KR20160119310A

KR20160119310A - 광필터

Info

Publication number: KR20160119310A
Application number: KR1020150046855A
Authority: KR
Inventors: 윤호경; 유인규; 양용석; 천영준; 홍성훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-13

Abstract

기판, 및 상기 기판 상에 교대로 반복 적층된 금속층들 및 절연층들을 포함하는 메타 물질 구조체들을 포함하는 광필터를 제공한다. 상기 메타 물질 구조체들은 서로 동일한 폭을 가지며, 일방향을 따라 서로 동일한 간격으로 상호 이격될 수 있다. 상기 메타 물질 구조체들 각각은 여과하고자 하는 주파수 대역에서 음의 굴절률을 갖도록 구성될 수 있다.

Description

광필터{OPTICAL FILTER}

본 발명은 광필터에 관련된 것으로, 상세하게는 다층 메타구조를 포함하는 광필터에 관련된 것이다.

메타 물질은 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(meta atom)의 주기적인 배열로 이루어진 물질로서, 메타 물질을 이루는 단위 셀의 크기가 빛의 파장에 비해 작은 인공의 구조이며, 자연에 존재하는 일반 물질에는 없는 새로운 광학적 특성을 가지게 된다. 즉, 메타 물질은 그 물질을 구성하고 있는 직접적인 고유 특성보다는 그 물질로 만들어진 구조로부터 특성을 얻을 수 있는 물질을 말한다. 특히, 이 메타 물질이란 용어는 최종적으로 구조화된 물질이 자연적으로 형성된 재료에서는 발견되지 않는 특성을 가질 때 사용된다. 즉, 일반적으로 자연계에서는 발견되지 않는 독특한 특성을 보이는, 인공적으로 제조된 구조나 매질이라는 의미를 가지고 있다. 그 대표적인 예로서 음의 굴절률을 가지는 물질(negative index material, NIM)을 들 수 있는데, 최근에는 메타 물질과 NIM을 동일시하여 혼용하는 경향이 있다.

메타 물질의 구조적 평균 단위 셀의 크기가 메타 물질에 의해 유도되는 전자기파의 파장보다 훨씬 작도록 설계될 경우, 메타 물질은 유도되는 전자기파에 대해 균질 매질처럼 행동할 수 있다. 메타 물질에서 단위구조를 설계하여 인위적으로 원자 역할을 하도록 할 수 있다. 음의 굴절률을 얻기 위해서는 유전율과 투자율이 동일한 주파수 영역에서 각각 음의 값을 가져야 한다. 자연 상에 음의 유전율을 가진 물질로 금속이 존재하지만, 음의 투자율을 가진 물질은 보고된 바가 없다. 그러므로 음의 굴절률을 얻기 위해서는 메타 물질의 설계가 필수적이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광특성이 향상되고 광통신 소자에 적용 가능한 광필터를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 광필터는 기판, 및 상기 기판 상에 교대로 반복 적층된 금속층들 및 절연층들을 포함하는 메타 물질 구조체들을 포함할 수 있다.

상기 메타 물질 구조체들은 서로 동일한 폭을 가지며, 일방향을 따라 서로 동일한 간격으로 상호 이격될 수 있다. 상기 메타 물질 구조체들 각각은 여과하고자 하는 주파수 대역에서 음의 굴절률을 갖도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광필터는 메타 물질을 이용한다. 따라서, 광필터는 높은 주파수 선택도를 갖는다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 설계된 광필터는 광경로에 영향을 크게 영향을 받지 않고, 대역폭의 증가와 광손실의 감소에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광필터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광필터를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 활용예에 따른 광필터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 3의 광필터의 광특성에 대한 전산모사 그래프이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 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.

본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.

본 명세서의 다양한 실시예에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예는 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광필터는, 메타 물질을 이용하여 입사되는 전자기파 중에서 여과하고자 하는 주파수 대역의 전자기파만을 반사 및 흡수하기 위한 것이다. 이하 도 1을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광필터(10)를 설명하기 위한 사시도이다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광필터(10)는 기판(200) 및 기판(200) 상에 배치되는 복수의 메타 물질 구조체들(100)을 포함할 수 있다.

기판(200)은 투명기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(200)은 쿼츠 또는 글래스 중 적어도 하나를 포함하는 평판 기판일 수 있다.

본 실시예에 따른 메타 물질 구조체들(100) 각각은 적어도 둘 이상의 금속층들(110), 및 이들 사이에 배치되는 절연층(120)을 포함할 수 있다. 즉, 메타 물질 구조체들(100) 각각이 MIM(metal/insulator/metal) 구조를 가짐으로써, 그들 각각이 메타 물질로서의 기능을 수행할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다.

본 실시예에서, 메타 물질 구조체들(100)은 3개의 금속층들(110) 및 3개의 절연층들(120)이 교대로 그리고 반복적으로 적층된 것으로 도시되었으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 금속층들(110) 및 절연층들(120)의 적층 수는 광필터(10)의 흡수도(absorbance)의 절대량에 따라 변경될 수 있다. 한편, 금속층들(110)은, 여과하고자 하는 주파수 대역에서 메타 물질 구조체들(100)이 음의 유전율(permittivity), 음의 투자율(permeability), 및 음의 굴절률(refractive index)을 가지도록 그의 형태, 사이즈 및 배열이 조절될 수 있다. 마찬가지로, 절연층들(120)은, 여과하고자 하는 주파수 대역에서 메타 물질 구조체들(100)이 음의 유전율(permittivity), 음의 투자율(permeability), 및 음의 굴절률(refractive index)을 가지도록 그의 형태, 사이즈 및 배열이 조절될 수 있다.

금속층들(110)은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 금속층들(110)은 1nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다. 금속층들(110)의 두께는 여과하고자 하는 주파수 대역에 따른 공진 조건에 따라 변경될 수 있다.

절연층들(120)은 광학 고분자와 같은 절연체를 포함할 수 있다. 일 예로, 절연층들(120)은 삽입 손실이 낮은 절연체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층들(120)은 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막 또는 마그네슘 불화막을 포함할 수 있다. 절연층들(120)은 1nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다. 절연층들(120)의 두께는 그의 구성 물질의 밴드갭, 및 여과하고자 하는 주파수 대역에 따른 공진 조건에 따라 변경될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 메타 물질 구조체들(100)은 제1 방향(D1)으로 연장되는 라인 또는 바 형태를 가질 수 있고, 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 이때, 상호 인접한 메타 물질 구조체들(100) 사이의 간격(l)은 일정할 수 있다. 예를 들어, 상호 인접한 메타 물질 구조체들(100) 사이의 간격(l)은 10nm 내지 10μm일 수 있다. 또한, 메타 물질 구조체들(100)은 서로 동일한 폭(w)을 가질 수 있다. 예들 들어, 메타 물질 구조체들(100)은 10nm 내지 10μm의 폭(w)을 가질 수 있다. 기판(200) 상의 메타 물질 구조체들(100)이 일정한 주기(즉, 일정한 피치)를 가지도록 배열될 수 있다. 이에 따라, 메타 물질 구조체들(100)은 광필터의 역할을 수행할 수 있다.

도시하지는 않았으나, 메타 물질 구조체들(100) 및 기판(200) 사이에 접착을 위한 접착층(미도시)이 개재될 수 있다. 예를 들어, 접착층(미도시)은 티타늄(Ti)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광필터(20)를 설명하기 위한 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 광필터(20)는 메타 물질 구조체들(100)의 형상 및 배열이 다른 것을 제외하고, 도 1에서 설명한 광필터(10)와 실질적으로 동일 또는 유사할 수 있다. 설명의 간소화를 위해, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 기판(200) 상에 메타 물질 구조체들(100)이 2차원적으로 배열될 수 있다. 즉, 메타 물질 구조체들(100)은 제1 및 제2 방향들(D1, D2)을 따라 배열되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다. 평면적 관점에서, 메타 물질 구조체들(100)은 원형일 수 있으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 바와 달리, 메타 물질 구조체들(100)의 수평 단면의 형상은 직사각형 또는 다각형일 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 마찬가지로, 메타 물질 구조체들(100)은 서로 동일한 크기(일 예로, 직경)를 가질 수 있고, 실질적으로 서로 동일한 간격으로 상호 이격될 수 있다. 예를 들어, 메타 물질 구조체들(100)의 직경(r)은 10nm 내지 10μm일 수 있다. 또한, 상호 인접한 메타 물질 구조체들(100) 사이의 간격은 10nm 내지 10μm일 수 있다. 한편 도시되 바와 달리, 메타 물질 구조체들(100)은 평면적 관점에서 일 방향을 따라 지그재그 형태로 배열될 수도 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 메타 물질 구조체들(100)은 각각이 적어도 하나의 MIM(metal/insulator/metal) 구조를 가질 수 있다. 이로 인해, 메타 물질 구조체들(100) 각각이 메타 물질로서의 기능을 수행할 수 있다. 즉, 메타 물질 구조체들(100)이 음의 유전율(permittivity), 음의 투자율(permeability), 및 음의 굴절률(refractive index)을 가질 수 있다. 상세하게 설명하면, 메타 물질 구조체(100)에 전자기파가 수직으로 입사될 때, 메타 물질 구조체들(100)은 금속층들(110)의 외부 전기장에 의한 플라즈모닉(plasmonic) 현상을 통해 음의 유전율을 갖는다. 메타 물질 구조체들(100)은 외부 자기장에 의한 구조적 LC 공진 현상을 통해 음의 투자율을 갖는다. 예를 들어, 메타 물질 구조체(100)에 전자기파가 수직으로 입사될 수 있다. 이때, 절연층(120)과 평행하도록 형성되는 자기장의 자기공진에 의해, 상호 인접한 금속층들(110)에 상호 반대로 흐르는 루프 전류가 유도될 수 있다. 금속층들(110)에 유도된 루프 전류로 인해, 금속층들(110)은 그의 양단에 상호 용량성 결합(즉, capaciter 결합)을 할 수 있다. 한편, 금속층들(110)에 유도된 루프 전류가 자기 모멘트(magnetic moment)을 생성함에 따라, 금속층들(110)은 상호 유도성 결합(즉, inductance 결합)을 할 수 있다. 따라서, 금속층들(110) 및 금속층들(110) 사이의 절연층(120)에 LC 공진이 발생할 수 있다. LC 공진에 의해 본 발명의 실시예에 따른 메타 물질 구조체들(100)은 음의 유효 투자율을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 메타 물질 구조체들(100)은 동일한 주파수 대역에서 전자기파에 대해 음의 유전율 및 음의 투자율을 갖도록 형성된다. 따라서, 메타 물질 구조체들(100) 해당 주파수 대역에서 음의 굴절률을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광필터는 메타 물질 구조체들(100)의 형태, 크기 및 배열을 변화시킴으로써 음의 굴절률을 갖는 주파수 대역의 조절이 가능하다. 예를 들어, 메타 물질 구조체들(100)의 폭(w), 지름(d), 간격(l), 및 금속층들(110)과 절연층들(120)의 두께가 줄어듦에 따라 보다 짧은 파장대에서 음의 굴절률을 가질 수 있다. 이로 인해, 광필터는 여과하고자 하는 주파수 대역와 음의 굴절률을 갖는 주파수 대역을 일치시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광필터(10)는 여과하고자 하는 주파수 대역에서 음의 굴절률을 갖는 메타 물질 구조체들(100)을 사용함으로 인해, 높은 주파수 선택도 및 필터링 성능을 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 활용예에 따른 광필터를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3의 광필터는 근적외선 영역에서 850 내지 900nm의 파장을 갖는 전자기파를 흡수할 수 있다. 즉, 본 발명의 활용예에서는 850 내지 900nm의 파장 범위에서 음의 굴절률을 갖는 메타 물질을 사용하여 광필터를 형성하였다. 도 3을 참조하여, 기판(200) 상에 메타 물질 구조체들(100)을 형성할 수 있다. 메타 물질 구조체(100)는 3층의 금속층들(110) 및 3층의 절연층들(120)이 반복 적층된 구조로 설계되었다. 금속층들(110)은 30nm의 두께의 금(Au)으로 형성하였다. 절연층들(120)은 10nm의 두께의 이산화 실리콘(SiO₂)으로 형성하였다. 기판(200)과 메타 물질 구조체(100) 사이에 접착층(130)을 이용하여 기판(200)과 메타 물질 구조체들(100)을 접합하였다. 접착층(130)은 티타늄(Ti)을 사용하였으며, 그의 두께는 2nm로 형성되었다. 메타 물질 구조체들(100)은 평행하게 일 방향으로 연장되어있는 라인 형상으로, 106nm의 폭(w) 및 234nm의 간격(l)을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광필터의 광특성에 대하여 전산모사를 실시하였다. 도 4는 도 3의 광필터의 광특성에 대한 전산모사 그래프이다. 도 3에 따른 광필터를 이용하여 가시광 및 근적외선 대역에서의 투과, 반사 및 흡수에 대하여 시뮬레이션 하였다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따라 설계된 광필터는 여과하고자 하는 주파수 대역인 850 내지 900nm의 파장을 갖는 전자기파에 대하여 낮은 투과도(즉, 높은 흡수도 및 반사도)를 보였으며, 그 이외의 전자기파에 대해 높은 투과도를 보였다. 본 발명의 실시예에 따른 광필터는 높은 선택성 및 필터 특성을 나타냄을 알 수 있다.

상술한 활용예에서는 광필터가 근적외선 영역의 전자기파 대역에서 작동하는 경우에 대하여 서술했지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들에 따르면, 광필터는 가시광선, 적외선 또는 마이크로파 영역에서 작동되도록 설계될 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10, 20: 광필터 100: 메타 물질 구조체
110: 금속층 120: 절연층
130: 접착층 200: 기판

Claims

기판; 및
상기 기판 상에 교대로 반복 적층된 금속층들 및 절연층들을 포함하는 메타 물질 구조체들을 포함하고,
상기 메타 물질 구조체들은 서로 동일한 폭을 가지며, 일방향을 따라 서로 동일한 간격으로 상호 이격되되,
상기 메타 물질 구조체들 각각은 여과하고자 하는 주파수 대역에서 음의 굴절률을 갖도록 구성되는 광필터.