KR20180065961A - 위상차 제어 디바이스 및 상기 디바이스를 이용하는 광학 장치 - Google Patents

위상차 제어 디바이스 및 상기 디바이스를 이용하는 광학 장치 Download PDF

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KR20180065961A
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한국과학기술원
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Abstract

전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 상기 전도도가 작은 물질의 굴절률 이상인 것인, 위상차 제어 디바이스를 제공한다.

Description

위상차 제어 디바이스 및 상기 디바이스를 이용하는 광학 장치{PHASE DIFFERENCE CONTROLLING DEVICE AND APPARATUS USING THE SAME}
본원은 위상차 제어 디바이스에 관한 것으로서, 구체적으로 파장보다 작은 파장, 즉, 부파장(subwavelength) 길이의 초격자 구조를 이용하여 투과파 및 반사파의 위상을 자유로이 조절하는, 위상차 제어 디바이스 및 상기 위상차 제어 디바이스를 이용하는 광학 장치에 관한 것이다.
최근 광학 분야에서 많은 연구자들이 위상차를 정밀하게 제어하는 방법을 연구하고 있다. 위상차 제어 방법은 위상차 필름의 두께, 공정의 정밀성이 중요하다.
최근 위상차를 제어하기 위하여, 메타표면(metasurface) 기술이 활발하게 연구 중이다. 목표 파장의 1/2 이하 수준의 구조(subwavelength scale, 부파장 규모)로 구성되는 메타물질을 이용하여, 간섭, 굴절, 회절, 반사 등의 원하는 광학적 성질을 가지는 광학 장치를 경쟁적으로 개발하고 있다.
위상차 제어 기술은 빔 스티어링(beam steering), 태양전지용 후면 반사체(reflector of photovoltaic cell), 홀로그램(hologram), 프레넬 렌즈(Fresnel lens)에도 이용된다.
그러나, 종래 grating 구조를 이용한 빔 스티어링은 0차 회절 내지 n차 회절을 이용하여 빔 스티어링을 구현하는데, 특정 차수의 회절을 제어하기 어려운 문제가 있다.
태양전지용 후면 반사체로 이용하는 구조체는 피라미드 형태의 구조체와 금속 나노 입자 기반의 반사체가 있는데, 피라미드 형태의 구조체는 파장보다 큰 높이를 가지므로, 얇은 활성층(active layer) 기반의 태양전지 사용하지 못하는 문제가 있고, 금속 나노 입자 기반의 반사체는 얇은 활성층 기반의 태양전지에 사용할 수는 있으나, 나노 입자로 인하여 태양전지의 전기적 특징이 좋지 못한 문제가 있다.
일반적으로 홀로그램 위상은 원하는 이미지의 위상을 이용하는 것으로, 위상 홀로그램(phase only hologram)과 메타 표면(metasurface)를 이용하는 홀로그램이 있다.
위상 홀로그램의 경우 에칭(etching)을 이용하여 기판의 두께를 달리하여 위상차를 만들어 내는 것이나, 2-레벨은 효율이 좋지 못하고, 다중 레벨(multi-level)을 이용하는 것은 공정이 복잡하고, 수율이 낮은 문제가 있다.
메타 표면을 이용하는 홀로그램의 경우, 위상 홀로그램과 같이 공정이 복잡하지는 아니하고, 작은 크기의 2차원 패턴을 주기적으로 배열하는 것으로 패턴의 크기나 모양을 달리하여 공진 파장을 조절함으로써 위상의 차이를 만들 수 있으나, 공진을 이용하기 때문에 광대역 파장에서 사용하기 어려운 문제가 있다.
일반적인 렌즈가 굴절 특성을 이용하는데 반해, 프레넬 렌즈는 회절 특성을 이용하기 때문에 사용 가능한 파장이 제한적인 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 메타 표면을 포함하는 프레넬 렌즈를 이용한다. 메타 표면을 포함하는 프레넬 렌즈는 파장 대비 얇은 두께를 가지며, 넓은 대역의 파장에 대하여 이용가능하다. 다만, 다양한 모양의 금속 나노 안테나의 플라즈모닉 공진을 이용하여 위상 차이를 설계하는 프레넬 렌즈는 목표 파장이 나노 안테나의 공진 파장 근방에서 작동하므로, 다른 파장에서 제한적으로 작동하는 문제가 있다.
미국 공개특허공보 US 2006/0140538 A1은 표면 반사형 상(phase) 그래이팅에 관하여 개시하고 있다.
본원은, 위상차 제어 디바이스에 관한 것으로서, 구체적으로 파장보다 작은 파장, 즉, 부파장(subwavelength) 길이의 초격자 구조를 이용하여 투과파 및 반사파의 위상을 자유로이 조절하는, 위상차 제어 디바이스 및 상기 위상차 제어 디바이스를 이용하는 광학 장치를 제공한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 상기 전도도가 작은 물질의 굴절률 이상인 것인, 위상차 제어 디바이스를 제공한다.
본원의 제 2측면은, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층은, 2차원 평면 상 규칙적으로 분할되고, 하나의 분할 영역에 하나의 초격자 단위 구조가 포함되는 것이고, 일정 파장 구간에서 굴절률이 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상인 것인, 위상차 제어 디바이스를 제공한다.
본원의 다른 측면은, 본원의 제 1 측면 또는 본원의 제 2 측면에 따른 위상차 제어 디바이스를 이용한 다양한 광학 장치를 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 위상차 제어 디바이스에 의하여, 빔 스티어링에 적용할 경우, 특정 차수의 회절에 대하여 제어가 가능하여 얇은 두께의 그레이팅(grating)에서도 다양한 빔 스티어링을 구현할 수 있는 효과가 있다.
종래 기술에서 단차의 높이를 변경하여 위상차를 제어하기 위하여 복잡한 공정을 거쳐야 하나, 본원의 구현예들에 따른 위상차 제어 디바이스에 의하여, 초격자(super lattice) 구조 기반의 위상 제어 기술을 이용하여 한번의 공정으로 위상차 필름과 같은 위상차 제어 디바이스를 제작할 수 있고, 제작된 위상차 제어 디바이스를 이용하여 다양한 분야의 광학 소재 부품으로서 사용할 수 있다.
본원의 구현예들에 따른 위상차 제어 디바이스를 태양전지용 후면 반사체에 적용할 경우, 초격자 구조 기반의 메타표면의 특성상 매우 얇은 두께의 위상차 필름을 만들 수 있고, 광대역에 작동하는 효과가 있다.
본원의 구현예들에 의하여, 초격자 구조 기반의 위상 제어 방법은 공정이 단순하고, 공진을 이용하지 아니하므로 광대역에서 홀로그램 이미징을 가능하게 한다.
본원의 구현예들에 의하여, 초격자 구조 기반의 위상 제어 방법을 이용한 프레넬 렌즈는 금속의 플라즈모 공진이 아닌 공간적 굴절률 차이를 이용하기 때문에 메타 표면 기반의 나노 금속 안테나의 플라즈모 공진을 이용한 위상 제어 방법 대비 작동 파장 범위가 넓다는 장점이 있다.
도 1(a)는, 종래 기술에 있어서 단차를 이용한 위상 변화를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1(b)는, 본원의 일 구현예에 있어서, 도 1(b)는 초격자(super lattice) 기반 위상 변화 구조를 나타낸다.
도 2는, 종래 기술에 있어서 초격자-기반 위상 변화 구조의 정면도이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 필링 팩터에 따른 유효 굴절률 및 위상 차이를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 초격자-기반 위상 변화 구조의 사시도.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 633 nm, a=30 nm, 유전체(SiO2)의 굴절률 1.46의 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 633 nm, a=30 nm, 유전체(SiO2)의 굴절률 1.46의 필링 팩터에 따른 위상 변화와 반사도를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 555 nm, a=30 nm, 유전체(SiO2)의 굴절률 1.46의 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 555 nm, a=30 nm, 유전체(SiO2)의 굴절률 1.46의 필링 팩터에 따른 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 666 nm, a=30 nm, 유전체(ZrO2)의 굴절률 2.1의 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 목표 파장 666 nm, a=30 nm, 유전체(ZrO2)의 굴절률 2.1의 필링 팩터에 따른 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 반사형 빔 스티어링을 나타내는 개략도이다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 투과형 빔 스티어링을 나타내는 개략도이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 후면 반사체를 나타내는 개략도이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타표면을 이용한 홀로그램에서 공진 파장을 조절하여 위상 차이를 생성하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 홀로그램 장치를 나타내는 개략도이다.
도 16은, 종래 기술에서 Au 나노 안테나의 플라즈모닉 공진을 이용한 홀로그램을 설명하기 위한 개략도이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 프레넬 렌즈를 나타내는 개략도이다.
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 설명하기 위한 개략도이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스의 듀티 사이클 별 측정한 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 20은, 본원의 일 실시예에 있어서, 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 극성에 무관한 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 설명하기 위한 예시도 및 듀티 사이클 별 측정한 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 21은, 본원의 일 실시예에 있어서, 위상 제어를 통한 프레넬 렌즈를 나타낸 것으로, (a) 상기 식을 이용해 얻은 공간에 따른 필요 위상 정보, 및 (b) 그에 상응하는 실제 위상 제어 구조의 배치 모습이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "표피 두께(skin depth)"는, 전자기파가 매질의 표면에서 어느 정도까지 파고들어갈 수 있는지를 나타내는 깊이를 나타낸다. 상기 매질에서, 표피 효과(skin effect)에 따라 전류 밀도는 매질의 표면 가까이에서 최대가 되고, 도체 안으로 파고 들어갈수록 감소하는 경향을 나타낸다. 상기 전류는 외부 표면과 표피 두께(skin depth)라고 불리우는 레벨 사이인 도체의 "표면"에서 주로 흐르며, 따라서, 상기 침투 깊이는 더욱 상세하게는 표면에서 전류 밀도 또는 전기장 등의 크기가 1/e (37%)까지 떨어지는 깊이를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "굴절률"은 빛이 매질로부터 다른 매질로 진행할 때 두 매질 속에서 진행하는 파동의 속력 비율을 말한다. 굴절률은 파장에 따라 그 차이를 보이며, 굴절률이 서로 다른 매질의 경계면에서는 빛이 스넬의 법칙에 따라 휘게 되고 입사각에 따라 일부는 반사하게 된다. 상기 굴절률은 다음과 같은 상대 유전율(permiittity)과 상대 투자율(permeability) 곱의 제곱근으로 표현할 수 있으며, 굴절률 값이 증가함에 따라 광학 기기에서 두 물체를 서로 구별할 수 있는 능력인 분해능이 향상되기 때문에 해상도가 증가한다.
Figure pat00001
(n=굴절률, ε=상대 유전율, μ=상대 투자율)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 상기 전도도가 작은 물질의 굴절률 이상인 것인, 위상차 제어 디바이스를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는, 상기 초격자 구조층을 포함하는 메타 표면에 기반되어 입사되는 빛의 위상차가 제어되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는, 상기 초격자 구조층을 포함하는 메타 표면에 기반되어 입사되는 빛의 위상차가 제어되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는, 기판 위에 형성될 수 있으며, 전도성이 큰 물질과 전도성이 작은 물질을 포함하는 초격자 구조층을 포함하되, 상기 초격자 구조층은 일정 파장 구간에서 유효 굴절률이 상기 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상인 것이다. 상기 일정 파장 구간은 상기 위상차 제어 디바이스에 입사되는 빛의 파장 구간 또는 상기 입사 되는 빛의 파장 중 특정 파장 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 일정 파장 구간은 자외선, 가시광선, 적외선 또는 근적외선 등의 전자기파의 파장 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 투명 기판, 투과성 기판, 반사형 기판, 불투명 기판, 또는 비투과성 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 전도도가 상대적으로 큰 1종 이상의 물질과 전도도가 상대적으로 작은 1 종 이상의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도도가 큰 물질은 약 105 S/m이상의 전도도를 갖는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 금속, 합금, 또는 금속 산화물 등의 금속 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도도가 작은 물질은 약 3 x 10-15 내지 약 8 x 10-15 Sm의 전도도를 갖는 물질, 또는 약 10-18 S/m의 전도도를 갖는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 공기, SiO2, 또는 다공성 SiO2와 같은 유전체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 상기 전도도가 큰 물질을 이용하여 형성되는 격벽 사이에 유전체와 같은 상기 전도도가 작은 물질이 채워져 있는 형태일 수 있고, 상기 초격자 구조층의 주기란 상기 격벽의 너비와 유전체의 너비를 합한 값을 의미한다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고, 상기 초격자 단위 구조는 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 격벽 사이에 전도성이 작은 제 2 물질이 채워져 있는 형태를 가지는 것이고, 상기 초격자 단위 구조의 주기는 관심 파장의 반파장 이하의 주기를 가지게 되며, 상기 제1 물질 격벽의 너비(width)와 상기 격벽 사이에 채원진 상기 제 2 물질의 너비의 합으로서 표현되며, 하나 이상의 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기를 상이하게 조절함으로써, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 공간적으로 상이하게 조절되며, 상기 격벽의 높이는 입사되는 빛의 파장의 반파장 이하인 것일 수 있다 (도 4 참조). 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기, 및
상기 격벽의 높이는 도 4에 나타낸 바와 같이 정의될 수 있다. 도 4를 참고하면, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 단위 구조에서 상기 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 상기 격벽들의 하단에는 일정 두께의 상기 전도성이 큰 제 1 물질의 층이 존재한다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이며, 상기 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은, 상이한 굴절률을 가지는 두 개 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하고,
상기 그레이팅 구조 각각에 포함되는 상기 두 개 이상의 초격자 단위 구조는 굴절률의 크기에 따라 순차적으로 배치되어, 빔 스티어링 기능을 갖는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는 상기 초격자 구조층 상에 형성되는 광 흡수층, 및 필요한 경우, 상기 광 흡수층 상에 형성되는 투명 전극을 추가 포함하며, 상기 초격자 구조층은 입사되는 빛을 산란시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 구조층은 입사된 빛을 전방향으로 산란시키거나 특정 방향으로 산란시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 전극은 태양 전지에서 통상적으로 사용되는 투명 전극 또는 전도성 투명 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 기판 상에 형성되며, 상기 초격자 구초층에 포함되는 상기 전도도가 상이한 물질들의 배치에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 홀로그램 영상의 생성을 위한 초격자 구조층의 배치는, 원하는 이미지를 위상으로 변환 후, 이미지 위상에 해당하는 초격자 구조층을 위치함으로 써 홀로그램 영상을 생성할 수 있다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 투명 기판 상에 형성되는 것이고, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이고, 상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고, 상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각에 있어서, 상기 하나 이상의 초격자 단위 구조는 상기 전도성이 상이한 물질들에 의하여 형성되며, 상기 전도성이 상이한 물질에 의하여 형성되는 상기 초격자 단위 구조의 너비(width)의 비율에 따라 필링 팩터 (filling factor)를 정의하고, 상기 필링 팩터를 공간적으로 제어하여 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하도록 하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 프레넬 렌즈는 반사형 프레넬 렌즈의 기능 또는 투과형 프레넬 렌즈의 기능을 발휘할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층은, 2차원 평면 상 규칙적으로 분할되고, 하나의 분할 영역에 하나의 초격자 단위 구조가 포함되는 것이고, 일정 파장 구간에서 굴절률이 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상인 것인,
위상차 제어 디바이스를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 단위 구조는 타원기둥 형상, 사각기둥 형상, 육각 기둥 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 바둑판 형태로 분할되어 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 초격자 단위 구조는 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들의 굴절률의 크기에 따라 평면적으로 배치되어, 소정의 파장 영역에서 빔 스티어링 기능을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 초격자 단위 구조는 각각 독립적인 듀티 사이클을 가지는 것이고, 소정의 파장 영역에서 상기 초격자 단위 구조의 배치에 따라 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 기판 상에 형성되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 투명 기판, 투과성 기판, 반사형 기판, 불투명 기판, 또는 비투과성 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 벌집 구조로 분할되는 것이고, 상기 초격자 단위 구조는 육각기둥 또는 타원 기둥일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 단위 구조는 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 큰 물질 내부에 전도성이 작은 물질이 삽입되어 있는 형태를 갖는 것이고, 상기 초격자 단위 구조의 높이는 작동 파장의 1/4 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는 상기 초격자 구조층 상에 형성되는 광 흡수층, 및 필요한 경우, 상기 광 흡수층 상에 형성되는 투명 전극을 추가 포함하며, 상기 초격자 구조층은 입사되는 빛을 산란시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 구조층은 입사된 빛을 전방향으로 산란시키거나 특정 방향으로 산란시키는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스는 상기 초격자 단위 구조의 배치에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도면들과 실시예들을 참고하여 본원의 구현예들을 좀더 자세히 설명하지만, 본원에 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1(a)는 종래 기술에서 단차를 이용한 위상 변화를 설명하기 위한 모식도이고, 도 2는 초격자-기반 위상 변화 구조의 정면도이다.
도 1(a)는 일반적인 단차를 이용한 위상 변화 구조이고, 도 1(b)는 초격자(super lattice) 기반 위상 변화 구조를 나타낸다.
반면, 도 4를 참고하면, 본원의 일 구현예에 따른 위상차 제어 디바이스는, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 상기 전도도가 작은 물질의 굴절률 이상인 것이다.
예를 들어, 상기 초격자 구조층은 전도도가 상대적으로 큰 1종 이상의 물질과 전도도가 상대적으로 작은 1 종 이상의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도도가 큰 물질은 약 105 S/m이상의 전도도를 갖는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 금속, 합금, 또는 금속 산화물 등의 금속 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도도가 작은 물질은 약 3 x 10-15 내지 약 8 x 10-15 Sm의 전도도를 갖는 물질, 또는 약 10-18 S/m의 전도도를 갖는 물질을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 공기, SiO2, 또는 다공성 SiO2와 같은 유전체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 위상차 제어 디바이스는, 기판 위에 형성되며, 전도성이 큰 물질과 전도성이 작은 물질을 포함하는 초격자 구조층을 포함하되, 상기 초격자 구조층은 일정 파장 구간에서 유효 굴절률이 상기 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상인 것이다. 상기 일정 파장 구간은 상기 위상차 제어 디바이스에 입사되는 빛의 파장 구간 또는 상기 입사 되는 빛의 파장 중 특정 파장 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 일정 파장 구간은 자외선, 가시광선, 적외선 또는 근적외선 등의 전자기파의 파장 범위를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고, 상기 초격자 단위 구조는 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 격벽 사이에 전도성이 작은 제 2 물질이 채워져 있는 형태를 가지는 것이고, 상기 초격자 단위 구조의 주기는 관심 파장의 반파장 이하의 주기를 가지게 되며, 상기 격벽의 너비(width)와 상기 격벽 사이에 채원진 상기 제 2 물질의 너비의 합으로서 표현되며, 하나 이상의 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 필링 팩터인 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기를 상이하게 조절함으로써, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 공간적으로 상이하게 조절되며, 상기 격벽의 높이는 입사되는 빛의 파장의 반파장 이하인 것일 수 있다 (도 4 참조). 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기, 및 상기 격벽의 높이는 도 4에 나타낸 바와 같이 정의될 수 있다.
도 4를 참고하면, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 단위 구조에서 상기 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 상기 격벽들의 하단에는 일정 두께의 상기 전도성이 큰 제 1 물질의 층이 존재한다.
종래 기술에 있어서, 파장보다 매우 작은 크기의 초격자 구조(super lattice structure)를 이용하여 투과파 및 반사파의 위상을 조절할 수 있다. 일반적으로 반사파의 위상차는 그레이팅 구조의 높이에 의하여 결정이 된다. 도1(a)에서 같이 그레이팅 단차 높이가 1/4 파장일 경우, 반사파의 위상은 π 만큼 차이가 난다. 예컨대, 800 nm 파장에서 π의 위상차를 만들기 위하여 단차는 200nm가 필요하다. 도 1의 단차 부분을 유효굴절률 neff인 유전체로 채울 경우, 단차의 높이는 목표 파장 λ에 대하여 λ/(4*neff)이므로, 단차의 높이를 낮출 수 있게 된다. 종래 기술에 있어서, 도 2는 초격자 기반 위상 변화 구조의 정면도이며, 주기는 a+b이고, FF(Filling Factor, 채움 인자, 필링 팩터)는 다음 수식에 의하여 정의된다:
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
경계 조건 하에서, 노멀 D-필드는 연속이므로, D = Dmetal-Ddielectric 가 성립한다. 필링 팩터는 FF=a/a+b 이므로, 유효 전기장 Eeffective = FF X Emetal+ (1-FF) X Edieletric 이 성립한다. Eeffective = D/εeffective, Emetal = D/εmetal, Edielectric = D/εdieletric을 상기 식에 대입하여, εeffective에 대해 정리하면 수학식 2를 얻을 수 있다.
상기 수학식 2로부터 필링 팩터, 금속의 유전율, 유전체의 유전율을 이용하여 초격자 구조의 유효 유전율을 제어할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 위상차 제어 디바이스에 있어서, 도 3은 필링 팩터 (FF =filing factor)에 따른 유효 굴절률 및 위상 차이를 나타내는 그래프이다. 도 3(a)는 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내고, 도 3(b)는 필링 팩터에 따른 위상 차이를 나타낸다.
도 3을 참고하면, 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 전도도가 큰 물질로서 금속은 Ag를 사용하고, 상기 전도고가 작은 물질인 유전체로서 SiO2를 사용한다. 상기 초격자 구조의 높이는 50 nm, 주기는 140 nm 로 고정한다. FF 값의 변화에 따른 유효굴절율 및 위상 차이를 도 3에서 보여주고 있다.
도 3(a)로부터 FF가 증가할수록 초격자 구조의 유효 굴절률도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 3(b)로부터 FF가 증가할수록 초격자 구조의 위상차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다. FF가 증가할수록 유효굴절률이 증가하므로, 입사파가 초격자 구조 내부에서 더 많이 진행하게 되어 위상 차이가 더 크게 발생하게 된다.
본원의 다른 구현예에 따른 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은, 상이한 굴절률을 가지는 두 개 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하고, 상기 그레이팅 구조 각각에 포함되는 상기 두 개 이상의 초격자 단위 구조는 굴절률의 크기에 따라 순차적으로 배치되어, 빔 스티어링 기능을 갖는 것일 수 있다.
본원의 다른 구현예에 따른 위상차 제어 디바이스에 있어서, 초격자 구조(super lattice)와 그레이팅(grating) 구조를 이용하여 빔 스티어링(beam steering)을 구현할 수 있다. 종래의 그레이팅 구조만으로 구현된 빔 스티어링은 grating의 주기에 의해 0차 회절 내지 n차 회절을 이용하는데, 특정 차수의 회절을 쉽게 제어하기 어렵다.
본원의 다른 구현예에 따른 위상차 제어 디바이스에 있어서, 초격자 구조와 그레이팅 구조를 결합하여 0차 반사를 최소화하거나 얇은 두께의 쐐기 모양 그레이팅(blazed grating)을 이용한 정밀하게 위상을 제어할 수 있는 빔 스티어링을 구현할 수 있다.
도 4는 본원의 제 1 측면에 따른 초격자-기반 위상차 제어 디바이스의 일 실시예에 있어서, 상기 위상차 제어 디바이스의 사시도로서, 상기 위상차 제어 디바이스에 포함되는 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고, 상기 초격자 단위 구조는 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 격벽 사이에 전도성이 작은 제 2 물질이 채워져 있는 형태를 가지는 것이고, 상기 초격자 단위 구조의 주기는 관심 파장의 반파장 이하의 주기를 가지게 되며, 상기 격벽의 너비(width)와 상기 격벽 사이에 채원진 상기 제 2 물질의 너비의 합으로서 표현되며, 하나 이상의 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기를 상이하게 조절함으로써, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 공간적으로 상이하게 조절되며, 상기 격벽의 높이는 입사되는 빛의 파장의 반파장 이하인 것일 수 있다. 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기, 및 상기 격벽의 높이는 도 4에 나타낸 바와 같이 정의될 수 있다. 도 4를 참고하면, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 단위 구조에서 상기 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 상기 격벽들의 하단에는 일정 두께의 상기 전도성이 큰 제 1 물질의 층이 존재한다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이며, 상기 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것일 수 있다.
도 4를 참고하면, 금속, 합금 또는 금속 산화물 등과 같은 전도도가 큰 물질과 유전체와 전도도가 작은 물질을 교대로 배치하며, 전도도가 큰 물질의 너비와 전도도가 작은 물질의 너비의 합을 주기(period)라 하고, 기판으로서 동일한 금속을 사용한다. 도 4에는 높이(height)가 명확히 표시되어 있다.
본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장은 상기 초?자 구조체의 높이 방향으로 입사하는 것을 가정한다. 상기 금속 및 유전체는 설명의 편의를 위하여 사용한 표현이고, 본 발명의 권리범위를 제한하지 아니한다. '금속' 대신 '전도성이 큰 물질'이라는 표현을 사용해도 무방하며, 유전체 대신 '전도성이 작은 물질'이라는 표현을 사용해도 된다. '금속'은 단일 물질이 아닌 합금과 같은 혼합물 일수 있고, 특별한 구조를 가지는 구조체인 것을 배제하지 아니한다. 다만, 상기 '전도성이 큰 물질' 및 '전도성이 작은 물질'은 나노 스케일에서 공정이 가능해야 할 것이다.
도 5는 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 633 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 1.46의 SiO2일 때, 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 5의 그래프는 a=30 nm, ndielectric=1.46(유전체는 SiO2)일 때, 수학식 2을 이용하여 유효굴절률을 구할 수 있다. 필링 팩터 FF = 0 일 때, 굴절률은 1.46에 가까울 것이다. 유전체의 너비 b=30 nm(FF=0.5) 일 때, 굴절률은 2.2인 것을 확인할 수 있다. FF에 따른 굴절률의 상대적 차이는 Δn=0.74이다. 6-레벨 위상 변조를 위한 구조체의 높이를 h라 두면, 다음 식에 따라 h=356 nm를 구할 수 있다:
[수학식 3]
Figure pat00004
여기서, 파수 k0=2π/λ로부터, 파장의 광행차에 따라, 상기 수학식을 얻을 수 있다.
수학식 3는 도 7 및 9에서도 사용한다.
도 6는 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 633 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 1.46의 SiO2일 때, 필링 팩터에 따른 위상 변화와 반사도를 나타내는 그래프이다.
도 5의 제약조건을 유지한 상태에서 필링 팩터 FF에 따른 위상 변화 및 반사도를 측정한 결과이다. FF값이 증가할수록 위상차의 변화가 0에서 2π로 변화하고, 반사도가 감소하는 것을 알 수 있다.
도 7는 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 555 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 1.46의 SiO2일 때, 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 5와 비교할 때, 도 7의 경우, 목표 파장이 633 nm 에서 555 nm 로 변경되고, 금속을 변경하였다. 그 결과 FF=0.5 일 때, 초격자 구조체의 굴절률은 2.265가 된다. 결과적으로 6-레벨 위상 변조를 위한 구조체의 높이 h=287 nm를 얻을 수 있다. 이는 실험값이 잘 일치하는 것을 확인하였다.
도 8는 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 555 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 1.46의 SiO2일 때, 필링 팩터에 따른 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7의 제약 조건 하에서 필링 팩터 FF에 따른 위상 차이의 변화를 0에서 2π까지 나타내었다. 파장이 변경되더라도 높이 조정에 의하여 적절한 위상차를 제어할 수 있다.
도 9는 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 666 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 2.1의 ZrO2일 때, 필링 팩터에 따른 유효 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 7과 비교할 때, 유전체의 굴절률이 1.46(SiO2)에서 2.1(ZrO2)로 바뀌었다. 유전체의 변경에 따라 FF=0.5일 때의 초격자 구조체의 굴절률도 3.4를 얻고, 수학식 3에 따라 6-레벨 위상 변조를 위한 구조체의 높이 h=205 nm가 된다.
도 10은 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장 666 nm에서 제 1 물질의 너비를 a=30 nm로 고정하고, 유전체는 굴절률 2.1의 ZrO2일 때, 필링 팩터에 따른 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9의 제약 조건 하에서 필링 팩터 FF에 따른 위상 차이의 변화를 0에서 2π까지 나타내었다. 유전체가 변경되더라도 높이 조정에 의하여 적절한 위상차를 제어할 수 있다.
도 5 내지 도 10의 내용을 참고할 때, 본원의 일 실시예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 목표 파장에 따라, 금속, 유전체, 필링 팩터 및 높이를 조정함으로써 위상 변조할 수 있다. 굴절률이 더 높은 유전체를 사용하는 경우, 낮은 단차의 초격자 구조체를 이용하여 위상 변조할 수 있다.
도 11은 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 반사형 빔 스티어링을 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 메타 표면 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 반사형 빔 스티어링을 구현하기 위하여 두 개의 그레이팅 구조안에 초격자 구조를 설계하였다. 필링 팩터가 작은 값을 가질 경우 굴절률이 낮고, 필링 팩터가 크면 유효 굴절률이 높게 될 것이다.
예를 들어, 필링 팩터(filling factor) 30%인 초격자 구조 A, 필링 팩터(filling factor) 50%인 초격자 구조 B, 필링 팩터(filling factor) 70%인 초격자 구조 C를 하나의 그레이팅 안에 순차적으로 배치하면, 특정 방향으로 반사 빔을 이동시킬 수 있는 빔 스티어링이 될 것이다.
본원의 구현예들 또는 실시예에 따른 메타 표면 위상차 제어 디바이스를 이용하여, 필요로 하는 반사 빔의 방향에 따라 초격자 구조들의 배치는 정밀하게 제어될 수 있다.
도 12은 본원의 일 실시예에 따른 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 투과형 빔 스티어링을 나타내는 도면이다. 상기 투과형 빔 스티어링을 구현하기 위하여 두 개의 그레이팅 구조안에 초격자 구조를 설계하였다. 기본 구성은 도 11과 유사하나, 전자기파의 입사 방향이 반대이다. 필링 팩터가 작은 값을 가질 경우 굴절률이 낮고, 필링 팩터가 크면 유효 굴절률이 높게 되는 성질은 동일하다.
예를 들어, 필링 팩터(filling factor) 30%인 초격자 구조 A, 필링 팩터(filling factor) 50%인 초격자 구조 B, 필링 팩터(filling factor) 70%인 초격자 구조 C를 하나의 그레이팅 안에 순차적으로 배치하면, 특정 방향으로 투과 빔을 이동시킬 수 있는 빔 스티어링이 될 것이다.
본원의 구현예들 또는 실시예에 따른 메타 표면 위상차 제어 디바이스를 이용하여, 필요로 하는 투과 빔의 방향에 따라 초격자 구조들의 배치는 정밀하게 제어될 수 있다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 후면 반사체를 나타내는 도면이다. 상기 위상차 제어 디바이스는 상기 초격자 구조층 상에 형성되는 광 흡수층, 및 필요한 경우, 상기 광 흡수층 상에 형성되는 투명 전극을 추가 포함하며, 상기 초격자 구조층은 입사되는 빛을 산란시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 구조층은 입사된 빛을 전방향으로 산란시키거나 특정 방향으로 산란시키는 것일 수 있다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 광 흡수층 아래에 위치되는 상기 초격자 구조층으로서 도 11에 나타낸 것과 같은 별도의 기판(substrate) 위에 형성된 반사형 빔 스티어링 구조를 이용하여 Lambertian한 형태(붉은색 화살표)로 혹은 한쪽 방향(파란색 화살표)으로 산란시켜 설계된 광 흡수층에서의 흡수를 증가시킬 수 있다.
도 14은 종래 기술에서 메타표면을 이용한 홀로그램에서 공진 파장을 조절하여 위상 차이를 생성하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 상기 메타표면을 이용하여 홀로그램을 생성하는 방법은 통상 크기와 위상을 동시 변조하는 메타표면(MAPM, metasurface with simultaneous amplitude and phase modulation)을 이용하거나, 위상만을 변조하는 메타표면(MOPM, metasurface with only phase modulation)을 이용하는 방법을 사용한다.
도 14a는 기본 기능 단위를 나타내고 있다. 도 14a에 있어서, 기본 기능 단위에서 열린 부분에 대한 각도 a의 크기와 열린 부분의 방향에 따라 위상이 상이해지는 결과가 도 14b에 나타나 있다. MAPM 방법은 각도 a의 크기와 열린 부분의 방향에 의한 위상 차 뿐만 아니라, r과 w에 따라 크기(amplitude)의 변화도 고려하여 홀로그램을 생성하고, MOPM 방법은 위상(phase)만을 이용하여 홀로그램을 생성할 수 있다.
통상 MAPM 방법이 더 선명한 홀로그램 영상을 얻을 수 있으나, 설계된 메타표면을 제작하는 공정이 더 복잡한 문제가 있다. 위상차만을 이용하는 경우에도 공진 파장과 다양한 패턴 형태를 이용하여 수준 높은 홀로그램을 단순한 공정에 의하여 생성할 수 있는 장점이 있으나, 공진 파장을 이용하므로, 광대역에서 사용하기 어려운 문제가 있다.
도 15은 본원의 일 실시예에 따른 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 홀로그램 장치를 나타내는 개략도이다. 상기 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 투명 기판 상에 형성되며, 상기 초격자 구초층에 포함되는 상기 전도도가 상이한 물질들의 배치에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 것일 수 있다. 본원의 일 실시예에 따른 상기 초격자(super lattice) 구조를 이용하면, 초격자 구조의 필링 팩터를 상이하게 조절하여 홀로그램을 형성하는 것으로 파장에 독립적인 굴절률 차이에 의하는 것이므로, 광대역에서 홀로그램을 형성할 수 있다. 상기 초격자 구조의 필링 팩터에 따른 위상차를 이용해 이미지 픽셀에 해당하는 위상의 초격자를 배치하여 홀로그램 이미지를 표현할 수 있다.
도 16은 종래 기술에서 Au 나노 안테나의 플라즈모닉 공진을 이용한 프레넬 렌즈를 설명하기 위한 개략도이다. 프레넬 렌즈를 구현하기 위하여, 쇄기 모양의 기본 기능 단위를 위상차에 따라 정밀하게 배치하는 도면을 나타낸다. 왼쪽 그래프는 쇄기모양의 기본 기능 단위를 배치에 따른 크기(세로축)와 위상차(가로축)를 나타내고 있다. 오른쪽 도면은 쇄기모양의 기본 기능 단위를 원형으로 배치한 프레넬 렌즈를 나타낸다. 도 16에 따른 프레넬 렌즈는 금(Au) 나노 안테나를 이용한 플라즈모닉 공진 파장 근처에서 작동하는 것으로 다른 파장에서는 작동하지 아니하는 문제가 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 프레넬 렌즈를 나타내는 도면이다. 상기 메타 표면-기반 위상차 제어 디바이스를 이용한 프레넬 렌즈는 반사형 및 투과형 모두에 사용할 수 있다.
도 17을 참고하면, 본원의 일 구현예의 위상차 제어 디바이스에 있어서, 상기 초격자 구조층은 투명 기판 상에 형성되는 것이고, 상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이고, 상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고, 상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각에 있어서, 상기 하나 이상의 초격자 단위 구조는 상기 전도성이 상이한 물질들에 의하여 형성되며, 상기 전도성이 상이한 물질에 의하여 형성되는 상기 초격자 단위 구조의 너비(width)의 비율에 따라 필링 팩터 (filling factor)를 정의하고, 상기 필링 팩터를 공간적으로 제어하여 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하도록 하는 것일 수 있다.
도 17에 도시된 것과 같이 초격자 구조의 필링 팩터를 조정함에 따라 프레넬 렌즈로서 작동하게 된다. 필링 팩터가 큰(전도성이 큰 물질이 차지하는 비중이 큰) 중앙 부분의 굴절률이 높고, 필링 팩터가 작은(전도성이 큰 물질이 차지하는 비중이 작은) 주변 부분의 굴절률이 낮게 된다. 상기 투과형 프레넬 렌즈와 상기 반사형 프레넬 렌즈는 입사광의 방향이 반대이며, 상기 투과형 프레넬 렌즈의 기판은 통상 투명한 유전체를 이용하여 형성되나, 상기 반사형 프레넬 렌즈의 기판은 불투명한 금속 등 반사체로 사용되는 기판이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 18은 본원의 제 2 측면에 따른 위상차 제어 디바이스의 일 실시예를 나타내는 개략도로서, 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스를 설명하기 위한 개략도이다. 상기 위상차 제어 디바이스는, 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서, 상기 초격자 구조층은, 2차원 평면 상 규칙적으로 분할되고, 하나의 분할 영역에 하나의 초격자 단위 구조가 포함되는 것이고, 일정 파장 구간에서 굴절률이 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상이다.
도 18에서와 같이 기판 위에 형성된 금속 내부에 유전체를 삽입하여 본원의 제 2 측면에 따른 위상차 제어 디바이스를 제조할 수 있다.
전도도가 큰 금속 내부에 전도도가 작은 유전체를 삽입하는 경우, 유효굴절률에 의한 위상차 제어 방법과 국소 표면 플라즈몬 공진(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance)에 의한 위상차 제어 방법이 모두 사용될 수 있다. 국소 표면 플라즈몬 공진(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)은수십 나노미터(nm, nanometer) 내지 수백 나노미터(nm, nanometer) 사이의 길이 또는 폭을 가지는 금속 나노 구조체를 이용하여 평면적으로 배치하여 다양한 광학적 성질을 이용한 현상을 말한다. 가시광선 영역은 파장이 약 380nm~750nm 영역에 걸쳐서 존재하므로, 금속 나노 구조체를 가시광선 영역 파장의 1/4 수준(즉, 수십 nm에서 수백 nm)에서 생성하면, 대응되는 가시광선 파장에 대하여 위상 지연 필름으로서 기능할 수 있다. 소리굽쇠가 자신의 공명 주파수의 음파가 입력될 때 공명하는 것과 같은 원리이다. 예를 들어, 금속 나노 구조체에 빛이 입사되면, 공진 파장이 맞는 성분에 반응하여 금속 내부에 큰 전류가 유도되고, 해당 가시광선의 빛 에너지가 금속 내부 에너지로 변환되기 때문에 해당 색상의 빛을 어둡게 나타난다. 국소 표면 플라즈몬 공진 현상을 이용하여 메타 표면 상에서 특정 파장의 빛을 이용한 은닉 식별자를 구현할 수 있다. 이때, 금속 나노 구조체를 구성하는 금속은 금, 은, 알루미늄과 같은 가시광선에서 광흡수가 적어서, 국소 표면 플라즈몬 공진 현상이 대비가 큰 금속을 주로 사용하게 된다.
필링 팩터 대신 듀티 사이클을 정의하면, 다음 수식이 성립한다.
[수학식 4]
Figure pat00005
금속에 삽입된 유전체의 폭은 내부 유전체 길이(inner span)이고, 내부 유전체 좌우의 금속의 두께를 금속 벽의 두께(wall thickness)이고, 듀티 사이클(duty cycle)은 유전체의 폭(inner span)과 금속 벽의 두께(wall thickness)의 합을 주기(total span)로 나눈 값이다. 본 발명의 수학식 1의 필링팩터에 대응된다.
LSPR을 이용한 위상제어는 π 수준의 위상 제어가 가능하다. 더 넓은 범위 위상 제어는 유효굴절률을 이용한 방법을 사용한다. 도 1의 유효 굴절률을 이용한 위상 제어보다 낮은 높이(Height)로 제어할 수 있다. 제어를 위한 실험결과는 도 19에 나타나 있다.
도 19은 본 발명의 일실시예에 따른 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스의 듀티 사이클 별 측정한 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 19의 그래프는 도 18의 초격자 구조를 이용하여 산출한 위상차 그래프인데, 도 18의 초격자 구조는 금속이 은(Ag)이고, 유전체는 이산화규소(SiO2)이고, 주기는 250 nm, 금속 벽의 두께는 10nm이고, 높이는 30 nm이다. 유전체의 너비(inner span)은 듀티 사이클에 의하여 정하여 진다. 다만, 이는 예시적인 것이며 발명의 권리 범위를 제한하지 아니한다. 유효 굴절률을 통한 위상 제어(1910)와 LSPR을 이용한 위상 제어(1920)가 그래프에 표시되어 있다. 유효 굴절률을 통한 위상 제어(1910)와 LSPR을 이용한 위상 제어(1920)를 이용하면, 0-2π 위상 제어가 가능하다.
도 20은 본원의 일실시예에 있어서, 상기 초격자 구조의 금속 내부에 유전체가 삽입된 구조를 갖는 극성에 무관한 메타 표면 기반 위상차 제어 디바이스를 설명하기 위한 예시도 및 듀티 사이클 별 측정한 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 20의 도 18과 동일하게 금속은 은(Ag)이고, 유전체는 SiO2(n=1.46)이고, 주기는 250 nm, 금속 벽의 두께는 10 nm, 높이는 30 nm이다. 이는 예시적인 것이다.
도 18의 구조는 한쪽 편광에서 작동하지만, 도 20의 구조는 편광(polarization)에 따른 영향 없이 위상 제어를 할 수 있다. 오른쪽 그래프는 도 20의 구조를 이용하여 파장별 듀티 사이클에 따른 위상 변화 그래프를 나타낸다.
도 20의 구조를 이용하여, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 초격자 단위 구조를 평면적으로 배치시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 초격자 구조층은 바둑판 형태로 분할되어 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 초격자 단위 구조는 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들의 굴절률의 크기에 따라 평면적으로 배치되어, 소정의 파장 영역에서 빔 스티어링 기능을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 초격자 단위 구조는 각각 독립적인 듀티 사이클을 가지는 것이고, 소정의 파장 영역에서 상기 초격자 단위 구조의 배치에 따라 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기판 위의 평면을 바둑판 형태로 분할하여, 분할된 단위에 상기 초격자 단위 구조를 배치하여, 상술한 빔 스티어링, 태양전지의 후면 반사체, 홀로그램 생성을 위한 메타표면, 프레넬 렌즈로 이용할 수 있다. 상기 초격자 단위 구조는 정사각기둥, 직사각기둥, 타워기둥, 원기둥일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 있어서, 상기 초격자 구조층은 기판 위의 평면을 벌집 구조로 분할되는 것이고, 상기 초격자 단위 구조는 육각기둥 또는 타원 기둥일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 경우, 상기 분할된 단위에 초격자 단위 구조를 배치하여 상술한 빔 스티어링, 태양전지의 후면 반사체, 홀로그램 생성을 위한 메타표면, 프레넬 렌즈로 이용할 수 있다. 상기 초격자 단위 구조는 벌집 구조를 고려할 때, 원기둥, 또는 원기둥일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 있어서, 도 20의 구조를 이용하는 경우, 편광되지 아니한 입사광에 대하여 처리할 수 있는 장점이 있다. 상기 바둑판 형태의 배열의 경우, 가로 방향과 세로 방향의 주기 및 폭을 조절하여, 편광되지 아니한 빛에 대한 위상 제어를 보다 정밀하게 처리할 수 있다.
본원의 일 실시예에 있어서, 도 20의 구조를 이용하여 초격자 구조층을 바둑판 형태로 분할하고, 분할된 영역에 사각기둥 또는 원기둥 형상의 초격자 단위 구조를 배치하여 초격자 단위 구조의 크기에 따라 위상을 조절할 수 있어, 전 방향으로 산란(Lambertian)하도록 반사시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 있어서, 도 20의 구조를 평면 상에 배열하여 초격자 단위 구조의 크기에 따라 위상을 조절할 수 있으므로, 초격자 단위 구조는 하나 픽셀로 하는 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다.
본원의 일 실시예에 있어서, 도 20의 초격자 단위 구조를 이용하여 위상차가 큰 초격자 단위 구조를 평면의 중앙에 배치하고, 위상차가 작은 초격자 단위 구조를 평면의 주변에 배치하여 2차원 프레넬 렌즈의 기능을 구현할 수 있다.
본원의 일 실시예에 있어서, 도 20의 초격자 단위 구조를 이용하여 평면상에 위상차가 상이한 초격자 단위 구조를 위상차에 따라 순차적으로 배치하여 특정 방향으로 투과하거나 반사시키는 빔을 조절할 수 있다. 도 20의 초격자 단위 구조를 이용한 빔 스티어링은 편광에 무관하게 작동할 수 있으므로, 2차원적인 빔 스티어링도 가능하다.
위상 제어를 통한 프레넬 렌즈
위상 제어를 통해, 프레넬 렌즈를 설계하였다. 상기 프레넬 렌즈의 크기는 6 um 이며, 목표 파장은 630 nm, focal point는 2.2 um이었다. 상기 프레넬 렌즈 설계를 위해 공간에 따른 필요 위상은 다음의 수학식 5를 통해서 얻을 수 있다:
[수학식 5]
Figure pat00006
여기서, φ(x)=공간 위치에 따른 필요 위상, λd = 목표 설계 파장, f= focal point, 및 x= 공간 위치이다.
도 21의 (a)에서 상단은 상기 식을 이용해 얻은 공간에 따른 필요 위상 정보이며, 하단은 그에 상응하는 실제 위상 제어 구조의 배치 모습이다. 사용된 구조는 상기 도 18에 나타난 구조를 이용하였으며, 제 2 물질의 두께는 30 nm이고 제 1물질의 두께는 20 nm 이고 주기는 250 nm 이다. 도 21의 (b)에서, 550 nm 내지 650 nm파장에서 잘 작동되는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니 되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 초격자 구조층
110: 전도도가 큰 물질
120: 전도도가 작은 물질
200: 기판
210: 전도도가 큰 물질
220: 전도도가 작은 물질

Claims (20)

  1. 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서,
    상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 상기 전도도가 작은 물질의 굴절률 이상인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상차 제어 디바이스는, 상기 초격자 구조층을 포함하는 메타 표면에 기반되어 입사되는 빛의 위상차가 제어되는 것인, 위상차 제어 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고,
    상기 초격자 단위 구조는 전도성이 큰 제 1 물질에 의하여 형성된 격벽 사이에 전도성이 작은 제 2 물질이 채워져 있는 형태를 가지는 것이고,
    상기 초격자 단위 구조의 주기는 상기 격벽의 너비(width)와 상기 격벽 사이에 채원진 상기 제 2 물질의 너비의 합으로서 표현되며,
    하나 이상의 상기 초격자 단위 구조에 포함되는 상기 격벽의 폭과 상기 상기 초격자 단위 구조의 주기를 상이하게 조절함으로써, 상기 초격자 구조층의 유효 굴절률이 공간적으로 상이하게 조절되며,
    상기 격벽의 높이는 입사되는 빛의 파장의 반파장 이하인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 금속, 합금, 또는 금속 화합물을 포함하고, 상기 제 2 물질은 유전체를 포함하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이며,
    상기 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은, 상이한 굴절률을 가지는 두 개 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하고,
    상기 그레이팅 구조 각각에 포함되는 상기 두 개 이상의 초격자 단위 구조는 굴절률의 크기에 따라 순차적으로 배치되어, 빔 스티어링 기능을 갖는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층 상에 형성되는 광 흡수층
    을 추가 포함하며,
    상기 초격자 구조층은 입사되는 빛을 산란시키는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 입사된 빛을 전방향으로 산란시키거나 특정 방향으로 산란시키는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 투명 기판 상에 형성되며,
    상기 초격자 구초층에 포함되는 상기 전도도가 상이한 물질들의 배치에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 투명 기판 상에 형성되는 것이고,
    상기 초격자 구조층은 하나 이상의 그레이팅 구조를 포함하는 것이고,
    상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각은 하나 이상의 초격자 단위 구조를 포함하는 것이고,
    상기 하나 이상의 그레이팅 구조 각각에 있어서, 상기 하나 이상의 초격자 단위 구조는 상기 전도성이 상이한 물질들에 의하여 형성되며, 상기 전도성이 상이한 물질에 의하여 형성되는 상기 초격자 단위 구조의 너비(width)의 비율에 따라 필링 팩터 (filling factor)를 정의하고,
    상기 필링 팩터를 공간적으로 제어하여 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하도록 하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈는 반사형 프레넬 렌즈 또는 투과형 프레넬 렌즈인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  12. 전도도가 상이한 두 종류 이상의 물질들을 포함하는 초격자 구조층을 포함하는, 위상차 제어 디바이스로서,
    상기 초격자 구조층은,
    2차원 평면 상 규칙적으로 분할되고, 하나의 분할 영역에 하나의 초격자 단위 구조가 포함되는 것인
    일정 파장 구간에서 굴절률이 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 작은 물질의 굴절률 이상인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 단위 구조는 타원기둥 형상, 사각기둥 형상, 또는 육각 기둥인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 평면적으로 바둑판 형태로 분할되어 있는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층은 평면적으로 벌집 구조로 분할되는 것이고,
    상기 초격자 단위 구조는 육각기둥 또는 타원 기둥인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 단위 구조는, 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들 중 전도성이 큰 물질 내부에 전도성이 작은 물질이 삽입되어 있는 형태를 갖는 것이고,
    상기 초격자 단위 구조의 높이는 작동 파장의 1/4 이하인 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 초격자 단위 구조는 상기 초격자 구조층에 포함된 상기 물질들의 굴절률의 크기에 따라 평면적으로 배치되어, 소정의 파장 영역에서 빔 스티어링 기능을 갖는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 구조층 상에 형성되는 광 흡수층
    을 추가 포함하며,
    상기 초격자 구조층는 입사된 빛을 산란시키는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 초격자 단위 구조의 배치에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 초격자 단위 구조는 각각 독립적인 듀티 사이클을 가지는 것이고,
    소정의 파장 영역에서 상기 초격자 단위 구조의 배치에 따라 프레넬 렌즈의 기능을 발휘하는 것인,
    위상차 제어 디바이스.
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