KR20170075668A - 광대역 특성을 갖는 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체 - Google Patents

광대역 특성을 갖는 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체 Download PDF

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Abstract

나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 단위 구조체들을 포함하며, 상기 단위 구조체는 3 차원으로 조밀하게 배열되어 있는 것인, 메타물질 나노 복합구조체 및 상기 메타물질 나노 복합구조체를 포함하는 광학용 필름에 관한 것이다.

Description

광대역 특성을 갖는 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체{METAMATERIAL NANOCOMPOSITE WITH HIGH REFRACTIVE INDEX HAVING BROADBAND FEATURE}
본원은, 광대역 특성을 갖는 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체 및 상기 메타물질 나노 복합구조체를 포함하는 광학용 필름에 관한 것이다.
반도체 산업의 발전은 반도체 공정에서의 미세 공정의 정밀도 개선에 기반을 두고 있다. 반도체 미세 공정의 주요 핵심 기술은 광리소그래피(photolithography) 과정에서의 에칭 레지스트(etching resist)의 패턴을 얼마나 미세하게 조절할 수 있는지에 달렸고, 이 때 패턴을 미세하게 에칭하기 위해서는 광학시스템의 해상도 개선이 필요하다. 현재 최고의 광리소그래피를 위한 장치는 엑시머 레이저(excimer laser)로서 248 nm 및 193 nm 파장의 빛을 이용해 최소 배선폭 14 nm 수준의 소자를 만들 수 있다. 하지만, 이 한계를 넘어서기 위해서는 다른 대안이 필요한 상태이다.
유침(oil immersion) 기술은 광학 현미경에서 대물렌즈와 시료 사이에 특정 광학적 및 점도 특성을 갖는 투명한 오일을 사용하는 것으로서, 오일(oil) 특성 개선에 따라 배선 폭을 수 나노미터 단위로 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 현재, 반도체 공정에서는 오일 대신에 고도로 정수된 물을 사용하기도 한다.
광학시스템으로 구현 가능한 미세 패턴의 크기 관계를 알아보면, 미세 패턴의 크기(δ) = λ /(2NA) 이며, 여기서 λ는 빛의 파장, NA는 렌즈의 개구수(numerical aperture)이며, NA=nsinα0이고, 여기서 n은 오일 또는 물 등, 렌즈와 패턴 사이를 채우고 있는 물질의 굴절률, α0는 시료에서 보여지는 대물렌즈에 의해 벌어진 각도이다. 실제 반도체 공정에서는 선폭을 조금이라도 더 줄이기 위해 이중 노광, 레지스트 현상 조건 조절 등 다양한 기술을 적용하여 상기 단순 관계식에서 정해지는 크기보다 더 작은 선폭을 얻고 있으나, 이와 같은 보조 기술로 선폭을 줄이는 것은 한계가 있으므로, 상기 관계식에서 나타나는 해상도를 근원적으로 줄여야 더 작은 선폭을 얻을 수 있다. 상기 두 개의 관계식으로부터, 미세 패턴 사이즈의 해상도는 대물렌즈와 시료 사이의 오일의 굴절률에 반비례하며, 높은 해상도는 높은 굴절률의 이머전(immersion) 오일이 필요함을 알 수 있다. 하지만, 이 경우 꼭 개선되어야 할 오일의 광학적 특성인 높은 굴절률의 오일 개발은 현재 높은 굴절률 오일이 존재하지 않고 또한 만들기 어려워 개발이 지체되고 있다.
과거 수년 동안 마이크로파와 가시광 영역에 이르는 다양한 파장 영역에서, 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지도록 함으로써 음의 굴절률을 가지는 음굴절률 메타물질들이 개발되어 왔다. 그러나 반대 극한인 양의 고굴절률을 가지는 메타물질에 대한 연구는 이론적인 실현가능성에 초점을 둔 채 비교적 덜 연구되어 왔다. 종래 연구들 중에서 분리된 링 공진기들에서 전기적인 공명들을 활용하는 접근법이 굴절률의 증가를 보였지만, 그와 같은 설계들은 태생적으로 좁은 주파수 대역에서 고굴절률을 가진다. 그 메타물질은 공명 주파수 근처에서 강한 분산특성을 보이고 단지 좁은 주파수 영역에서만 원하는 굴절률을 유지한다. 서브파장(파장 이하)의 커패시터(축전기) 배열로 만들어진 메타물질이 광대역에서 높은 유전율을 가지도록 제안되었지만, 이 또한 여전히 자기 투자율 값을 억제하는 강한 반자성 효과로 인하여 문제가 있었다. 최근에야 비로소 이 반자성 효과를 줄이는 광대역 고굴절률 메타물질이 이론적으로 제안되었다. 하지만, 그 제안된 구조 또한 그것이 가지는 삼차원적인 특징으로 인해 손쉬운 구현의 대상이 되지는 못했다.
대한민국 공개특허 제2012-0007819호는 메타 물질 및 그의 제조방법에 관한 것으로서 자연 상태에서 음의 굴절률을 갖는 나노 패턴 구조를 포함하는 메타 물질 및 그의 제조방법에 대하여 개시하고 있다.
본원의 일 구현예는 파장보다 매우 작은 크기의 나노입자를 3 차원으로 조밀하게 배열(close-packed)함으로써, 가시광, 자외선 및/또는 적외선 파장대역에서 광대역 특성을 나타내는 동시에 고굴절률을 가지는 메타물질 나노 복합구조체 및 상기 메타물질 나노 복합구조체를 포함하는 광학용 필름을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 단위 구조체들을 포함하며, 상기 단위 구조체는 3 차원으로 배열되어 있는 것인, 메타물질 나노 복합구조체를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 메타물질 나노 복합구조체를 포함하는, 광학용 필름을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 광대역 특성을 나타내는 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체가 제공될 수 있다. 본원의 일 구현예에 따른 메타물질 나노 복합 구조체의 단위 구조체는, 파장보다 작은(진공에서의 파장의 약 1/10 이하) 크기로 형성되어 있으며 상기 단위 구조체가 3 차원으로 조밀하게 배열(close-packed) 되어있어, 전체 구조체가 마치 굴절률이 높은 단일 물질과 같은 광학적 효과가 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 나노입자의 침투 깊이(skin depth)에 상응하거나 또는 더 작은 나노입자의 크기는 나노입자 부분으로의 자기 침투(magnetic penetration)를 유도하여, 상기 나노입자의 유효 투자율의 감소를 방지함으로써 고굴절률을 달성할 수 있다. 아울러, 상기 유전율은, 일정한 값으로 단위 구조체의 크기를 유지하면서 인접한 나노입자와의 간격인 갭(gap)의 폭을 변화함으로써 투자율의 눈에 띄는 변화 없이, 단순한 구조를 통해 자유롭게 조정될 수 있다. 즉, 갭의 폭을 줄임으로써 높은 유전율 및 높은 굴절률이 달성될 수 있으며, 상기 유전율 및 투자율의 조절은 물질의 임피던스(impedance) 및 다른 광학적 특성을 설계하는 데에 있어 중요하기 때문에 리소그래피 및 이미징을 위한 침수렌즈, 도파로 결합기(waveguide coupler), 변조기, 광 검출기 및 에너지 장치에 이르기까지 다양한 광학 장치에서 응용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 표면 플라즈몬 공명에 직접 의존하는 다른 메타물질의 대역폭 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 메타물질 나노 복합구조체는 다른 나노입자 형태와 격자 타입에 대해서도 동일한 효과를 가지므로, 비싸고 복잡한 하향식 나노제작 공정을 대신하여 다수의 상향식 나노입자 합성법에 대한 가능성을 제공할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 3 차원으로 조밀하게 배열된 정육면체 메타물질 나노 복합구조체의 모식도(a), 및 고굴절률을 달성하기 위한 금속 입자 크기 조건을 나타내는 모식도(b) 이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 유한차분시간영역법(FDTD) 시뮬레이션의 도식이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, FDTD 시뮬레이션에 사용된 물질 데이터이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타물질 나노 복합구조체 및 완전 전기 도체의 단위 구조체를 나타낸 이미지[(a), (d), 및 (g)], 각 단위 구조체의 Ex-필드 분포[(b), (e), 및 (h)], 각 단위 구조체의 Hy-필드 분포[(c), (f), 및 (i)]를 나타낸 FDTD 시뮬레이션 결과이다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 호스트 물질을 Si02로 한 금 메타물질 나노 복합구조체의 유효 유전율, 유효 투자율, 및 유효 굴절률을 나타낸 FDTD 시뮬레이션 결과이다.
도 6의 (a) 내지 (f)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 일정한 단위 구조체 크기 하에서 갭의 폭을 변화시킨 완전 전기 도체와 금 메타물질 나노 복합구조체의 점근값[(a) 및 (d)], 투자율[(b) 및 (e)], 굴절률[(c) 및 (f)]을 나타낸 FDTD 시뮬레이션 결과이다.
도 7 의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 입방 격자에서의 입방 나노입자 및 육방 격자에서의 구체 나노입자를 나타낸 모식도[(a) 및 (b)], 및 다층 FDTD 시뮬레이션 결과[(c) 및 (d)]이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 블록공중합체 리소그래피에 의한 홀(hole) 패턴의 제작 과정을 나타낸 이미지이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체의 이온 밀링 공정을 나타낸 이미지이다.
도 10의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 11의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체를 나타낸 AFM 이미지이다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체의 측정된 투과도를 나타낸 UV-VIS 분광계 스펙트럼이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체의 계산된 투과도를 나타낸 FDTD 시뮬레이션 그래프이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타물질 나노 복합구조체의 도출된 유효 굴절률을 나타낸 FDTD 시뮬레이션 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "메타물질(metamaterial)"이라는 용어는, 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(mata atom)의 배열로 만들어진 물질로서, 자연적인 물질들이 가지기 힘든 광학적 성질을 가지도록 인공적으로 설계해 만들어낸 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "조밀하게 배열(close-packed)" 이라는 용어는, 나노입자 또는 단위 구조체가 호스트 물질에서 일정한 단위 구조체의 크기와 갭의 폭을 가지며 3 차원에서 서로 치밀하게 배열되어 있는 상태를 나타내는 것이다. 본원에 따른 조밀하게 배열된 나노입자 및 조밀하게 배열된 단위 구조체는 가시광선에서 자외선 및/또는 적외선 파장대역까지 광대역 특성을 나타내는 동시에 고굴절률을 갖는다. 상기 나노입자 및 단위 구조체의 단위 구조체 크기 및 갭의 폭은 수 나노미터 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "침투 깊이(skin depth)"라는 용어는, 전자기파가 매질의 표면에서 어느 정도까지 파고 들어갈 수 있는 지를 나타내는 깊이를 의미한다. 상기 매질에서, 표피 효과(skin effect)에 따라 전류 밀도는 매질의 표면 가까이에서 최대가 되고, 도체 안으로 파고 들어갈수록 감소하는 경향을 나타낸다. 상기 전류는 외부 표면과 침투 깊이(skin depth)라고 불리우는 레벨 사이인 도체의 "표면"에서 주로 흐르며, 따라서, 상기 침투 깊이는 더욱 상세하게는 표면에서 전류 밀도 또는 전기장 등의 크기가 1/e(37%)까지 떨어지는 깊이를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "굴절률"이라는 용어는, 빛이 매질로부터 다른 매질로 진행할 때 두 매질 속에서 진행하는 파동의 속력 비율을 의미한다. 굴절률은 파장에 따라 그 차이를 보이며, 굴절률이 서로 다른 매질의 경계면에서는 빛이 스넬의 법칙에 따라 휘게 되고 입사각에 따라 일부는 반사하게 된다. 상기 굴절률은 다음과 같은 식 1에 대하여 상대 유전율(permiittity)과 상대 투자율(permeability) 곱의 제곱근으로 표현할 수 있으며, 굴절률 값이 증가함에 따라 광학 기기에서 두 물체를 서로 구별할 수 있는 능력인 분해능이 향상되기 때문에 해상도가 증가한다:
[식 1]
Figure pat00001
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 단위 구조체들을 포함하며, 상기 단위 구조체는 3 차원으로 배열되어 있는 것인, 메타물질 나노 복합구조체를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체는 3 차원으로 조밀하게 배열(close-packed) 되어있는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 가시광선, 자외선, 적외선, 및 이들의 조합들로부터 선택되는 파장대역에서 고굴절률을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 메타물질 나노 복합구조체의 나노입자의 크기 및/또는 인접한 나노입자와의 간격인 갭의 폭을 조절함으로써 상기 메타물질 나노 복합구조체가 고굴절률을 나타내는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
종래 테라헤르츠 주파수를 위해 제안되었던 고굴절률 메타물질은, 복잡한 구조로 인한 나노제작의 어려움으로 가시 파장에서 직접적으로 응용하기가 어렵다는 단점이 있다. 그러나, 본원의 일 구현예에 따른 고굴절률 메타물질 나노 복합구조체는 단위 구조체 내에서 나노입자의 크기와 인접한 나노입자와의 간격인 갭의 폭을 적절하게 선택함으로써, 단순한 구조로 유효 투자율의 저하 없이 유효 유전율과 굴절률의 향상을 이끌어 낼 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체는 등방성(isotropy) 또는 비등방성(anisotropy)을 가지고 3 차원으로 조밀하게 배열되어 있는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 약 200 nm 이하의 파장에서 약 1.5 이상의 극대 굴절률을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 약 200 nm 내지 약 400 nm의 자외선 파장에서 약 2 이상의 극대 굴절률을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 약 400 nm 내지 약 700 nm의 가시광선 파장에서 약 4 이상의 극대 굴절률을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 약 700 nm 이상의 적외선 파장에서 약 5 이상의 극대 굴절률을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1의 (a)는 본원의 일 구현예에 따른 고굴절률을 달성하기 위한 유전체 호스트 물질에 포함되어있는 조밀하게 3 차원으로 배열된 정육면체 메타물질 나노 복합구조체의 예시를 나타낸 이미지이다. 도 1에서와 같이, 파란색 및 회색의 영역은 각각 유전체와 금속을 나타낸 것이다. 녹색의 점선 사각형에 의해 둘러싸인 도 1의 [b(i)]에서, 화살표는 전기장을 나타내고 전파 강도(field intensity)는 금속의 전자에 의해 약해진다. 도 1의 [b(ii)]에서, 화살표의 길이는 자기장의 세기를 나타내며 자기장이 금속으로 침투될 때 전파 강도가 약해진다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체에서 상기 나노입자의 크기는 상기 나노입자의 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 침투 깊이는 상기 나노입자의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 침투 깊이는 금속뿐만 아니라 도핑이 많이 된 반도체, 또는 유전율의 실수 부분이 음수인 물질에서, 자기장이 내부로 잘 들어가지 못하고 표면으로부터의 거리에 따라 지수함수적으로 감소하기 때문에 각 물질에 따라 각자의 고유한 침투 깊이를 갖는다. 여기서, 침투 깊이는 전자기파가 매질 표면에서 어느 정도까지 파고들어갈 수 있는가를 나타내는 깊이이며, 침투 깊이만큼 파고들었을 때 1/e 만큼 전자기파의 세기가 감소한다. 상기 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 크기의 나노입자를 제조할 경우, 자기장이 단위 구조체에 걸쳐 거의 균일하게 분포되며, 이는 메타물질 나노 복합구조체의 유효 투자율의 감소를 방지함으로써 결과적으로 고굴절률을 갖는 메타물질 나노 복합구조체를 만들어낼 수 있다. 예를 들어, 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 나노입자의 크기는 다음과 같은 식 2의 유도식에 따라 고굴절률을 유도할 수 있다:
[식 2]
Figure pat00002
상기 유도식에서
Figure pat00003
유효 굴절률,
Figure pat00004
는 유효 유전율,
Figure pat00005
는 유효 투자율, a는 단위 구조체(유닛 셀)의 크기, g는 인접한 나노입자와의 간격인 갭의 폭을 의미한다. 메타물질 나노 복합구조체는 기하학에 의해 결정되는 정전용량 효과(capacitive effect)로 인해 광범위한 파장 범위에 걸쳐 거의 일정한 높은 유효 유전율을 갖는다. 일반적으로, 잘 알려지지 않은 (메타)물질의 DC 또는 저-주파수 유전율은, 플레이트 사이의 전체 공간을 채우는 테스트 물질을 갖는 평행플레이트 커패시터의 정전용량(capacitance)과 같은 규모(dimension)이지만 공지의 유전율을 갖는 기준 물질이 채워진 평행플레이트 커패시터의 정전용량을 비교함으로써 정량화될 수 있다. 평행플레이트 커패시터의 상기 정전용량이 C = Q/V = εcap 로서 표현될 때(C, Q, 및 V는 각각 정전용량, 총 전하, 및 총 전압 강하이고, 반면 εcap, A, 및 d는 각각 플레이트 사이의 유전물질의 유전율, 면적 및 거리임), 상기 정전용량은 εcap 에 정비례한다. 따라서, 상기 정전용량의 비율은 테스트 물질 및 기준 물질의 유전율의 비율이다. 메타물질 나노 복합구조체가 플레이트들 사이에 삽입되고, 전하 + Q 및 - Q가 커패시터 플레이트에 인가되는 경우, 상기 전하에 의한 종방향의 전기장이 금속 입자 사이의 갭 영역에서만 존재하고 입자의 내부로부터 배제될 것이며, 이것은 전형적으로 서브-옹스트롬(sub-angstrom)의 단위인, 종방향의 전기장이 토마스-페르미 스크리닝 길이를 넘어 금속 내로 침투할 수 없기 때문이다. 이 사실은 도 1의 (b)에 나타나있다. 메타물질 나노 복합구조체의 유전체 갭 영역에서의 전기장의 세기는 커패시터 플레이트 사이의 공간이 갭 유전체와 같이 동일한 물질(permittivity,
Figure pat00006
)로 채워진 기준 케이스에서 전기장의 세기와 동일하다. 전압 강하가 전기장의 선 적분이기 때문에, 메타물질 나노 복합구조체의 존재 하에서 총 전압 강하는 기준 케이스에서 전압 강하의 g/a로 감소되며, 이것은 상기 정전용량이 a/g만큼 향상되는 것을 의미한다. 따라서, 메타물질 나노 복합구조체의
Figure pat00007
가 또한 a/g만큼 향상되어
Figure pat00008
이 되는 것을 의미한다. 즉, 결과적으로 메타물질 나노 복합구조체가 고굴절률을 위해 '조밀하게 배열(close-packed)된' 어레이를 필요로 하는 것은 a/g인자로 인한 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 상기 호스트 물질에 의해 코팅되거나 둘러싸여(wrapping) 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 구조체는 코어-쉘 구조로서 구형의 나노입자를 호스트 물질로 둘러 싼 뒤 이를 또 다른 호스트 물질 속에 배열한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 구조체는 탄소나노튜브와 같은 실린더 형태의 나노입자를 호스트 물질 속에 배열한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자의 배열은 코어-쉘 구조 또는 조밀하게 배열된(close-pack) 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자의 소재는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 코어를 비금속 쉘이 둘러싼 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자가 반도체인 경우, 상기 나노입자의 크기가 더 커지더라도 고굴절률을 나타낼 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 반도체 나노입자의 경우 금속 나노입자보다 침투 깊이가 더 길기 때문에 자기장이 더 깊숙하게 침투할 수 있으며, 따라서 상기 나노입자의 크기가 금속의 경우보다 더 커지더라도 고굴절률을 나타낼 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 유전율의 실수 부분이 음수인 물질을 포함하고, 상기 호스트 물질은 유전율의 실수 부분이 양수인 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 등과 같은 금속 물질; 두 종류 이상의 금속 합금; 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브, 풀러렌(fullerene)과 같은 탄소계 물질; 실리콘, 게르마늄, 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 황화납(PbS), 비소화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(InSb), 인화갈륨(GaP), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs)과 같은 반도체 물질; 또는 InGaAsP와 같은 세 종류 이상의 원소들의 화합물 반도체 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 호스트 물질은 이산화규소(SiO2), 산화구리(CuO2), 산화알루미늄(Al2O3), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 산화은(silver oxide) 등과 같은 산화물; 질화규소(Si3N4), 사이알론(sialon) 등과 같은 질화물; 실리콘, 게르마늄, 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 황화납(PbS), 비소화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(InSb), 인화갈륨(GaP), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs)과 같은 반도체 물질; InGaAsP와 같은 세 종류 이상 원소들의 화합물 반도체 물질; 고분자 물질; 그래파이트와 같은 탄소계 물질; 폴리도파민, 올레일아민과 같은 유기 물질; 또는 물, 오일, 유기 용매 등의 액상 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 호스트 물질이 물, 오일 등의 액상 물질일 경우, 상기 호스트 물질은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 담금법, 또는 점적법 등을 이용하여 시료 상에 도포한 후 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자로서 반응성이 높은 금속인 알루미늄(Al)을 사용함으로써, 상기 메타물질 나노 복합구조체의 굴절률을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 사면체형, 육면체형, 팔면체형, 십이면체형, 십사면체형, 이십면체형, 막대형, 오목한 정사면체형, 정사면체형과 같은 단결정형, 육각판형, 삼각판형, 순환오각쌍정형과 같은 쌍정형, 구형, 타원체형, 실린더형을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자는, 등방성을 가지는(isotropic) 구형, 정사면체형, 정육면체형, 정팔면체형, 정십이면체형, 정십사면체형, 또는 정이십면체형 형상을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단위 구조체에서 형성하는 상기 나노입자는 인접한 나노입자와의 간격인 갭의 폭이 약 10 nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자와 인접한 나노입자와의 간격인, 갭의 폭은 약 10 nm 이하, 약 9 nm 이하, 약 8 nm 이하, 약 7 nm 이하, 약 6 nm 이하, 또는 약 5 nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자의 유전율은 침투 깊이 하에서 일정한 값으로 단위 구조체의 크기를 유지하면서 갭의 폭을 변화시킴으로써, 투자율의 눈에 띄는 변화 없이 자유롭게 조정될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 투자율이 나노입자에 대해 거의 일정한 반면, 상기 유전율은 갭의 폭에 반비례하기 때문에, 갭의 폭을 줄임으로써 높은 유전율과 높은 굴절률을 달성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자의 유전율의 실수 부분이 음수인 물질은 금속 물질, 탄소계 물질, 도핑에 의해 캐리어 밀도가 향상된 반도체 물질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 등과 같은 금속 물질; 두 종류 이상의 금속 합금; 그래파이트(graphite), 탄소나노튜브, 풀러렌(fullerene)과 같은 탄소계 물질; 실리콘, 게르마늄, 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 황화납(PbS), 비소화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(InSb), 인화갈륨(GaP), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs)과 같은 반도체 물질; 또는 InGaAsP와 같은 세 종류 이상의 원소들의 화합물 반도체 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 호스트 물질의 유전율의 실수 부분이 양수인 물질은 산화물, 질화물, 전하밀도가 낮은 반도체 물질, 고분자 물질, 유기 물질, 액상 물질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 호스트 물질은 이산화규소(SiO2), 산화구리(CuO2), 산화알루미늄(Al2O3), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 산화은(silver oxide) 등과 같은 산화물; 질화규소(Si3N4), 사이알론(sialon) 등과 같은 질화물; 실리콘, 게르마늄, 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 황화납(PbS), 비소화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(InSb), 인화갈륨(GaP), 질화갈륨(GaN), 비화갈륨(GaAs) 과 같은 반도체 물질; InGaAsP와 같은 세 종류 이상의 원소들의 화합물 반도체 물질; 고분자 물질; 그래파이트, 탄소나노튜브, 풀러렌(fullerene)과 같은 탄소계 물질; 폴리도파민, 올레일아민과 같은 유기 물질; 또는 물, 오일, 유기 용매 등의 액상 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 호스트 물질이 물, 오일 등의 액상 물질일 경우, 상기 호스트 물질은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 담금법, 또는 점적법 등을 이용하여 시료 상에 도포한 후 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면에 따른 메타물질 나노 복합구조체를 포함하는, 광학용 필름을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 나노 복합구조체는 나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 단위 구조체들을 포함하며, 상기 단위 구조체는 3 차원으로 조밀하게 배열(close-packed) 되어있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광학용 필름은 고굴절률을 이용하여 광리소그래피 또는 광학 현미경 등 광학 시스템의 분해능을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광학용 필름은 증착법, 스프레이법, 담금법, 점적법 등을 이용하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은 상기 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원에서는, 3 차원으로 조밀하게 배열된 금속 나노입자 어레이가 가시광 및 적외선 영역에서 광대역 고굴절률을 달성하기 위해 제안되었다. 조밀하게 배열된 메타물질 나노 복합구조체에서, 작은 간격-대-주기의 비율(gap-to-period ratio)은 유전체 간격 내에서 강력하게 밀폐된 전기장으로부터 더 향상된 유효 유전율로 연결된다. 동시에, 금속 입자의 수십의 나노미터 직경은 초대받지 않은 유효 투자율의 저하를 방지하며, 이것은 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 나노입자의 크기가 금속 입자를 통한 자기장의 침투를 허용하기 때문이다. 전기와 자기장 행동의 이러한 차이는 토마스-페르미 스크리닝 길이 및 침투 깊이 사이의 큰 차이에 기인한다. 그 결과, 메타물질 나노 복합구조체의 유효 굴절률은 가시광 및 적외선 영역에서 천연 물질보다 훨씬 더 높으며 갭의 폭을 변화시킴으로써 쉽게 제어될 수 있다. 상기 제안된 메타물질 나노 복합구조체는 표면 플라즈몬 공명에 직접 의존하는 다른 메타물질의 대역폭 한계를 극복한다. 메타물질 나노 복합구조체의 또다른 장점은 비싸고 복잡한 하향식 나노제작 공정을 대신하여 다수의 상향식 입자 합성법에 대한 가능성을 허용하는 입자 형태 및 격자 타입에서 유효 굴절률의 약한 의존성이다. 유전율 및 투자율을 조절하는 능력은 고굴절률을 달성하는 것뿐만 아니라 임피던스 및 물질의 다른 광학적 특성을 설계하는 데에 있어 중요하기 때문에, 상기 제안된 기법은 리소그래피 및 이미징을 위한 침수 렌즈에서 도파로 결합기(waveguide coupler), 변조기, 광 검출기 및 에너지 장치에까지 다양한 광학 장치에서 응용을 찾을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: FDTD 시뮬레이션 분석
FDTD 시뮬레이션 조건
유한차분시간영역법 시뮬레이션(FDTD simulation)은 Lumerical Solutions의 제품(버전 8.7.4)을 사용하여 수행되었다. 전체 FDTD 시뮬레이션은 3 차원으로 진행되었다. 도 2에서, 메타물질 나노 복합구조체의 XZ 평면에서의 FDTD 시뮬레이션의 도식을 나타내었다. X-편광을 가진 빛이 Z-방향을 따라 전파하고, 광원 파장의 범위는 200 nm 내지 3,000 nm 이다. 메타물질 나노 복합구조체는 XY 평면의 반복된 단위 구조체로 구성되어있기 때문에, 주기적인 경계 조건은 컴퓨터를 사용한 시간을 절약하기 위해 X-방향 및 Y-방향에서 사용되었다. Z-방향의 양측에서, 완벽하게 매치된 레이어(PML)가 사용되었다. 두 개의 모니터는 S-파라미터법을 이용한 메타물질 나노 복합구조체의 특성을 분석하기 위해 아래와 위에 배치되었다. 모든 시뮬레이션에서, 최소 메쉬 크기는 가장 작은 구조의 십분의 일 크기로 설계되었다. 또한, 최소 메쉬의 크기는 수렴 판정 테스트(convergence test)를 먼저 진행하여 설계하였다. 금 메타물질 나노 복합구조체 시뮬레이션의 경우, Johnson 및 Christy 물질 데이터가 200 nm 내지 3,000 nm에 적용된다. Palik 물질 데이터는 은과 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체 시뮬레이션에 사용되며, 시뮬레이션에서 사용된 물질(금, 은, 및 알루미늄)에 대한 굴절률 등의 물질 데이터는 도 3에 플롯되어있다. 이산화규소는 굴절률이 1.473으로 유전체 호스트 물질로서 선택되었다.
1-1: 나노입자 크기에 따른 메타물질 나노 복합구조체의 전기 "G 자기장 분포
금속의 나노입자 크기에 따른 굴절률 변화를 확인하기 위해, FDTD 시뮬레이션을 이용하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속 물질의 경우 완전 전기 도체(perfect electric conductor, PEC)와 금을 비교하였다. 도 4의 (a), (d), 및 (g)는 메타물질 나노 복합구조체 구조의 도식이며, 붉은색 사각형은 각각 하나의 단위 구조체를 나타낸다. 도 4의 (b), (e), 및 (h)는 도 1의 (a)에 나타낸 것과 같이 z-normal view 에서 하나의 메타물질 나노 복합구조체 단위 구조체의 Ex-필드 분포를, (c), (f), 및 (i)는 Hy-필드 분포를 나타낸다. Ex-필드 및 Hy-필드 분포는 단위 구조체의 가장자리에서 최댓값에 의해 정규화되며 이것은 도 4의 (a), (d), 및 (g)의 붉은색 사각형과 일치하였다. 단위 구조체 단면의 중앙 좌표는 통상적으로 (0, 0)이다. PEC는 토마스-페르미 스크리닝 길이와 침투 깊이 0을 가졌으며, 상기 입자의 크기는 두 길이보다 항상 더 컸다. 밴드간 전이 파장 초과의 근적외선 및 가시 파장에서 금의 경우 길이는 각각 서브-옹스트롬 스케일 및 22 nm이었다. 따라서, 18 nm 및 270 nm의 서로 다른 입자 크기를 갖는 두 케이스가 비교되었다. 이것은 침투 깊이보다 각각 더 작았고 더 컸다. 입자 사이즈 대 갭 비율은 9 : 1로 고정되었다. 도 4의 (b), (e), 및 (h)에 나타낸 바와 같이, 전기장은 금속 입자 크기와 관계없이 금속입자 사이의 유전체 간극에서 강하게 국한되었으며 금속이 PEC 또는 금인지 명확하게 확인되었다. 이것은 토마스-페르미 길이가 세 가지 경우에서 입자와 갭의 폭 모두보다 훨씬 짧기 때문이다. 이러한 전기장 국한(confinement)때문에, 상기 유효 유전율은 세 가지 경우 모두에서 유전체의 10 배에 가까워야 한다. 이와는 대조적으로, 자기장 분포는 물질과 크기에 따라 상당히 다르다. 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 자기장은 PEC 입자의 외부에만 존재했다. 이것은 강한 반자성 특징을 나타낸다. 금 입자의 경우, 자기장은 입자 내부로 침투했다. 경험적으로, 이러한 분포는 1 차의 쌍곡선 코사인 함수(hyperbolic cosine function)로 조사될 수 있었다. 따라서, 금 입자의 크기가 침투 깊이보다 더 클 때, 자기장은 주로 입자의 내부 영역으로부터 대부분 침투하지 못했고, 필드 프로파일은 강한 반자성을 나타내며 PEC 입자의 것과 가까워졌다[도 4의 (i)]. 그러나, 금 나노입자의 크기가 18 nm일 때(단위 구조체 크기 20 nm, 갭 2 nm), 유전체 갭에서 최댓값으로 정규화(normalized)될 때, 자기장이 나노입자의 중심에서 0.9465의 최소값을 가지며 단위 구조체에 걸쳐 거의 균일하게 분포되어 있음이 발현되었다[도 4의 (f)]. 그러므로, 나노입자의 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 금속 나노입자의 크기는 금속을 통한 자기 침투(magnetic penetration)를 유도하기 위한 중요한 열쇠이며, 이것은 메타물질 나노 복합구조체의 유효 투자율의 심각한 감소를 방지하는 것을 직접적으로 유도한다. 자기장의 결과는 도 1의 (c)에서 제안된 아이디어에 해당하며, 금속 입자에 상응하는 침투 깊이는
Figure pat00009
인 고굴절률을 실현할 수 있다.
1-2: 메타물질 나노 복합구조체의 굴절률 확인
정량 분석을 위해, s-파라미터 추출법이 FDTD 시뮬레이션으로부터 유효 물질 특성 값을 계산하기 위해 사용되었다. 20 nm 단위 구조체 및 SiO2로 채워진 2 nm의 갭을 가진 금 메타물질 나노 복합구조체에 대한 굴절률, 유전율, 및 투자율의 추출된 유효값이 도 5에 플롯되었다. 도 5의 (a)는 금 메타물질 나노 복합구조체의 유효 유전율(
Figure pat00010
) 및 투자율(
Figure pat00011
)을, 도 5의 (b)는 유효 굴절률 및 FOM의 실제, 허수 부분을 나타낸다. 단위 구조체 크기 및 갭의 폭은 각각 20 nm 및 2 nm이었으며, 사용된 호스트 물질은 SiO2이었다. 도 5의 (a)에서 상단의 녹색 및 하단의 붉은색 점선은 메타물질 나노 복합구조체의 유효 유전율 및 투자율의 점근선이다. 도 5의 (b)에서 녹색 점선은 메타물질 나노 복합구조체의 유효 굴절률의 점근선이다. 메타물질 나노 복합구조체는 800 nm 부근에서 두드러진 공명 특성을 나타내며, 공명 피크 이후 넓은 파장 범위에 걸쳐 거의 일정한 매우 높은 굴절률을 나타낸다는 것이 확인되었으며, 이것은 입자의 형태 및 크기에 의해 조절될 수 있는 나노입자의 쌍극 공명(dipolar resonance)으로 인한 것이다. 도 5에서 점선으로 표시된, 장-파장 한계에서 유효 물질 파라미터의 점근값(asymptotic value)은 이론적 예측에 매우 가까웠다. 점근선의 유전율, 투자율, 및 결과 굴절률은 21.2, 0.983, 및 4.57이었으며, 그에 대한 이론상의 값은
Figure pat00012
=(20/2)×2.17=21.7, 0.998, 및 4.65이었다.
Figure pat00013
로서 정의된 성능 지수(figure of merit, FOM)는 가시광 및 근적외선 영역에서 메타물질에 대해 상당히 높으며, 이것은 현재의 디자인 연구가, 공명 및 관련된 강한 분산에 직접 의존하는 종래 제안되었던 메타물질의 대부분과 달리, 공명으로부터 무관하다는 사실에 주로 기인된 것이다.
1-3: 메타물질 나노 복합 구조체의 굴절률 조절
메타물질 나노 복합구조체의 단위 구조체의 크기와 갭의 폭 조절에 따른 굴절률을 확인하기 위해, FDTD 시뮬레이션을 이용하였다. 유전율이 그렇지 않은 반면에 투자율은 침투 깊이에 비하여 입자의 상대적인 크기에 크게 의존하기 때문에, 메타물질 나노 복합구조체의 자기 및 전기적 특성은 독립적으로 조절될 수 있다. 도 6에서 나타낸 바와 같이, 상기 유전율은 침투 깊이 하에서 20 nm의 일정한 값으로 단위 구조체의 크기를 유지하면서 갭의 폭을 변화함으로써 투자율에서 눈에 띄는 변화 없이 자유롭게 조정될 수 있다[도 6의 (a) 내지 (c)]. 투자율이 금 메타물질 나노 복합구조체에 대해 거의 일정한 반면에 상기 유전율은 갭의 폭에 반비례한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 높은 투자율 및 높은 굴절률은 갭의 폭을 줄임으로써 달성될 수 있다. 한편, 상기 자기적 특성은 동일한 유전율을 지속하기 위해 단위 구조체의 크기와 갭의 폭 사이의 비율을 일정하게 10 : 1로 유지하면서 단위 구조체의 크기를 변화시킴으로써 자기 반응이 거의 없는 것(1 근처의 투자율)에서 매우 강한 반자성(0 근처의 투자율)으로 설계될 수 있다[도 6의 (d) 내지 (f)]. 기하학 및 금의 침투 깊이에 기반한 상기 이론적인 예측은, 본원의 모델을 더욱 입증하면서 FDTD 결과와 잘 일치한다. 비교에서, 토마스-페르미 길이가 두 경우에서 무시할 수 없을 때 상기 유전율이 금 메타물질 나노 복합구조체와 거의 일치하는 반면에, PEC와, 22 nm의 금을 대신하여 0의 침투 깊이을 갖는 PEC로 만들어진 가상의 메타물질 나노 복합구조체는 매우 다른 투자율을 나타낸다. 전기 및 자기적 특성의 이러한 독립적인 통제를 활용하여, 매우 높은 굴절률(
Figure pat00014
) 또는 매우 높은 어드미턴스(admittance) (
Figure pat00015
) 및 중간의 어떠한 것을 갖는 광대역 메타물질을 설계할 수 있다.
1-4: 금, 은, 및 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체
상기 이론적 모델 및 분석이 다른 금속에게도 적용되는지 확인하기 위해, 금, 은, 및 알루미늄에 대해 FDTD 시뮬레이션을 실시하였다. 결과는 표 1에서 비교되었으며 그들은 유효값이 두드러지게 차이가 나지 않음을 보여주었고, 이것은 이러한 금속이 비슷한 침투 깊이를 가지고 있다는 사실에 기인된다. 그러나, 상기 공명 파장(resonance wavelength)은 표면 플라즈몬 주파수에 영향을 받으며 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체에 대해 두드러지게 짧다. 이것은 알루미늄이 큰 광학적 손실로 인해 작은 FOM을 가짐에도 불구하고, 20 nm 입자 크기를 갖는 알루미늄 메타물질 나노 복합구조체가 가시 범위에서 광대역 고굴절률이 가능하다는 것을 의미한다. 또한 이것은 광학적으로 투명한 호스트 매질(host medium)로 다양한 종류의 유전체들을 활용할 수 있다. 메타물질 나노 복합구조체의 유효 굴절률이 호스트 매질의 굴절률과 연속적으로 비례하기 때문에, 만약 SiO2보다 고굴절률을 갖는 호스트 물질에 메타물질 나노 복합구조체가 박혀있다면 더 높은 유효 굴절률을 달성할 수 있다.
Figure pat00016
1-5: 격자 형태에 따른 굴절률 비교
상이한 격자 형태에서의 메타물질 나노 복합구조체의 굴절률을 확인하기 위해, FDTD 시뮬레이션을 실시하였다. 상기 실시예의 메타물질 나노 복합구조체가 비록 입방 격자(cubic lattice)와 입방 입자로 가정될지라도, 상기 원칙은 다른 입자 형태와 격자 타입에 대해 동일하게 유지되며 고굴절률은 조밀하게 배열된 구성에서 하부-침투-깊이-스케일(sub-skin-depth-scale) 입자에 의해 달성된다. 비교를 위해, 육방 격자(hexagonal lattice)에서의 구체가 고려되었다. 도 7에서 (a)는 입방 격자에서 정육면체 나노입자의 다층의 도식이며, 도 7의 (b)는 호스트 물질에 포함된 육방정계 어레이에서 나노스피어를 나타낸다. 도 7의 (c)는 금 정육면체의 다층의 FDTD 결과이고 상기 금 정육면체의 단위 구조체의 크기 및 갭의 폭은 각각 20 nm 및 2 nm이다. 도 5의 (d)는 금 구체의 다층의 FDTD 결과로, 구체의 직경 및 중심-대-중심 거리는 각각 19 nm 및 20 nm이다. 도 7의 (c) 및 (d)에서 1 내지 20은 레이어의 수를 나타낸다. 한 가지 미묘한 점은 구체의 모노-레이어가 위와 아래의 레이어로부터 잘려진 구체(truncated sphere)를 또한 포함하는 격자의 진정한 단위 구조체가 아니라는 것이다. 따라서, 레이어의 수에 관계없이 다른 것과 밀접하게 중첩된 장 파장 레짐(regime) 에서의 모든 데이터인 도 7의 (c)에서의 금 정육면체 형태의 메타물질 나노 복합구조체와는 대조적으로, 육방격자 형태의 메타물질 나노 복합구조체의 추출된 굴절률은 얇은 샘플에 대해 레이어-번호 의존성을 나타냈다[도 5의 (d)]. 그러나, 구체의 5 층 또는 그 이상의 레이어를 갖는 샘플에 대해, 유효 굴절률은 거의 포화되었으며 그것의 장-파장 값은 4.10으로서, 정육면체 형태의 메타물질 나노 복합구조체의 것(4.48)과 유의한 차이를 보이지 않았다. 정확한 입자 형태에 대한 유효 굴절률의 이러한 불감도(insensitiveness)는 이전에 보고되었던 금속 나노입자 합성법의 다양한 활용을 가능하게 한다.
실시예 2: 실제 메타물질 나노 복합구조체의 제작
2-1: 블록공중합체 리소그래피에 의한 구멍 패턴 제조
매우 작은 나노 스케일의 구조체를 만들기 위해, 도 8에서 볼 수 있는 것과 같이 BCP 리소그래피를 사용하여 구멍 패턴을 제작하였다. 4 인치 실리콘 웨이퍼는 초음파 배스(ultra-sonic bath)를 사용하여 세척되었다. 세척은 탈이온수, 아세톤, 아이소프로필 알코올, 탈이온수 웨이퍼(DI wafer)의 순서로 15 분 동안 각각 수행되었다. 기판(substrate)을 더욱 친수성으로 만들기 위해, UV-오존 처리가 30 분 동안 수행되었다. PS-b-PMMA를 코팅하기 전에, 기판의 표면 모폴로지를 수정하기 위해 랜덤 브러쉬 용액(random brush solution)이 코팅되었다. 랜덤 브러쉬 용액은 1 wt%였으며 톨루엔 용매(99.8% purity, Sigma Aldrich)에 용해되었고, (PS-r-PMMA)-OH 랜덤 브러쉬의 분자량의 평균값(Mn)은 62%의 스티렌을 갖는 8 kg mol- 1이었다. 그 다음, 기판은 진공오븐에서 12 시간 동안 160℃에서 열 어닐링되었다. 표면이 변화된 웨이퍼 위에, 2 wt% PS-b-PMMA 용액이 1 분 동안 2,500 rpm에서 스핀-코팅되었다. PS-b-PMMA 블록공중합체는 PS와 PMMA 블록에 대해 각각 140 kg mol-1 및 65 kg mol-1의 Mn을 가졌다. 직경 30 nm의 실린더 구조를 제작하기 위해 선택되었다. 용액은 톨루엔 용매, 2 wt%에 용해되었다. 상기와 같이 코팅된 웨이퍼는 주기적인 실린더 패턴을 제작하기 위해 진공 오븐에서 6 시간 동안 250℃에서 열 어닐링되었다.
250℃의 열 어닐링 공정 후, BCP(diblock-copolymer) 코팅된 웨이퍼는 PMMA 마이크로상(microphase)을 분해하고 마이크로상을 단단하게 하기 위해 UV 라이트(UV cross-linker, Spectronics)의 2 J로 노출되었다. 상기 웨이퍼는 아세트산 용액(99.9% purity, Junsei corp.)에 10 분간 보관된 뒤 PMMA 마이크로상을 제거하기 위해 10 분 동안 탈이온수에 의해 세정되었다. 아세트산은 분해된 PMMA를 선택적으로 제거하며, 따라서 화학적 에칭 공정 이후, 30 nm의 구멍 패턴이 웨이퍼 상에 균일하게 제작되었다.
2-2: 알루미늄 나노 복합구조체의 제조
알루미늄 나노 복합구조체를 제작하기 위해, 도 9에서 보여지는 것과 같이 이온 밀링법(ion milling method)을 이용하였다. 제조된 30 nm의 구멍 패턴이 플루오린화 수소산(49% 내지 51% HF 용액, J. T. Baker.)을 사용하여 원래 기판으로부터 분리되었다. 상기 분리된 구멍 패턴은 알루미늄 박막 표면 위에 전사되었다. 알루미늄 박막은 증착법에 의해, 투명한 쿼츠 기판 위에 증착되었다. 알루미늄 박막은 고 진공 상태(저항성법, 10-7 torr)하에서 증착된다. 구멍 패턴이 알루미늄 표면 위에 전사된 후, 홀 직경을 조절하고 기판 위의 PMMA 잔여물을 제거하기 위해 산소 리액티브 이온 에칭(RIE)이 10 초간 수행되었다. 따라서, 구멍의 직경은 RIE 처리 이후 40 nm로 확대되었다.
알루미나(Al2O3)가 알루미늄 박막과 동일한 조건에서 증착법에 의해 전송된 구멍 패턴에 증착되었다. 톨루엔 배스에서 초음파 처리함으로써 알루미늄 표면으로부터 PS 도메인을 갖는 BCP 구멍 패턴이 제거되었다. 고분자 도메인의 제거 후, 알루미늄 표면 위의 이온 밀링 마스크를 위한 알루미나 나노 복합구조체만이 방치되었다. 이온 밀링 공정은 나노 크기의 하드 마스크 후에 이어졌으며 알루미나 나노 복합구조체가 제조되었다. 챔버 베이스는 8×10-7 torr 이하, 공정 진공은 6 sccm의 Ar 가스와 함께 2×10-4 torr 이하에서 시행되었다. 이온 빔은 100 V, 1 mA에 의해 가속화되었으며 이온 밀링 시간은 5 분 내지 12 분이었다.
2-3: SEM 분석
제조된 알루미늄 나노 복합구조체의 표면 및 측면 모폴로지를 관찰하기 위해, 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM, HITACHI)가 사용되었다. 상기 제조된 모든 샘플은 수십의 나노미터 사이즈를 가졌으며, 따라서 샘플 위의 오스뮴 또는 백금 코팅은 존재하지 않았다. 이러한 전도성을 가지는 물질 코팅의 두께가 수십의 나노미터 이상이기 때문에, 샘플은 표면 모폴로지의 왜곡을 방지하기 위해 코팅 없이 관찰되었다. 도 10의 (a)는 PS-b-PMMA 블록공중합체에 의해 제조된 구멍 패턴의 평면도를, 도 10의 (b)는 알루미늄 박막 위에 주기적으로 배열된 알루미나 하드 마스크의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 10의 (c) 및 (d)는 이온 밀링 공정에 의해 제작된 샘플이다. SEM 이미지로부터, 알루미늄 나노 복합구조체는 매우 유사한 규모의 BCP 구멍 패턴을 사용하여 제작되었다는 것을 확인할 수 있다.
2-4: AFM 분석
상기 제조된 알루미늄 나노 복합구조체의 표면 모폴로지는 원자력 현미경(AFM, XE-100, Park System and AFM, Nanoman, Veeco Instruments Inc.)을 사용하여 조사되었다. 원자력 현미경은 샘플의 표면 위로 프로브를 이동함으로써 표면 이미지를 생성한다. 상기 프로브는 잘 한정된 공명 주파수와 끝부분이 매우 날카로운 팁을 갖는 캔틸레버(cantilever)로 구성되어 있다. 상기 팁이 표면에 가까우면 이는 끌어당겨지거나 또는 격퇴된다. 진동 진폭 또는 주파수 팁에서의 모든 변화는 지형도(topo-graphic map)로 변환된다. 제곱 평균 제곱근 표면 거칠기와 같은 표면 모폴로지, 입자 분석, 라인 프로파일이 분석되었다. 다르게 제작된 알루미늄 나노구조의 표면 지형도는 도 11에서 나타냈다. 도 11의 (a)는 이온 밀링에 10 nm 알루미늄 막을 사용한 알루미늄 나노 반구 복합구조체를, 도 11의 (b)는 20 nm 알루미늄 막을 사용한 알루미늄 나노 반구 복합구조체를 나타낸 AFM 이미지이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 제작된 알루미늄 나노 복합구조체의 표면은 SEM 분석 결과와 잘 일치한다. 두 샘플의 높이는 유사성을 보여주었다. 더 얇은 알루미늄 막이 이온 밀링에 대한 시간을 줄여주기 때문에, 이온 밀링 공정 동안 마스크에 사용되는 알루미나 나노-도트가 높게 남아있을 수 있다. 따라서 AFM에 의해 분석된 상기 높이는 알루미늄 10 nm 샘플 및 20 nm 샘플 사이의 유사성을 보여주었다.
2-5: UV-VIS 분광계로 측정된 투과도
제작된 샘플의 광학적 특성을 관찰하기 위해, 투과도 및 반사율이 측정되었다(Lambda 1050, PerkinElmer). 샘플은 투명한 석영 기판에 준비되었으며 모든 샘플의 크기는 1 cm2 이상이었다. 모든 데이터는 석영 기판의 투과도와 반사율로 일반화되었다. 상기 측정된 파장의 범위는 175 nm 내지 750 nm였다. 이는 KAIST 분석 연구 센터에서 측정되었다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 175 nm 내지 750 nm에서 UV-VIS 분광계로 측정된 투과도를 나타낸다. 10 nm 두께의 알루미늄 박(박막)을 사용한 샘플은 195 nm에서 더 뾰족한 피크를, 20 nm 두께의 알루미늄 박을 사용한 샘플은 190 nm 내지 220 nm에서 넓은 피크를 나타낸다. 가시 파장에 걸쳐, 모든 샘플은 투명한 특성을 나타냈으며, 또한 10 nm 알루미늄 샘플의 측정된 투과도는 거의 100%였다. 20 nm 알루미늄 샘플은 낮은 투과도를 보였다. 두 샘플 사이의 광학적 특성의 차이는 알루미늄 두께의 인센서멘트(incensement)를 갖는 나노 복합구조체의 향상된 흡수에 있다.
2-6: FDTD 시뮬레이션을 이용한 전자기적 분석
상기 제조된 알루미늄 나노 복합구조체는 FDTD 시뮬레이션을 통해 분석되었다. FDTD 시뮬레이션에서, 구조는 3 nm의 자연 산화알루미늄 층으로 추정되었다. 도 13은 150 nm 내지 800 nm에서 FDTD 시뮬레이션에 의해 수치적으로 계산된 투과도를 나타낸다. 상기 투과도는 측정된 결과와 수치적으로 계산된 결과 사이에 차이를 보였다. 도 13에서, 투과도의 깊이는 측정된 결과보다 더욱 깊었다. 깊이 위치의 파장 또한 수치 시뮬레이션 결과의 적색 변위(red-shift) 였으며, 10 nm 알루미늄 샘플은 측정된 결과가 195 nm로 나타난 곳인 220 nm에서 날카로운 피크를 보였다. 측정된 결과가 220 nm에서 작은 숄더 피크(shoulder peak)와 함께 190 nm에서 하나의 큰 피크를 나타낸 반면에, 20 nm 알루미늄 샘플은 전송 스펙트럼에서 넓은 2 개의 피크를 보여주었다. 이러한 차이점은 FDTD 시뮬레이션과 제조된 샘플 사이의 구조 차이로부터 온 것이다. 시뮬레이션에서, 알루미늄 나노 복합구조체는 40 nm의 직경, 60 nm의 중심-대-중심 거리를 갖도록 가정되었고, 구조는 완벽하게 주기적이며 대칭적으로 가정되었다. 광학적 반응은 나노 복합구조체에 크게 의존하고, 구조 차원에서의 작은 차이점은 상이한 광학적 반응을 일으킬 수 있다. 제작된 샘플은 입자 크기 분포 및 중심-대-중심 분포를 모두 갖는다. 또한 알루미늄 플라즈몬은 증착 환경에 크게 의존하며 또한 알루미늄 나노 복합구조체의 산소 함유량은 플라즈모닉 반응에 영향을 미치므로, 제작된 알루미늄 나노 복합구조체를 수치적 시뮬레이션으로 정확하게 재현하는 것이 어렵다고 할 수 있다.
비록 제작된 구조는 갭이 20 nm 수준으로 크기 때문에, 제안된 조밀하게 배열된 단위 구조체와는 차이가 있지만, BCP 리소그래피에 의해 실현된 알루미늄 반구형 나노 복합구조체는 시뮬레이션 결과와 유사한 광학 특성을 보여준다. 도 14에서, 유효 굴절률이 수치적 시뮬레이션으로부터 도출되었다. 높이가 증가함에 따라, 갭의 폭은 상기 구조의 직경이 40 nm로 일정하기 때문에 감소된다. 그러므로, 20 nm 두께를 갖는 샘플이 더 높은 유효 굴절률 값을 나타낸다. 상기 도출된 값이 높은 것은 아니지만, 단순한 구조의 가시광 메타물질의 실현 가능성을 보여주며, 시뮬레이션에서 확인되는 바와 같이 20 nm 수준인 현 샘플의 갭을 10 nm 이하로 줄인다면 더 높은 굴절률을 얻을 수 있음을 나타낸다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 단위 구조체들을 포함하며,
    상기 단위 구조체는 3 차원으로 배열되어 있는 것인,
    메타물질 나노 복합구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타물질 나노 복합구조체는 가시광선, 자외선, 적외선, 및 이들의 조합들로부터 선택되는 파장대역에서 고굴절률을 가지는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타물질 나노 복합구조체는 200 nm 이하의 파장에서 1.5 이상의 극대 굴절률을 가지는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타물질 나노 복합구조체는 200 nm 내지 400 nm의 자외선 파장에서 2 이상의 극대 굴절률을 가지는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타물질 나노 복합구조체는 400 nm 내지 700 nm의 가시광선 파장에서 4 이상의 극대 굴절률을 가지는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타물질 나노 복합구조체는 700 nm 이상의 적외선 파장에서 5 이상의 극대 굴절률을 가지는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 상기 호스트 물질에 의해 둘러싸여 있는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 유전율의 실수 부분이 음수인 물질을 포함하고, 상기 호스트 물질은 유전율의 실수 부분이 양수인 물질을 포함하는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체에서 상기 나노입자의 크기는 상기 나노입자의 침투 깊이에 상응하거나 또는 더 작은 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체는 등방성 또는 비등방성을 가지고 3 차원으로 배열되어 있는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 사면체형, 육면체형, 팔면체형, 십이면체형, 십사면체형, 이십면체형, 막대형, 오목한 정사면체형, 정사면체형, 쌍정형, 구형, 타원체형, 또는 실린더형을 가지는 것을 포함하는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자는 등방성을 가지는(isotropic) 구형, 정사면체형, 정육면체형, 정팔면체형, 정십이면체형, 정십사면체형, 또는 정이십면체형 형상을 가지는 것을 포함하는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 구조체에서 상기 나노입자는 인접한 나노입자와의 간격이 10 nm 이하인 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노입자의 유전율의 실수 부분이 음수인 물질은 금속 물질, 탄소계 물질, 도핑에 의해 캐리어 밀도가 향상된 반도체 물질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 호스트 물질의 유전율의 실수 부분이 양수인 물질은 산화물, 질화물, 전하밀도가 낮은 반도체 물질, 고분자 물질, 유기 물질, 액상 물질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인, 메타물질 나노 복합구조체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 메타물질 나노 복합구조체
    를 포함하는, 광학용 필름.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학용 필름은 고굴절률을 이용하여 광리소그래피 또는 광학 현미경의 분해능을 향상시키는 것인, 광학용 필름.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200006512A (ko) * 2018-07-10 2020-01-20 한국과학기술원 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질
KR20200115351A (ko) * 2019-03-29 2020-10-07 한국과학기술원 온도 감응형 스마트 복사냉각 디바이스

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110718763B (zh) * 2019-09-17 2020-08-04 北京航空航天大学 一种基于cmos工艺的可调谐超材料器件
CN112558419A (zh) * 2020-12-18 2021-03-26 中国科学院光电技术研究所 一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法
CN113249700B (zh) * 2021-05-28 2023-06-13 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种具有红外高折射率低色散的超材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100046578A (ko) * 2008-10-27 2010-05-07 김기환 온수관의 전열선 삽입 장치 및 방법
KR20120094418A (ko) * 2011-02-16 2012-08-24 한국과학기술원 고 굴절률 메타물질
JP2014191781A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Asahi Kasei Corp メタ物質の設計方法、メタ物質の構造物、メタ物質の設計システム及びプログラム
KR20150001749A (ko) * 2012-03-14 2015-01-06 람다 가드 테크놀로지스 엘티디 광학장치

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100994129B1 (ko) * 2008-10-27 2010-11-15 한국전자통신연구원 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템
WO2013133175A1 (ja) * 2012-03-05 2013-09-12 国立大学法人京都工芸繊維大学 ３次元メタマテリアル

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100046578A (ko) * 2008-10-27 2010-05-07 김기환 온수관의 전열선 삽입 장치 및 방법
KR20120094418A (ko) * 2011-02-16 2012-08-24 한국과학기술원 고 굴절률 메타물질
KR20150001749A (ko) * 2012-03-14 2015-01-06 람다 가드 테크놀로지스 엘티디 광학장치
JP2014191781A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Asahi Kasei Corp メタ物質の設計方法、メタ物質の構造物、メタ物質の設計システム及びプログラム

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200006512A (ko) * 2018-07-10 2020-01-20 한국과학기술원 코어-쉘 입자를 포함하는 메타 물질
KR20200115351A (ko) * 2019-03-29 2020-10-07 한국과학기술원 온도 감응형 스마트 복사냉각 디바이스

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