KR20170137364A - 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 - Google Patents
전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170137364A KR20170137364A KR1020160069386A KR20160069386A KR20170137364A KR 20170137364 A KR20170137364 A KR 20170137364A KR 1020160069386 A KR1020160069386 A KR 1020160069386A KR 20160069386 A KR20160069386 A KR 20160069386A KR 20170137364 A KR20170137364 A KR 20170137364A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- material elements
- electromagnetic wave
- focusing device
- reference point
- wave focusing
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 270
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 23
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 22
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 101150027645 SUB10 gene Proteins 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000004651 near-field scanning optical microscopy Methods 0.000 description 8
- 101001075055 Spinacia oleracea 50S ribosomal protein L19, chloroplastic Proteins 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000010870 STED microscopy Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005265 GaInZnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000012237 artificial material Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0068—Optical details of the image generation arrangements using polarisation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0072—Optical details of the image generation details concerning resolution or correction, including general design of CSOM objectives
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/02—Objectives
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 전자기파 집속장치는 기준점으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 복수의 물질요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 물질요소의 간격 및/또는 폭은 상기 기준점에서 멀어지면서 변화될 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 물질요소의 간격 및/또는 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가 또는 감소할 수 있다. 상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 전자기파와 공간 결맞음(spatial coherence) 조건을 만족하도록 제어될 수 있다. 상기 전자기파 집속장치를 이용하면, 예컨대, 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 광학적 구조체 및 이를 포함하는 장치, 보다 상세하게는 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치에 관한 것이다.
최근, 나노 소자 분야의 발전에 힘입어, 광학적 요소 및 광학적 소자를 박막형/초소형으로 제작할 수 있는 가능성이 보고되고 있다. 아울러, 기존의 광학적 시스템의 분해능 한계를 뛰어 넘어 고분해능을 가능하게 하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 고분해능 기술은 생명공학 분야, 분석기술 분야 등 고해상도 이미징을 필요로 하는 많은 분야에 파급 효과를 나타낼 수 있다. 특히, 형광 물질을 사용하는 "기능적(functional)" 초해상도(super-resolution) 기술보다는 비형광 방식의 "진정한(true)" 초해상도 기술이 요구된다.
Faraon 방식의 메타표면(metasurface)의 경우, 기판 상에 많은 수의 비정질 실리콘(a-Si) 나노기둥(nanopost)을 배열하여 렌즈 성능을 구현하는데, 가시광 영역에서는 나노기둥의 흡수 계수가 크기 때문에 사용이 어렵고, 단파장으로 갈수록 나노기둥의 사이즈가 작아져야 하기 때문에 공정 난이도가 증가하는 문제가 있다.
Pendry superlens의 경우, 음(-)의 굴절률을 갖는 메타물질(metamaterial)을 이용해서 회절 한계(diffraction limit)와 상관없이 포인트(point) 영역에 결상시키는 방식이다. 그러나, Pendry superlens의 제조시 복잡하고 어려운 공정이 요구되고, 가시광의 여러 파장 영역에서 음의 굴절률을 갖는 메타물질을 제작하는 것은 거의 불가능하며, 금속에 의한 광 손실 문제 등 본질적인 한계를 지니고 있다.
NSOM(near-field scanning optical microscopy)의 경우, 금속 팁(metal tip)의 근접장을 이용해서 해상도를 높일 수 있는 방식이지만, 금속 팁과 샘플 간의 거리가 파장보다 짧아야 하기 때문에 사용자가 고난이도의 숙련 기술을 가져야 하고, 고가의 장비 및 낮은 커플링 효율(coupling efficiency) 등 단점이 있다.
고분해능/초해상도 이미징 기술이 일반적인 사용자/소비자가 이용할 수 있는 제품이 되기 위해서는, 양산성, 가격 경쟁력, 소형화, 사용자-친화적(user-friendly) UI(user interface) 등 다양한 측면의 요건들을 충족시킬 필요가 있다.
우수한 성능을 갖는 전자기파 집속장치(electromagnetic wave focusing device)를 제공한다.
고분해능/초해상도를 실현할 수 있는 전자기파 집속장치를 제공한다.
얇은 두께를 갖고 제조가 용이한 전자기파 집속장치를 제공한다.
단순한 구조를 갖는 전자기파 집속장치를 제공한다.
상기 전자기파 집속장치를 적용한 광학장치를 제공한다. 예컨대, 상기 전자기파 집속장치를 적용한 현미경(초해상도 현미경)을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 전자기파 집속장치(electromagnetic wave focusing device)에 있어서, 평면 상의 기준점을 적어도 부분적으로 둘러싸는 구조를 갖고, 상기 기준점으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 복수의 물질요소;를 포함하고, 상기 복수의 물질요소는 불균일한 간격으로 배치되며, 상기 복수의 물질요소는 이를 통과한 전자기파를 공간 상의 지점으로 집속하도록 구성된 전자기파 집속장치가 제공된다.
상기 복수의 물질요소는 인접한 제1군의 두 물질요소 사이에 제1 간격을 가질 수 있고, 인접한 제2군의 두 물질요소 사이에 상기 제1 간격과 다른 제2 간격을 가질 수 있으며, 선택적으로(optionally), 인접한 제3군의 두 물질요소 사이에 상기 제1 및 제2 간격과 다른 제3 간격을 가질 수 있다.
상기 복수의 물질요소 사이의 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가할 수 있다.
상기 복수의 물질요소 사이의 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 감소할 수 있다.
상기 복수의 물질요소 각각의 폭을 상기 각 물질요소의 외측면과 내측면 사이의 간격으로 정의할 때, 상기 복수의 물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
상기 복수의 물질요소의 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가하거나 감소할 수 있다.
상기 복수의 물질요소의 폭 및 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 연속적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 복수의 물질요소는, 예컨대, 링(ring) 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 물질요소는 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 물질요소는, 예컨대, Si, Ge, GaP, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 여기서, 상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 물질요소는 제1 및 제2 물질요소를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 물질요소 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 물질요소를 구성하는 물질층의 개수와 상기 제2 물질요소를 구성하는 물질층의 개수는 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 물질요소의 두께는 수십 nm 내지 수 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 복수의 물질요소의 전체 폭은 약 0.5 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 전자기파 집속장치의 개구수(numerical aperture)(NA)는 약 0.3 이상일 수 있다.
상기 전자기파 집속장치는 입사광의 파장의 1/2 보다 작은 반치전폭(full width at half maximum)(FWHM)을 갖는 출사광을 출사하도록 구성될 수 있다.
상기 전자기파 집속장치는 투명 기판을 더 포함할 수 있고, 상기 투명 기판의 일면 상에 상기 복수의 물질요소가 구비될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 전자기파 집속장치를 포함하는 광학장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 전자기파를 공간 상의 지점으로 모아주는 전자기파 집속장치(electro-magnetic wave focusing device)에 있어서, 평면 상의 기준점을 둘러싸는 구조를 갖고, 상기 기준점으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 복수의 물질요소;를 포함하고, 상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 전자기파와 공간 결맞음(spatial coherence)을 만족하도록 상기 기준점에서 멀어지면서 변화되고, 여기서 상기 폭은 각 물질요소의 외측면과 내측면 사이의 간격으로 정의되는 전자기파 집속장치가 제공된다.
상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가할 수 있다.
상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 감소할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 전자기파 집속장치를 포함하는 광학장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 전술한 전자기파 집속장치를 포함하는 것으로, 관찰하고자 하는 대상물에 대향하여 배치되는 대물 렌즈부; 상기 대물 렌즈부에 전자기파를 조사하기 위한 전자기파 소스부; 및 상기 대물 렌즈부를 통해 획득된 상기 대상물의 이미지를 보여주는 이미지 제공부;를 포함하는 현미경이 제공된다.
상기 현미경은 상기 전자기파 집속장치에 입사되는 상기 전자기파의 파장의 1/2 보다 작은 분해능을 가질 수 있다.
상기 현미경은 상기 대상물을 스캐닝하는 방식으로 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다.
우수한 성능을 갖는 전자기파 집속장치를 구현할 수 있다. 고분해능/초해상도를 실현할 수 있는 전자기파 집속장치를 구현할 수 있다. 얇은 두께를 갖고 제조가 용이한 전자기파 집속장치를 구현할 수 있다. 단순한 구조를 갖는 전자기파 집속장치를 구현할 수 있다.
실시예들에 따른 전자기파 집속장치를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학장치를 구현할 수 있다. 예컨대, 상기 전자기파 집속장치를 적용한 현미경(초해상도 현미경)을 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치(electromagnetic wave focusing device)를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 복수의 물질요소의 A-A'선에 따른 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 의한 전자기파의 집속(focusing)을 개념적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 전자기파를 입사시킨 경우, 전자기파의 입사 방향으로의 위치별 전자기파의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 적용될 수 있는 원리를 설명하기 위한 것으로, 전자기파 펄스의 시리즈를 결맞음 조건(coherence condition)이 만족하도록 매질에 조사했을 때, 상기 매질을 통해 출력되는 전자기파의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 파장별 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 9의 집속된 빔(전자기파)의 반치전폭(full width at half maximum)(FWHM)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 설계 조건을 설명하기 위한 평면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 18은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 19는 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 20은 다른 실시예에 다른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 다른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 24는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 25는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 26은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 27은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 적용한 광학장치(현미경)를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 복수의 물질요소의 A-A'선에 따른 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 의한 전자기파의 집속(focusing)을 개념적으로 보여주는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 전자기파를 입사시킨 경우, 전자기파의 입사 방향으로의 위치별 전자기파의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 적용될 수 있는 원리를 설명하기 위한 것으로, 전자기파 펄스의 시리즈를 결맞음 조건(coherence condition)이 만족하도록 매질에 조사했을 때, 상기 매질을 통해 출력되는 전자기파의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 파장별 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 9의 집속된 빔(전자기파)의 반치전폭(full width at half maximum)(FWHM)을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 설계 조건을 설명하기 위한 평면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 18은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 19는 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 20은 다른 실시예에 다른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 다른 전자기파집속장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 24는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 25는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 26은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 보여주는 평면도이다.
도 27은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 적용한 광학장치(현미경)를 보여주는 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치(electromagnetic wave focusing device)(D10)를 보여주는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 전자기파 집속장치(D10)는 평면 상의 기준점(C1)을 둘러싸는 구조를 갖는 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 기준점(C1)으로부터 서로 다른 거리에 위치할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는, 예컨대, 제1 물질요소(E10), 제2 물질요소(E20) 및 제3 물질요소(E30)를 포함할 수 있다. 기준점(C1)에서 멀어지는 방향으로, 제1, 제2 및 제3 물질요소(E10, E20, E30)가 순차로 배치될 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 서로 다른 사이즈를 갖는 링(ring) 구조를 가질 수 있다. 여기서는, 3개의 물질요소(E10, E20, E30)를 사용한 경우에 대해 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 4개 혹은 그 이상의 물질요소를 사용할 수도 있다.
복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 불균일한 간격으로 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 물질요소(E10)와 제2 물질요소(E20) 사이의 간격과 제2 물질요소(E20)와 제3 물질요소(E30) 사이의 간격은 서로 다를 수 있다. 또한, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 중 적어도 두 개는 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 여기서, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 각각의 폭은 상기 각 물질요소(E10, E20, E30)의 외측면과 내측면 사이의 간격으로 정의된다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 모두 다른 폭을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격 및 폭은 기준점(C1)에서 멀어지면서 변화된다고 할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 이에 입사되는 전자기파(미도시)와의 공간 결맞음(spatial coherence)을 만족하도록 제어된 간격 및/또는 폭을 가질 수 있다.
복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격은 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭은 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격이 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가하는 경우, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭도 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 이 경우, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격 및 폭은 기준점(C1)에서 멀어질수록 연속적으로 증가할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격은 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭은 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격이 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소하는 경우, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭도 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 이 경우, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 간격 및 폭은 기준점(C1)에서 멀어질수록 연속적으로 감소할 수 있다.
복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 기판(SUB10)의 일면 상에 구비될 수 있다. 기판(SUB10)은, 예컨대, 석영(quartz)이나 유리(glass)와 같은 투명 물질로 형성된 투명 기판일 수 있다. 기판(SUB10)의 물질은 석영이나 유리로 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
도 2는 도 1의 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 A-A'선에 따른 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1 물질요소(E10)의 폭(w1)과 제2 물질요소(E20)의 폭(w2) 및 제3 물질요소(E30)의 폭(w3)은 서로 다를 수 있다. 예컨대, w1 ＜ w2 ＜ w3 일 수 있다. 제1 물질요소(E10)와 제2 물질요소(E20) 사이의 간격(s1)과 제2 물질요소(E20)와 제3 물질요소(E30) 사이의 간격(s2)은 서로 다를 수 있다. 예컨대, s1 ＜ s2 일 수 있다. 상기 w1, s1, w2, s2, w3을 각각 d1, d2, d3, d4, d5로 표시할 때, d1 ＜ d2 ＜ d3 ＜ d4 ＜ d5 일 수 있다. 이는 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭 및 간격이 기준점(C1)에서 멀어질수록 점차 증가하는 경우라고 할 수 있다. 이 경우, d1, d2, d3, d4, d5의 비율을 유지하면서, 이들의 크기를 조절할 수 있다. 예컨대, d1, d2, d3, d4, d5 각각의 크기를 1/2배 또는 2배, 3배 등으로 변화시킬 수 있다. 도 2에서는 d1, d2, d3, d4, d5가 기준점(C1)에서 멀어질수록 연속적으로 증가하는 경우를 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 이들의 대소 관계는 다양하게 변화될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 Si, Ge, GaP, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 산화물 반도체는, 예를 들어, ZnO, InSnO, GaInZnO, HfInZnO 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 Si는 비정질 실리콘(a-Si)이거나 다결정 실리콘(poly-Si)일 수 있다. 상기 SiOx는, 예컨대, SiO2 일 수 있고, 상기 SiNx는, 예컨대, Si3N4 일 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 Si(ex, a-Si)으로 형성할 경우, Si 기반의 기존 반도체 공정을 이용해서 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 형성할 수 있고, 비교적 저비용으로 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 형성할 수 있다. 그러나, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 물질은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 AlGaAs, GaAs, AlAs, InGaAlAs, AlGaInAs, InP 등으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함할 수도 있다.
복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 두께는 수십 nm 내지 수 ㎛ 정도일 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 두께는 약 50 nm 내지 2 ㎛, 또는, 약 100 nm 내지 1 ㎛ 정도일 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 두께는 전자기파 집속장치(D10)에 입사되는 전자기파(입사광)의 파장보다 작을 수 있다.
복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 전체 폭(외경)은 수백 nm 내지 수십 ㎛ 정도일 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 전체 폭(외경)은 약 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는, 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 정도일 수 있다. 이와 같이, 약 10 ㎛ 이내의 작은 사이즈에서 단순한 패턴의 조합을 이용해서 우수한 특성을 갖는 전자기파 집속장치(D10)를 구현할 수 있다.
또한, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 각각의 외측면과 내측면 사이의 거리(단위 폭)는 약 50 nm 이상 또는 약 100 nm 이상일 수 있고, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 사이의 간격도 약 50 nm 이상 또는 약 100 nm 이상일 수 있다. 이와 같이, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 각각의 단위 폭 및 이들 사이의 간격이 비교적 크기 때문에, 공정상의 어려움 없이, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 용이하게 형성(패터닝)할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치(D10)에 의한 전자기파의 집속(focusing)을 개념적으로 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 전자기파 집속장치(D10)의 일측으로부터 입사된 전자기파는 전자기파 집속장치(D10)에 의해 집속되어 그 타측으로 출사될 수 있다. 이때 전자기파 집속장치(D10)는 기판(SUB10)의 하면에 구비될 수 있고, 기판(SUB10)의 상면 쪽에서 입사된 전자기파는 기판(SUB10)의 하면 쪽으로 출사될 수 있다.
실시예에 따른 전자기파 집속장치(D10)는 '평판형 광학장치(flat optics)'라고 할 수 있다. 전자기파 집속장치(D10)는 광을 모아주는 역할을 하기 때문에, 일종의 '렌즈(lens)'라고 할 수 있고, 그 형태 및 사이즈를 고려했을 때, '얇은 평판 렌즈(thin flat lens)'라고 할 수 있다. 전자기파 집속장치(D10)가 실리콘(Si)으로 형성된 경우, '실리콘 기반의 얇은 렌즈(silicon-based thin lens)'라고 할 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)는 서브파장(subwavelength)의 얇은 두께를 가질 수 있고, 인공적인 복수의 물질 패턴을 이용하여 전자기적 특성을 구현하기 때문에, 이런 점에서, '메타표면(metasurface) 구조체'라고 할 수 있다. 또한, 상기 복수의 물질 패턴(즉, 도 1의 복수의 물질요소)이 유전체 또는 반도체로 형성된 경우, 전자기파 집속장치(D10)는 '유전체 메타표면(dielectric metasurface) 구조체' 또는 '반도체 메타표면(semiconductor metasurface) 구조체'라고 할 수 있다. 전자기파 집속장치(D10)는 금속을 포함하지 않는 '비금속성 메타표면(non-metallic metasurface) 구조체'일 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)는 간단한 구조를 갖는 '패시브 메타-렌즈(passive meta-lens)'라고 할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 전자기파를 입사시킨 경우, 전자기파의 입사 방향으로의 위치별 전자기파(E field)의 세기를 보여주는 그래프이다. 이때, 입사되는 전자기파(EI)의 파장은 868 nm 였다.
도 4를 참조하면, "1"에 해당하는 세기를 갖는 전자기파(EI)가 전자기파 집속장치에 입사할 경우, 전자기파 집속장치의 기준점(C1)에 해당하는 위치에서 약 "24"에 해당하는 세기를 갖는 것을 알 수 있다. 즉, "1"에 해당하는 세기를 갖는 전자기파(EI)가 약 "24"에 해당하는 세기를 갖는 전자기파로 강화된 것을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 의해 전자기파(EI)가 집속/강화된다는 점을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 적용될 수 있는 원리를 설명하기 위한 것으로, 전자기파 펄스의 시리즈(series), 즉, 시간에 따른 전자기파의 온(on)-오프(off) 시리즈를 결맞음 조건(coherence condition)이 만족하도록 소정 매질에 조사했을 때, 상기 매질을 통해 출력되는 전자기파의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 입력되는 전자기파 펄스가 변조되는 영역, 즉, 과도(transient) 영역에서 전자기파가 비교적 큰 세기를 갖고 출력되는 것을 알 수 있다. 또한, 온(on)-오프(off) 시리즈의 결맞음 조건(coherence condition)이 만족될 때, 특정한 시점(점선 영역)에서 매우 큰 세기를 갖는 전자기파가 출력되는 것을 알 수 있다. 이는 입력되는 전자기파의 시간적 펄스가 매질과 결맞음 조건을 만족하는 경우, 특정한 시점에서 매우 큰 세기의 전자기파가 출력될 수 있음을 보여준다.
도 5와 같은 시간적 펄스의 결맞음 조건을 공간적으로 적절히 맵핑(mapping)함으로써, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 전자기파 집속장치(D10)를 구현할 수 있다. 이러한 전자기파 집속장치(D10)를 이용하면, 도 4에서와 같이, 기준점(C1) 또는 그와 인접한 영역에서 매우 큰 세기를 갖는 전자기파가 출력될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 파장별 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6는 입사 전자기파의 파장이 400 nm (blue)인 경우이고, 도 7은 입사 전자기파의 파장이 550 nm (green)인 경우이며, 도 8은 입사 전자기파의 파장이 700 nm (red)인 경우이다. 도 6 내지 도 8에서 사용된 전자기파 집속장치는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 구조를 갖고, 이때, d1, d2, d3, d4, d5는 각각 약 0.24 ㎛, 약 0.37 ㎛, 약 0.5 ㎛, 약 0.64 ㎛, 약 0.77 ㎛ 였다. 또한, 기준점(중심점)(C1)에서 첫번째 물질요소(링 패턴)(E10)까지의 거리는 0.1 ㎛ 이었다. 부가적으로, 제3 물질요소(E30) 바깥쪽에 이와 이격된 더미 패턴(dummy patterm)이 더 구비되고, 이때, 제3 물질요소(E30)와 상기 더미 패턴 사이의 간격은 약 0.91 ㎛ 였다. 복수의 물질요소(링 패턴)(E10, E20, E30)는 모두 a-Si으로 형성되고, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 두께는 100 nm 였다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 입사하는 전자기파의 파장이 가시광 영역 내에서 변화하더라도(400∼700 nm), 각 파장 영역에서 빔(beam)이 한 지점에 모이는 빔 포커싱(beam focusing) 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다. a-Si을 사용하여 가시광에 대한 흡수 계수가 높은 상황에서도 전자기파가 한 지점으로 모이는 효과가 나타난 것은, 단순히 a-Si의 고굴절률 특성만을 이용하는 것이 아니라 공간 결맞음(spatial coherence) 효과, 즉, 빛과 물질 사이의 결맞은 상호작용(light-matter coherent interaction) 효과를 이용하였기 때문인 것으로 사료된다. 한편, 상기 전자기파 집속장치를 렌즈부에 적용할 경우, 상기 전자기파 집속장치의 개구수(numerical aperture)(NA)는 약 0.3 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 전자기파 집속장치의 개구수(NA)는 약 0.3∼0.8 정도일 수 있다. 또한, 전자기파가 상기 집속장치에 비수직하게 입사하더라도, 디자인 변경 및 설계 최적화를 통해 여러 가지 파장에서 포커싱(focusing)되는 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
도 9는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 이때 사용된 전자기파 집속장치는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 구조를 갖고, 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 폭 및 간격(즉, d1, d2, d3, d4, d5)은 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 수치의 절반(1/2)이었다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)의 두께는 100 nm 이고, 입사하는 전자기파의 파장은 400 nm 였다.
도 9를 참조하면, 빔(beam)이 한 지점에 모이는 빔 포커싱(beam focusing) 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 도 9의 집속된 빔(전자기파)의 반치전폭(full width at half maximum)(FWHM)을 설명하기 위한 그래프이다. 도 10에서 X축은 X축 방향으로의 위치를 나타내고, Y축은 입사 전자기파(E0)에 대한 출사 전자기파(E)의 세기 비율을 절대값(즉, ｜E/E0｜)으로 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 집속된 빔(전자기파)의 반치전폭(FWHM)은 약 188 nm 인 것을 알 수 있다. 입사 전자기파의 파장은 400 nm 이므로, 집속된 빔(전자기파)의 반치전폭(FWHM)(188 nm)은 입사 전자기파 파장(400 nm)의 1/2 보다 작다. 이러한 결과로부터, 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 이용하면, 서브파장(subwavelength) 이하의 고분해능을 실현할 수 있음을 알 수 있다. 일반적인 광학적 시스템의 분해능 한계가 약 250 nm 또는 약 200 nm 정도인 것을 감안하면, 본원의 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 이용하면, 일반적인 광학적 시스템의 분해능 한계를 뛰어 넘어 고분해능/초해상도를 실현할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 전자기파 집속장치를 광학장치, 예컨대, 현미경의 렌즈부에 적용하면, 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치에 수직하게 입사하는 전자기파(입사광)의 빔 포커싱(beam focusing) 효과를 FDTD 시뮬레이션으로 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 11의 (A)는 입사 전자기파의 파장이 450 nm 인 경우이고, (B)는 입사 전자기파의 파장이 550 nm 인 경우이며, (C)는 입사 전자기파의 파장이 650 nm 인 경우이다. 도 11에서 사용된 전자기파 집속장치의 구조는 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 전자기파 집속장치와 동일하되, 복수의 물질요소의 두께가 940 nm 라는 점에서 차이가 있다. 이를 통해, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소의 두께 변화에 의해, 빔 포커싱 특성이 어떻게 변화되는지를 평가하였다.
도 11을 참조하면, 입사 전자기파의 파장이 가시광 영역 내에서 변화하더라도, 우수한 빔 포커싱 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, (A)그래프에서 빔이 포커싱되는 위치(높이)와 (B)그래프에서 빔이 포커싱되는 위치(높이) 및 (C)그래프에서 빔이 포커싱되는 위치(높이)의 차이가 2∼3 ㎛ 정도로 작은 것을 알 수 있다. 이는 입사 전자기파의 파장(색)이 변화하더라도, 포커싱되는 빔의 위치가 크게 변화되지 않는다는 것을 의미한다. 다시 말해, 색수차(chromatic aberration)가 감소된 것을 의미한다. 실시예에 따른 전자기파 집속장치의 색수차는 5 ㎛ 이내 혹은 3 ㎛ 이내일 수 있다. 따라서, 본원의 원리를 이용하면, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소의 디자인 및 치수(dimension)의 변경/제어를 통해서, 전자기파 집속장치의 특성 및 효율을 개선할 수 있음을 알 수 있다.
실시예에 따른 전자기파 집속장치를 디자인하는데 있어서, 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소의 폭 및 간격은 다음과 같은 수학식들에 의해 결정될 수 있다. 아래의 수학식들은 도 12을 참조하여 설명하도록 한다. 도 12은 링(ring) 형상의 복수의 물질요소(E11, E21, E31, E41)가 기준점(중심점)(C1)을 중심으로 서로 다른 거리에 배치된 경우이다.
수학식 1에서, zi는 i번째 면과 (i-1)번째 면 사이의 거리(폭 또는 간격)를 나타낸다(도 12 참조). 예컨대, z1은 제1 물질요소(E11)의 내측면에서 기준점(중심점)(C1)까지의 거리이고, z2는 제1 물질요소(E11)의 내측면에서 외측면까지의 거리를 나타낸다. 수학식 1에서 j1,i는 1차 베셀 함수(Bessel function)인 J1(x)의 i번째 zero 지점을 나타낸다. 수학식 1의 Y는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 2의 xi는 매질(물질요소 또는 물질요소들 사이의 공간)의 흡수 특성 및 투과 특성을 고려하여 결정되는 것으로, 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 3에서, α0는 매질(물질요소 또는 물질요소들 사이의 공간)의 흡수계수(absorption coefficient)이고, δ는 매질의 흡수 스펙트럼의 HWHM(half width at half maximum)이고, T는 빛이 매질을 투과하는 시간을 나타낸다.
위와 같은 수학식 1 내지 3을 이용해서, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소 각각의 폭 및 간격(ex, 도 12의 z1, z2, z3, z4, z5, z6, z7, z8)을 구할 수 있다. 경우에 따라서는, z1을 임의로 설정한 후, 임의로 설정된 z1값으로부터, 위 수학식들을 이용해서 z2, z3, z4, z5, z6, z7, z8을 도출할 수도 있다. 또는, z2를 임의로 설정한 후, 임의로 설정된 z2값으로부터, 위 수학식들을 이용해서 z3, z4, z5, z6, z7, z8을 도출할 수도 있다. 그러나, 여기서 제시한 수학식 3의 조건은 예시적인 것에 불과하고, 사용하는 물질(즉, 매질의 물질)에 따라서, 수학식 3은 달라질 수 있다. 다시 말해, 수학식 3의 xi는 일종의 물질계수라고 할 수 있고, 물질의 종류에 따라, 수학식 3의 조건은 변화될 수 있다. 예컨대, 매질로서 유전체를 사용하느냐 반도체를 사용하느냐에 따라, 또는, 유전체와 반도체를 혼합하여 사용하느냐에 따라서, 수학식 3의 조건은 달라질 수 있다.
전자기파와 매질의 상호작용 시, 매질(복수의 물질요소)의 표면/계면에서 전자기파의 흡수(absorption)/방출(emission)이 발생할 수 있는데, 흡수/방출의 결맞은 상호작용에 의해 특정 물질요소의 표면/계면 또는 그와 인접한 영역에서 in-phase 효과 및 상 변조(phase modulation) 효과에 의한 증폭 현상이 발생할 수 있고, 그 결과, 우수한 집광 특성이 나타날 수 있다. 이를 위해, 전자기파와의 결맞음 조건이 만족되도록, 매질을 구성하는 물질요소들의 폭 및 간격 등을 적절히 선택/제어할 수 있다. 이러한 원리에 따르면, 매우 얇은 두께 및 작은 사이즈(폭)를 가지면서도, 우수한 집광 특성을 갖는 전자기파 집속장치를 제조할 수 있다.
이러한 전자기파 집속장치는 'SCS(spatially coherent structure)' 또는 'SCS(spatially coherent stack)' 구조를 갖는 집속장치라고 할 수 있다.
기존의 Faraon 방식의 메타표면(metasurface)의 경우, 기판 상에 많은 수의 비정질 실리콘(a-Si) 나노기둥(nanopost)을 배열하여 렌즈 성능을 구현하는데, 가시광 영역에서는 나노기둥의 흡수 계수가 크기 때문에 사용이 어렵고, 단파장으로 갈수록 나노기둥의 사이즈가 작아져야 하기 때문에 공정 난이도가 증가하는 문제가 있다. Pendry superlens의 경우, 음(-)의 굴절률을 갖는 메타물질(metamaterial)을 이용해서 회절 한계(diffraction limit)와 상관없이 포인트(point) 영역에 결상시키는 방식이다. 그러나, Pendry superlens의 제조시 복잡하고 어려운 공정이 요구되고, 가시광의 여러 파장 영역에서 음의 굴절률을 갖는 메타물질을 제작하는 것은 거의 불가능하며, 금속에 의한 광 손실 문제 등 본질적인 한계를 지니고 있다. NSOM(near-field scanning optical microscopy)의 경우, 금속 팁(metal tip)의 근접장을 이용해서 해상도를 높일 수 있는 방식이지만, 금속 팁과 샘플 간의 거리가 파장보다 짧아야 하기 때문에 사용자가 고난이도의 숙련 기술을 가져야 하고, 고가의 장비 및 낮은 커플링 효율(coupling efficiency) 등 단점이 있다. 한편, STED(stimulated emission depletion microscopy)의 경우, 형광 물질을 사용하는 "기능적인(functional)" 고해상도 기술이라는 한계가 있다.
본원의 다양한 실시예들에 따르면, 약 10 ㎛ 이내의 사이즈에서 단순한 패턴의 조합을 이용해서 우수한 특성을 갖는 전자기파 집속장치(D10)를 용이하게 구현할 수 있다. 이러한 전자기파 집속장치(D10)는 얇은 두께, 예컨대, 서브파장(subwavelength) 이하의 두께를 가질 수 있고, a-Si과 같이 흡수 계수가 비교적 높은 물질로도 형성할 수 있다. 전자기파 집속장치(D10)는 전자기파의 흡수 및 투과를 모두 이용하기 때문에, 흡수 계수가 높은 물질을 적용하더라도 집광요소(렌즈)로서 우수한 기능을 나타낼 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)를 구성하는 물질 패턴들의 폭이 약 50 nm 이상 또는 약 100 nm 이상이기 때문에, 공정상의 어려움 없이 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)를 구성하는 물질 패턴들의 폭, 간격, 두께 등을 조절함으로써, 전자기적 특성을 용이하게 제어할 수 있다. 이러한 전자기파 집속장치(D10)는 가시광 영역에서 적외선(infrared ray)(IR) 영역까지 렌즈나 집광요소로 동작할 수 있고, 경우에 따라서는, 마이크로파(microwave)나 자외선(ultraviolet ray)(UV) 영역에서도 렌즈나 집광요소로 동작할 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)는 금속을 사용하지 않는 비금속성 구조체일 수 있으므로, 금속에 의한 광 손실 문제가 발생하지 않을 수 있다.
실시예에 따른 전자기파 집속장치(D10)를 카메라 렌즈나 현미경 렌즈에 적용하면, 고분해능/초해상도 이미징을 실현할 수 있다. 이러한 현미경의 경우, 형광 물질을 사용하지 않는 비형광 방식이기 때문에, "진정한(true)" 초해상도 기술에 해당된다고 할 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(D10)와 관찰하고자 하는 대상물(샘플) 사이의 간격은 수 ㎛ 정도 혹은 그 이상일 수 있기 때문에, 이를 적용한 현미경을 조작하는데 있어서, NSOM과 같이 고난이도 숙련 기술이 요구되지 않을 수 있고, 대상물(샘플)이 손상되는 문제도 발생하지 않을 수 있다.
실시예에 따른 전자기파 집속장치(D10)를 이용하면, 기존 광학계의 분해능 한계를 뛰어 넘는 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다. 입사 전자기파의 파장의 1/2 이하의 분해능을 갖는 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다. 예컨대, 상기 현미경의 분해능은 약 200 nm 이하 또는 약 100 nm 이하일 수 있다. 한편, 전자기파 집속장치(D10)는 약 0.3 이상의 개구수(numerical aperture)(NA)를 가질 수 있다. 개구수(NA)가 클수록, 해상도 향상에 유리할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 그 일례가 도 13에 도시되어 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 13은 도 1의 A-A'선에 따른 단면 위치에 대응될 수 있다. 이는 도 14 및 도 15에서도 마찬가지이다.
도 13을 참조하면, 기준점(C1)을 둘러싸는 복수의 물질요소(E12, E22, E32)가 구비될 수 있고, 복수의 물질요소(E12, E22, E32)의 폭 및 간격은 기준점(C1)에서 멀어지면서 변화될 수 있다. 복수의 물질요소(E12, E22, E32) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 기준점(C1)에서 멀어지는 방향으로 갈수록 물질요소(E12, E22, E32)의 두께가 두꺼워질 수 있다. 이 경우, 제1 물질요소(E12)보다 제2 물질요소(E22)의 두께가 클 수 있고, 제2 물질요소(E22)보다 제3 물질요소(E32)의 두께가 클 수 있다. 이와 같이, 복수의 물질요소(E12, E22, E32)의 폭 및 간격뿐 아니라 두께를 제어함으로써, 전자기파의 집속 효과를 더욱 강화시킬 수 있다.
도 13에서는 서로 다른 두께를 갖는 복수의 물질요소(E12, E22, E32)가 모두 단층 구조인 경우를 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 복수의 물질요소(E12, E22, E32) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있고, 복수의 물질요소(E12, E22, E32) 중 적어도 두 개는 서로 다른 층수를 가질 수 있다. 그 일례가 도 14에 도시되어 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 14를 참조하면, 복수의 물질요소(E13, E23, E33) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있고, 복수의 물질요소(E13, E23, E33) 중 적어도 두 개는 서로 다른 층수를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 물질요소(E13)는 단층 구조를 가질 수 있고, 제2 물질요소(E23)는 2층 구조를 가질 수 있으며, 제3 물질요소(E33)는 3층 구조를 가질 수 있다. 이때, 제2 물질요소(E23)를 구성하는 두 개의 층(L21, L22)은 서로 다른 물질로 구성되거나, 동일한 물질로 구성될 수도 있다. 또한, 제3 물질요소(E33)를 구성하는 세 개의 층(L31, L32, L33) 중 적어도 두 개는 서로 다른 물질로 구성되거나, 모두 동일한 물질로 구성될 수도 있다. E13과 L21 및 L31은 제1 물질로 구성될 수 있고, L22 및 L32는 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 구성될 수 있으며, L33은 상기 제1 및 제2 물질과 다른 제3 물질로 구성되거나 상기 제1 물질로 구성될 수 있다. 이와 같이, 복수의 물질요소(E13, E23, E33) 중 적어도 두 개의 물질층 개수 및 구성 물질을 조절함으로써, 전자기파의 집속 효과를 강화하거나 제어할 수 있다.
도 13 및 도 14에서는 복수의 물질요소(E12, E22, E32 / E13, E23, E33)의 두께가 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 이는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소의 두께는 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수도 있다. 그 일례가 도 15에 도시되어 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 15를 참조하면, 복수의 물질요소(E14, E24, E34)의 두께는 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 복수의 물질요소(E14, E24, E34) 중 적어도 두 개는 이를 구성하는 물질층의 개수가 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1 물질요소(E14)는 3층 구조를 가질 수 있고, 제2 물질요소(E24)는 2층 구조를 가질 수 있으며, 제3 물질요소(E33)는 단층 구조를 가질 수 있다.
도시하지는 않았지만, 복수의 물질요소의 두께는 기준점(중심점)에서 멀어질수록 증가하다가 감소하거나, 감소하다가 증가할 수도 있다. 또는, 복수의 물질요소는 랜덤(random)한 두께를 가질 수도 있다.
이상의 실시예에서는, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소가 링(ring) 형상을 갖는 경우를 도시하고 설명하였지만, 복수의 물질요소는 링 형상이 아닌 다른 형상을 가질 수도 있다. 링 구조가 기준점(중심점)을 완전히 둘러싸는 구조를 갖는다면, 링 구조가 아닌 다른 구조는 기준점(중심점)을 부분적으로 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 복수의 물질요소가 링 구조가 아닌 다른 구조를 갖는 경우가 도 16 내지 도 19에 도시되어 있다.
도 16은 다른 실시예에 다른 전자기파 집속장치(D15)를 보여주는 평면도이다.
도 16을 참조하면, 전자기파 집속장치(D15)는 기판(SUB15)의 일면 상에 구비된 제1 집속유닛(G15)을 포함할 수 있다. 제1 집속유닛(G15)은 기준점(C1)으로부터 멀어지는 방향으로 순차로 배열된 복수의 물질요소(E15∼E45)를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E15∼E45)의 간격 및/또는 폭은 기준점(C1)에서 멀어지면서 변화(증가 또는 감소)될 수 있다. 복수의 물질요소(E15∼E45) 각각은 사각형 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E15∼E45)는 직사각형이나 정사각형 모양을 가질 수 있다.
전자기파 집속장치(D15)는 제2 집속유닛(G25)을 더 포함할 수 있다. 제2 집속유닛(G25)은 제1 집속유닛(G15)과 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제2 집속유닛(G25)은 기준점(C1)을 중심으로 제1 집속유닛(G15)과 대칭적인 구조를 가질 수 있다.
이와 같이 전자기파 집속장치(D15)의 물질요소들(E15∼E45)이 링(ring) 형태가 아닌 다른 구조(사각형 구조)를 갖더라도, 이들에 의해 전자기파가 기준점(C1) 혹은 그 근방에서 집속되어 출사될 수 있다.
도 16과 같은 구조에서는 기판(SUB15)의 Y축 방향으로의 폭을 크게 줄일 수 있다. 다시 말해, 전자기파 집속장치(D15)의 사이즈를 크게 줄일 수 있다. 또한, 필요한 경우, 집속유닛들(G15, G25) 양측의 기판(SUB15)에 다른 소자(미도시)를 더 구비시킬 수도 있다.
도 16에서는 기준점(C1)을 중심으로 그 양측으로 제1 및 제2 집속유닛(G15, G25)이 대칭적으로 배치된 경우를 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 기준점(C1)의 사방으로 집속유닛이 배치될 수 있다. 그 일례가 도 17에 도시되어 있다.
도 17을 참조하면, 전자기파 집속장치(D16)는 기준점(C1)의 X축 방향으로의 양측에 배치된 제1 및 제2 집속유닛(G15, G25)을 포함할 수 있고, Y축 방향으로의 양측에 배치된 제3 및 제4 집속유닛(G35, G45)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 집속유닛(G15∼G45)은 물질요소들(E15∼E45)의 배열 방향에만 차이가 있을 뿐, 실질적으로는 동일한 구성을 가질 수 있다. 도 16의 구조와 비교해서, 도 17과 같이 집속유닛의 개수를 증가시키면, 그만큼 전자기파의 집속 효과를 증가시킬 수 있다.
도 16 및 도 17의 구조에서 집속유닛(G15∼G45)을 구성하는 복수의 물질요소(E15∼E45)의 길이를 조절할 수 있다. 그 일례가 도 18에 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 제1 집속유닛(G17)은 기준점(C1)에서 멀어지는 방향으로 순차로 배열된 복수의 물질요소(E17∼E47)를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E17∼E47)의 길이는 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 따라서, 제1 집속유닛(G17)은 기준점(C1)을 향하여 테이퍼된(tapered) 구조를 갖는다고 할 수 있다. 제2 내지 제4 집속유닛(G27, G37, G47)도 제1 집속유닛(G17)과 유사하게, 기준점(C1)을 향하여 테이퍼된(tapered) 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 집속유닛들(G17∼G47)이 기준점(C1)을 향하여 테이퍼된(tapered) 구조를 갖는 경우, 전자기파의 집속 효과가 더욱 향상될 수 있다. 도 18에서 미설명된 참조번호 SUB18 및 D17은 각각 기판 및 전자기파 집속장치를 나타낸다.
도 18의 각각의 물질요소(E17∼E47)는 곧은 형태가 아닌 휘어진 형태를 갖도록 변형할 수 있다. 그 일례가 도 19에 도시되어 있다.
도 19를 참조하면, 제1 집속유닛(G18)은 복수의 물질요소(E18∼E48)를 가질 수 있다. 복수의 물질요소(E18∼E48)는 기준점(C1)에 대하여 오목한 원호(circular arc) 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 복수의 물질요소(E18∼E48)의 크기는 기준점(C1)에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 제1 집속유닛(G18)과 동일한 구조를 갖되 배열 방향이 다른 제2 내지 제4 집속유닛(G28, G38, G48)이 더 구비될 수 있다. 이와 같이, 물질요소들(E18∼E48)이 원호 또는 그와 유사한 형태를 가질 때, 전자기파의 집속 효과가 더 개선될 수 있다.
도 16 내지 도 19의 실시예에서는 기준점(C1)을 중심으로 집속유닛들(ex, 도 16의 G15, G25)이 대칭적인 구조로 배열된 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 비대칭적인 구조도 가능하다. 예컨대, 도 16에서 제1 및 제2 집속유닛(G15, G25) 중 하나를 배제할 수 있고, 도 17 내지 도 19에서 제1 내지 제4 집속유닛(ex, 도 17의 G15∼G45) 중 하나 내지 세 개의 집속유닛을 배제할 수 있다. 또한, 도 16 내지 도 19에서는 2개 또는 4개의 집속유닛을 사용하는 경우를 도시하였지만, 3개 또는 5개 이상의 집속유닛을 사용해서 전자기파 집속장치를 구성할 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소는 기준점(중심점)을 둘러싸면서 원형의 링(ring) 구조가 아닌 다른 구조를 가질 수도 있다. 그 예들이 도 20 및 도 21에 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 물질요소(E2)는 팔각형의 링 구조를 가질 수 있다.
도 21을 참조하면, 물질요소(E3)는 사격형의 링 구조를 가질 수 있다.
도 20 및 도 21에서는 하나의 물질요소(E2, E3)를 도시하였지만, 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 서로 다른 크기를 갖는 복수의 물질요소가 기준점을 중심으로 서로 다른 거리에 배치될 수 있고, 복수의 물질요소의 간격 및/또는 폭은 기준점에서 멀어지면서 변화될 수 있다. 도 20 및 도 21에서 예시한 바와 같은 변형 형태 이외에도, 물질요소의 형태는 다양하게 변화될 수 있다.
도 22는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치(D19)의 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 22를 참조하면, 전자기파 집속장치(D19)는 기판(SUB19)의 일면 상에 구비된 복수의 물질요소(E19, E29, E39)를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E19, E29, E39)는 가상의 기준축(CX1)에서 멀어지는 방향으로 순차로 배열될 수 있다. 복수의 물질요소(E19, E29, E39)의 간격 및/또는 폭은 기준축(CX1)에서 멀어지면서 변화될 수 있다. 전자기파 집속장치(D19)는 복수의 물질요소(E19, E29, E39) 사이의 공간을 채우는 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)를 더 포함할 수 있다. 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)는 복수의 물질요소(E19, E29, E39)와 다른 굴절률을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 복수의 물질요소(E19, E29, E39)가 제1 물질로 구성된 경우, 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)는 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 구성될 수 있다. 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39) 중 기준축(CX1)이 대응하는 제1 중간물질요소(N19)는 위에서 볼 때, 링(ring)이 아닌 원의 형태를 가질 수 있다. 나머지 중간물질요소(N29, N39)는 링 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 복수의 물질요소(E19, E29, E39)도 링 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다.
도 22에서와 같이, 복수의 물질요소(E19, E29, E39) 사이에 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)를 구비시킨 경우라도, 전자기파의 집속을 위한 디자인 룰(design rule)은 앞서 설명한 수학식 1 내지 3에 의해 결정될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 22의 구조 상에 소정의 커버층(cover layer)을 더 구비시킬 수도 있다. 그 일례가 도 23에 도시되어 있다.
도 23을 참조하면, 전자기파 집속장치(D20)는 복수의 물질요소(E19, E29, E39) 및 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)를 덮는 커버층(CL19)을 더 포함할 수 있다. 커버층(CL19)은 소정의 유전체나 반도체 물질로 형성될 수 있다. 커버층(CL19)은 얇은 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 커버층(CL19)은 약 10 nm 이하 또는 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 커버층(CL19)이 얇은 두께를 갖는 경우, 기판(SUB19)으로부터 복수의 물질요소(E19, E29, E39)를 통과하여 기판(SUB19)의 반대쪽으로 전자기파가 집속되는데 있어서, 커버층(CL19)은 전자기파의 집속에 방해가 되지 않을 수 있다. 커버층(CL19)은 복수의 물질요소(E19, E29, E39) 및 복수의 중간물질요소(N19, N29, N39)를 보호하는 역할을 할 수 있다.
도 24는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치(D11)를 보여주는 평면도이다.
도 24를 참조하면, 전자기파 집속장치(D11)는 기판(미도시) 상에 구비된 링 형태의 복수의 물질요소(E10, E20, E30)를 포함할 수 있고, 복수의 물질요소(E10, E20, E30) 바깥쪽에 이들을 둘러싸도록 구비된 더미 패턴(dummy pattern)(ED40)을 더 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E10, E20, E30)는 원형의 링 형태를 가질 수 있고, 더미 패턴(ED40)은 원형의 내측면 및 사격형의 외주 형상을 가질 수 있다. 더미 패턴(ED40)은 복수의 물질요소(E10, E20, E30)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 더미 패턴(ED40)과 제3 물질요소(E30) 사이의 간격은 제2 물질요소(E20)와 제3 물질요소(E30) 사이의 간격보다 클 수 있다. 또한, 더미 패턴(ED40)과 제3 물질요소(E30) 사이의 간격은 제3 물질요소(E30)의 폭(내측면과 외측면 사이의 간격)보다 클 수 있다. 더미 패턴(ED40)은 전자기파의 집속에 영향을 주지 않거나 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 그러나 경우에 따라서는, 더미 패턴(ED40)의 일부가 전자기피의 집속에 영향을 줄 수도 있다.
도 25는 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치(D10')를 보여주는 평면도이다.
도 25를 참조하면, 전자기파 집속장치(D10')는 기판(SUB10) 상에 구비된 복수의 물질요소(E10', E20', E30')를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E10', E20', E30')는, 예컨대, 제1 물질요소(E10'), 제2 물질요소(E20') 및 제3 물질요소(E30')를 포함할 수 있다. 제1 물질요소(E10')는 기준점(중심점)(C1)을 커버하는 원 구조를 가질 수 있다. 제2 물질요소(E20') 및 제3 물질요소(E30')는 링 구조를 가질 수 있다. 도 1의 집속장치(D10)가 중앙이 비어 있는 구조라면, 도 25의 집속장치(D10')는 중앙이 채워진 구조라고 할 수 있다. 이와 같이 중앙부가 채워진 구조에서도 전자기파의 집속 효과가 나타날 수 있다.
도 26은 다른 실시예에 따른 전자기파 집속장치(D50)를 보여주는 평면도이다.
도 26을 참조하면, 전자기파 집속장치(D50)는 기판(SUB50) 상에 구비된 복수의 물질요소(E51, E52, E53)를 포함할 수 있다. 복수의 물질요소(E51, E52, E53)는 기준점(C1)을 중심으로 이에서 멀어지는 방향으로 순차로 배열될 수 있다. 복수의 물질요소(E51, E52, E53)의 폭 및/또는 간격은 기준점(C1)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 예컨대, 복수의 물질요소(E51, E52, E53)의 폭 및 간격은 기준점(C1)에서 멀어질수록 연속적으로 감소할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 전자기파 집속장치는 다양한 광학장치에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 전자기파 집속장치는 현미경을 비롯한 다양한 이미징 장치에 적용될 수 있다. 상기 전자기파 집속장치를 현미경의 렌즈부로 적용하면, 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다. 또한, 상기 전자기파 집속장치는 실리콘 기반 혹은 비실리콘 기반의 집적화된 포토닉 칩(integrated photonic chip)(IPC)이 탑재된 IoT(internet of things) 디바이스에 적용될 수 있다. 또한, 상기 전자기파 집속장치는 휴대폰이나 차세대 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등에 탑재하여 카메라나 모바일 헬스케어(mobile healthcare) 기능을 수행하는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 구조체(즉, 전자기파 집속장치)는 빔 포커싱(beam focusing) 또는 콜리메이팅(collimating) 기능을 활용할 수 있는 다양한 분야, 예컨대, 스마트폰(smart phone) 또는 웨어러블(wearable) 디바이스의 카메라 렌즈, 광학 줌 렌즈(zoom lens), 이미지 센서 등에 적용될 수 있다. 여기서, 상기 줌 렌즈의 경우, 복수의 구조체(즉, 복수의 전자기파 집속장치)를 연결/배열하여 사용하는 것을 고려할 수 있다. 그 밖에도, 전자기파 집속장치는 다양한 광학장치 및 전자장치에 적용될 수 있다.
도 27은 일 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 적용한 광학장치(현미경)를 보여주는 도면이다.
도 27을 참조하면, 관찰하고자 하는 대상물(10)에 대향하여 배치되는 대물 렌즈부(100)가 구비될 수 있다. 대물 렌즈부(100)는 전술한 실시예들에 따른 전자기파 집속장치 중 하나를 포함할 수 있다. 대물 렌즈부(100)에 전자기파를 조사하기 위한 전자기파 소스부(200)가 구비될 수 있다. 전자기파 소스부(200)는 '광원부'라고 할 수 있다. 전자기파 소스부(200)에서 발생되는 전자기파는 가시광이나 적외선(infrared ray)(IR) 영역의 파장을 갖거나, 경우에 따라서는, 마이크로파(microwave)나 자외선(ultraviolet ray)(UV) 영역의 파장을 가질 수도 있다. 전자기파 소스부(200)에서 발생된 전자기파(광)가 대물 렌즈부(100)의 전자기파 집속장치에 의해 집속되어 대상물(10)에 조사될 수 있다.
본 실시예에 따른 광학장치(현미경)는 대물 렌즈부(100)를 통해 획득된 대상물(10)의 이미지를 보여주는 이미지 제공부(300)를 더 포함할 수 있다. 이미지 제공부(300)는, 예컨대, 소정의 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 이미지 제공부(300)는 대물 렌즈부(100)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 또한, 이미지 제공부(300)는 대물 렌즈부(100)와 무선 통신으로 연결될 수도 있다.
상기 광학장치(현미경)는 대물 렌즈부(100)에 사용된 상기 전자기파 집속장치에 의해 고분해능/초해상도를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 광학장치(현미경)는 상기 전자기파 집속장치에 입사되는 상기 전자기파의 파장의 1/2 보다 작은 분해능을 가질 수 있다.
상기 광학장치(현미경)는 대상물(10)을 스캐닝(scanning)하는 방식으로 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 이때, 대물 렌즈부(100)는 대상물(10)과 수 ㎛ 정도 혹은 그 이상의 간격으로 떨어진 곳에서 대상물(10)을 스캔할 수 있다. 또한, 상기 광학장치(현미경)는 형광 물질을 사용하지 않는 비형광 방식으로 이미지를 획득할 수 있다.
도 27에 도시하지는 않았지만, 상기 광학장치(현미경)는 제어부, 조작부, 데이터 처리부, 통신부, 사용자 인터페이스 등 다양한 구성요소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
NSOM(near-field scanning optical microscopy)의 경우, 금속 팁(metal tip)의 근접장을 이용해서 해상도를 높일 수 있는 방식이지만, 금속 팁과 샘플 간의 거리가 파장보다 짧아야 하기 때문에 사용자가 고난이도의 숙련 기술을 가져야 하고, 고가의 장비 및 낮은 커플링 효율(coupling efficiency) 등 단점이 있다. 한편, STED(stimulated emission depletion microscopy)의 경우, 형광 물질을 사용하는 "기능적인(functional)" 고해상도 기술이라는 한계가 있다.
실시예에 따른 현미경의 경우, 형광 물질을 사용하지 않는 비형광 방식이기 때문에, "진정한(true)" 초해상도 기술에 해당된다고 할 수 있다. 또한, 전자기파 집속장치(즉, 렌즈부)와 관찰하고자 하는 대상물(10) 사이의 간격은 수 ㎛ 정도 혹은 그 이상일 수 있기 때문에, 이를 적용한 현미경을 조작하는데 있어서, NSOM과 같이 고난이도 숙련 기술이 요구되지 않을 수 있고, 대상물(샘플)이 손상되는 문제도 발생하지 않을 수 있다. 실시예에 따른 전자기파 집속장치를 이용하면, 기존 광학계의 분해능 한계를 뛰어 넘는 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다. 입사 전자기파의 파장의 1/2 이하의 분해능을 갖는 고분해능/초해상도 현미경을 구현할 수 있다. 예컨대, 상기 현미경의 분해능은 약 200 nm 이하 또는 약 100 nm 이하일 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 3 및 도 12 내지 도 26을 참조하여 설명한 전자기파 집속장치의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 전자기파 집속장치를 구성하는 복수의 물질요소의 간격 및/또는 폭은 기준점에서 멀어지면서 랜덤하게 변화될 수 있고, 이들의 형태도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 27을 참조하여 설명한 광학장치의 구성도 다양하게 변화될 수 있고, 전자기파 집속장치가 적용되는 광학장치의 분야도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
C1 : 기준점(중심점) D10, D15∼D20 : 전자기파 집속장치
E10, E20, E30 : 물질요소 SUB10, SUB15, SUB17∼SUB19 : 기판
10 : 대상물 100 : 대물 렌즈부
200 : 전자기파 소스부 300 : 이미지 제공부
C1 : 기준점(중심점) D10, D15∼D20 : 전자기파 집속장치
E10, E20, E30 : 물질요소 SUB10, SUB15, SUB17∼SUB19 : 기판
10 : 대상물 100 : 대물 렌즈부
200 : 전자기파 소스부 300 : 이미지 제공부
Claims (25)
- 전자기파 집속장치(electromagnetic wave focusing device)에 있어서,
평면 상의 기준점을 적어도 부분적으로 둘러싸는 구조를 갖고, 상기 기준점으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 복수의 물질요소;를 포함하고,
상기 복수의 물질요소는 불균일한 간격으로 배치되며,
상기 복수의 물질요소는 이를 통과한 전자기파를 공간 상의 지점으로 집속하도록 구성된 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 물질요소는,
인접한 제1군의 두 물질요소 사이에 제1 간격을 갖고,
인접한 제2군의 두 물질요소 사이에 상기 제1 간격과 다른 제2 간격을 갖고,
선택적으로(optionally), 인접한 제3군의 두 물질요소 사이에 상기 제1 및 제2 간격과 다른 제3 간격을 갖는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소 사이의 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가하는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소 사이의 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 감소하는 전자기파 집속장치. - 제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소 각각의 폭을 상기 각 물질요소의 외측면과 내측면 사이의 간격으로 정의할 때,
상기 복수의 물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 폭을 갖는 전자기파 집속장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가하거나 감소하는 전자기파 집속장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 폭 및 간격은 상기 기준점에서 멀어질수록 연속적으로 증가 또는 감소하는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소는 링(ring) 구조를 갖는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소는 유전체 및 반도체 중 어느 하나를 포함하는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소는 Si, Ge, GaP, SiOx, SiNx 및 산화물 반도체 중 어느 하나를 포함하고,
상기 산화물 반도체는 Zn, In, Ga, Sn 중 적어도 어느 하나를 포함하는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 갖는 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소는 제1 및 제2 물질요소를 포함하고,
상기 제1 및 제2 물질요소 중 적어도 하나는 다층 구조를 가지며,
상기 제1 물질요소를 구성하는 물질층의 개수와 상기 제2 물질요소를 구성하는 물질층의 개수는 서로 다른 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 두께는 수십 nm 내지 수 ㎛ 인 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 전체 폭은 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자기파 집속장치의 개구수(numerical aperture)(NA)는 0.3 이상인 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자기파 집속장치는 입사광의 파장의 1/2 보다 작은 반치전폭(full width at half maximum)(FWHM)을 갖는 출사광을 출사하도록 구성된 전자기파 집속장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자기파 집속장치는 투명 기판을 더 포함하고,
상기 투명 기판의 일면 상에 상기 복수의 물질요소가 구비된 전자기파 집속장치. - 청구항 1에 기재된 전자기파 집속장치를 포함하는 광학장치.
- 전자기파를 공간 상의 지점으로 모아주는 전자기파 집속장치(electro-magnetic wave focusing device)에 있어서,
평면 상의 기준점을 둘러싸는 구조를 갖고, 상기 기준점으로부터 서로 다른 거리에 위치하는 복수의 물질요소;를 포함하고,
상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 전자기파와 공간 결맞음(spatial coherence)을 만족하도록 상기 기준점에서 멀어지면서 변화되고, 여기서 상기 폭은 각 물질요소의 외측면과 내측면 사이의 간격으로 정의되는 전자기파 집속장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 증가하는 전자기파 집속장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 복수의 물질요소의 간격 및 폭은 상기 기준점에서 멀어질수록 감소하는 전자기파 집속장치. - 청구항 19에 기재된 전자기파 집속장치를 포함하는 광학장치.
- 청구항 1에 기재된 전자기파 집속장치를 포함하는 것으로, 관찰하고자 하는 대상물에 대향하여 배치되는 대물 렌즈부;
상기 대물 렌즈부에 전자기파를 조사하기 위한 전자기파 소스부; 및
상기 대물 렌즈부를 통해 획득된 상기 대상물의 이미지를 보여주는 이미지 제공부;를 포함하는 현미경. - 제 23 항에 있어서,
상기 현미경은 상기 전자기파 집속장치에 입사되는 상기 전자기파의 파장의 1/2 보다 작은 분해능을 갖는 현미경. - 제 23 항에 있어서,
상기 현미경은 상기 대상물을 스캐닝하는 방식으로 이미지를 획득하도록 구성된 현미경.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160069386A KR20170137364A (ko) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 |
| US15/379,662 US10317696B2 (en) | 2016-06-03 | 2016-12-15 | Electromagnetic wave focusing device and optical apparatus including the same |
| EP17151764.2A EP3252509B1 (en) | 2016-06-03 | 2017-01-17 | Electromagnetic wave focusing device and optical apparatus including the same |
| CN201710151679.8A CN107462983B (zh) | 2016-06-03 | 2017-03-14 | 电磁波聚焦装置、光学设备和显微镜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160069386A KR20170137364A (ko) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170137364A true KR20170137364A (ko) | 2017-12-13 |
Family
ID=57906421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160069386A KR20170137364A (ko) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10317696B2 (ko) |
| EP (1) | EP3252509B1 (ko) |
| KR (1) | KR20170137364A (ko) |
| CN (1) | CN107462983B (ko) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9995859B2 (en) * | 2015-04-14 | 2018-06-12 | California Institute Of Technology | Conformal optical metasurfaces |
| WO2017034995A1 (en) | 2015-08-21 | 2017-03-02 | California Institute Of Technology | Planar diffractive device with matching diffraction spectrum |
| WO2017176343A2 (en) | 2016-01-22 | 2017-10-12 | California Institute Of Technology | Dispersionless and dispersion-controlled optical dielectric metasurfaces |
| EP3538941A4 (en) | 2016-11-10 | 2020-06-17 | The Trustees of Columbia University in the City of New York | METHODS FOR FAST IMAGING OF HIGH RESOLUTION LARGE SAMPLES |
| US10488651B2 (en) | 2017-04-10 | 2019-11-26 | California Institute Of Technology | Tunable elastic dielectric metasurface lenses |
| US10965102B2 (en) | 2018-04-12 | 2021-03-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Structured light projector and electronic apparatus including the same |
| KR102546320B1 (ko) | 2018-06-18 | 2023-06-22 | 삼성전자주식회사 | 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치 |
| EP3671310A1 (en) * | 2018-12-18 | 2020-06-24 | Thomson Licensing | Optical manipulation apparatus for trapping or moving micro or nanoparticles |
| CN111262038B (zh) * | 2020-01-21 | 2020-12-08 | 四川大学 | 基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜及方法 |
| CN111158070B (zh) * | 2020-02-25 | 2021-09-28 | 南京大学 | 一种基于全介质超表面的双层消色差透镜 |
| CN111722392B (zh) * | 2020-07-22 | 2021-06-08 | 南京大学 | 一种基于超构透镜阵列的大视场集成显微成像装置 |
| KR20230113734A (ko) * | 2020-10-09 | 2023-08-01 | 엔아이엘티 스위철랜드 게엠베하 | 메타표면을 포함하는 광학 소자들 |
| WO2022130689A1 (ja) * | 2020-12-18 | 2022-06-23 | 株式会社フジクラ | 光回折素子、光演算システム、及び、光回折素子の製造方法 |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5257132A (en) * | 1990-09-25 | 1993-10-26 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Broadband diffractive lens or imaging element |
| US7538858B2 (en) * | 2006-01-11 | 2009-05-26 | Micron Technology, Inc. | Photolithographic systems and methods for producing sub-diffraction-limited features |
| JP5086580B2 (ja) * | 2006-08-04 | 2012-11-28 | オリンパス株式会社 | 照明装置 |
| US7888663B2 (en) | 2008-04-16 | 2011-02-15 | Nanyang Technological University | Plasmonic structure lens and its application for online inspection |
| WO2011106553A2 (en) | 2010-02-24 | 2011-09-01 | The Regents Of The University Of California | Planar, low loss transmitting or reflecting lenses using sub-wavelength high contrast grating |
| CN101840054B (zh) * | 2010-05-12 | 2012-06-20 | 武汉大学 | 一种基于双曲透镜的超分辨率聚焦装置 |
| CN202141822U (zh) | 2011-05-25 | 2012-02-08 | 武汉大学 | 一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜 |
| DE102011082756A1 (de) * | 2011-09-15 | 2013-03-21 | Leica Microsystems (Schweiz) Ag | Autofokussierverfahren und -einrichtung für ein Mikroskop |
| EP3087421B1 (en) * | 2013-12-23 | 2019-07-31 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement | Guided mode resonance device |
| US9529126B2 (en) * | 2014-01-09 | 2016-12-27 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Fresnel zone plate |
| US9482796B2 (en) | 2014-02-04 | 2016-11-01 | California Institute Of Technology | Controllable planar optical focusing system |
| CN203965658U (zh) * | 2014-07-10 | 2014-11-26 | 南京邮电大学 | 一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜 |
| US9507064B2 (en) | 2014-07-27 | 2016-11-29 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Dielectric metasurface optical elements |
| US9413448B2 (en) * | 2014-08-08 | 2016-08-09 | Nxgen Partners Ip, Llc | Systems and methods for focusing beams with mode division multiplexing |
| US20160086681A1 (en) | 2014-09-24 | 2016-03-24 | Carl Zeiss X-ray Microscopy, Inc. | Zone Plate and Method for Fabricating Same Using Conformal Coating |
| CN104377452B (zh) | 2014-11-06 | 2017-05-24 | 南京邮电大学 | 一种基于人工电磁表面的纯介质电磁透镜的设计方法 |
| WO2016082680A1 (zh) * | 2014-11-25 | 2016-06-02 | 邱定平 | 一种太阳能二次聚光装置 |
| EP3230784A1 (fr) * | 2014-12-09 | 2017-10-18 | Bioaxial SAS | Procédé et dispositif de mesure optique |
| CN105182523B (zh) * | 2015-09-23 | 2017-11-07 | 北京大学 | 一种基于一阶贝塞尔光束的sted超分辨显微镜及调节方法 |
| CN105251140B (zh) * | 2015-11-23 | 2018-03-27 | 南京大学 | 一种聚焦声透镜的设计方法 |
-
2016
- 2016-06-03 KR KR1020160069386A patent/KR20170137364A/ko not_active Application Discontinuation
- 2016-12-15 US US15/379,662 patent/US10317696B2/en active Active
-
2017
- 2017-01-17 EP EP17151764.2A patent/EP3252509B1/en active Active
- 2017-03-14 CN CN201710151679.8A patent/CN107462983B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20170351111A1 (en) | 2017-12-07 |
| EP3252509B1 (en) | 2023-03-08 |
| EP3252509A1 (en) | 2017-12-06 |
| US10317696B2 (en) | 2019-06-11 |
| CN107462983B (zh) | 2021-11-16 |
| CN107462983A (zh) | 2017-12-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20170137364A (ko) | 전자기파 집속장치 및 이를 포함하는 광학장치 | |
| CN111316138B (zh) | 色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件 | |
| US11567240B2 (en) | Multilayered meta lens and optical apparatus including the same | |
| JP4995231B2 (ja) | 光学フィルタ | |
| Van Acoleyen et al. | Two-dimensional optical phased array antenna on silicon-on-insulator | |
| Si et al. | Annular aperture array based color filter | |
| TW201908232A (zh) | 可視光譜中之平面性消色差及色散定制的超穎表面 | |
| US20220048764A1 (en) | Broadband achromatic polarization-insensitive metalens with anisotropic nanostructures | |
| US11175182B2 (en) | Spectral imaging apparatus | |
| EP3153893A1 (en) | Optical filter and electronic device including the same | |
| Huang et al. | Dynamical tuning of terahertz meta-lens assisted by graphene | |
| US20090303578A1 (en) | Far-field sub-diffraction optical lenses (fasdol) | |
| Chen et al. | Polarization-insensitive GaN metalenses at visible wavelengths | |
| WO2022051971A1 (en) | Imaging optical system, imaging device and electronic device | |
| KR102208964B1 (ko) | 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치 | |
| US20220082822A1 (en) | Phase shift device including metal-dielectric composite structure | |
| Peng et al. | Metalens in improving imaging quality: advancements, challenges, and prospects for future display | |
| Arbabi et al. | An optical metasurface planar camera | |
| CN112731757B (zh) | 应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法 | |
| CN104730621A (zh) | 一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器及其制备方法 | |
| WO2012160418A1 (en) | Tunable plasmonic lens | |
| KR102628692B1 (ko) | 각도 다중화 메타렌즈 | |
| US20180328782A1 (en) | Azimuthally-modulated aperiodic phase arrays for engineered spectral separation | |
| Arbabi et al. | Aberration corrected metasurface doublet lens | |
| Catrysse | Integration of optical functionality for image sensing through sub-wavelength geometry design |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal |