KR20180000938A - 슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치 - Google Patents

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Abstract

슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광학 단위소자는 소정 파장영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키는 소자일 수 있고, 간격이 제어된 두 개 이상의 슬롯을 갖는 물질층을 포함할 수 있다. 상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어될 수 있다. 상기 광학 단위소자의 공진 파장을 λ라 하고, 상기 물질층의 입사면에 접촉된 매질의 굴절률을 n 이라 할 때, 상기 두 개 이상의 슬롯은 λ/(2.5×n) 보다 큰 간격을 가질 수 있다. 상기 광학 단위소자는 분광 소자, 분광기 등 다양한 장치에 적용될 수 있다.

Description

슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치{Optical device including slot and apparatus employing the optical device}
개시된 실시예들은 광학 소자 및 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬롯을 포함하는 광학 소자(혹은, 광학 요소) 및 이를 채용한 장치에 관한 것이다.
종래의 분광기(spectrometer)는 주로 프리즘(prism)이나 격자(grating) 구조를 이용해서 분광을 하기 때문에, 분광을 위해 수 cm 내지 수십 cm 정도의 공간이 요구된다. 분광기의 크기가 작아지면, 스펙트럼 분해능은 저하될 수 있다.
분광기와 같은 광학 장치의 사이즈를 소형화하면서 그 성능은 향상시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다. 특히, 분광이나 이미징을 위한 단위영역(단위소자)의 사이즈를 줄이면서도 광 효율을 개선할 수 있는 방법/기술이 요구된다.
복수의 슬롯을 포함하고 우수한 성능을 갖도록 디자인된 광학 소자(광학적 단위소자)를 제공한다.
작은 사이즈를 가지면서도 우수한 성능을 나타낼 수 있는 광학 소자(광학적 단위소자)를 제공한다.
비교적 단순한 구조를 가지면서도 높은 품질 계수 및 높은 투과율을 갖는 광학 소자(광학적 단위소자)를 제공한다.
상기 광학 소자를 포함하는 분광 소자(spectro device)를 제공한다.
상기 광학 소자를 포함하는 장치(ex, 분광기)를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 소정 파장영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키는 광학 단위소자에 있어, 두 개 이상의 슬롯(slot)을 갖는 물질층;을 포함하고, 상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어된 광학 단위소자가 제공된다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 7 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어될 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 3 이상의 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 갖도록 제어될 수 있다. 여기서, 상기 정규화된 투과율은 상기 두 개 이상의 슬롯을 갖는 물질층을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 물질층 없이 하나의 슬롯 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치로 정의될 수 있다.
상기 광학 단위소자의 공진 파장(resonance wavelength)을 λ라 하고, 상기 물질층의 입사면에 접촉된 매질의 굴절률을 n 이라 할 때, 상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 λ/(2.5×n) 보다 클 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 λ/n 보다 작을 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격에 따라 공진 파장이 달라질 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 각각은 서브파장(subwavelength) 사이즈를 가질 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯은 제1 방향에 따른 길이 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향에 따른 폭을 가질 수 있고, 상기 두 개 이상의 슬롯은 상기 제2 방향으로 상호 이격될 수 있다.
상기 물질층은 실질적으로 등간격으로 이격하여 서로 나란하게 배열된 2개 내지 5개의 슬롯을 가질 수 있다.
상기 물질층은 도전층일 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯일 수 있다.
상기 물질층은 적어도 두 개의 복수의 영역으로 구획될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각은 서로 평행한 복수의 슬롯을 가질 수 있다.
상기 물질층은 적어도 두 개의 복수의 영역으로 구획될 수 있고, 상기 복수의 영역 중 적어도 하나는 서로 평행한 복수의 제1 슬롯을 가질 수 있고, 상기 복수의 영역 중 적어도 다른 하나는 서로 평행한 복수의 제2 슬롯을 가질 수 있으며, 상기 복수의 제2 슬롯은 상기 복수의 제1 슬롯에 수직하게 배치될 수 있다.
상기 광학 단위소자는 적외선(infrared ray)(IR) 영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 소정 파장영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키는 광학 단위소자에 있어, 두 개 이상의 슬롯(slot)을 갖는 물질층;을 포함하고, 상기 광학 단위소자의 공진 파장을 λ라 하고, 상기 물질층의 입사면에 접촉된 매질의 굴절률을 n 이라 할 때, 상기 두 개 이상의 슬롯은 λ/(2.5×n) 보다 큰 간격을 갖는 광학 단위소자가 제공된다.
상기 두 개 이상의 슬롯은 λ/n 보다 작은 간격을 가질 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어될 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 약 3 이상의 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 갖도록 제어될 수 있다. 여기서, 상기 정규화된 투과율은 상기 두 개 이상의 슬롯을 갖는 물질층을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 물질층 없이 하나의 슬롯 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치로 정의될 수 있다.
상기 물질층은 실질적으로 등간격으로 이격하여 서로 나란하게 배열된 2개 내지 5개의 슬롯을 가질 수 있다.
상기 두 개 이상의 슬롯은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광학 단위소자에 대응되는 복수의 광학 단위소자를 포함하고, 상기 복수의 광학 단위소자 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성된 제1 어레이 소자부; 및 상기 제1 어레이 소자부를 투과한 전자기파를 검출하기 위한 복수의 검출기를 구비하는 제2 어레이 소자부;를 포함하는 분광 소자가 제공된다.
상기 제1 어레이 소자부는 제1 및 제2 광학 단위소자를 포함할 수 있고, 상기 제1 광학 단위소자는 제1 및 제2 슬롯을 포함할 수 있고, 상기 제2 광학 단위소자는 제3 및 제4 슬롯을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 슬롯 사이의 간격은 상기 제3 및 제4 슬롯 사이의 간격과 다를 수 있다.
상기 제1 및 제2 슬롯 중 적어도 하나는 상기 제3 및 제4 슬롯 중 적어도 하나와 다른 치수(dimension)를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 슬롯은 제1 길이를 가질 수 있고, 상기 제3 및 제4 슬롯은 상기 제1 길이와 다른 제2 길이를 가질 수 있다.
상기 제1 어레이 소자부는 제1 및 제2 광학 단위소자를 포함할 수 있고, 상기 제1 광학 단위소자에 포함된 슬롯의 개수와 상기 제2 광학 단위소자에 포함된 슬롯의 개수는 서로 다를 수 있다.
상기 제1 어레이 소자부는 메타표면(metasurface) 구조를 가질 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 분광 소자를 포함하는 분광기(spectrometer)가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 대상체의 특성을 광학적으로 측정하기 위한 광학적 측정 장치에 있어서, 상기 대상체에 광을 조사하기 위한 광원부; 상기 광원부에서 발생되어 상기 대상체에 의해 변조된 광을 검출하기 위한 것으로, 전술한 분광 소자를 포함하는 광센서부; 및 상기 광센서부에 의해 측정된 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하는 광학적 측정 장치가 제공된다.
상기 광원부는 적외선 대역의 광을 발생하도록 구성될 수 있다.
상기 광학적 측정 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다.
상기 광학적 측정 장치의 적어도 일부는 모바일(mobile) 장치를 구성할 수 있다.
복수의 슬롯을 포함하면서 우수한 성능을 갖도록 디자인된 광학 소자(광학적 단위소자)를 구현할 수 있다. 작은 사이즈를 가지면서도 우수한 성능을 나타낼 수 있는 광학 소자를 구현할 수 있다. 단순한 구조를 가지면서도 높은 품질 계수 및 높은 투과율을 갖는 광학 소자를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 광학 소자를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학 장치를 구현할 수 있다. 예컨대, 상기 광학 소자를 적용한 분광 소자 및 분광기를 구현할 수 있다. 이 경우, 우수한 성능을 갖는 소형/초소형 분광기를 구현할 수 있다.
도 1은 비교예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 단일 슬롯을 통해 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자의 슬롯들 사이의 간격에 따른 품질 계수(Q-factor)의 변화를 각각 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자의 슬롯들 사이의 간격에 따른 피크 높이(peak value)의 변화를 각각 보여주는 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 8의 구조를 갖는 광학 단위소자를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 사시도이다.
도 12 및 도 13은 두 개의 슬롯 사이의 간격과 피크 시프트(peak shift)(λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 14는 2-slot 구조의 광학 단위소자에 대한 것으로, 중적외선(mid-IR) 영역에서 두 슬롯 사이의 간격과 피크 시프트(peak shift)(λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 15는 2-slot 구조의 광학 단위소자에 대한 것으로, 원적외선(far-IR) 영역에서 두 슬롯 사이의 간격과 피크 시프트(peak shift)(λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 3과 같이 두 개의 슬롯을 포함하는 구조(2-slot 구조)에서 간격이 공진 조건을 만족하는 경우(B)와 만족하지 않은 경우(A, C)를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다.
도 17은 일 실시예에 따른 것으로, 두 개의 슬롯을 투과하는 전자기파의 강도 프로파일(intensity profile)을 보여주는 그래프이다.
도 18은 도 17의 두 슬롯을 투과하는 전자기파의 수직 및 수평 방향으로의 강도 프로파일(intensity profile)을 보여주는 그래프이다.
도 19의 (A) 및 (B)는 실시예들에 따른 두 가지 타입의 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 복수의 광학 단위소자를 포함하는 광학 소자(어레이 소자)를 보여주는 평면도이다.
도 25는 다른 실시예에 따른 복수의 광학 단위소자를 포함하는 광학 소자(어레이 소자)를 보여주는 평면도이다.
도 26은 일 실시예에 따른 광학 소자(광학 단위소자)를 적용한 분광 소자(spectro device)를 보여주는 단면도이다.
도 27은 다른 실시예에 따른 광학 소자(광학 단위소자)를 적용한 분광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 28은 다른 실시예에 따른 광학 소자(광학 단위소자)를 적용한 분광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 29는 다른 실시예에 따른 광학 소자(광학 단위소자)를 적용한 분광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 30은 일 실시예에 따른 분광 소자를 적용한 광학적 측정 장치의 개략적인 구조를 보여주는 블록도이다.
도 31은 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학적 측정 장치에 적용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 32는 다른 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학적 측정 장치에 적용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 33은 일 실시예에 따른 광학적 측정 장치를 적용할 수 있는 모바일 기기(mobile device)의 일례를 보여주는 도면이다.
도 34는 일 실시예에 따른 광학적 측정 장치를 적용할 수 있는 웨어러블 기기(wearable device)의 일례를 보여주는 도면이다.
도 35는 다른 실시예에 따른 광학적 측정 장치를 보여주는 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치를 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 비교예에 따른 광학 단위소자(D1)를 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 비교예에 따른 광학 단위소자(D1)는 하나의 슬롯(S1)이 형성된 도전성 물질층(M1)을 포함할 수 있다. 슬롯(S1)은 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)를 가질 수 있다. 도전성 물질층(M1)은 소정의 기판(SUB1) 상에 구비될 수 있다. 기판(SUB1)은, 예컨대, 유리 기판일 수 있다.
도전성 물질층(M1)에 형성된 슬롯(S1)을 통해 소정 파장영역의 전자기파가 투과될 수 있다. 이때, 비교예에 따른 광학 단위소자(D1)에서는 하나의 슬롯(S1)에 의해 공진 주파수(resonance frequency)가 정의될 수 있다. 다시 말해, 하나의 슬롯(S1)의 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)에 의해 공진 주파수가 정해질 수 있다. 공진 파장(resonance wavelength)은 공진 주파수에 대응될 수 있다. 공진 파장은 슬롯(S1)의 길이(L)보다 클 수 있다. 슬롯(S1)을 통해 투과되는 전자기파의 투과 그래프에서 피크(peak) 지점에 해당하는 파장이 공진 파장에 대응될 수 있다.
도 2는 도 1의 단일 슬롯(S1)을 통해 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 이때, 슬롯(S1)의 길이(L), 폭(W), 두께(T)는 각각 550 nm, 100 nm, 300 nm 이었다. 도전성 물질층(M1)은 Ag층이고, 기판(SUB1)은 유리 기판이었다. 기판(SUB1)이 형성된 쪽에서 도전성 물질층(M1)으로 전자기파를 조사하여 투과 스펙트럼을 측정하였다. 도 2의 Y축 값, 즉,〈S〉/〈S〉air 는 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 나타낸다. 여기서,〈S〉는 도전성 물질층(M1)이 존재하는 상태에서 슬롯(S1)을 투과하는 전자기파의 포인팅 벡터(pointing vector)이고,〈S〉air는 도전성 물질층(M1)이 없는 상태에서 하나의 슬롯(S1) 영역을 통과하는 전자기파의 포인팅 벡터(pointing vector)이다. 〈S〉/〈S〉air 값이 클수록, 투과율이 높다.
도 2를 참조하면, 단일 슬롯(S1)을 투과하는 전자기파의 주요 파장은 1522 nm 이고, 피크(peak)의 높이는 약 2.5 정도이며, 품질 계수(Q-factor)는 약 3.4 이었다. 품질 계수(Q-factor)는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, 품질 계수(Q)는 공진 주파수(즉, 중심 주파수)(ω0)와 대역폭(bandwidth)(Δω) 사이의 비로 정의될 수 있다. 또한, 품질 계수(Q)는 공진 파장(λ0)과 λ1 및 λ2 사이의 관계식으로 정의될 수 있다. 여기서, λ1 및 λ2는 피크 높이의 1/2에 해당하는 지점에서의 하위 파장(λ1) 및 상위 파장(λ2)을 나타낸다(도 2 참조). 이러한 수학식 1을 이용해서, 도 2의 그래프에 대한 품질 계수(Q)를 계산할 수 있다.
아래의 표 1은 도 2로부터 얻어진 수치들을 정리한 것이다.
비교예(도 1의 구조)
항목 Peak position (nm) Peak value Q-factor
수치 1522 2.5 3.4
도 2 및 이로부터 얻어진 표 1의 결과를 참조하면, 비교예와 같이 단일 슬롯(S1)을 사용하는 경우, 품질 계수(Q-factor)가 3.4 정도로 낮고, 투과율(정규화된 투과율)에 해당하는 피크의 높이도 약 2.5 정도로 낮은 것을 알 수 있다. 다시 말해, 도 1의 비교예와 같이 단일 슬롯(S1)을 사용하는 경우, 하나의 슬롯(S1)으로 공진 주파수를 정의할 수는 있지만, 품질 계수 및 투과율을 확보하는 데는 한계가 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 단위소자(D10)를 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광학 단위소자(D10)는 복수의 슬롯(S11, S12)이 형성된 도전성 물질층(M10)을 포함할 수 있다. 여기서는, 두 개의 슬롯(S11, S12), 즉, 제1 슬롯(S11) 및 제2 슬롯(S12)을 사용하는 경우에 대해 도시하고 설명한다. 두 개의 슬롯(S11, S12)은 각각 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)를 가질 수 있다. 복수의 슬롯(S11, S12)은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯일 수 있다. 도전성 물질층(M10)은 소정의 기판(SUB10) 상에 구비될 수 있다. 기판(SUB10)은 관심 파장영역의 전자기파에 대해 투명한 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 기판(SUB10)은 유리 기판일 수 있다. 그러나, 기판(SUB10)의 재질은 유리로 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 기판(SUB10)은 실리콘 산화물과 같은 유전체로 형성되거나, 경우에 따라서는, 실리콘과 같은 반도체로 형성될 수도 있다.
본 실시예에서 복수의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 제1 슬롯(S11)을 투과하는 전자기파와 제2 슬롯(S12)을 투과하는 전자기파 간에 상호작용(interaction) 조건을 만족하도록 제어될 수 있다. 다시 말해, 복수의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 제1 슬롯(S11)을 투과하는 전자기파와 제2 슬롯(S12)을 투과하는 전자기파의 결맞음 조건(coherence condition)을 만족하도록 제어될 수 있다. 그 결과, 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor)가 크게 개선될 수 있고, 투과율 또한 크게 향상될 수 있다. 예컨대, 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor)는 약 5 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor)는 약 7 이상 또는 약 8 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 정규화된 투과율(normalized transmittance)은 약 3 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 정규화된 투과율은 약 5 이상일 수 있다. 여기서, 상기 정규화된 투과율은 복수의 슬롯(S11, S12)을 갖는 도전성 물질층(M10)을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 도전성 물질층(M10) 없이 하나의 슬롯(S11에 대응하는 슬롯) 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치(즉,〈S〉/〈S〉air)로 정의될 수 있다.
도 4는 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자(D10)를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 이때, 두 개의 슬롯(S11, S12) 각각의 길이(L), 폭(W), 두께(T)는 각각 550 nm, 100 nm, 300 nm 이었다. 도전성 물질층(M10)은 Ag층이고, 기판(SUB10)은 유리 기판이었다. 두 개의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)을 500 nm 에서 750 nm 까지 50 nm 단위로 변화시키면서 투과 스펙트럼을 측정하였다. 기판(SUB10)이 형성된 쪽에서 도전성 물질층(M10)으로 전자기파를 조사하여 투과 스펙트럼을 측정하였다. 이때, 기판(SUB10)은 도전성 물질층(M10)의 입사면에 구비된 일종의 '매질'이라고 할 수 있고, 상기 매질(즉, 기판)(SUB10)의 굴절률(refractive index)(n)은 1.44 였다.
도 4를 참조하면, 두 개의 슬롯(S11, S12)을 사용하는 경우, 하나의 슬롯을 사용하는 경우(도 2)보다, 품질 계수(Q-factor)와 투과율이 약 300∼400% 정도 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 두 개의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)에 따라 품질 계수(Q-factor) 및 공진 파장(resonance wavelength)이 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 목적에 맞게 광학 단위소자(D10)를 적절히 디자인하여 사용할 수 있다.
도 5는 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자(D10)를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 두 개의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)을 250 nm 에서 450 nm 까지 50 nm 단위로 변화시키면서 투과 스펙트럼을 측정하였다. 슬롯들(S11, S12)의 치수(dimension) 및 기판(SUB10)과 도전성 물질층(M10)의 구성 물질은 도 4를 참조하여 설명한 바와 동일하였다.
도 5를 참조하면, 두 개의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)이 450 nm 일 때, 품질 계수(Q-factor)는 약 5.9 정도일 것으로 예상되고, 간격(d10)이 400 nm 일 때, 품질 계수(Q-factor)는 약 5.2 정도일 것으로 예상된다. 간격(d10)이 350 nm 이하인 경우, 품질 계수(Q-factor)가 작거나 관심 파장 범위에서 측정이 불가하였다. 다시 말해, 간격(d10)이 너무 작을 경우, 광학 단위소자(D10)의 우수한 성능을 확보하기가 어려울 수 있다.
도 4 및 도 5의 결과를 볼 때, 두 개의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)이 소정의 조건을 만족하는 경우, 높은 품질 계수(Q-factor)를 확보할 수 있고, 또한, 높은 투과율을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 간격(d10)이 너무 작거나 또는 너무 클 경우, 우수한 성능을 확보하기가 어려울 수 있다.
아래의 표 2는 도 4 및 도 5로부터 얻어진 수치들을 정리한 것이다.
2-Slot 구조(도 3의 구조)
간격(d10) (nm) Peak position (nm) Peak value Q-factor
250 1406 5.1
300 1418 6.0
350 1431 7.0
400 1449 8.1 5.2 (예상)
450 1467 9.0 5.9 (예상)
500 1486 9.5 6.9
550 1504 9.6 7.6
600 1522 9.1 8.2
650 1535 8.2 8.3
700 1547 7.1 8.1
750 1559 6.0 7.6
800 1571 5.0 6.9
850 1571 4.2 5.9
900 1578 3.6 5.2
950 1571 3.1 5.0
도 6 및 도 7은, 표 2로부터 얻어진 것으로, 도 3의 구조를 갖는 광학 단위소자(D10)의 슬롯들(S11, S12) 사이의 간격(d10)에 따른 품질 계수(Q-factor) 및 피크 높이(peak value)의 변화를 각각 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 약 500 nm 내지 950 nm 정도의 영역에서 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 약 500 nm 내지 800 nm 정도의 영역에서 약 7 이상(즉, 6.9∼8.3 정도)의 높은 품질 계수(Q-factor)를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 약 550 nm 및 그 주변 영역에서 피크 높이(peak value)가 최대가 되는 것을 알 수 있다. 약 250 nm 내지 800 nm 정도의 영역에서 5 이상의 피크 높이(peak value)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 약 400 nm 내지 750 nm 정도의 영역에서 높은 피크 높이(peak value)를 확보할 수 있다. 여기서, 피크 높이(peak value)는 앞서 정의한 정규화된 투과율에 대응될 수 있다. 한편, 350 nm 이하의 간격 영역에서는 어느 정도의 피크 높이(peak value)를 확보할 수 있지만, 품질 계수(Q-factor)의 측정/확보가 어려울 수 있다(도 5 참조).
표 2 및 이로부터 얻어진 도 6 및 도 7의 결과를 참조하면, 본 실시예에서 두 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 약 400 nm 내지 950 nm 사이에서 결정될 수 있다. 특히, 약 7 이상(6.9 포함)의 품질 계수(Q-factor) 및 약 5 이상의 정규화된 투과율(즉, peak value)을 확보하기 위해서는, 두 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 약 500 nm 내지 800 nm 사이에서 결정될 수 있다. 그러나, 슬롯(S11, S12)의 치수(즉, 길이/폭/높이) 및 도전성 물질층(M10)의 구성 물질 등에 따라서, 적절한 간격(d10)의 범위는 달라질 수 있다. 또한, 기판(SUB10)의 구성 물질(굴절률) 및 사용하는 전자기파의 파장 대역 등에 따라 적절한 간격(d10)의 범위는 달라질 수 있다.
본원의 실시예에 따르면, 광학 단위소자(D10)의 공진 파장(resonance wavelength)을 λ라고 하고, 도전성 물질층(M10)의 입사면에 접촉된 매질(즉, 기판)의 굴절률을 n 이라 할 때, 복수의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 λ/(2.5×n) 보다 클 수 있다. 이러한 조건은 상기 표 2의 400 nm 내지 950 nm 범위의 간격(d10)에서 만족하는 것을 알 수 있다. 이때, 공진 파장(λ)은 피크 위치(peak position)에 대응되고, 상기 매질의 굴절률(n)은 1.44 이었다. 또한, 복수의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 λ/n 보다 작을 수 있다. 이러한 조건도 상기 표 2의 400 nm 내지 950 nm 범위의 간격(d10)에서 만족하는 것을 알 수 있다. 따라서, 복수의 슬롯(S11, S12) 사이의 간격(d10)은 λ/(2.5×n) 보다 크고 λ/n 보다 작을 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D20)를 보여주는 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 광학 단위소자(D20)는 복수의 슬롯(S21, S22, S23)이 형성된 도전성 물질층(M20)을 포함할 수 있다. 여기서는, 세 개의 슬롯(S21, S22, S23), 즉, 제1 슬롯(S21), 제2 슬롯(S22) 및 제2 슬롯(S23)을 사용하는 경우에 대해 도시하고 설명한다. 복수의 슬롯(S21, S22, S23)은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯일 수 있다. 도전성 물질층(M20)은 소정의 기판(SUB20) 상에 구비될 수 있다. 기판(SUB20)은 도 3에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
본 실시예에서 제1 슬롯(S21)과 제2 슬롯(S22) 사이의 간격(d21) 및 제2 슬롯(S22)과 제3 슬롯(S23) 사이의 간격(d22)은 적절히 선택될 수 있다. 다시 말해, 복수의 슬롯(S21, S22, S23)을 통해 투과하는 전자기파 사이에 상호작용(interaction) 및/또는 결맞음(coherence) 조건을 만족하도록 간격(d21, d22)이 제어될 수 있다. 결과적으로, 광학 단위소자(D20)의 품질 계수(Q-factor) 및 투과율이 크게 개선될 수 있다. 예컨대, 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor)는 약 5 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor)는 약 8 이상 또는 약 10 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 정규화된 투과율은 약 3 이상일 수 있다. 광학 단위소자(D10)의 정규화된 투과율은 약 8 이상 또는 약 11 이상일 수 있다. 여기서, 상기 정규화된 투과율이란, 복수의 슬롯(S21, S22, S23)을 갖는 도전성 물질층(M20)을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 도전성 물질층(M20) 없이 하나의 슬롯(S22에 대응하는 슬롯) 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치(즉,〈S〉/〈S〉air)로 정의될 수 있다. 도 5와 같이 세 개의 슬롯(S21, S22, S23)을 사용하는 경우, 도 3과 같이 두 개의 슬롯(S12, S12)을 사용하는 경우보다 더 높은 품질 계수 및 투과율을 확보할 수 있다.
도 9는 도 8의 구조를 갖는 광학 단위소자(D20)를 투과하는 전자기파의 투과 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 이때, 세 개의 슬롯(S21, S22, S23) 각각의 길이(L), 폭(W), 두께(T)는 각각 550 nm, 100 nm, 300 nm 이었다. 도전성 물질층(M20)은 Ag층이고, 기판(SUB20)은 유리 기판이었다. 세 개의 슬롯(S21, S22, S23) 사이의 간격(d21, d22)을 550 nm 에서 850 nm 까지 50 nm 단위로 변화시키면서 투과 스펙트럼을 측정하였다. 이때, 두 간격(d21, d22)은 서로 동일하였다. 기판(SUB20)은 도전성 물질층(M20)의 입사면에 구비된 일종의 '매질'이라고 할 수 있고, 상기 매질(즉, 기판)(SUB20)의 굴절률(n)은 1.44 였다.
도 9를 참조하면, 세 개의 슬롯(S21, S22, S23)을 사용하는 경우, 하나의 슬롯을 사용하는 경우(도 2)보다, 품질 계수(Q-factor)는 약 300% 이상 향상되고 투과율은 약 700% 이상 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 세 개의 슬롯(S21, S22, S23)을 사용하는 경우, 두 개의 슬롯을 사용하는 경우(도 4)보다, 품질 계수(Q-factor)는 약 25% 정도 향상되고 투과율은 약 60% 정도 향상되는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 슬롯의 개수가 늘어남에 따라, 슬롯간 간격 제어에 의한 품질 계수(Q-factor) 향상 효과 및 투과율 향상 효과가 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 세 개의 슬롯(S21, S22, S23) 사이의 간격(d21, d22)에 따라 품질 계수(Q-factor) 및 공진 파장(resonance wavelength)이 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 목적에 맞게 광학 단위소자(D20)를 적절히 디자인하여 사용할 수 있다.
아래의 표 3은 도 9로부터 얻어진 수치들을 정리한 것이다.
3-Slot 구조(도 8의 구조)
간격(d21,d22) (nm) Peak position (nm) Peak value Q-factor
550 1491 15.2 8.6
600 1504 16.1 9.3
650 1522 16.5 10.3
700 1541 15.8 10.4
750 1559 13.9 10.5
800 1578 11.4 10.2
850 1590 8.7 9.2
도 8, 도 9 및 표 3의 결과를 참조하면, 약 550 nm 내지 850 nm 정도의 영역에서 8 이상의 품질 계수(Q-factor)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 약 650 nm 내지 800 nm 정도의 영역에서 약 10 이상의 높은 품질 계수(Q-factor)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 약 550 nm 내지 850 nm 정도의 영역에서 8 이상의 피크 높이(peak value)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 약 550 nm 내지 800 nm 정도의 영역에서 약 11 이상의 높은 피크 높이(peak value)를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 피크 높이(peak value)는 앞서 정의한 정규화된 투과율에 대응될 수 있다. 본 실시예에서 10 이상의 품질 계수(Q-factor) 및 11 이상의 피크 높이(peak value)를 동시에 확보하기 위해서는, 슬롯들(S21, S22, S23) 사이의 간격(d21, d22)은 약 650 nm 내지 800 nm 사이에서 결정될 수 있다. 그러나, 슬롯(S21, S22, S23)의 치수(즉, 길이/폭/높이) 및 도전성 물질층(M20)의 구성 물질, 기판(SUB20)의 구성 물질, 사용하는 전자기파의 파장 대역에 따라서 적절한 간격(d21, d22)의 범위는 달라질 수 있다.
본원의 실시예에 따르면, 광학 단위소자(D20)의 공진 파장을 λ라고 하고, 도전성 물질층(M20)의 입사면에 구비된(접촉된) 매질(즉, 기판)의 굴절률을 n 이라 할 때, 복수의 슬롯(S21, S22, S23) 사이의 간격(d21, d22)은 λ/(2.5×n) 보다 클 수 있다. 또한, 복수의 슬롯(S21, S22, S23) 사이의 간격(d21, d22)은 λ/n 보다 작을 수 있다. 이러한 조건들은 상기 표 3의 550 nm 내지 850 nm 범위의 간격(d21, d22)에서 만족하는 것을 알 수 있다.
실시예들에서 도전성 물질층(M10, M20)의 물질로는 금속(metal) 또는 금속성(metallic) 물질이 적용될 수 있다. 예를 들어, Ag, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 적용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금이 적용될 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 도전성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 화합물(ex, 전도성 산화물)이 적용될 수도 있다.
슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)은 길이(L), 폭(W) 및 두께(T)를 갖는 육면체 형태를 갖거나 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 여기서, 길이(L)는 공진 파장(λ)보다 작을 수 있다. 이 경우, 슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)은 서브파장(subwavelength) 사이즈를 갖는다고 할 수 있다. 다시 말해, 슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)은 서브파장 길이를 갖는다고 할 수 있다. 폭(W)은 길이(L)보다 작을 수 있고, 두께(T)도 길이(L)보다 작을 수 있다. 예컨대, 길이(L)는 약 100 nm ∼ 수 ㎛ 정도일 수 있다. 길이(L)는 약 100 nm ∼ 3 ㎛, 또는, 약 100 nm ∼ 1500 nm 정도일 수 있다. 관심 파장영역에 따라서, 다시 말해, 목적하는 공진 파장에 따라서, 적절한 길이(L)가 달라질 수 있다. 길이(L)가 약 1500 nm 이하인 경우, 폭(W)은 약 600 nm 이하 또는 약 300 nm 이하일 수 있고, 두께(T)는 약 1000 nm 이하 또는 약 700 nm 이하일 수 있다. 그러나, 적절한 길이(L)의 범위가 달라지면, 그에 따라, 적절한 폭(W) 및 두께(T)의 범위도 달라질 수 있다. 한편, 인접한 두 슬롯 사이의 간격은 수 ㎛ 이하에서 결정될 수 있다.
슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)을 포함하는 도전성 물질층(M10, M20)은 이에 입사되는 전자기파에 의한 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 발생할 수 있다. 이와 관련해서, 도전성 물질층(M10, M20) 또는 슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)을 "플라즈모닉 구조체(plasmonic structure)"라고 할 수 있다. 슬롯(S11, S12, S21, S22, S23)이 나노스케일(nanoscale)을 가질 경우, 이를 나노안테나(nanoantenna)라고 할 수 있다.
일반적인 슬릿 어레이(slit array) 방식에서 사용되는 슬릿(slit)은 본원의 실시예에서 사용되는 슬롯(slot)과는 광학적으로 다른 특성을 나타낸다. 슬릿은 공진 파장보다 훨씬 긴 길이를 갖고, 하나의 슬릿으로는 공진 파장(공진 주파수)을 정의할 수 없다. 슬릿 어레이로 공진 파장(공진 주파수)을 정의하기 위해서는, 약 10개 정도의 많은 슬릿을 사용해야 한다. 각각의 슬릿에서 공진 모드(resonance mode)가 발생하는 것이 아니고, 슬릿 어레이로부터 하나의 공진 모드가 발생한다. 따라서, 슬릿 어레이로 공진 파장을 정의하기 위해서는, 비교적 큰 공간이 필요할 수 있다. 그루브(groove)를 사용하는 경우에도, 슬릿과 마찬가지로, 공진 파장을 정의하기 위해서는 많은 수의 그루브(groove) 어레이가 필요할 수 있다. 또한, 슬릿(slit) 어레이나 그루브(groove) 어레이를 사용하는 경우, 중앙에 위치하는 하나의 슬릿(slit)이나 하나의 홀(hole)에 의해서 전자기파가 투과되므로, 투과 효율이 저하될 수 있다.
반면, 실시예들에서 사용되는 슬롯(slot)은 공진 파장보다 짧은 길이를 가질 수 있고, 하나의 슬롯으로 공진 파장(공진 주파수)을 정의할 수 있다. 또한, 복수의 슬롯을 사용하고 이들 사이의 간격을 제어하면, 각각의 슬롯으로부터 전자기파가 투과되고, 투과된 전자기파들이 상호작용하여 강화되기 때문에, 우수한 품질 계수 및 높은 투과 효율을 얻을 수 있다. 또한, 하나의 단위소자에 약 6개 이하 또는 약 4개 이하의 슬롯을 포함시키기 때문에, 작은 사이즈의 단위소자(분광 단위소자)를 용이하게 구현할 수 있다. 따라서, 일반적인 픽셀 어레이에서 사용되는 하나의 픽셀(pixel)보다 작은 사이즈를 갖는 단위소자(분광 단위소자)를 구현할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 단위소자를 이용하면, 소형/초소형 광학 장치(ex, 분광기)를 용이하게 구현할 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D30)를 보여주는 사시도이다.
도 10을 참조하면, 광학 단위소자(D30)는 네 개의 슬롯(S31, S32, S33, S34)이 형성된 도전성 물질층(M30)을 포함할 수 있다. 제1 슬롯(S31)은 제2 슬롯(S32)과 제1 간격(d31) 만큼 이격될 수 있고, 제2 슬롯(S32)은 제3 슬롯(S33)과 제2 간격(d32) 만큼 이격될 수 있으며, 제3 슬롯(S33)은 제4 슬롯(S34)과 제3 간격(d33) 만큼 이격될 수 있다. 제1 내지 제4 슬롯(S31, S32, S33, S34)은 실질적으로 등간격으로 서로 나란히 배열될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 복수의 슬롯(S31, S32, S33, S34)의 배치는 다양하게 변화될 수 있다. 도전성 물질층(M30)은 소정의 기판(SUB30) 상에 구비될 수 있다. 도전성 물질층(M30) 및 기판(SUB30)의 물질은 도 3 등에서 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D40)를 보여주는 사시도이다.
도 11을 참조하면, 광학 단위소자(D40)는 다섯 개의 슬롯(S41, S42, S43, S44, S45)이 형성된 도전성 물질층(M40)을 포함할 수 있다. 제1 슬롯(S41)은 제2 슬롯(S42)과 제1 간격(d41) 만큼 이격될 수 있고, 제2 슬롯(S42)은 제3 슬롯(S43)과 제2 간격(d42) 만큼 이격될 수 있고, 제3 슬롯(S43)은 제4 슬롯(S44)과 제3 간격(d43) 만큼 이격될 수 있으며, 제4 슬롯(S44)은 제5 슬롯(S45)과 제4 간격(d44) 만큼 이격될 수 있다. 도전성 물질층(M40)은 소정의 기판(SUB40) 상에 구비될 수 있다.
여기서는, 광학 단위소자가 5개 이내의 복수의 슬롯을 포함하는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 경우에 따라서는, 6개 또는 그 이상의 슬롯을 포함할 수도 있다.
도 3과 같이 두 개의 슬롯(S11, S12)을 포함하는 구조(즉, 2-slot 구조)에서 간격(d10)의 범위를 설정하는 방법에 대해서 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
슬롯(S11, S12)의 길이(긴 변의 길이)가 L이고, 폭(짧은 변의 길이)이 W인 경우, 그리고 기판(SUB10)(즉, 매질)의 굴절률이 n인 경우, 광학 단위소자(D10)의 품질 계수(Q-factor) 조건 및 투과율 조건을 만족시키는 간격(d10)의 범위는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 슬롯(S11, S12)의 두께(높이)는 300 nm로 가정하였다.
Figure pat00002
두 개의 슬롯을 포함하는 2-slot 구조에서, 두 개의 슬롯 사이의 간격(d)(즉, 도 3의 d10)이 수학식 2를 만족할 때, 광학 단위소자(D10)는 우수한 품질 계수 및 투과율을 가질 수 있다.
도 3과 같이 두 개의 슬롯(S11, S12)을 포함하는 구조(즉, 2-slot 구조)에서 간격(d10)과 공진 파장(λ) 사이에 소정의 관계식이 성립될 수 있다. 예컨대, 관심 파장영역이 1.5 ㎛ (즉, 1500 nm) 부근의 근적외선(near-infrared)(near-IR) 영역인 경우, 공진 파장(λ)과 간격(gap)(d10) 사이에 아래와 같은 수학식 3이 성립될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서 λsingle은 하나의 슬롯(ex, S11)이 존재하는 경우의 공진 파장을 나타내고, λshift는 두 개의 슬롯(S11, S12)을 사용함으로써 공진 파장이 변화되는 양을 나타낸다. 따라서, 두 개의 슬롯(S11, S12)을 사용하는 경우의 공진 파장(λ)은 "λsingle + λshift" 일 수 있다. 한편, n은 기판(SUB10)(즉, 매질)의 굴절률을 나타낸다. 슬롯(ex, S11)의 치수(길이/폭/두께)가 결정되면, 그에 따라, λsingle이 정해질 수 있고, 굴절률(n)이 결정된 상태에서, 간격(gap)에 따라서 λshift가 달라질 수 있다. 따라서, 간격(gap)에 따른 공진 파장(λ)을 구할 수 있다.
도 12 및 도 13은 각각 매질(기판)의 굴절률(n)이 1.44 및 1.22 인 경우, 두 슬롯 사이의 간격(gap)과 피크 시프트(peak shift)(즉, λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 12 및 도 13 각각에는 굴절률(n)이 1.44 및 1.22 인 경우의 관계식이 포함되어 있다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 관심 파장 범위 내에서 간격(gap)은 λshift와 비례하는 것을 알 수 있다. 도 12 및 도 13은 모두 관심 파장영역이 1.5 ㎛ (즉, 1500 nm) 부근의 근적외선(near-IR) 영역인 경우이다.
도 14는 2-slot 구조의 광학 단위소자에 대한 것으로, 중적외선(mid-IR) 영역에서 두 슬롯 사이의 간격(gap)과 피크 시프트(peak shift)(즉, λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 이때, 파장의 범위는 3∼5 ㎛ 이고, 매질(기판)의 굴절률(n)은 1.44 였다.
도 15는 2-slot 구조의 광학 단위소자에 대한 것으로, 원적외선(far-IR) 영역에서 두 슬롯 사이의 간격(gap)과 피크 시프트(peak shift)(즉, λshift) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 이때, 파장의 범위는 7∼10 ㎛ 이고, 매질(기판)의 굴절률(n)은 1.44 였다.
도 14 및 도 15에서와 같이, 파장영역이 달라지면, 간격(gap)과 λshift 사이의 관계식, 다시 말해, 간격(gap)과 공진 파장(λ) 사이의 관계식이 달라질 수 있다. 그러나 도 14 및 도 15에서, 간격(gap)이 증가할수록 λshift가 증가하는 경향성은 유사하였다.
도 16은 도 3과 같이 두 개의 슬롯을 포함하는 구조(즉, 2-slot 구조)에서 간격이 공진 조건을 만족하는 경우(B)와 만족하지 않은 경우(A, C)를 보여주는 시뮬레이션 데이터이다. 여기서, 공진 조건이란, 두 슬롯을 통해 투과하는 전자기파가 상호작용(interaction) 및/또는 결맞음(coherence)에 의해 강화되는 조건을 의미한다.
도 16의 (B)와 같이, 두 슬롯 사이의 간격이 공진 조건을 만족하는 경우, 품질 계수 및 투과율이 크게 개선될 수 있다. 이때, 두 슬롯 사이의 간격은 약 650 nm 였다. 도 16의 (A) 및 (C)와 같이, 두 슬롯 사이의 간격이 공진 조건을 만족하지 않을 경우에는, 높은 품질 계수 및 투과율을 확보하기가 어려울 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 것으로, 두 개의 슬롯을 투과하는 전자기파의 강도 프로파일(intensity profile)을 보여주는 그래프이다. 이때, 두 슬롯 사이의 간격은 650 nm 였고, 공진 파장은 1535 nm 였으며, 기판의 굴절률은 1.44 였다.
도 18은 도 17의 두 슬롯을 투과하는 전자기파의 수직 및 수평 방향으로의 강도 프로파일(intensity profile)을 보여주는 그래프이다. 도 18의 (A)는 중앙의 수직선을 따른 수직 프로파일이고, (B)는 슬롯으로부터 400 nm 거리의 수평 프로파일이며, (C)는 슬롯으로부터 1000 nm 거리의 수평 프로파일이다. 도 18의 (A)를 참조하면, 복수의 슬롯이 형성된 물질층으로부터 약 100∼1000 nm 사이의 거리, 예컨대, 약 150∼850 nm 사이의 거리에서 투과 전자기파의 강도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 정보는, 예컨대, 투과 전자기파를 검출하기 위한 검출기의 위치를 결정하는데 활용될 수 있다. 한편, 도 18의 (B) 및 (C)를 참조하면, 슬롯으로부터의 거리에 따라, 수평 프로파일이 달라지는 것을 알 수 있다. 파장 조건이나 슬롯의 개수 및 사이즈, 슬롯들 사이의 간격 등에 따라서, 투과 전자기파의 프로파일은 달라질 수 있다.
도 19의 (A) 및 (B)는 실시예들에 따른 두 가지 타입의 광학 단위소자를 보여주는 평면도이다.
도 19의 (A)는 도전성 물질층(M11)에 제1 방향, 예컨대, X축 방향으로 연장된 복수의 슬롯(S10a, S10b)이 구비된 경우이다. (B)는 도전성 물질층(M11)에 제2 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장된 복수의 슬롯(S20a, S20b)이 구비된 경우이다. (A)의 슬롯(S10a, S10b)은 X축 방향과 평행하게 편광된 전자기파보다 Y축 방향으로 편광된 전자기파를 상대적으로 더 잘 투과시킬 수 있다. 반면, (B)의 슬롯(S20a, S20b)은 Y축 방향과 평행하게 편광된 전자기파보다 X축 방향으로 편광된 전자기파를 상대적으로 더 잘 투과시킬 수 있다. 다시 말해, 슬롯의 형성 방향(연장 방향)에 따라, 편광 의존성(polarization dependency)을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 하나의 광학 단위소자에 (A) 또는 (B) 구조를 적용할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 하나의 광학 단위소자에 도 19의 (A) 및 (B)의 구조를 혼합하여 적용할 수도 있다. 그 예들이 도 20 내지 도 22에 도시되어 있다.
도 20은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D15)를 보여주는 평면도이다.
도 20을 참조하면, 광학 단위소자(D15)는 도전성 물질층(M15) 및 도전성 물질층(M15)에 형성된 복수의 슬롯(S10a, S10b, S20a, S20b)을 포함할 수 있다. 복수의 슬롯(S10a, S10b, S20a, S20b)은 X축 방향으로 연장된 제1 슬롯들(S10a, S10b) 및 Y축 방향으로 연장된 제2 슬롯들(S20a, S20b)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)은 도 19의 (A)의 슬롯들(S10a, S10b)에 대응될 수 있고, 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)은 도 19의 (B)의 슬롯들(S20a, S20b)에 대응될 수 있다. 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)은 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)에 수직하게 배치되었다고 할 수 있다. 이와 같이, X축 방향으로 연장된 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b) 및 Y축 방향으로 연장된 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)을 하나의 광학 단위소자(D15)에 모두 포함시킬 경우, X축 방향으로 편광된 전자기파 성분 및 Y축 방향으로 편광된 전자기파 성분을 효과적으로 투과시킬 수 있기 때문에, 광 효율을 개선할 수 있다.
복수의 제1 슬롯(S10a, S10b) 사이에 우수한 광학적 커플링(coupling) 특성이 존재할 수 있고, 이와 유사하게, 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b) 사이에 우수한 광학적 커플링 특성이 존재할 수 있다. 한편, 제1 슬롯(S10a, S10b)과 제2 슬롯(S20a, S20b) 사이의 상호작용(interaction)은 상대적으로 매우 약할 수 있다. 따라서, 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)과 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)이 함께 존재하더라도, 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)에 의한 개선된 투과 특성 및 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)에 의한 개선된 투과 특성이 나타날 수 있고, 제1 슬롯(S10a, S10b)과 제2 슬롯(S20a, S20b) 사이의 상호작용에 의한 효과는 거의 나타나지 않을 수 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D25)를 보여주는 평면도이다.
도 21을 참조하면, 광학 단위소자(D25)는 도전성 물질층(M25)을 포함할 수 있고, 도전성 물질층(M25)은 복수의 영역으로 구획(분할)될 수 있다. 상기 복수의 영역 각각은 서로 평행한 복수의 슬롯(S10a, S10b or S20a, S20b)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 영역 중 적어도 하나는 X축 방향으로 연장된 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)을 포함할 수 있고, 상기 복수의 영역 중 적어도 다른 하나는 Y축 방향으로 연장된 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)을 포함할 수 있다. 여기서는, 도전성 물질층(M25)이 4개의 영역으로 균등하게 분할되고, 좌측 상부 영역으로부터 시계 방향으로 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)과 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)이 교대로 배치된 경우를 도시하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하고, 배열 방식은 다양하게 변화될 수 있다.
도 22는 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D35)를 보여주는 평면도이다.
도 22를 참조하면, 광학 단위소자(D35)는 도전성 물질층(M35)을 포함할 수 있고, 도전성 물질층(M35)은 복수의 영역으로 구획(분할)될 수 있다. 상기 복수의 영역 각각은 서로 평행한 복수의 슬롯(S10a, S10b or S20a, S20b)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도전성 물질층(M35)은 그 중심부를 기준으로 그 상하좌우 영역으로 구획될 수 있고, 상기 상하좌우 영역 각각에 복수의 슬롯(S10a, S10b or S20a, S20b)이 구비될 수 있다. 구체적인 예로, 도전성 물질층(M35)의 중심부를 기준으로 좌측 및 우측 영역 각각에 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)이 구비될 수 있고, 상부 및 하부 영역 각각에 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)이 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)과 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)은 전체적으로 십자형 구조를 이룰 수 있다. 다른 경우, 도전성 물질층(M35)의 중심부를 기준으로 상부 및 하부 영역 각각에 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)이 구비되고, 좌측 및 우측 영역 각각에 복수의 제2 슬롯(S20a, S20b)이 구비될 수도 있다.
도 23은 다른 실시예에 따른 광학 단위소자(D45)를 보여주는 평면도이다.
도 23을 참조하면, 광학 단위소자(D45)는 복수의 영역으로 구획(분할)될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각은 동일한 방향으로 배열된 복수의 슬롯(S10a, S10b)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 복수의 영역 각각은 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b)을 포함할 수 있다. 입사되는 전자기파가 한쪽 방향으로 편광되어 있는 경우, 도 23과 같은 광학 단위소자(D45)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 입사되는 전자기파가 Y축 방향으로 편광되어 있는 경우, 도 23과 같은 광학 단위소자(D45)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 입사되는 전자기파가 X축 방향으로 편광되어 있는 경우, 복수의 제1 슬롯(S10a, S10b) 대신에 복수의 제2 슬롯(즉, 도 19의 S20a, S20b)을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 광학 단위소자는 복수 개가 이차원적으로 배열된 형태를 이룰 수 있다. 다시 말해, 복수의 광학 단위소자가 어레이(array) 될 수 있다. 그 예들이 도 24 및 도 25에 도시되어 있다.
도 24는 일 실시예에 따른 복수의 광학 단위소자를 포함하는 광학 소자(어레이 소자)(D100)를 보여주는 평면도이다.
도 24를 참조하면, 광학 소자(어레이 소자)(D100)는 이차원적으로 배열된 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16)을 포함할 수 있다. 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 각각은 소정 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다. 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 각각은 복수의 슬롯(S11a∼S16a, S11b∼S16b)을 포함할 수 있다. 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16)는 제1 단위소자영역(DR11) 및 제2 단위소자영역(DR12)을 포함할 수 있고, 제1 단위소자영역(DR11)을 구성하는 복수의 슬롯(S11a, S11b)과 제2 단위소자영역(DR12)을 구성하는 복수의 슬롯(S12a, S12b)은 서로 다른 치수(dimension)를 갖거나 및/또는 서로 다른 간격을 가질 수 있다. 따라서, 제1 단위소자영역(DR11)은 제1 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있고, 제2 단위소자영역(DR12)은 상기 제1 파장영역과 다른 제2 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다. 하나의 단위소자영역을 구성하는 복수의 슬롯의 길이, 폭, 두께 등의 치수에 따라 공진 파장이 달라질 수 있고, 상기 복수의 슬롯의 간격에 따라 품질 계수 및 투과율이 좌우될 수 있다. 또한, 상기 복수의 슬롯의 간격은 공진 파장에도 상당한 영향을 줄 수 있다. 이와 같이, 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다. 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16)은 모두 서로 다른 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다. 그러나 경우에 따라서는, 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 중 적어도 두 개는 실질적으로 동일한 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수도 있다.
도 24에서는 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 각각이 모두 두 개의 슬롯(ex, DR11의 S11a, S11b)을 포함하는 경우에 대해 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 복수의 단위소자영역(DR11∼DR16) 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 슬롯을 포함할 수 있다. 그 일례가 도 25에 도시되어 있다.
도 25를 참조하면, 광학 소자(어레이 소자)(D110)를 구성하는 복수의 단위소자영역(DR21∼DR26) 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 슬롯을 포함할 수 있다. 슬롯의 개수 및 이들 사이의 간격과 슬롯의 치수(길이/폭/두께) 제어를 통해, 복수의 단위소자영역(DR21∼DR26)의 특성을 다양하게 제어할 수 있다. 이와 같이, 슬롯의 개수를 변수에 포함시킬 경우, 복수의 단위소자영역(DR21∼DR26)의 특성 제어가 더욱 용이할 수 있다.
도 24 및 도 25를 참조하여 설명한 광학 소자(어레이 소자)(D100, D110)는 일종의 메타표면(metasurface) 또는 메타물질(metamaterial) 구조를 구성한다고 할 수 있다. 하나의 도전성 물질층(ex, 금속층)에 단위소자영역 별로 복수의 슬롯을 형성함으로써, 도 24 및 도 25과 같은 광학 소자(D100, D110)를 용이하게 제조할 수 있다. 이때, 상기 복수의 슬롯은 리소그라피(lithography) 공정 등을 이용해서 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 광학 소자(D100, D110)는 비교적 간단한 공정/방법으로 용이하게 제조할 수 있다. 한편, 도 24 및 도 25에서 각각의 단위소자영역(DR11∼DR16, DR21∼DR26)은 하나의 픽셀영역(pixel region)에 대응될 수 있다.
도 26은 일 실시예에 따른 광학 소자(광학 단위소자)를 적용한 분광 소자(spectro device)를 보여주는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 복수의 광학 단위소자를 구비하는 제1 어레이 소자부(A100)가 마련될 수 있다. 제1 어레이 소자부(A100)는, 예컨대, 도 24 및 도 25를 참조하여 설명한 광학 소자(어레이 소자)(D100, D110)에 대응되거나, 이로부터 변형된 광학 소자(어레이 소자)일 수 있다. 또한, 제1 어레이 소자부(A100)를 구성하는 복수의 광학 단위소자 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성될 수 있다. 제1 어레이 소자부(A100)를 구성하는 복수의 광학 단위소자 각각은 복수의 슬롯을 포함할 수 있고, 상기 복수의 광학 단위소자 중 적어도 두 개, 예컨대, 제1 광학 단위소자를 구성하는 슬롯들과 제2 광학 단위소자를 구성하는 슬롯들은 서로 다른 치수(길이/폭/높이)를 갖거나 및/또는 서로 다른 간격을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 광학 단위소자를 구성하는 제1 슬롯들(1st slots)과 상기 제2 광학 단위소자를 구성하는 제2 슬롯들(2nd slots)은 서로 다른 치수를 갖거나 및/또는 서로 다른 간격을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상, 제1 슬롯들(1st slots) 내지 제8 슬롯들(8th slots)의 크기 및 간격을 서로 유사하게 도시하였지만, 실제는 서로 다른 크기 및/또는 간격을 가질 수 있다.
제1 어레이 소자부(A100)를 투과한 전자기파를 검출하기 위한 복수의 검출기(광검출기)(DT1∼DT8)를 구비하는 제2 어레이 소자부(A200)가 마련될 수 있다. 복수의 검출기(DT1∼DT8)는 제1 어레이 소자부(A100)의 복수의 광학 단위소자와 일대일(1:1)로 대응될 수 있다. 복수의 검출기(DT1∼DT8)는 일종의 '픽셀(pixel)'이라고 할 수 있다. 복수의 검출기(DT1∼DT8)는 입사광(입사 전자기파)을 전기적 신호로 바꾸기 위한 다양한 종류의 단위소자(센서)를 포함할 수 있다. 예컨대, 포토다이오드(photodiode), CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 소자 등을 포함할 수 있다. 복수의 검출기(DT1∼DT8) 각각은 서로 다른 파장영역(λ1∼λ8)의 광을 검출하는 역할을 할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 검출기(DT1∼DT8)의 구체적인 구성은 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 복수의 검출기(DT1∼DT8) 중 적어도 두 개는 동일한 파장영역의 광을 검출하도록 구성될 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 27에 도시된 바와 같이, 제1 어레이 소자부(A100) 및 제2 어레이 소자부(A200) 사이에 중간층(N100)이 더 구비될 수 있다. 중간층(N100)은 제1 어레이 소자부(A100)와 제2 어레이 소자부(A200) 사이의 간격을 제어하는 역할을 할 수 있다. 중간층(N100)의 두께는 수 nm 내지 수천 nm 정도, 예컨대, 약 10 nm 내지 2000 nm 정도일 수 있다. 중간층(N100)은 관심 파장영역의 전자기파에 대해 투명한 재질로 구성될 수 있다. 중간층(N100)은 기판 물질이거나 기판이 아닌 별도의 물질층일 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 28에 도시된 바와 같이, 제1 어레이 소자부(A100) 상에 커버층(C100)이 더 구비될 수 있다. 커버층(C100)은 제1 어레이 소자부(A100)를 보호하는 역할을 할 수 있다. 커버층(C100)은, 중간층(N100)과 유사하게, 관심 파장영역의 전자기파에 대해 투명한 재질로 구성될 수 있다. 커버층(C100)은 일종의 기판이거나 기판이 아닌 별도의 물질층일 수 있다. 도 28의 구조에서, 경우에 따라서는, 중간층(N100)을 사용하지 않을 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 29에 도시된 바와 같이, 제1 어레이 소자부(A100) 상에 집광요소 어레이(L100)가 더 구비될 수 있다. 집광요소 어레이(L100)는, 예컨대, 마이크로렌즈 어레이(microlens array)일 수 있다. 제1 어레이 소자부(A100)와 집광요소 어레이(L100) 사이에 커버층(C100)이 구비될 수 있지만, 경우에 따라서, 커버층(C100)은 사용하지 않을 수도 있다. 또한, 집광요소 어레이(L100)의 구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 26 내지 29와 같은 구조를 갖는 분광 소자(분광기)는 수 cm × 수 cm 미만의 작은 사이즈를 가질 수 있다. 작게는, 수 mm × 수 mm 정도 혹은 그 이하의 사이즈를 가질 수 있다. 이때, 각 검출기(DT1∼DT8)의 사이즈, 다시 말해, 픽셀 사이즈는 수십 ㎛ 이하 또는 수 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 픽셀 사이즈는 약 1 ㎛ 이하로 작을 수 있다. 실시예들에 따르면, 비교적 적은 수의 슬롯들을 적정 간격으로 이격시켜 하나의 픽셀 영역에 대응하도록 형성하여 높은 품질 계수 및 우수한 광 효율을 확보할 수 있기 때문에, 고성능을 갖는 소형/초소형 분광 소자(분광기)의 구현이 용이할 수 있다.
부가적으로, 본원의 실시예들에서 복수의 슬롯을 포함하는 광학 단위소자 및 복수의 광학 단위소자를 포함하는 광학 소자(어레이 소자)는 공진 파장보다 작은 두께, 즉, 서브파장 두께(subwavelength thickness)를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 광학 단위소자 및 광학 소자(어레이 소자)의 두께는 약 1 ㎛ (즉, 1000 nm) 이하일 수 있다. 일례로, 공진 파장이 1.5 ㎛ (즉, 1500 nm) 정도인 경우, 광학 단위소자의 두께는 300 nm 정도일 수 있다. 이때, 복수의 광학 단위소자를 포함하는 광학 소자(어레이 소자)의 두께도 300 nm 정도일 수 있다. 관심 파장의 길이가 길어질수록, 광학 단위소자의 두께는 얇아질 수 있다. 복수의 슬롯을 포함하는 물질막 자체를 광학 단위소자 및 광학 소자(어레이 소자)로 사용할 수 있다. 상기 광학 단위소자 또는 광학 소자(어레이 소자)를 광학 필터나 분광 소자로 사용할 수 있으므로, 상기 광학 필터나 분광 소자의 두께는 서브파장 두께(subwavelength thickness)를 가질 수 있다. 이는 기존의 광학 필터나 분광 소자의 두께보다 수십 배 내지 수백 배 정도 얇은 수준일 수 있다. 따라서, 본원의 실시예에 따르면, 얇은 두께(혹은, 매우 얇은 두께)를 가지면서 우수한 특성을 갖는 광학 소자를 용이하게 구현할 수 있다.
도 30은 일 실시예에 따른 분광 소자를 적용한 광학적 측정 장치(1000)의 개략적인 구조를 보여주는 블록도이다.
도 30을 참조하면, 광학적 측정 장치(이하, 측정 장치)(1000)는 대상체(피검체)(OBJ)의 특징/정보를 광학적인 방법으로 측정/분석하기 위한 장치일 수 있다. 대상체(OBJ)는 인체나 동물 등의 생체, 식품 등을 포함할 수 있고, 경우에 따라서는, 무생물을 포함할 수도 있다. 또한, 대상체(OBJ)는 대기 오염이나 수질 오염 등을 분석하기 위한 샘플일 수도 있다. 측정 장치(1000)는 대상체(OBJ)에 광(L10)을 조사하기 위한 광원부(100) 및 광원부(100)에서 발생되어 대상체(OBJ)에 의해 변조된 광(L10')을 검출하기 위한 광센서부(200)를 포함할 수 있다. 광원부(100)는, 예컨대, 적외선(IR) 영역의 광을 발생시키는 광원을 포함할 수 있다. 광센서부(200)는 본원의 실시예들에 따른 분광 소자, 예컨대, 도 19 내지 도 29 등을 참조하여 설명한 바와 같은 분광 소자를 포함할 수 있다.
측정 장치(1000)는 광원부(100) 및 광센서부(200)에 연결된 제어 모듈(control module)(500)을 포함할 수 있다. 제어 모듈(500)은 광센서부(200)에 의해 측정된 신호를 처리하는 신호처리부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 모듈(500)은 사용자 인터페이스(user interface)(400)를 더 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(400)는 입력부(input portion) 및 출력부(output portion)를 포함할 수 있다. 상기 입력부는 사용자가 측정 장치(1000)에 명령을 입력하는 수단일 수 있고, 예를 들어, 키패드(keypad), 터치스크린(touch screen), 음성 인식장치(speech recognition device), 버튼식 입력장치 등으로 구현될 수 있다. 상기 출력부는 분석된 결과를 출력하는 수단으로, 예를 들어, 디스플레이 장치(display device)를 포함하거나, 음향 기기(sound system), 진동 장치(vibration device), 프린터(printer) 등으로 구현될 수도 있다. 제어 모듈(500)은 광원부(100) 및 광센서부(200)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 측정 장치(1000)는 메모리, 통신부 등이 더 포함할 수 있다.
광원부(100)와 광센서부(200)가 하나의 "분광기"를 구성한다고 할 수 있다. 또는, 광원부(100)와 광센서부(200)가 하나의 "분광 센서 모듈"을 구성한다고 할 수 있다. 경우에 따라서는, 측정 장치(1000) 전체를 하나의 "분광기"라고 할 수도 있다. 이 경우, 광원부(100), 광센서부(200), 신호처리부(300) 및 사용자 인터페이스(400)가 하나의 "분광기"를 구성한다고 할 수 있다.
광원부(100)와 광센서부(200)가 하나의 "분광 센서 모듈"을 구성한다고 할 경우, 상기 분광 센서 모듈은 대상체(OBJ)에서 반사 및/또는 산란된 광을 센싱하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 분광 센서 모듈은 대상체(OBJ)를 투과한 광을 센싱하도록 구성될 수도 있다. 전자를 "반사형 분광 센서 모듈"이라고 할 수 있고, 후자를 "투과형 분광 센서 모듈"이라고 할 수 있다. 상기 반사형 분광 센서 모듈은 도 31을 참조하여 예시적으로 설명하고, 상기 투과형 분광 센서 모듈은 도 32를 참조하여 예시적으로 설명한다.
도 31은 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학적 측정 장치(1000)에 적용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 31을 참조하면, 본 실시예에 따른 분광 센서 모듈은 반사형일 수 있다. 상기 분광 센서 모듈은 광원(110)에서 발생된 광(L11)이 대상체(OBJ)에 의해 반사 및/또는 산란된 후, 반사 및/또는 산란된 광(L11')이 광센서부(210)에 의해 센싱되도록 구성될 수 있다.
광원(110)에서 발생된 광(L11)의 경로를 변환하기 위한 광경로 변환부재(112)가 구비될 수 있다. 광경로 변환부재(112)는 프리즘 형태로 도시하였지만, 이는 예시적인 것이며, 빔 스플리터(beam splitter)나 평판 미러(plate mirror) 형태를 가질 수도 있다. 또한, 광원(110)의 위치에 따라 광경로 변환부재(112)는 구비되지 않을 수도 있다. 광경로 변환부재(112)에 의해 경로가 변환된 광(L11)이 대상체(OBJ)로 조사될 수 있다. 광경로 변환부재(112)와 대상체(OBJ) 사이에 소정의 조리개(114)가 더 구비될 수 있다. 대상체(OBJ)에서 반사 및/또는 산란된 광(L11')은 광센서부(210)에 의해 센싱될 수 있다. 이때, 반사 및/또는 산란된 광(L11')을 광센서부(210)로 집광시키기 위한 렌즈부(116)가 더 구비될 수 있다. 그러나 여기에 도시된 반사형 분광 센서 모듈의 구성은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 32는 다른 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학적 측정 장치(1000)에 적용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 32를 참조하면, 본 실시예에 따른 분광 센서 모듈은 투과형일 수 있다. 상기 분광 센서 모듈은 광원(120)에서 발생된 광(L12)이 대상체(OBJ)를 투과한 후, 투과된 광(L12')이 광센서부(220)에 의해 센싱되도록 구성될 수 있다.
광원(120)에서 발생된 광(L12)의 경로를 변환하기 위한 광경로 변환부재(122)가 구비될 수 있다. 광경로 변환부재(122)에 의해 경로가 변환된 광(L12)이 대상체(OBJ)로 조사될 수 있다. 광경로 변환부재(122)와 대상체(OBJ) 사이에 조리개(124)가 더 구비될 수 있다. 대상체(OBJ)를 투과한 광(L12')은 광센서부(220)에 의해 센싱될 수 있다. 이때, 투과된 광(L12')을 광센서부(220)로 집광시키기 위한 렌즈부(126)가 더 구비될 수 있다. 그러나 여기에 도시된 투과형 분광 센서 모듈의 구성은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 광학적 측정 장치(1000)의 적어도 일부는 모바일 기기(mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 상기 모바일 기기는, 예컨대, 휴대폰(스마트폰)일 수 있고, 상기 웨어러블 기기는, 예컨대, 손목시계형 기기, 손목밴드형 기기 또는 팔찌형 기기이거나, 그 밖에, 안경형, 헤어밴드형, 반지형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 33은 일 실시예에 따른 광학적 측정 장치를 적용할 수 있는 모바일 기기의 일례를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 상기 모바일 기기가 휴대폰인 경우를 보여준다.
도 33의 좌측 도면은 휴대폰의 앞면을 보여주고, 우측 도면은 동일 휴대폰의 뒷면을 보여준다. 실시예에 따른 광학적 측정 장치의 측정부(광센서부)는 휴대폰의 앞면부 또는 뒷면부로 노출되도록 마련될 수 있다. 또는, 상기 측정부(광센서부)는 휴대폰의 측면부(상하좌우 측면부 포함)로 노출되도록 마련될 수도 있다.
도 34는 일 실시예에 따른 광학적 측정 장치를 적용할 수 있는 웨어러블 기기(wearable device)의 일례를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 상기 웨어러블 기기가 손목시계형 기기인 경우를 보여준다.
도 34를 참조하면, 손목시계형 기기는 소자본체부(시계부)(W10) 및 밴드부(B10)를 포함할 수 있다. 실시예에 따른 광학적 측정 장치의 적어도 일부는 밴드부(B10)에 적용되거나, 소자본체부(W10)에 적용되거나, 밴드부(B10) 및 소자본체부(W10)에 분할되어 적용될 수 있다.
본원의 다른 실시예에 따르면, 광학적 측정 장치의 일부는 도 34과 같은 웨어러블 기기(손목시계형 기기)에 마련되고, 다른 일부는 도 33과 같은 모바일 기기(휴대폰)에 마련될 수도 있다. 또한, 상기 웨어러블 기기와 상기 모바일 기기는 상호 연동될 수 있고, 이들 사이에 데이터 통신이 이루어질 수 있다.
도 35는 다른 실시예에 따른 광학적 측정 장치의 적용 예를 보여주는 도면이다. 도 35를 참조하면, 모바일 기기(MD1)가 마련될 수 있고, 이와 전기적으로 연결된 보조기기(AD1)가 마련될 수 있다. 모바일 기기(MD1)는 일종의 휴대폰(스마트폰)일 수 있고, 보조기기(AD1)는 실시예들에 따른 분광 소자(또는 분광기)를 포함하는 장치일 수 있다. 모바일 기기(MD1)와 보조기기(AD1)는 무선통신으로 연결되거나, 유선으로 연결될 수도 있다. 보조기기(AD1)를 이용해서, 소정의 대상체(OBJ)를 광학적으로 측정한 후, 측정된 데이터를 모바일 기기(MD1)를 통해서 출력할 수 있다.
실시예들에 따른 분광 소자(또는 분광기)는 소형/초소형이기 때문에, 사이즈가 작은 모바일 기기, 웨어러블 기기, 보조기기 등에 용이하게 적용될 수 있다.
본원의 다양한 실시예들에 따른 광학적 측정 장치(측정 시스템)는 도 33 내지 도 35를 참조하여 설명한 바와 같은 모바일 기기, 웨어러블 기기, 보조기기뿐 아니라, 병원이나 검사 기관에서 사용되는 의료기기, 공공기관 등에 비치되는 중소형 의료기기, 개인이 소장할 수 있는 소형 의료기기 및 다양한 헬스케어(health care) 장치에 적용될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 광학 단위소자 및 복수의 광학 단위소자를 포함하는 어레이 소자는 분광기 이외에 다른 광학 장치에도 적용될 수 있다. 예컨대, 이미징 장치(imaging apparatus), 밴드패스 필터(bandpass filter)(ex, IR bandpass filter), 멀티-밴드패스 필터(multi-bandpass filter), 디스플레이 장치(display apparatus) 등에도 적용할 수 있다. 상기 이미징 장치(ex, 적외선 카메라 등)는 파장선택소자 어레이(wavelength-selector array) 및 픽셀 어레이(pixel array)를 포함할 수 있고, 상기 파장선택소자 어레이에 본원의 실시예들에 따른 광학 단위소자를 적용할 수 있다. 또한, 상기 광학 단위소자 및 어레이 소자는 하이퍼-스펙트럴(hyper-spectral) 이미징 소자에 적용될 수 있고, 여기서, 상기 하이퍼-스펙트럴(hyper-spectral) 이미징 소자는 리모트 센싱(remote sensing) 기술을 이용하는 소자일 수 있다. 그리고 전술한 실시예에서는 적외선 영역의 파장에 대해서 주로 설명하였지만, 적외선 이외에 다른 파장영역, 예컨대, 가시광선(visible ray) 영역이나 마이크로파(microwave) 영역 등 다른 파장영역에서도 실시예들에 따른 광학 단위소자 및 어레이 소자를 사용할 수 있다. 이 경우, 이들을 활용할 수 있는 기술 분야는 더욱 확장될 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 3, 도 8, 도 10, 도 11, 도 19 내지 도 23을 참조하여 설명한 광학 단위소자의 구성, 도 24 및 도 25를 참조하여 설명한 광학 소자(어레이 소자)의 구성, 도 26 내지 도 29를 참조하여 설명한 분광 소자의 구성, 도 30 내지 도 35를 참조하여 설명한 광학적 측정 장치의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 하나의 광학 단위소자에 포함된 복수의 슬롯 중 적어도 두 개는 서로 다른 사이즈를 가질 수 있고, 하나의 광학 단위소자에 세 개 이상의 슬롯이 구비된 경우, 이들에 의해 정의되는 복수의 간격 중 적어도 두 개는 서로 다를 수 있다. 또한, 하나의 광학 단위소자는 5개 이상의 슬롯을 포함할 수 있다. 그 밖에도, 광학 소자(어레이 소자), 분광 소자, 측정 장치 등의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 광학 단위소자 및 어레이 소자가 적용되는 광학 장치의 분야도 다양하게 변화될 수 있다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
D10∼D40 : 광학 단위소자 M10∼M40 : 도전성 물질층
S11, S12 : 슬롯 S21∼S23, S31∼S34, S41∼S45 : 슬롯
SUB10∼SUB40 : 기판 D100, D110 : 광학 소자(어레이 소자)
A100 : 제1 어레이 소자부 A200 : 제2 어레이 소자부
DT1∼DT5 : 검출기 N100 : 중간층
C100 : 커버층 L100 : 집광요소 어레이
100 : 광원부 200 : 광센서부
300 : 신호처리부 400 : 사용자 인터페이스
500 : 제어 모듈 1000 : 광학적 측정 장치

Claims (32)

  1. 소정 파장영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키는 광학 단위소자에 있어,
    두 개 이상의 슬롯(slot)을 갖는 물질층;을 포함하고,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어된 광학 단위소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 7 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어된 광학 단위소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 3 이상의 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 갖도록 제어되고,
    여기서, 상기 정규화된 투과율은 상기 두 개 이상의 슬롯을 갖는 물질층을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 물질층 없이 하나의 슬롯 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치로 정의되는 광학 단위소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 단위소자의 공진 파장(resonance wavelength)을 λ라 하고,
    상기 물질층의 입사면에 접촉된 매질의 굴절률을 n 이라 할 때,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 λ/(2.5×n) 보다 큰 광학 단위소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 λ/n 보다 작은 광학 단위소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격에 따라 공진 파장이 달라지는 광학 단위소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 각각은 서브파장(subwavelength) 사이즈를 갖는 광학 단위소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 서로 평행하게 배치된 광학 단위소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 제1 방향에 따른 길이 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향에 따른 폭을 갖고,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 상기 제2 방향으로 상호 이격된 광학 단위소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층은 실질적으로 등간격으로 이격하여 서로 나란하게 배열된 2개 내지 5개의 슬롯을 갖는 광학 단위소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층은 도전층인 광학 단위소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯인 광학 단위소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층은 적어도 두 개의 복수의 영역으로 구획되고,
    상기 복수의 영역 각각은 서로 평행한 복수의 슬롯을 갖는 광학 단위소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층은 적어도 두 개의 복수의 영역으로 구획되고,
    상기 복수의 영역 중 적어도 하나는 서로 평행한 복수의 제1 슬롯을 갖고,
    상기 복수의 영역 중 적어도 다른 하나는 서로 평행한 복수의 제2 슬롯을 가지며, 상기 복수의 제2 슬롯은 상기 복수의 제1 슬롯에 수직하게 배치된 광학 단위소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 단위소자는 적외선(infrared ray)(IR) 영역의 전자기파를 투과하도록 구성된 광학 단위소자.
  16. 소정 파장영역의 전자기파를 선택적으로 투과시키는 광학 단위소자에 있어,
    두 개 이상의 슬롯(slot)을 갖는 물질층;을 포함하고,
    상기 광학 단위소자의 공진 파장을 λ라 하고, 상기 물질층의 입사면에 접촉된 매질의 굴절률을 n 이라 할 때, 상기 두 개 이상의 슬롯은 λ/(2.5×n) 보다 큰 간격을 갖는 광학 단위소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 λ/n 보다 작은 간격을 갖는 광학 단위소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 5 이상의 품질 계수(Q-factor)를 갖도록 제어된 광학 단위소자.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯 사이의 간격은 상기 광학 단위소자가 3 이상의 정규화된 투과율(normalized transmittance)을 갖도록 제어되고,
    여기서, 상기 정규화된 투과율은 상기 두 개 이상의 슬롯을 갖는 물질층을 통과하는 전자기파의 세기를 상기 물질층 없이 하나의 슬롯 영역을 통과하는 전자기파의 세기로 나눠준 수치로 정의되는 광학 단위소자.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 물질층은 실질적으로 등간격으로 이격하여 서로 나란하게 배열된 2개 내지 5개의 슬롯을 갖는 광학 단위소자.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 슬롯은 광원을 포함하지 않는 무광원(light source-less) 슬롯인 광학 단위소자.
  22. 청구항 1 내지 21 중 어느 하나에 기재된 광학 단위소자에 대응되는 복수의 광학 단위소자를 포함하고, 상기 복수의 광학 단위소자 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장영역의 전자기파를 투과하도록 구성된 제1 어레이 소자부; 및
    상기 제1 어레이 소자부를 투과한 전자기파를 검출하기 위한 복수의 검출기를 구비하는 제2 어레이 소자부;를 포함하는 분광 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 어레이 소자부는 제1 및 제2 광학 단위소자를 포함하고,
    상기 제1 광학 단위소자는 제1 및 제2 슬롯을 포함하고,
    상기 제2 광학 단위소자는 제3 및 제4 슬롯을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 슬롯 사이의 간격은 상기 제3 및 제4 슬롯 사이의 간격과 다른 분광 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬롯 중 적어도 하나는 상기 제3 및 제4 슬롯 중 적어도 하나와 다른 치수(dimension)를 갖는 분광 소자.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬롯은 제1 길이를 갖고,
    상기 제3 및 제4 슬롯은 상기 제1 길이와 다른 제2 길이를 갖는 분광 소자.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 어레이 소자부는 제1 및 제2 광학 단위소자를 포함하고,
    상기 제1 광학 단위소자에 포함된 슬롯의 개수와 상기 제2 광학 단위소자에 포함된 슬롯의 개수는 서로 다른 분광 소자.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 어레이 소자부는 메타표면(metasurface) 구조를 갖는 분광 소자.
  28. 청구항 22에 기재된 분광 소자를 포함하는 분광기(spectrometer).
  29. 대상체의 특성을 광학적으로 측정하기 위한 광학적 측정 장치에 있어서,
    상기 대상체에 광을 조사하기 위한 광원부;
    상기 광원부에서 발생되어 상기 대상체에 의해 변조된 광을 검출하기 위한 것으로, 청구항 22에 기재된 분광 소자를 포함하는 광센서부; 및
    상기 광센서부에 의해 측정된 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하는 광학적 측정 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 광원부는 적외선 대역의 광을 발생하도록 구성된 광학적 측정 장치.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 광학적 측정 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성하는 광학적 측정 장치.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 광학적 측정 장치의 적어도 일부는 모바일(mobile) 장치를 구성하는 광학적 측정 장치.
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