KR20200029924A - 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법 - Google Patents

메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법 Download PDF

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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 활성층을 사이에 두고 마주보는 나노안테나 및 도전체를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법은 상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 하나인 제1전극에 입력할 제1 전압을 직전에 입력한 제2 전압과 비교하는 단계; 및 상기 제1 전압의 인가 이전에 보정 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 상기 보정 전압은 상기 제1전극에 인가되며 상기 제2 전압과 전기적 극성이 다르다.

Description

메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법{System and method of operating beam steering device including metasurface opical phased array}
메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법에 관한 것이다.
메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자는 나노안테나들로 이루어진 광학 위상 어레이를 이용하여 입사된 빔을 원하는 위치로 스티어링한다. 상기 광학 위상 어레이는 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용한다. 상기 빔 스티어링 소자는 인접 채널들에 전압을 인가하여 상기 인접 채널들에서 반사되는 광에 일정한 위상 차이를 주어, 상기 인접 채널들에서 반사된 빛들 사이의 간섭에 의해 일정한 각도로 빔을 스티어링할 수 있다.
활성층을 포함하는 빔 스티어링 소자에 인가되는 전압이 변하면 활성층의 계면에서의 전하 농도의 변화로 광의 위상 특성이 변한다. 상기 인가 전압을 제거시 인가전압에 의한 전하의 히스테리시스 현상으로 상기 활성층 계면에서의 전하 농도가 원래의 상태로 복원되지 않으며, 이에 따라 원하는 위상 특성이 나오지 않는다. 따라서 빔 스티어링 소자로부터 반사되는 빔의 품질이 저하되어 원하는 방향으로 빔을 스티어링할 수 없게 될 수 있다.
원하는 방향으로 빔을 스티어링하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법을 제공한다.
실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템은:
활성층을 사이에 두고 마주보는 나노안테나 및 도전체를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템에 있어서,
상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 하나인 제1전극에 입력할 제1 전압을 직전에 입력한 제2 전압과 그 극성 및 절대 크기를 비교한 결과를 출력하는 전압 비교부와,
상기 전압 비교부로부터 수신한 결과에 근거하여, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 다른 경우와, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 같거나 크면 상기 빔 스티어링 소자의 전원에 상기 제1 전압을 출력하고,
상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 작으면 상기 빔 스티어링 소자의 전원에 보정전압을 출력하는 제어부를 포함한다.
실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법은:
활성층을 사이에 두고 마주보는 나노안테나 및 도전체를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법에 있어서,
상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 하나인 제1전극에 입력할 제1 전압을 직전에 입력한 제2 전압과 비교하는 단계; 및
상기 제1 전압의 인가 이전에 보정 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
상기 보정 전압 인가 단계는:
상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일한 지를 판단하는 단계;
상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일한 것으로 판단되는 경우, 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 같거나 큰 지를 판단하는 단계;
상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기와 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압을 인가하는 단계;
상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 작은 경우, 상기 제1 전압을 인가하기 이전에 보정 전압을 인가하는 단계; 및
상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 다른 경우 상기 제1 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보정 전압은 상기 상기 제2 전압과 전기적 극성이 다를 수 있다.
상기 보정 전압은 상기 제2 전압 보다 크기가 작을 수 있다.
상기 보정 전압은 인가전압의 절대 크기 x 인가전압의 기간으로 구한 보정 웨이트가 상기 제2 전압의 절대 크기 x 상기 제2 전압의 기간으로 구한 제2 전압 웨이트 보다 작을 수 있다.
상기 보정 웨이트는 상기 제2 전압 웨이트의 1/4 내지 3/4 범위일 수 있다.
상기 보정 전압은 상기 제1 전극에 인가된다.
다른 국면에 따르면, 상기 빔 스티어링 소자는 상기 활성층 및 상기 도전체 사이에 배치된 제1 유전체층과, 상기 활성층 및 상기 나노안테나 사이에 배치된 제2 유전체층을 포함하며,
상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 상기 제1 전극에 인가되며,
상기 보정 전압은 상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 다른 제2 전극에 인가될 수 있다. 상기 보정 전압은 상기 제2 전압과 전기적 극성이 동일할 수 있다.
실시예의 빔 스티어링 소자의 구동 시스템 및 구동방법에 따르면, 보정 전압(VC)의 인가로 활성층의 전하농도 변화영역의 전하를 원래 상태에 가깝게 복원할 수 있으며, 이후 구동 전압의 인가로 광변조를 정확하게 할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 단면도다.
도 2는 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 일부 사시도다.
도 3은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 커패시턴스 히스트레시스를 보여주는 그래프다.
도 4는 실시예에 따른 스티어링 소자에 인가되는 구동전압에 따른 반사광의 위상 변화를 보여주는 그래프다.
도 5는 실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템을 개괄적으로 보여주는 블록도다.
도 6은 실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법의 흐름도다.
도 7은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자에서 보정 전압을 인가한 예를 도시한 타이밍 다이어그램이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 단면도다.
도 9는 복수의 단위 셀들을 포함하는 빔 스티어링 소자의 일부 사시도다.
도 10은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자에서 보정 전압을 인가하는 예를 도시한 타이밍 다이어그램이다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자(100)의 단면도다. 도 2는 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자(100) 의 일부 사시도다. 도 1은 빔 스티어링 소자(100)의 단위 셀이다.
빔 스티어링 소자(100)는 1차원 또는 2차원으로 배열된 단위 셀들을 포함할 수 있다. 도 2는 빔 스팅어링 소자(100)의 단위 셀들이 1차원으로 배열된 것을 도시한 것이다. 빔 스티어링 소자(100)의 단위 셀들이 2차원으로 배열된 것은 도 8을 참조한다.
도 1을 참조하면, 빔 스티어링 소자(100)는 도전체(110) 상에 적층된 활성층(130), 나노안테나(150)를 포함한다. 활성층(130) 및 나노안테나(150) 사이에 유전체층(140)이 형성될 수 있다. 나노안테나(150) 및 도전체(110) 사이에 제1 전압(V1)을 인가하는 제1전원(170)이 배치될 수 있다. 도 2에서는 하나의 도전체(110)에 대해서 하나의 나노안테나(150)가 대응되게 도시되었으나 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 하나의 도전체(100)에 복수 개의 나노안테나(150)이 대응되게 형성될 수도 있다.
나노안테나(150)는 플라즈모닉 나노안테나(plasmonic nano-antenna)일 수 있다. 활성층(130)은 도전체(110) 및 나노안테나(150) 사이에 인가되는 전압에 따라서 그 표면의 제1 영역(A1)의 전하 농도(전하 밀도)가 변한다. 도 1에서는 도전체(110)에 그라운드 전압이 인가되고 나노안테나(150)에 구동 전압이 인가된다. 상기 구동전압에 따라 활성층(130)의 제1 영역(A1)의 유전율이 변한다. 활성층(130)의 제1 영역(A1)은 유전체층(140)에 인접하게 형성될 수 있다. 유전체층(140)은 나노안테나(150)와 활성층(130)을 전기적으로 분리하는 절연층일 수 있다.
도 1에서는 제1 전원(170)에 의해 나노안테나(150)에 소정의 전압이 인가되고, 도전체(110)가 접지되어 있으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 유전체층(140)이 활성층(130) 및 도전체(110) 사이에 배치되고, 제1 전원(170)에 의해 도전체(110)에 구동전압이 인가되고, 나노안테나(150)가 접지될 수도 있다.
나노안테나(150)는 특정 파장의 빛, 예컨대 적외선광을 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)의 형태로 변환하여 그 에너지를 포획하며, 빛에 대한 나노구조의 안테나라 할 수 있다. 나노안테나(150)는 도전층 패턴일 수 있고, 상기 도전층 패턴은 비도전층(ex, 유전체층(140))에 접촉될 수 있다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층의 계면에서 플라즈몬 공진이 발생할 수 있다. 이때, 상기 비도전층은 유전체층(140)이거나, 유전체층(140)과 별개의 층으로 배치될 수도 있다. 편의상, 이하에서는 상기 도전층 패턴 자체를 나노안테나(150)로 간주하고 설명한다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층의 계면과 같이, 표면 플라즈몬 공진이 일어나는 경계면(interface)을 통칭하여 "메타 표면" 또는 "메타 구조"라고 할 수 있다.
나노안테나(150)는 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가질 수 있다. 서브 파장(sub-wavelength)이란 나노안테나(150)의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(150)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나(150) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다. 나노안테나(150)의 형상이나 치수에 따라 공진 파장이 달라질 수 있다. 도 2는 일측 방향으로 길이가 긴 직육면체의 형상을 가진 나노안테나(150)를 도시하고 있다.
나노안테나(150)는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 발생할 수 있는 도전율이 높은 금속 물질을 포함할 수 있다. 나노안테나(150)는 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 나노안테나(150)는 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
활성층(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 활성층(130)은 TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)을 포함할 수 있다. 이외에도, 활성층(130)은 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머를 포함할 수도 있다.
도전체(110)는 전도성 물질을 포함할 수 있다. 도전체(110)는 나노안테나(150)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 도전체(110)는 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 도전체(110)는 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
유전체층(140)은 절연성 실리콘 화합물 또는 절연성 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 절연성 실리콘 화합물은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함할 수 있다. 상기 절연성 금속 화합물은, 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO) 등을 포함할 수 있다.
활성층(130)의 전하는 전자일 수 있다. 제1 전원(170)을 이용해서, 나노안테나(150)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압인 경우, 제1 영역(A1)은 전하 축적영역(accumulation region)일 수 있고, 나노안테나(150)에 인가되는 전압이 음(-)의 전압인 경우, 제1 영역(A1)은 전하 공핍영역(depletion region)일 수 있다.
제1 전원(170)을 이용해서, 제1영역(A1)의 특성을 제어할 수 있고, 그에 따라, 빔 스티어링 소자(100)의 광변조 특성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 소정의 입사광(LI)이 나노안테나(150)에 의해 반사되는 경우, 반사광(LR)의 특성이 제1 영역(A1)의 특성에 따라 변화될 수 있다. 다시 말해, 제1 전원(170)으로 나노안테나(150)에 인가하는 전압에 따라서, 반사광(LR)의 반사 각도가 달라질 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(100)의 커패시턴스 히스트레시스를 보여주는 그래프다. 상기 커패시턴스 히스트레시스는 빔 스티어링 소자(100)의 전하농도 변화영역 내의 전하의 히스트레시스를 보여준다. 실험에 사용된 스티어링 소자(100)는 50nm 두께의 Au 도전체(110), 5nm 두께의 ITO 활성층, 8nm 두께의 Hf2O 유전체층, 200nm 폭과 50nm 두께의 Au 안테나를 포함하였다.
도 3을 참조하면, 제1 전원(170)으로 각각 1, 2, 3, 4 볼트의 제1 전압(V1)을 100초 인가한 후, 제1 전원(170)에 -4V ~ 4V의 전압을 스위핑한 결과, 나노안테나(150) 및 도전체(110) 사이의 커패시턴스는 원래 상태와 비교하여 상기 제1 전압(V1)이 증가함에 따라 커패시턴스 히스테리시스가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 제1 전원(170)으로 포지티브 전압을 인가시 활성층(130)의 제1 영역(A1)에서 전하의 축적이 일어난 후, 제1 전원(170)으로 스위핑 전압을 인가하여도 활성층(130)의 제1영역(A1)에 여분의 잔류 전하가 존재하기 때문이다. 이러한 잔류 전하는 far-field에서의 빔 품질을 저하시킨다. 예컨대 빔의 각도의 제어가 정확하지 않을 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 스티어링 소자(100)에 인가되는 구동전압에 따른 반사광의 위상 변화를 보여주는 그래프다.
도 4를 참조하면, 제1 전원(170)으로 제로 전압을 인가시 반사광의 위상이 175도인 상태에서 3V 전압을 인가후 다시 제로 전압을 인가시 위상이 290도로 되었다. 즉, 동일한 제로 전압 인가시에도 위상이 원래 상태로 돌아오지 않았다. 이는 도 3의 실험 결과와 유사하게 활성층(130)의 제1 영역(A1)에 축적된 전하가 제로전압을 인가시 일부 전하가 제1 영역(A1)에서 공핍되지 않고 잔류하기 때문이다.
한편, 제1 전원(170)으로 -3V 전압을 인가시 반사광의 위상이 거의 원래 상태로 회복되는 것을 알 수 있다. 즉, 전기적 극성이 다른 보정 전압(- 전압)의 인가로 활성층(130)의 제1 영역(A1)의 잔류 전하를 공핍시킬 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자(100)의 구동 시스템(200)을 개괄적으로 보여주는 블록도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 구동 시스템(200)은 인가 전압들을 비교하는 전압 비교부(210), 빔 스티어링 소자(100)의 제1전원(170)에 소정의 전압을 인가하는 제어부(230)를 포함한다.
전압 비교부(210)는 나노안테나(150) 및 도전체(110) 중 하나인 제1전극(제1 전원(170))에 입력할 제1 전압의 극성과 절대 크기를 직전에 입력한 제2 전압의 극성 및 절대 크기와 비교하고, 그 결과를 제어부(230)로 출력한다. 상기 결과는 제1 전압, 제2 전압과, 상기 비교결과에 대한 디지털 신호일 수 있다.
제어부(230)는 상기 결과에 근거하여, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 다른 경우와, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 같거나 크면 빔 스티어링 장치(100)의 제1 전원(170)에 상기 제1 전압을 출력하고,
상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 작으면 빔 스티어링 장치(100)의 제1 전원(170)에 보정전압을 출력한다.
도 6은 실시예에 따른 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자(100)의 구동방법의 흐름도다. 도 1의 구성을 가지는 빔 스티어링 소자(100)와 도 5의 블록도를 가지고 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전압 비교부(210)는 나노안테나(150)에 입력할 제1 전압(V1)을 직전에 입력된 제2 전압(V2)과 비교한다 (S10).
전압 비교부(210)는 제1 전압(V1)의 전기적 극성이 제2 전압(V2)의 전기적 극성과 동일한 지를 판단한다 (S20).
제2 전압(V2)은 제1 전원(170)으로 인가한 전압이며, +전압인 경우 활성층(130) 내의 전자들이 제1영역(A1)으로 이동하여 축적된다. 제1영역(A1)으로 이동되는 전하의 양은 제2 전압(V2)의 크기에 비례할 수 있다. 제2 전압(V2)이 -전압인 경우 활성층(130) 내의 전자들이 제1영역(A1)으로부터 공핍된다. 제1영역(A1)으로부터 활성층(130)으로 이동하는 전하의 양은 제2 전압(V2)의 절대 크기에 비례할 수 있다.
제20 단계에서, 전압 비교부(210)는 제1 전압(V1)의 전기적 극성이 제2 전압(V2)의 전기적 극성과 동일한 것으로 판단되는 경우, 제1 전압(V1)의 절대 크기가 제2 전압(V2)의 절대 크기 보다 같거나 큰 지를 판단한다 (S30). 전압 비교부(210)는 판단 결과를 제어부(230)로 출력한다.
제30 단계에서 제어부(230)는 제1 전압(V1)의 절대 크기가 제2 전압(V2)의 절대 크기와 같거나 큰 경우, 제1 전압(V1)을 빔 스티어링 장치(100)의 제1 전원(170)으로 출력한다 (S40).
제30 단계에서, 제어부(230)는 제1 전압(V1)의 절대 크기가 제2 전압(V2)의 절대 크기 보다 작은 경우, 제1 전압(V1)을 인가하기 이전에 보정 전압을 빔 스티어링 장치(100)의 제1 전원(170)으로 출력한다 (S50). 이어서, 제어부(230)는 제1 전압(V1)을 빔 스티어링 장치(100)의 제1 전원(170)로 출력한다 (S60).
상기 보정 전압은 제1 전압(V1)의 전기적 극성과 다른 전기적 극성의 전압일 수 있다. 예컨대, 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)이 모두 + 전압인 경우, 보정 전압은 - 전압이다. 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)이 모두 - 전압인 경우, 보정 전압은 + 전압이다.
도 7은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(100)에서 보정 전압을 인가한 예를 도시한 타이밍 다이어그램이다.
도 7을 참조하면, 제2 전압(V2)을 인가한 후 제2 전압(V2) 보다 절대 크기가 작은 제1 전압(V1)을 인가시, 활성층(130)의 제1영역(A1)에서의 전하의 공핍이 충분히 일어나지 않아서, 원하는 위상 변화를 가져올 수 없다.
제1 전압(V1)을 인가하기 이전에 제2 전압(V2)과 전기적 극성이 다른 보정 전압(VC)을 인가하면, 활성층(130)의 제1 영역(A1)에서 전하가 활성층(130)의 다른 영역으로 이동하게 된다. 이후, 제1 전압(V1)을 인가하면, 제1 영역(A1)에 원하는 전하량의 축적이 가능해 지며, 따라서 빔 스티어링 소자(100)에 의해 반사광의 위상 변화가 적절하게 이루어진다.
인가 전압의 영향력은 전압 웨이트라 할 수 있다. 전압 웨이트는 인가전압의 크기 x 인가전압의 기간으로 표현될 수 있다. 보정 전압(VC)의 웨이트는 인가전압의 크기 x 인가전압의 기간일 수 있다. 보정 전압(VC)의 절대 전압 크기는 제2 전압(V2)의 절대 전압 크기 보다 작을 수 있다. 보정 전압(VC) 웨이트는 제2 전압(V2)의 웨이트의 1/4 ~ 3/4일 수 있다. 보정 전압(VC) 웨이트가 제2 전압(V2)의 웨이트의 1/4 보다 작으면 보정 전압(VC)의 인가 효과가 작을 수 있다. 보정 전압(VC) 웨이트가 제2 전압(V2) 웨이트의 3/4 보다 크면 보정 전압(VC)이 지나치게 커서 제1 영역(A1)의 성질이 변할 수 있다. 예컨대, 전하 축적 영역에서 전하 공핍영역으로 변할 수 있으며, 제1 전압(V1) 인가시 반사광의 각도가 원하는 만큼 변하지 않을 수 있다.
제20 단계에서, 제1 전압(V1)의 전기적 극성이 제2 전압(V2)의 전기적 극성과 다른 것으로 판단되는 경우, 제1 전압(V1)을 인가한다 (S70).
실시예의 빔 스티어링 소자의 구동방법에 따르면, 보정 전압(VC)의 인가로 활성층(130)의 전하농도 변화영역의 전하를 원래 상태에 가깝게 복원할 수 있으며, 이후 구동 전압의 인가로 광변조를 정확하게 할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 구동방법이 적용되는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자(300)의 단면도다. 빔 스티어링 소자(300)는 1차원 또는 2차원으로 배열된 단위 셀들을 포함할 수 있다. 도 8은 빔 스팅어링 소자의 하나의 단위 셀을 도시한 것이다. 도 9는 복수의 단위 셀들을 포함하는 빔 스티어링 소자(300)의 일부 사시도다. 도 9는 나노안테나들(150)이 2차원으로 서로 나란하게 배열되어 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 나노안테나들(150)과 도전체들(110)은 서로 대응되게 1차원으로 배열될 수 있다. 나노안테나들(150)의 1차원적으로 배열된 것은 도 2를 참조한다. 도 1 및 도 2의 빔 스티어링 소자(100)의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 빔 스티어링 소자(300)는 도전체(110) 및 활성층(130) 사이에 형성된 제2 유전체층(320)을 더 포함한다. 나노안테나(150)에는 제1 전원(371)이 연결되며, 도전체(110)에는 제2 전원(372)이 연결된다. 제2 전원(372)은 제1 전원(371)과 독립적으로 도전체(110)에 구동 전압을 인가한다. 활성층(130)에는 제2 전원(372)에 인가되는 전압에 의해 영향을 받는 제2 영역(A2)이 형성될 수 있다. 활성층(130)에서 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)과 마주보게 형성될 수 있다.
제2 유전체층(320)은 유전체층(140)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
제1 전원(371) 및 제2 전원(372)을 이용해서, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)의 특성을 독립적으로 제어할 수 있고, 그에 따라, 빔 스티어링 소자(300)의 광변조 특성이 달라질 수 있다. 활성층(130)의 특성 변화, 그리고, 나노안테나(150), 활성층(130) 및 도전체 사이의 전기광학적 상호 작용에 의해 광변조 특성이 제어될 수 있다. 예를 들어, 소정의 입사광(LI)이 나노안테나(150)에 의해 반사되는 경우, 반사광(LR)의 특성이 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)의 특성에 따라 변화될 수 있다. 다시 말해, 제2 전원(372)으로 도전체(110)에 인가하는 전압과 제1 전원(371)으로 나노안테나(150)에 인가하는 전압에 따라서, 반사광(LR)의 특성이 달라질 수 있다. 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)의 특성을 독립적으로 제어하기 때문에, 빔 스티어링 소자(300)의 광변조 특성 변화가 더 클 수 있다.
제1 전원(371)을 이용한 빔 스티어링 소자(300)의 구동 방법은 상술한 빔 스티어링 소자(100)의 구동 방법과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
제2 전원(372)을 이용한 빔 스티어링 소자(300)의 구동 방법은 상술한 빔 스티어링 소자(100)의 구동 방법과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 10은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(300)에서 보정 전압(VC)을 인가하는 예를 도시한 타이밍 다이어그램이다. 즉, 제1 전원(371) 및 제2 전원(372) 중 하나에는 구동전압을 인가하고, 다른 하나에 보정 전압(VC)을 인가할 수 있다.
도 10을 참조하면, 구동전압(제2 전압(V2))을 나노안테나(150)와 도전체(110) 중 어느 하나, 예컨대 나노안테나(150) 에 인가한 후, 이어서 제1 전압(V1)을 인가하기 이전에 보정 전압(VC)을 인가하는 경우, 도 10에서 처럼 보정 전압(VC)을 나노안테나(150)에 인가하는 대신에 도전체(110)에 인가할 수 있다. 이 때의 보정 전압(VC)은 제2 전압(V2)과 동일한 전기적 극성의 전압이다. 즉, 구동전압은 나노안테나(150)에 인가하고, 보정 전압(VC)은 도전체(110)에 인가한다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 구동전압은 도전체(110) 에 인가하고, 보정 전압(VC)은 나노안테나(150)에 인가할 수 있다.
보정 전압(VC)의 기간은 제2 전압(V2)의 기간 보다 짧을 수 있다.
인가 전압의 영향력은 전압 웨이트라 할 수 있다. 전압 웨이트는 인가전압의 크기 x 인가전압의 기간으로 표현될 수 있다. 보정 전압(VC)의 웨이트는 인가전압의 크기 x 인가전압의 기간일 수 있다. 보정 전압(VC)의 절대 전압 크기는 제2 전압(V2)의 절대 전압 크기 보다 작을 수 있다. 보정 전압 웨이트는 제2 전압(V2)의 웨이트의 1/4 ~ 3/4일 수 있다. 보정 전압 웨이트가 제2 전압(V2)의 웨이트의 1/4 보다 작으면 보정 전압의 인가 효과가 작을 수 있다. 보정 전압 웨이트가 제2 전압(V2) 웨이트의 3/4 보다 크면 보정 전압(VC)이 지나치게 커서 제1 영역(A1)의 성질이 변할 수 있다. 예컨대, 제1 영역(A1)이 전하 축적 영역에서 전하 공핍영역으로 변할 수 있으며, 제1 전압(V1) 인가시 반사광의 각도가 원하는 만큼 변하지 않을 수 있다.
실시예의 빔 스티어링 소자(300)의 구동방법에 따르면, 보정 전압(VC)의 인가로 활성층(130)의 전하농도 변화영역의 전하를 원래 상태에 가깝게 복원할 수 있으며, 이후 구동 전압의 인가로 광변조를 정확하게 할 수 있다.
또한, 활성층의 두 개의 전하농도 변화영역을 독립적으로 제어하기 때문에, 광변조 특성을 효율적으로 제어할 수 있다.
실시예에 따른 빔 스티어링 소자(300)의 구동 시스템의 구성은 도 5의 구동 시스템(200)과 실질적으로 동일하며, 도 5의 구동 시스템(200)을 이용하여 빔 스티어링 소자(3000의 구동방법을 설명한다.
빔 스티어링 소자(300)의 구동 시스템의 제어부(230)는 소정의 인가 전압을 빔 스티어링 장치(300)의 제1 전원(271) 및 제2 전원(272)에 출력한다.
빔 스티어링 소자(300)의 구동 방법은 상술한 설명으로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 빔 스티어링 소자 110: 도전체
130: 활성층 140: 유전체층
150: 나노안테나 170: 전원
A1: 제1 영역

Claims (20)

  1. 활성층을 사이에 두고 마주보는 나노안테나 및 도전체를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템에 있어서,
    상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 하나인 제1전극에 입력할 제1 전압을 직전에 입력한 제2 전압과 그 극성 및 절대 크기를 비교한 결과를 출력하는 전압 비교부;
    상기 전압 비교부로부터 수신한 결과에 근거하여, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 다른 경우와, 상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 같거나 크면 상기 빔 스티어링 소자의 전원에 상기 제1 전압을 출력하고,
    상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일하고 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 작으면 상기 빔 스티어링 소자의 전원에 보정전압을 출력하는 제어부;를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압과 전기적 극성이 다른 구동 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압 보다 크기가 작은 구동 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 인가전압의 절대 크기 x 인가전압의 기간으로 구한 보정 웨이트가 상기 제2 전압의 절대 크기 x 상기 제2 전압의 기간으로 구한 제2 전압 웨이트 보다 작은 구동 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보정 웨이트는 상기 제2 전압 웨이트의 1/4 내지 3/4 범위인 구동 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제1 전극에 인가되는 구동 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 소자는 상기 활성층 및 상기 도전체 사이에 배치된 제1 유전체층과, 상기 활성층 및 상기 나노안테나 사이에 배치된 제2 유전체층을 포함하며,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 상기 제1 전극에 인가되며,
    상기 보정 전압은 상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 다른 제2 전극에 인가되는 구동 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압과 전기적 극성이 동일한 구동 시스템.
  9. 활성층을 사이에 두고 마주보는 나노안테나 및 도전체를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법에 있어서,
    상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 하나인 제1전극에 입력할 제1 전압을 직전에 입력한 제2 전압과 비교하는 단계; 및
    상기 제1 전압의 인가 이전에 보정 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 메타표면 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자의 구동방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 보정 전압 인가 단계는
    상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일한 지를 판단하는 단계;
    상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 동일한 것으로 판단되는 경우, 상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 같거나 큰 지를 판단하는 단계;
    상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기와 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압을 인가하는 단계;
    상기 제1 전압의 절대 크기가 상기 제2 전압의 절대 크기 보다 작은 경우, 상기 제1 전압을 인가하기 이전에 보정 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 제1 전압의 전기적 극성이 상기 제2 전압의 전기적 극성과 다른 경우 상기 제1 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 구동방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압과 전기적 극성이 다른 구동방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압 보다 크기가 작은 구동방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 인가전압의 절대 크기 x 인가전압의 기간으로 구한 보정 웨이트가 상기 제2 전압의 절대 크기 x 상기 제2 전압의 기간으로 구한 제2 전압 웨이트 보다 작은 구동방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 보정 웨이트는 상기 제2 전압 웨이트의 1/4 내지 3/4 범위인 구동방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제1 전극에 인가되는 구동방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 소자는 상기 활성층 및 상기 도전체 사이에 배치된 제1 유전체층과, 상기 활성층 및 상기 나노안테나 사이에 배치된 제2 유전체층을 포함하며,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 상기 제1 전극에 인가되며,
    상기 보정 전압은 상기 나노안테나 및 상기 도전체 중 다른 제2 전극에 인가되는 구동방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압과 전기적 극성이 동일한 구동방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 상기 제2 전압 보다 절대 크기가 작은 구동방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 보정 전압은 인가전압의 절대 크기 x 인가전압의 기간으로 구한 보정 웨이트가 상기 제2 전압의 절대 크기 x 상기 제2 전압의 기간으로 구한 제2 전압 웨이트 보다 작은 구동방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 보정 웨이트는 상기 제2 전압의 웨이트의 1/4 내지 3/4 범위인 구동방법.
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