KR20160113339A - 그물망 카이랄 메타물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하며, 상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며, 상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결된다.

Description

그물망 카이랄 메타물질 {MESHED CHIRAL METAMATERIAL}
본 발명은 그물망 카이랄 메타물질에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 광대역에서 무이색성 및 비분산 광활성을 구현할 수 있는 그물망 카이랄 메타물질에 관한 것이다.
편광은 전자기파의 중요하고 기본적인 성질들 중 하나이다. 대부분의 광학 시스템은 입력되는 빛의 편광에 따라 성질이 변하기 때문에 빛의 편광을 조절하는 것은 여러가지 광학 시스템을 디자인하는데 있어서 매우 중요한 요인이다. 일반적으로 편광을 조절하는 방법으로 파장판(waveplate)을 사용하거나 광활성을 갖는 자연계의 카이랄(chiral) 물질을 이용할 수 있다.
용어 카이랄은 어떤 거울상 대칭도 가지고 있지 않은 구조적 특성을 의미한다. 카이랄 물질 내에서는 입사되는 전자기파에 의해 발생하는 전기 쌍극자와 자기 쌍극자가 서로 같은 방향으로 상호작용을 하기 때문에 우편광과 좌편광의 축퇴가 깨지게 된다. 따라서, 카이랄 물질은 좌편광과 우편광의 빛에 대해 서로 다른 굴절률을 가지게 되며, 이에 따라 카이랄 물질에 선형 편광의 빛이 입사하면 편광 상태가 회전하는 광활성 특성이 나타나게 된다. 하지만 자연계에 존재하는 카이랄 물질의 광활성은 매우 약하고 공진 주파수 대역에서 분산이 크므로 카이랄 물질을 이용하여 광대역에서 편광을 조절하는 데는 한계가 있다.
최근 광대역 편광을 조절하는데 카이랄 메타물질(Chiral Metamaterial)을 이용하는 기술이 사용되고 있다. 최근 다양한 연구를 통해 카이랄 메타물질이 음굴절률, 비대칭 투과, 극한 광활성 등의 비자연적 광특성을 가질 수 있음이 밝혀졌다. 강하게 공진하는 카이랄 메타 원자 구조를 이용함으로써, 자연계에 존재하는 카이랄 물질의 약한 카이랄 특성보다 매우 큰 강한 카이랄 특성 및 광활성을 획득할 수 있다. 하지만, 카이랄 메타물질을 이용하더라도 공진 특성으로 인해 좁은 투과 대역폭을 가지고 공진 주파수 근처에서 분산에 의해 주파수에 따라 광활성의 크기가 크게 변화한다. 또한, 카이랄 물질의 원편광 이색성(Circular Dichroism)에 의해 카이랄 물질에 입사되는 선형 편광의 빛이 타원 편광으로 변하게 된다. 따라서, 광대역에서 편광 조절을 위해 카이랄 메타물질을 이용하는 데는 역시 한계가 있다.
원편광 이색성 및 주파수에 따른 분산 없이 광대역에서 편광 조절이 가능한 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 원편광 이색성 없이 광대역에서 비분산 광활성을 나타내는 카이랄 메타물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 빛의 편광을 용이하게 조절할 수 있는 효과적인 편광 조절기로 사용될 수 카이랄 메타물질을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하며, 상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며, 상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결된다.
본 발명에 따른 적층형 그물망 카이랄 메타물질은 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 층을 복수 개 포함하며, 상기 복수 개의 층 중 인접한 두 개의 층은 서로 평행하며 소정 거리로 이격되어 적층되어 있고, 상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며, 상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결된다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 따르면, 원편광 이색성 없이 광대역에서 비분산 광활성을 나타내는 카이랄 메타물질을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 빛의 편광을 용이하게 조절할 수 있는 효과적인 편광 조절기로 사용될 수 카이랄 메타물질을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 나선구조들이 그물망을 이루고 있어 전류가 구조 내에서 자유롭게 흘러 투과 대역이 비공진 모드에서 존재하게 하고 이러한 비공진 특성에 의해 주파수에 상관없이 일정한 광활성을 가질 수 있는 그물망 카이랄 메타물질을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 광대역에서 입사되는 빛의 파장 이하의 두께에서도 빛의 편광을 마음대로 조절할 수 있는 효과적인 편광 조절기로 사용될 수 있는 그물망 카이랄 메타물질을 제공할 수 있다.
도 1(a)는 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 구조를, 도 1(b)는 도 1(a)의 구조의 z=h/2평면에서 자기장 분포를, 그리고 도 1(c)는 도 1(a)의 구조로 제작된 샘플의 사진을 도시한다.
도 2(a) 내지 2(c)는 단일 나선구조를 갖는 다른 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 구조를 도시한다.
도 3(a) 내지 3(d)는 각각 실시예에 따른 단일층 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율, 카이랄 파라미터, 편광 회전도 및 원편광 이색성을 나타내는 그래프이다.
도 4(a) 및 4(b)는 각각 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 포함된 나선의 두께에 따른 편광 회전도와 주파수 10GHz에서 나선의 두께에 따른 편광 회전도를 나타내는 그래프이다.
도 5(a) 및 5(b)는 각각 실시예에 따른 2개의 층 사이의 거리에 따른 이층형 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율을 나타내는 그래프 및 편광 회전도 및 이심율을 나타내는 그래프이다.
도 6(a) 내지 6(c)는 각각 실시예에 따른 3층, 4층 및 5층형 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율 및 편광 회전도를 층간 거리의 함수로 나타내는 그래프이다.
도 7(a) 내지 7(c)는 각각 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 적외선 대역에서의 총투과율, 편광 회전도 및 원편광 이색성을 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하며, 상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며, 상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결되어 있을 수 있다.
도 1(a)는 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 구조를, 도 1(b)는 도 1(a)의 구조의 z=h/2평면에서 자기장 분포를, 그리고 도 1(c)는 도 1(a)의 구조로 제작된 샘플의 사진을 도시한다.
도 1(a)의 우측에 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 전체 구조가 도시된다. 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질(MHM)은 나선구조를 복수 개 포함하여 구성된 단위 셀(u)이 반복 결합되는 구조를 갖는다. 이때, 복수 개의 단위 셀(u)이 배열된 평면은 가상의 평면일 수 있으며 복수 개의 단위 셀(u)이 2차원 평면으로 배열되어 있는 것으로 충분하다. 도 1(a)에서는 단위 셀(u)이 4개의 나선구조를 포함하여 구성되는 경우를 예시하며, 좌측에 하나의 나선구조가 확대되어 도시되어 있다.
실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질을 형성하는 나선구조는 금속으로 이루어질 수 있다. 실시예에 따른 나선구조를 이루는 금속은 구리, 금, 은과 같은 저항이 낮은 금속일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 나선구조를 이루는 금속으로는 전술한 금속보다 저항이 큰 금속이 이용될 수 있으나, 이러한 경우 주파수에 따른 광활성의 분산이 다소 생길 수 있고 금속 내로 전기장이 침투하게 되어 광활성의 전체적인 크기가 약간 작아질 수 있다. 하지만, 이러한 경우에도 본 발명의 실시예에서 달성하고자 하는 비분산 광활성의 성질은 유지될 수 있다.
도 1(a)에서 나선구조는 이중 나선구조인 것이 예시되어 있다. 이중 나선구조H1 및 H2가 서브 셀(su)에 포함되어 있다. 실시예에서 하나의 나선구조만을 포함하도록 구성될 수 있다. 이중 나선구조를 이용하면 하나의 나선구조를 이용하는 경우에 비해 광활성의 크기를 더 크게 할 수 있다.
인접한 단위 셀(u)들은 이들 각각에 포함된 나선구조들을 통해 서로 연결될 수 있다. 이때, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 포함되는 모든 나선구조들은 결과적으로 서로 전기적으로 연결되어 그물망을 이룰 수 있다. 전기적으로 연결된다는 것은 서로 간에 전류가 흐를 수 있도록 직접 또는 간접적으로 연결된 것을 의미한다. 나선구조들은 하나의 단위 셀(u)이 4중 또는 6중 회전대칭을 이루되 모든 축(x, y, z)에 대해서 거울상 대칭을 이루지 않도록 연결되어야 한다.
하나의 단위 셀(u)에서 나선구조들은 단위 셀(u)이 배열된 평면의 법선 방향의 축을 따라 회전대칭을 이루도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 1(a)에서 단위 셀(u)의 중심(c)에서 z축을 따라 회전하는 경우 단위 셀(u)이 4중 회전대칭을 가지도록 구성되어 있다. 즉, 단위 셀(u)을 회전축을 따라 90도 회전할 때마다 회전하기 전의 단위 셀(u)과 동일한 형상이 나타난다. 도 1(a)에서는 단위 셀(u)의 나선구조들이 4중 회전대칭을 이루도록 구성된 것이 예시되나, 실시예에 따라 6중 회전대칭을 이루도록 구성될 수 있다. 단위 셀(u)이 4중 회전대칭 및 6중 회전대칭을 이루도록 구성될 때 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질이 원편광을 고유분극(eigen polarization)으로 가지는 규칙적인 격자를 구성할 수 있다.
이러한 그물망 카이랄 메타물질의 회전대칭성은 회전 축 방향에서 정면 입사된 전자기파의 고유분극이 원편광이 되도록 만든다. 고유분극이 원편광이기 때문에 선형 편광을 갖는 전자기파가 어떠한 편광 각도로 입사되더라도 동일한 광활성의 크기를 가질 수 있다. 이러한 특성은 선형 편광 이색성을 갖는 파장판 등의 특성과는 매우 다른 것이다.
그물망 카이랄 메타물질에 전자기파가 입사되면 유도된 전류 모멘트에 의해 강한 자기 모멘트(M)가 나선축 방향으로 생성된다. 이러한 자기 모멘트(M)는 나선축 방향의 전기장(E) 또는 자기장(H)에 의해 유도될 수 있다.
도 1(b)에는 전기장이 x축 방향으로 편광되어 있는 전자기파가 그물망 카이랄 메타물질(MHM)에 z축 방향으로 입사되었을 때 z=h/2 평면에서 단위 셀(u)의 자기장(H) 분포를 나타낸다. 도 1(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 입사되는 전기장의 방향(x축 방향)과 유도된 자기장의 방향이 같아지며 이로 인해 더욱 강한 광활성을 획득할 수 있다.
도 1(c)에는 도 1(a)의 구조로 제작된 샘플의 사진을 도시한다. 도 1(c)에서 샘플은 170 X 170mm의 크기로 제작되고 도 1(c)에서 단위 원시 셀(primitive unit cell)이 표시되어 있으며 단위 원시 셀의 격자상수는 α=3.66mm로 제작되고, 구조적 수치들은 a=2.59mm, b=1.15mm, w=0.50mm 그리고 h=2.5mm로 제작되었다. 본 명세서에서 상기 샘플이 이하에서 언급하는 실험에서 사용되었다. 본 명세서에서 실험을 위한 샘플은 마이크로웨이브(microwave: 예컨대 6GHz 내지 14GHz)에서 동작하도록 설계되었다. 또한, 본 명세서 실험을 위한 샘플은 전자기파가 단일층의 그물망 카이랄 메타물질을 통과할 때마다 편광이 45도 회전하도록 설계되었다.
도 1(a) 내지 1(c)를 참조하여 설명한 나선구조의 형태 및 제작 수치는 단지 예시일 뿐이며 실시예에 따라 다른 현태 및 수치로 그물망 카이랄 메타물질이 제작될 수 있음은 자명하다.
도 2(a) 내지 2(c)는 단일 나선구조를 갖는 다른 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 구조를 도시한다. 도 2(a) 내지 2(c)에서는 단일 나선구조를 갖고 4중 회전대칭을 이루는 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질을 예시한다. 도 2(a) 내지 2(c)에서는 단위 셀(u)이 정육각형 또는 사각형 테두리로 표시되어 있다. 도 2(a) 내지 2(c)에서 모두 단일 나선구조 및 4중 회전대칭을 갖는 그물망 카이랄 메타물질의 구조가 예시되나, 나선구조가 서로 다른 것을 알 수 있다. 이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 나선구조는 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 3(a) 내지 3(d)는 각각 실시예에 따른 단일층 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율, 카이랄 파라미터, 편광 회전도 및 원편광 이색성을 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 실험은 선형 편광이 되어 있는 광대역 혼-안테나(horn antenna)와 네트워크 분석기를 이용하여 투과율을 측정하였다. 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 카이랄성을 특정하기 위해 편광 회전도와 원편광 이색성을 상기 투과율로부터 계산하였다. 편광 회전도(θ)의 값은
Figure pat00001
로 계산될 수 있으며 여기서 T+(-)는 각각 우편광과 좌편광으로 편광되어 있는 빛의 투과율을 나타낸다. 이러한 원편광에 대한 투과율은 선형 편광 투과율의 덧셈과 뺄샘으로
Figure pat00002
와 같이 계산될 수 있다. 여기서 Txx는 입사되기 전 x 방향으로 편광된 빛이 메타물질을 투과한 후 x방향으로 편광된 빛의 양을 나타내고 이와 유사하게 Txy는 입사되기 전 x 방향으로 편광된 빛이 메타물질을 투과한 후 y방향으로 편광된 빛의 양을 나타낸다. 원편광 이색성(η)의 크기는
Figure pat00003
와 같이 이심율로 특정될 수 있다. 또한, 유효 카이랄 파라미터(k)는 우편광과 좌편광의 위상 차이로 표현될 수 있다.
다시 도 3(a)에서는 실시예에 따른 단일층 그물망 메타물질(MHM)을 투과한 전자기파의 총 투과율을 나타내는 그래프이다. 삼각형으로 표시된 실선은 수치해석을 통해 얻어진 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션 데이터이고 원 표시는 실험을 통해 획득된 값이다. 이때 총 투과율(Ttot)은
Figure pat00004
로 정의될 수 있다. 도 3(a)에서 알 수 있는 바와 같이, 시뮬레이션을 통해 획득된 총 투과율과 실험치가 거의 일치한다. 총 투과율은 대략 7.2GHz 주파수에서 거의 100%가 되며 이 주파수는 공기와 그물망 카이랄 메타물질(MHM)의 유효 임피던스가 동일해지는 주파수이다.
도 3(b)에서는 실험을 통해 추출된 카이랄 파라미터와 시뮬레이션을 통해 획득된 카이랄 파라미터의 값을 비교하는 그래프를 도시한다. 도 3(b)에서 시뮬레이션을 통해 획득된 카이랄 파라미터와 실험치가 거의 일치함을 알 수 있다. 도 3(b)에서 굵은 실선은 추후에 설명될 이론모델을 통해 획득된 데이터를 나타내며 이를 통해 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 카이랄 파라미터(k)가 주파수의 역수에 비례하여 감소함을 알 수 있다.
이러한 카이랄 파라미터의 경향성을 통해 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질이 주파수에 무관하게 비분산 광활성을 갖는 것으로 해석할 수 있다. 이는 카이랄 파리미터(k)와 광활성을 나타내는 편광 회전도(θ) 사이에
Figure pat00005
의 관계가 존재하기 때문이다. 여기서, c0는 진공에서의 빛의 속도, h는 메타물질(MHM)의 두께 그리고 ω는 각주파수(angular frequency; rad/s)를 나타낸다.
도 3(c)에서는 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질이 비분산 광활성을 가지는 것을 직접적으로 보여준다. 도 3(c)에서 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 입사된 선형 편광된 빛은 그물망 카이랄 메타물질을 통과 후에 주파수에 상관없이 편광 상태가 45도 회전됨을 알 수 있다. 도 3(d)에서 알 수 있는 바와 같이 원편광 이색성이 존재하지 않으므로(η=0), 입사된 선형 편광된 전자기파는 그물망 카이랄 메타물질을 통과 후에도 선형 편광 상태를 유지할 수 있다.
이때, 실시예에 따른 단일층 그물망 카이랄 메타물질의 두께는 입사된 전자기파의 파장에 비해서도 매우 작으므로(예컨대, 파장길의 1/5), 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질을 이용할 경우 파장 이하의 작은 두께로도 빛의 편광을 광대역에서 자유롭게 조절할 수 있다.
실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 비분산 광활성 특성은 드루드(Drude-like)한 성질로 인해 발생한다고 해석될 수 있다. 일반적인 유전체 카이랄 메타물질(즉, 공진형 카이랄 메타물질)의 경우에는 단위 셀의 구조에 전류 모드가 국지화되므로 전류가 일반적인 LC 공진 형태를 띄고 공진 주파수에서 강한 분산을 나타낸다. 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에서는 나선구조들이 서로 그물망을 이루고 있어 전류가 그물망 카이랄 메타물질에서 자유롭게 흐르게 된다. 이러한 특성에 의해 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 드루드 타입 카이랄 메타물질로 분류될 수 있다.
실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 비공진 특성은 이하의 전자의 운동 방정식을 기초로 한 간단한 이론모델을 통해 이해될 수 있다. 그물망 카이랄 메타물질에서 그물망을 형성하는 나선구조들이 오직 나선축 방향으로만 전기 모멘트와 자기 모멘트를 형성한다고 가정하면, 단일층 그물망 카이랄 메타물질 내에서 평균 자기장(D)과 평균 자기장(B)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
수학식(1)
Figure pat00007
수학식(2)
여기서, A는 나선구조의 루프(loop) 넓이로서 나선구조의 회전축 방향에 대한 나선구조의 단면적, 그리고 V0는 단위 셀의 부피를 나타낸다. ε0 및 μ0는 각각 진공에서의 유전율 및 투자율을 나타낸다. 단위 셀(u)에서 모든 나선구조들은 인덕턴스 L 및 저항 R을 갖는다고 가정되었다. 여기서, 일반적인 카이랄 물질의 구성 방정식과 전술한 수학식(1) 및 (2)를 비교하면, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 유효 카이랄 파라미터(k)가 아래와 같이 예측될 수 있다.
Figure pat00008
수학식(3)
카이랄 파라메터의 값들을 살펴보면, 저항이 상대적으로 작거나 주파수가 높아질 때 카이랄 파리미터의 값이 거의 실수이고 ω-1의 경향성을 가짐을 알 수 있다. 인덕턴스(L)의 값을 적당하게 설정하고 마이크로웨이브 파장 대역에서는 금속에서 손실이 거의 없으므로 손실이 없는 것으로 가정하면(R=0), 도 3(b) 내지 3(d)에서와 같이 시뮬레이션 결과 및 실험결과가 위의 이론모델의 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 메타물질에 큰 손실(즉, 큰 옴 저항: ohmic resistance)이 있다고 가정하더라도 k의 허수부는 주파수에 따라 ω-2의 경향성을 가지고 감소하므로 투과 대역에서는 카이랄 파리메터(k)의 값이 거의 실수 값을 갖는다고 간주될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 손실 여부와는 거의 무관하게 해당 그물망 카이랄 메타물질에 입사된 선형 편광된 전자기파는 선형 편광을 그대로 유지하면서 해당 물질을 투과하는 것을 알 수 있다.
본 명세서에서 실험에 사용된 샘플의 설계 파라미터들은 단일층의 그물망 메타물질의 통과시 편광 회전도가 45도가 되도록 선택되었다. 하지만, 이러한 편광 회전도는 나선구조의 두께를 조절함으로써 간단히 조절될 수 있다.
도 4(a) 및 4(b)는 각각 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 포함된 나선의 두께에 따른 편광 회전도와 주파수 10GHz에서 나선의 두께에 따른 편광 회전도를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)는 나선구조의 두께(t)에 따라 수치해석으로 계산된 단일층 그물망 카이랄 메타물질을 통과한 전자기파의 편광 회전도를 나타낸다. 도 4(a)로부터, 나선구조의 두께(t)가 증가할수록 광활성의 크기가 커지고 광활성의 비분산성은 두께에 무관하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이러한 두께에 따른 광활성 경향은 도 4(b)를 통해 더 명확히 확인할 수 있다. 도 4(b)에서는 10GHz에서 나선구조의 두께(t)에 따른 편광 회전도를 보여준다.
도 4(a) 및 4(b)에서는 나선구조의 단면이 한 변의 길이가 t인 정사각형인 경우를 예시하나, 나선구조의 단면은 직사각형, 원, 타원 등 임의의 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 나선구조의 단면이 2개의 인접한 변의 길이가 t1 및 t2인 직사각형일 때, 도 4(a) 및 도4(b) 등에서 t=(t1+t2)/2일 수 있다.
이러한 경향성은 전술한 이론모델을 통해서도 예측될 수 있다. 나선구조의 인덕턴스(L)을
Figure pat00009
로 근사하여 수학식(3)에 대입하면 단일층의 그물망 카이랄 메타물질을 통과한 전자기파의 편광 회전도를 예측할 수 있다. 여기서, K1 및 K2는 커브 피팅 파라미터(curve fitting parameter)로서 나선구조의 형태에 따라 변하는 구조 파리미터들이다. w는 나선구조의 평균 지름을 나타내며, 예컨대 도1a에서 표시된 바와 같이 나선구조의 단면이 w1 및 w2의 지름을 갖는 직사각형일 경우 w=(w1+w2)/2로 정의될 수 있다. 편광 회전도는 아래와 같이 예측될 수 있다.
Figure pat00010
수학식(4)
여기서, 편광 회전도(θ)와 나선구조의 두께(t) 사이에 선형 관계가 있음을 알 수 있다. 이러한 선형 관계는 도 4(b)에 점선으로 표시된 시뮬레이션 결과와 함께 실선으로 표시되어 있으며 두 데이터가 서로 잘 매칭(matching)되는 것을 알 수 있다.
실시예에 따른 적층형 그물망 카이랄 메타물질은 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 층을 복수 개 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 층 중 인접한 두 개의 층은 서로 평행하며 소정 거리로 이격되어 적층되어 있고, 상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며, 상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고, 상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결될 수 있다.
도 5(a) 및 5(b)는 각각 실시예에 따른 2개의 층 사이의 거리에 따른 이층형 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율을 나타내는 그래프 및 편광 회전도 및 이심율을 나타내는 그래프이다.
도 5(a)는 두 개의 층이 적층된 그물망 카이랄 메타물질을 투과한 전자기파의 총 투과율의 실험치와 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 단일층 그물망 카이랄 메타물질과는 달리 두 개의 투과 피크(peak)가 존재함을 확인할 수 있다. 이러한 두 개의 투과 피크 사이의 간격은 적층된 두 개의 층 사이의 거리(s)가 감소함에 따라 커진다. 직관적으로 더 많은 층들을 적층하여 그물망 카이랄 메타물질을 형성하면 투과 피크들이 오버랩(overlap)되어 투과 밴드가 광대역화될 수 있음을 예측할 수 있고 적층된 층간의 거리를 조절함으로써 투과 대역의 넓이를 조절할 수 있을 것으로 예측된다. 이러한 예측의 적합성은 도 6(a) 내지 6(c)에서 확인될 수 있다. 즉, 그물망 카이랄 메타물질의 적층되는 층의 개수가 커질수록 투과대역이 넓어지고 층간의 거리가 가까워질수록 투과대역이 넓어질 수 있다.
도 6(a) 내지 6(c)는 각각 실시예에 따른 3층, 4층 및 5층 적층형 그물망 카이랄 메타물질의 총투과율 및 편광 회전도를 층간 거리의 함수로 나타내는 그래프이다. 도 6(a) 내지 6(c)의 그래프는 이론모델을 통해 계산된 총투과율과 편광 회전도를 층간 거리에 따라 표시하고 있다. 도 6(a) 내지 6(c)로부터, 편광 회전도는 그물망 카이랄 메타물질에 포함되어 적층된 층의 개수가 증가함에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있으며 적층된 층간 거리를 변경함으로써 투과 대역을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
더욱이 도 5(b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 적층된 층간 거리는 투과 대역의 넓이에는 직접적인 영향을 미치지만 광활성과 원편광 이색성에는 거의 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 이로부터 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질을 이용할 때 광활성의 크기가 변경되는 것에 대한 우려없이 투과 대역을 손쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 그물망 카이랄 메타물질의 적층되는 개수를 늘릴 때마다 총 편광 회전도가 선형적으로 증가하므로 그물망 카이랄 메타물질의 적층 개수를 조절함으로써 손쉽게 필요한 편광 상태를 획득할 수 있다.
또한, 필요한 편광 상태는 실시예의 그물망 카이랄 메타물질을 이용할 때 파장 이하의 두께로 손쉽게 획득될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 단일층 그물망 카이랄 메타물질의 두께는 파장에 비해서 매우 작기 때문에 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 광대역에서 동작하는 초박형 편광 조절기로 구현될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 포함된 나선구조의 두께(t)와 광활성 양의 선형 관계를 이용하여 편광 회전도의 양이 용이하게 예측되고 설계될 수 있다. 이때, 그물망 카이랄 메타물질의 층을 하나 더 추가하여 적층하면 편광 회전도가 두 배가 되며 이때 투과 대역은 층간 간격을 변경하여 쉽게 조절할 수 있다.
도 7(a) 내지 7(c)는 각각 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 적외선 대역에서의 총투과율, 편광 회전도 및 원편광 이색성을 나타내는 그래프이다. 도 7에서는 전술한 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질의 성질을 적외선 대역에서 검증하는 실험 결과를 나타낸다. 도 7(a) 내지 (c)에서는 각각 도 1(a)에 표시된 a의 크기에 따른 함수로서 총투과율, 편광 회전도 및 원편광 이색성을 그래프로 나타낸다. 이때, a는 나선구조의 상대적인 크기를 가늠할 수 있는 적당한 인자로서 선택된 것이며 반드시 a의 크기에 따른 성능을 검증하기 위한 것은 아니다. 도 7에 표시된 a의 크기가 커질수록 그물망 카이랄 메타물질의 단위 셀(u)의 크기가 커지는 것으로 해석할 수 있다. 수치 a의 크기가 커질수록 공진 주파수가 낮아지므로, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 투과 대역의 피크 주파수도 a의 크기가 커질수록 낮아질 수 있다.
또한, 금속의 두께가 매우 얇아지게 되면 전자기파는 점차 금속을 느끼지 못하고 그대로 통과하게 된다. 따라서 도 7(b)에 도시된 바와 같이 a의 크기가 작아질수록 전자기파가 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질과 반응하지 않으므로 편광 회전도가 점점 작아지게 된다. 하지만, 이러한 현상은 적외선 및 가시광선 등 높은 주파수 대역에서 관찰되며 마이크로파 대역에서는 일어나지 않을 수 있다.
도 7(a) 내지 7(c)에서 알 수 있는 바와 같이 적외선 대역에서 a의 크기가 클수록 투과 대역의 피크 주파수, 편광 회전도 및 원편광 이색성이 커짐을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 실시예에서는 공진형 카이랄 구조가 아닌 비공진형 카이랑 구조를 갖는 그물망 카이랄 메타물질을 제안한다. 실시예에 따른 그물망 카이랄 메탈물질은 광대역에서 동작할 수 있는 비분산 광활성을 가짐을 이론적으로 그리고 실험적으로 확인하였다. 또한, 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질은 광대역에서 원편광 이색성이 거의 존재하지 않는 것으로 관찰되었으며 이러한 현상은 사용된 그물망 카이랄 메타물질의 손상이 큰 경우에도 동일하게 관찰되었다. 또한, 실험을 통해 실시예에 따른 그물망 카이랄 메타물질에 포함된 층간 상호작용의 크기를 조절함으로써 간단히 그물망 카이랄 메타물질의 투과 대역의 폭을 조절할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하며,
    상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며,
    상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고,
    상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결된,
    그물망 카이랄 메타물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나선구조는 이중 나선구조인, 그물망 카이랄 메타물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전대칭은 4중-회전대칭 또는 6중-회전대칭인, 그물망 카이랄 메타물질.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나선구조의 두께 변화에 따라 상기 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 편광 회전도가 변하는, 그물망 카이랄 메타물질.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 편광 회전도는 주파수 변화에 따라 일정하게 유지되는, 그물망 카이랄 메타물질.
  6. 평면 상에 반복 배열된 복수의 단위 셀을 포함하는 층을 복수 개 포함하며,
    상기 복수 개의 층 중 인접한 두 개의 층은 서로 평행하며 소정 거리로 이격되어 적층되어 있고,
    상기 단위 셀은 복수의 나선구조로 이루어지며,
    상기 단위 셀에 포함된 상기 복수의 나선구조는 상기 평면에 대한 법선 방향의 축을 중심으로 회전대칭을 이루도록 구성되고,
    상기 복수의 단위 셀 중 이웃하는 단위 셀은 상기 나선구조를 통해 서로 연결된,
    적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나선구조는 이중 나선구조인, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 회전대칭은 4중-회전대칭 또는 6중-회전대칭인, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나선구조의 두께 변화에 따라 상기 적층형 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 편광 회전도가 변하는, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층형 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 편광 회전도는 주파수 변화에 따라 일정하게 유지되는, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  11. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층의 개수가 증가함에 따라 상기 적층형 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 편광 회전도가 선형적으로 증가하는, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  12. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층의 개수에 따라 상기 적층형 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 투과 대역이 변하는, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
  13. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거리 변화에 따라 상기 적층형 그물망 카이랄 메타물질을 통과하는 전자기파의 투과 대역 폭이 변하는, 적층형 그물망 카이랄 메타물질.
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