 박막 위에 형성된다.

또한, 일실시예에 따른 제1 패턴(110)은금속으로 형성된 전압 인가용 도선(120)과 직접적으로 연결될 수 있다.

일실시예에 따른 전압 인가용 도선(120)는, 도 1에도시된 바와 같이, 제1 패턴(110)의 네개의 변 중 상호 마주보는 두변의 중심에서, 제1 패턴(110)의 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 전압 인가용 도선(120)은 정사각 고리 형태의 제1 패턴(110)에 가로 방향으로 직접 부착될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는, 테라헤르츠메타물질인 제1 패턴(110)에 직접 연결된 전압 인가용 도선(120)을 통하여, 메타물질에 손쉽게 기능성을 부과할 수 있으며, 메타물질에서 발생하는 특성변화를 전기적으로 측정할 수 있고, 제1 패턴(110)인 메타물질 및 메타물질이 형성된 기반인 상전이 물질의 변화를 용이하게 야기할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일실시예에 따른 제1 패턴(110)은, 상전이 물질로 이루어진 박막 위에 형성될 수 있는데, 본 발명에 따르면, 상전이 물질은 테라헤르츠파 대역 내에서, 특정 온도가 되면 금속에서 절연체로 상전이하는 특성을 가진 물질을 의미한다.

이러한 상전이 물질에는, 이산화바나듐(VO₂)이 포함될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 패턴(110)은 이산화바나듐(VO₂) 박막 위에 형성될 수 있다.

이산화바나듐은 특정 온도(340K)에서 절연체에서 금속으로 상전이 되는 특성을 가지고 있는 물질로서, 온도에 따라서 이산화바나듐의 격자 구조가 변하며, 유전체상에서 금속상으로 변하여 물질의 도전율 변화를 일으킨다. 이와 같은 이산화바나듐의상변화는 온도뿐 아니라 광학적 또는 전기적인 방법으로 조절이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 패턴(110)은, 전압 인가용 도선(120)을 통하여 이산화바나듐의 특성 변화를 만들어 내는 열을 전기적으로 조절할 수 있는 히터 기능 및 공진형 메타물질의 기능을 모두 가질 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 패턴(110)은, 인가된 전압에 따른 전류 흐름이 균일하게 분포될 수 있어, 인가된 전압 변화에 따라 발생하는 열 에너지 변화가 제1 패턴(100) 아래에 형성되어 있는 이산화바나듐 박막의 물질 특성 변화를 균일하게 만들어 낼 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 이산화바나듐 박막 위에 형성된 제1 패턴(110)에 전압 인가용 도선(120)을 통해 전압을 인가함에 따라, 이산화바나듐과 같은 상전이 물질의 전도율 등이 변화하게 되고, 이러한 변화가 다시 제1 패턴(110) 즉, 메타물질에 변화를 주게 됨에 따라, 테라헤르츠파의 변조가 가능해질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 메타물질 구조인 제1 패턴(110)에 직접 연결된 전압 인가용 도선을 통하여 메타물질구조가 상전이 물질(예를 들어, 이산화바나듐)로 이루어진 박막의 특성 변화를 유도하게 되어, 메타물질의 변조 특성을 인가 전압으로 손쉽게 조절할 수 있다.

일실시예에 다른 테라헤르츠파 변조기(100)의 주기길이(cell_w)는 100 ㎛ 일 수 있으며, 단위 격자인 정사각 고리 구조의 제1 패턴(110)의 가로 길이(leng)는 70 ㎛ 일 수 있다. 또한, 전압 인가용 도선(120)의 폭(w)은 5 ㎛ 일 수 있다.

전압 인가용 도선(120)의 폭은 전류 에너지와 열 에너지 변환 특성에 영향을 줄수있어, 전압 인가용 도선(120)의 폭을 변화시켜,인가되는 전압의 크기를 조절할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1 패턴(110)은,이산화바나듐 박막 위에 형성될 수 있는데, 이산화바나듐 박막 증착용 기판으로는, 부도체 상태의 이산화바나듐과 유전율이 유사하고 이산화바나듐 증착용 기판으로 많이 쓰이는 두께 430 ㎛ 의 알루미나(Al₂O₃)를 사용할 수 있으며, 이산화바나듐의 두께는 100 nm 일 수 있다. 또한, 메타물질 형성용 메탈로 두께 200 nm의 금이 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기에 포함되는 단위 셀의 메타물질 구조는 가로 방향과 세로 방향이 동일하지 않으므로, 메타물질에 입사되는 테라헤르츠파 전계 방향에 따라 테라헤르츠파 변조기의 특성이 다르게 나타날 수 있는데, 이에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.

일실시예에 따른 제1 패턴(110)이 형성된, 이산화바나듐 박막은 절연체 상일때,테라헤르츠 대역에서 투명하고, 유전상수는 9 이다. 또한, 이산화바나듐 박막의 유전 특성은 이산화바나듐 박막의 도전율 변화에 의존하고 이산화바나듐 박막의 도전율은 열, 입사광 및 인가된전압에 따라 변화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 전압 인가용 도선(120)을 통해 메타물질인 제1 패턴(110)에 전압을 인가하는 간단한 방법을 통하여, 이산화바나듐 박막의 도전율을 변화시킴에 따라, 메타물질의 변조 특성을 인가 전압으로 손쉽게 조절할 수 있게 된다.

도 1 에 도시된 바와 같이 이산화바나듐 박막 위에 형성된 메타물질 구조인 제1 패턴(110)의 위쪽 방향에서 제1 패턴(110)가 형성된 기판 방향으로 평면파를 입사하고, 평면파의 전계(E) 방향이 전압 인가용 도선(120)과 평행한 경우를 모드 1, 전계(E) 방향이 전압 인가용 도선(120)에 수직한 경우를 모드 2로 설정하였다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구조를 살펴보도록 한다. 도 2는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 테라헤르츠파 변조기에 제2 패턴(212)을 더 포함한 형태로, 이중 공진형 구조를 가지고 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)는, 제1 패턴(211), 제2 패턴(212) 및 전압 인가용 도선(220)을 포함할 수 있으며, 도 2에 도시된 제1 패턴(211), 제2 패턴(212) 및 전압 인가용 도선(220)을 하나의 단위셀로 하는, 복수개의 단위셀로 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 제1 패턴(211)은, 도 1을 참조로 하여 살펴본 바와 같이, 정사각형의 고리형태로 형성되고, 테라헤르츠파에 반응하여 공진하며, 메타 구조를 기반으로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 패턴(211) 역시, 금속으로 형성된 전압 인가용 도선(220)과 직접적으로 연결되며, 상전이 물질 예를 들어, 이산화바나듐 박막 위에 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 인가용 도선(120)는, 도 2에도시된 바와 같이, 제1 패턴(211)의 네개의 변 중 상호 마주보는 두변의 중심에서, 제1 패턴(211)의 외측으로 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 전압 인가용 도선(220)은 정사각 고리 형태의 제1 패턴(211)에 가로 방향으로 직접 부착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 제2 패턴(212) 역시, 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 전압 인가용 도선(220)을 중심(축)으로 대칭되도록, 제1 패턴(211)의 외각을 따라, 제1 패턴(211)과 일정 간격을 두고 형성된 메타물질 구조이다. 이때, 제2 패턴(212)은 도 2에 도시된 바와 같이, 정사각 고리 형태에서 일부가 잘려나간 변형된 정사각 고리형태를 가질 수 있으며, 제1 패턴(211)과는 연결되지만, 전압 인가용 도선(220)과는 직접적으로 연결되지 않을 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 제2 패턴(212)은, 제1 패턴(211)의 외부에 형성된, 전압 인가용 도선(120)에 대칭인 변형된 정사각 고리의 형태를 가지며, 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)는, 제1 패턴(211)을 통해 1차 공진을 유도하면서 외부에 부착된 제2 패턴(212)을 이용하여 2차 공진을 추가적으로 발생시킬 수 있다.

또한, 제2 패턴(212) 역시, 제1 패턴(211)과 동일하게, 이산화바나듐과 같은 상전이 물질로 이루어진 박막 위에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 패턴(212)의 폭은제1 패턴(211)의 폭과 동일할 수 있으며, 전압 인가용 도선과 연결되지 않으며 그 갭(g)은 전압 인가용 도선(220)의 폭과 동일하게 5 ㎛ 로 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제2 패턴(212) 역시, 제1 패턴(211)과 동일하게, 이산화바나듐 박막 위에 형성될 수 있으며, 전압 인가용도선(220)을 통해, 본 발명의 실시예에 따른 제1 패턴(211) 및 제2 패턴(212)은 이산화바나듐의 특성 변화를 만들어 내는 열을 전기적으로 조절할 수 있는 히터 기능 및 공진형 메타물질의 기능을 모두 가질 수 있다.

도 2에 도시된 테라헤르츠파 변조기(200)의 주기길이(cell_w)는 도 1에 도시된 테라헤르츠파 변조기(100)의 주기 길이와 동일하게 100 ㎛ 일 수 있으며, 제1 패턴(211)의 길이(leng-in)는 70 ㎛, 외부에 부착된 제2 패턴(212)의 길이(leng_out)는 90 ㎛ 일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 패턴(211) 및제2 패턴(212)으로 입사하는 평면파의 전계(E) 방향이 전압 인가용 도선(220)과 평행한 경우를 모드 1, 전계(E) 방향이 전압 인가용 도선(220)에 수직한 경우를 모드 2로 설정하였다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 이산화바나듐 박막 위에 형성된 제1 패턴(211) 및 제2 패턴(212)에 전압 인가용 도선(220)을 통해 전압을 인가함에 따라, 이산화바나듐과 같은 상전이 물질의 전도율 등이 변화하게 되고, 이러한 변화가 다시 제1 패턴(211) 및 제2 패턴(212) 즉, 메타물질에 변화를 주게 됨에 따라, 테라헤르츠파의 변조가 가능해질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 메타물질 구조인 제1 패턴(211) 및제2 패턴(212)에 직접 연결된 전압 인가용 도선(220)을 통하여 메타물질구조가 상전이 물질(예를들어, 이산화바나듐)로 이루어진 박막의 특성 변화를 유도하게 되어, 메타물질의 변조 특성을 인가 전압으로 손쉽게 조절할 수 있다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조로 하여, 도 1에 도시된 테라헤르츠파 변조기(100)에 테라헤르츠파가 입사된 경우, 반사계수 및 투과 계수 변화를 살펴보도록 한다. 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)에 모드 1의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이며, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)에 모드 2의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다. 이때, 인가된 전압 변화에 따른 이산화바나듐 박막의 도전율 변화는 20 S/m에서 50000 S/m 로 설정하였다.

도 3 (a)에도시된 반사계수 그래프를 살펴보면, 765 GHz 를 중심으로 반사 특성의 변화가 있고, 도 3(b)에 도시된 투과계수 그래프를 살펴보면, 반사 특성이 변화되는 주파수인 765 GHz를 중심으로 테라헤르츠파 투과량이 급격하게 변화함을 알 수 있다.

도 3 (a) 및 (b)에 도시된 그래프들을 살펴보면 800 GHz 주파수 대역에서 강한 반사 특성으로 인하여, 당해 주파수대역(800 GHz)에서는 최소 투과량을 나타나며, 720 GHz 주파수 대역에서 최소화된 반사 특성으로 인하여, 당해 주파수대역(720 GHz)에서의 투과량이 최대가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라,테라헤르츠파 변조기의 품질인자(Q factor)가 감소하여, 공진의 강도가 작아짐을 알 수 있다.

도3(b)를 참조하여 살펴보면, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라,투과량이 최대인 주파수 대역(720 GHz 근처)에서의 투과계수가 0.83 에서 0.43로 감소하고, 투과량이 최소인 주파수 대역(800 GHz 근처)에서의 투과계수는 0.13 에서 0.5로 증가했다가 다시 0.45로 감소한다.

이와 같이, 모드 1을 테라헤르츠변조기에 사용할 경우, 도전율이 증가함에 따라 공진 주파수가 작아지고, 투과량이 최소인 주파수 대역에서는 이산화바나듐 박막의도전율이 일정 정도까지 증가하는 경우, 투과계수가 증가하다가 그 이상에서는 다시 감소하는 것에 유의해야 한다.

도 4(a) 및(b)는, 도 1에 도시된 바와 같은, 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠 변조기(100)에,모드 2의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.

도 4(a) 및(b)에 도시된 그래프들을 살펴보면, 도 3(a) 및 (b)에 도시된 그래프들과 비교하여 보았을 때, 모드 2의 경우, 모드 1에 비하여 공진 특성이 안정적임을 알 수 있다. 이러한 공진 특성은 전압 인가용 도선(120)이 제1 패턴(110)에 부착되지 않은 경우의 공진 특성과 동일하다.

도 4(a) 에 도시된 바와 같이, 모드 2에서의 테라헤르츠파 변조기는, 625 GHz 대역에서 강한 반사 특성을 보이고, 최대 반사 특성을 보이는 625 GHz 대역에서, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라 투과 계수가 0.04에서 0.39로 증가함을 알 수 있다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠파변조기를 모드 2에서 동작시킬 경우,이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라 투과 계수가 증가하는 특성을 이용할 수 있으며, 이러한 경우 모드 1 에서 동작시키는 경우보다 안정적인 운용이 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기는 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라, 모드 1및 모드 2 모두에서, 공진 주파수가 감소하는 특성을 갖는다. 이는 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라,메타물질의 유효 유전율이 증가하였기 때문이다. 다만, 도전율 증가에 따른 공진주파수의 적색 천이량은 모드 2의 경우가 모드 1의 경우가 더 작은 값을 가지므로, 모드 2가 테라헤르츠파 변조기 운용에 더욱 적합할 수 있다.

이하, 도 5 및 도6을 참조로 하여, 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에 테라헤르츠파가 입사하는 경우, 반사 계수 및 투과 계수의 변화를 살펴보도록 한다. 도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에 모드 1의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이며, 도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에 모드 2의 테라헤르츠파가 입사된 경우의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다. 이때, 인가된 전압 변화에 따른 이산화바나듐 박막의 도전율 변화는 20 S/m에서 50000 S/m 로 설정하였다.

도 5(a)의 반사 계수 특성 그래프를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기(200)의 제1 패턴(211)에 의해서 결정되는 1차 공진의 위치는 800 GHz 로 도 3(a)에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 공진 위치와 유사하지만,제2 패턴(212)의 영향으로,당해 공진 주파수 폭이 약간 줄어들었음을 알 수 있다. 이때, 제2 패턴(212)에 의한 2차 공진은 285 GHz 근처에서 나타나고, 1차 공진에 비하여 상대적으로 안정적인 특성을 보임을 알 수 있다.

그림 5(b)를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)의 모드 1에서의 1차 공진(800 GHz 대역) 투과 특성은, 도 3(b)에도시된본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 투과 특성과 유사하고, 2차 공진(285 GHz 대역) 투과 특성은 1차 공진 특성보다 안정적인 공진 특성을 보임을 알 수 있다. 또한, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라 공진 주파수가 조금씩 감소함을 알 수 있다.

도 6(a) 및(b)는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)에전계 방향이 전압 인가용 도선(120)과 수직한, 모드 2의 테라헤르츠파가 입사되었을 때의 반사 계수와 투과 계수를 도시한 그래프이다.

먼저, 도 6(a)을 참조하여 살펴보면, 1차 공진 주파수는 710 GHz 대역으로,도 3(a)에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 공진 주파수인 625 GHz 보다 높아졌으며, 이를 통해 2차 공진에 직접적인 영향을 미치는 제2 패턴(212)이 1차 공진 특성에도 많은 영향을 주었음을 알 수 있다. 또한, 2차 공진 주파수는 300 GHz 로, 도 5(a)에 도시된 모드 1의 2차 공진 주파수(285 GHz)보다 약간 높아졌음을 알 수 있다.

도6(a) 및(b)에 도시된 바와 같이, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따른 공진 주파수의 감소는, 테라헤르츠파가 모드 2로 입사하는 경우가, 테라헤르츠파가 모드 1로 입사하는 경우보다 작음을 알 수 있다. 따라서, 이산화바나듐 박막을 포함하는 테라헤르츠파 변조기를 특정주파수에서 사용하기에는 모드 2가 모드 1 보다 적합함을 알 수 있다.

다시 도 6(a)를 참조하여 살펴보면, 1차 공진 주파수(710 GHz) 및 2차 공진 주파수(300 GHz) 사이에 반사량이 최소가 되는 주파수 대역이 470 GHz 근처에 존재함을 알 수 있으며, 반사량이 최소가 되는 당해 대역(470 GHz)은 도6(b)에 도시된 바와 같이 안정적인 테라헤르츠파 통과 특성을 나타낸다.

이와 같이, 반사량이 최소가 되며 안정적인 테라헤르츠파 통과 특성을 나타내는 주파수 대역(이하, 테라헤르츠파 통과 대역)은, 1차 공진 주파수 대역 및 2차 공진 주파수대역의 중간 지점에 위치하고, 당해 대역에서는, 1차 및 2차 공진 주파수의 적색 편이 현상으로 인하여,투과 계수 변화가 서로 상쇄되므로, 주파수 변화에 따른 테라헤르츠파 투과 특성 변화가 크지 않고 안정적일 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여, 테라헤르츠파 통과 대역에서의,이산화바나듐 박막 도전율 변화에 따른 투과 계수 변화 특성을 살펴보도록 한다. 도 7은, 도6(b)에 도시된 테라헤르츠파 통과 대역에서 이산화바나듐 박막 도전율 변화에 따른 투과 계수 변화 특성을 동작 주파수 별로 도시한 그래프이다.

도 7을 참조하여 살펴보면, 이산화바나듐 박막의 도전율이 증가함에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(200)는, 470 GHz에서 투과 계수가 0.80에서 0.27로 변화하고, 440 GHz 에서 500 GHz 에 이르는 주파수 대역에서 도전율 변화에 따른 투과 계수 변화폭이 큰 차이 없이 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 상전이 물질 위에 형성된 메타물질 구조에 직접 연결되는 전압 인가용 도선을 통하여, 메타물질구조가 상전이 물질의특성변화를 가능하게 함으로써, 메타물질의 변조특성을 전압인가라는 간단한 방법을 통하여 용이하게 조절할 수 있으며, 이에 따라, 테라헤르츠파의 변조 역시 용이해질 수 있다.

전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 개시의 보호 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 테라헤르츠파 변조기
110: 제1 패턴
120: 전압 인가용 도선

Claims (13)

1. 기판;
   상기 기판 상부에 형성되는 상전이 물질로 이루어진 박막;
   상기 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 상전이 물질로 이루어진 박막 위에, 폐루프 형태로 형성되는 메타물질 구조인 제1 패턴; 및
   상기 제 1 패턴의 상호 마주보는 두변의 중심에서 상기 제 1 패턴의 외측으로 연장되어 형성되어, 상기 상전이 물질 및 상기 메타물질의 특성변화를 야기하는, 전압 인가용 도선을 포함하는,
   테라헤르츠파 변조기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 테라헤르츠파에 반응하여 공진하고, 상기 전압 인가용 도선을 중심으로 대칭되도록, 상기 제1 패턴의 외각을 따라, 상기 제 1 패턴과 일정 간격을 두고, 상기 상전이 물질로 이루어진 박막 위에 형성되는 메타물질 구조인 제2 패턴을 더 포함하는,
   테라헤르츠파 변조기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 패턴은,
   상기 전압 인가용 도선과는 연결되지 않는 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 패턴은,
   상기 전압 인가용 도선과 연결되는 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
   
5. 제 1 항 있어서,
   제 1 패턴의 폐루프 형태가 정사각, 직사각, 원형, 타원, 또는 삼각형 폐루프 형태인 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   폐루프 공진기 형태이고, 전압인가형 도선과 연결되고, 다중 공진 형태를 만들 수 있는 상기 제 1 패턴의 내부 또는 외부에 형성되는 제 n 패턴(n 은 3 이상)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
   
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 상전이 물질은, 온도에 따라서 전도율이 변화하는 물질인, 테라헤르츠파 변조기.
   
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 상전이 물질은, 온도에 따라서 유전율이 변화하는 물질인, 테라헤르츠파 변조기.
   
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 상전이 물질은, 특정 온도에서 금속에서 절연체로 상전이하는 물질인, 테라헤르츠파 변조기.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 상전이 물질은,이산화바나듐(VO₂)인 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 또는 상기 제 2 패턴으로 입사하는 테라헤르츠파의 전계 방향은, 상기 전압 인가용 도선과 수직한 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 또는 상기 제 2 패턴으로 입사하는 테라헤르츠파의 전계 방향은, 상기 전압 인가용 도선과 평행한 것을 특징으로 하는, 테라헤르츠파 변조기.
    
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 테라헤르츠파 변조기를 이용하는 테라헤르츠파 대역 센서.

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