KR20200074662A - 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자 - Google Patents
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Abstract
넓은 파장 대역에서 일정한 굴절률을 갖는 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자가 개시된다. 개시된 위상 변환 소자는, 금속층과 제 1 유전체층이 번갈아 적층된 적층 구조물; 및 상기 적층 구조물의 측면에 배치된 제 2 유전체층;을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 유전체층은 제 1 유전 상수를 갖는 재료로 이루어지고, 제 2 유전체층은 제 1 유전 상수보다 큰 제 2 유전 상수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 위상 변환 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속-유전체 복합 구조를 구비하여 넓은 파장 대역에서 일정한 굴절률을 갖는 위상 변환 소자에 관한 것이다.
빛의 파장보다 작은 유전체 구조물들의 배열을 이용하면 자연계에서 일반적으로 발견될 수 없는 특이한 전기적, 광학적 성질을 갖는 광학 소자를 제작할 수 있다. 예를 들어, 이러한 광학적 성질을 이용하면 매우 얇은 두께 및 작은 크기를 갖는 렌즈, 빔 편향기, 홀로그램 소자 등을 구현할 수 있다.
그런데 빛의 파장보다 작은 유전체 구조물들의 배열을 갖는 광학 소자는 통상으로 파장 의존성을 갖는다. 따라서 비교적 좁은 파장 대역에서만 소망하는 광학적 성질을 얻을 수 있다. 예를 들어, 이러한 광학적 성질을 이용한 렌즈는 큰 색수차를 갖기 때문에, 색수차를 보상하기 위한 별도의 광학 부재들이 렌즈와 함께 사용된다.
또한, 이러한 광학 소자의 제작을 위해서는 해당하는 빛의 파장에서 높은 굴절률을 갖는 재료를 사용한다. 예를 들어, 1550 nm 파장의 적외선 대역에서는 굴절률이 3.5 이상으로 높은 실리콘(Si)을 주로 사용하고 있다. 그러나 가시광 또는 근적외선 영역에서 고굴절률과 일정한 굴절률을 유지하는 단일 물질은 자연계에서는 존재하지 않는다.
넓은 파장 대역에서 일정한 굴절률을 갖는 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자를 제공한다.
또한, 이러한 위상 변환 소자를 이용한 무색수차 광학 소자를 제공한다.
일 실시예에 따른 위상 변환 소자는, 금속층과 제 1 유전체층이 번갈아 적층된 적층 구조물; 및 상기 적층 구조물의 측면에 배치된 제 2 유전체층;을 포함하며, 상기 제 1 유전체층은 제 1 유전 상수를 갖는 재료로 이루어지고, 상기 제 2 유전체층은 제 1 유전 상수보다 큰 제 2 유전 상수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
상기 적층 구조물은 적어도 2개의 금속층을 포함하며, 마주보는 2개의 금속층 사이에 상기 제 1 유전체층이 개재될 수 있다.
상기 위상 변환 소자는 상기 적층 구조물의 측면과 상기 제 2 유전체층 사이에 개재된 산화물층을 더 포함할 수 있다.
상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
예를 들어, 상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 입사광의 파장의 1/3보다 작을 수 있다.
상기 적층 구조물의 폭은 상기 제 2 유전체층의 폭과 같거나 또는 상기 제 2 유전체층의 폭보다 클 수 있다.
상기 위상 변환 소자는 다수의 적층 구조물 및 상기 다수의 적층 구조물 사이에 배치된 다수의 제 2 유전체층을 포함할 수 있다.
각각의 적층 구조물과 각각의 제 2 유전체층은 제 1 방향으로 연장되어 있으며, 다수의 적층 구조물과 다수의 제 2 유전체층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열될 수 있다.
상기 다수의 적층 구조물은 상기 금속층의 폭, 상기 금속층의 두께, 상기 제 1 유전체층의 두께 중에서 적어도 하나가 서로 상이한 제 1 적층 구조물과 제 2 적층 구조물을 포함할 수 있다.
상기 다수의 적층 구조물의 폭이 일 방향을 따라 점차 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 위상 변환 소자는 상기 금속층과 상기 제 1 유전체층 사이의 계면에서의 표면 플라즈몬 공진에 의한 제 1 공진 파장 대역 및 인접한 2개의 적층 구조물의 금속층들 사이에서의 자기 공진에 의한 제 2 공진 파장 대역을 갖고, 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 4 이상의 굴절률을 가질 수 있다.
예를 들어, 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 굴절률 편차는 0.3 이하일 수 있다.
상기 위상 변환 소자는 2차원 배열되어 있는 다수의 적층 구조물을 포함하며, 상기 제 2 유전체층은 상기 다수의 적층 구조물의 측면들을 둘러싸는 격자 형태를 가질 수 있다.
각각의 적층 구조물의 수평 단면은 사각형, 육각형, 원형 또는 육각 이상의 다각형 형태를 가질 수 있다.
서로 다른 위치에 배치된 적층 구조물들이 서로 다른 폭 또는 두께를 가지며, 상기 위상 변환 소자는 상기 위상 변환 소자 상의 위치에 따라 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
상기 위상 변환 소자가 대칭적인 평면 렌즈 또는 비대칭적인 평면 비구면 렌즈가 되도록, 상기 상이한 폭 또는 두께를 갖는 적층 구조물들이 배열될 수 있다.
상기 위상 변환 소자의 중심으로부터 가장자리를 향해 상기 다수의 적층 구조물의 폭이 점차 증가 또는 감소할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 20 nm의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 유전체층의 두께는 2.5 nm 내지 15 nm의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 하나의 금속층의 두께와 하나의 제 1 유전체층의 두께의 합은 30 nm 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 적층 구조물의 폭은 30 nm 내지 110 nm의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 유전체층의 폭은 20 nm 내지 50 nm의 범위를 갖고, 상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 50 nm 내지 200 nm의 범위를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 유전체층의 제 1 유전 상수는 20보다 작고 상기 제 2 유전체층의 제 2 유전 상수는 30보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 유전체층은 SiO2, Al2O3, Si3N4, Na2SO4, Sr3(PO4)2, YAlO3, MgSiO3, YOCl, CaB4O7, Al2MgO4,, Ba2SiO4, B2O3, Mg4O3(OH)2, Ba3P4O13, Li3OBr, Mg(OH)2, Y2(Si2O7), AlLiO2, YOF, Ba3(PO4)2, SrB4O7, BaSO4, Poly(methyl methacrylate) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 유전체층은 TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SrTiO3, GaN, GaP, BeO, NbOCl3, NaNbO3, NaTaO3, AgTaO3, Li4CO4, CdTiO3, KTaO3, Y2Ti2O7, Cd2Ta2O7, PbHfO3, AlO(OH), SrHfO3, Ag2Ta4O11, BaZrO3, PbZrO3, NaIO3, BiTaO4, HfTe3O8, K2W2O7, Sr2Ta2O7 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속층은 Al, Ag, Au, Cu 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 상술한 위상 변환 소자를 포함하는 무색수차 광학 소자가 제공될 수 있다.
상기 무색수차 광학 소자는 가시광 대역 또는 근적외선 영역에서 평판형 렌즈 또는 평판형 빔 편향기로 작용할 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 위상 변환 소자는 비교적 넓은 파장 대역에 걸쳐서 높은 굴절률과 일정한 굴절률을 가질 수 있다. 특히, 위상 변환 소자는 가시광 또는 근적외선 영역에서 높은 굴절률과 일정한 굴절률을 달성할 수 있다. 따라서, 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작할 수 있으며 색수차가 거의 없는 광학 소자를 구현할 수 있다. 예를 들어, 넓은 파장 대역에서 균일한 광학적 성능을 유지하는 무색수차(achromatic) 특성을 보유한 렌즈 소자, 빔 성형 소자(beam shaping element), 빔편향 소자(beam deflector), 빔 조향 소자(beam steering element), 홀로그램 소자(hologram element) 등을 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 위상 변환 소자의 파장에 따른 굴절률 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 위상 변환 소자에서 제 1 유전체층의 두께를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 위상 변환 소자에서 금속층의 폭과 하나의 단위 요소의 피치를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 위상 변환 소자에서 제 1 유전체층의 두께를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 편광 의존성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면을 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 12a는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 12b는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 13 및 도 14는 적층 구조물의 다양한 형태를 보이는 평면도이다.
도 15a 내지 도 15e는 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 제조 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 광학 소자로서 평판형 렌즈 소자의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 광학 소자로서 빔 편향기의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 위상 변환 소자의 파장에 따른 굴절률 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 위상 변환 소자에서 제 1 유전체층의 두께를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 위상 변환 소자에서 금속층의 폭과 하나의 단위 요소의 피치를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 위상 변환 소자에서 제 1 유전체층의 두께를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 편광 의존성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면을 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 12a는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 12b는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 13 및 도 14는 적층 구조물의 다양한 형태를 보이는 평면도이다.
도 15a 내지 도 15e는 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 제조 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 광학 소자로서 평판형 렌즈 소자의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 광학 소자로서 빔 편향기의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 위상 변환 소자(100)는 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)이 번갈아 적층된 적층 구조물(110) 및 적층 구조물(110)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 유전체층(120)을 포함할 수 있다. 또한, 위상 변환 소자(100)는 투명한 기판(101)을 더 포함할 수도 있으며, 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120)은 투명한 기판(101) 위에 함께 배치될 수 있다. 예를 들어, 투명한 기판(101)으로서 기판(11)으로서 유리(glass), 수정(quartz), 용융 실리카(fused silica), 또는 비정질 사파이어(Al2O3)가 사용될 수 있다.
적층 구조물(110)은 투명한 기판(101) 위에 수직한 방향으로 번갈아 적층된 다수의 제 1 유전체층(102)과 다수의 금속층(103)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층 구조물(110)은 적어도 2개의 금속층(103)을 포함할 수 있다. 빛이 투과할 수 있도록, 금속층(103)은 얇은 두께를 갖는다. 예를 들어, 금속층(103)의 두께(hm)는 약 5 nm 내지 약 20 nm의 범위를 가질 수 있다. 또한, 다수의 금속층(103)은 제 1 유전체층(102)에 의해 서로 일정한 간격으로 분리될 수 있다. 인접하여 마주보는 두 금속층(103) 사이의 간격은 인접한 두 금속층(103) 사이에 개재된 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 제 1 유전체층(102)은 약 2.5 nm 내지 약 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 다수의 제 1 유전체층(102)은 각각의 금속층(103)의 하부 표면과 상부 표면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 투명한 기판(101) 위에 제 1 유전체층(102)이 먼저 배치되고, 제 1 유전체층(102) 위에 금속층(103)이 배치될 수 있다. 그리고, 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)이 번갈아 배치된 후, 마지막으로 금속층(103) 위에 제 1 유전체층(102)이 배치될 수 있다.
위상 변환 소자(100)는 번갈아 배치된 다수의 적층 구조물(110)과 다수의 제 2 유전체층(120)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 투명한 기판(101)의 표면 상에서 수평 방향을 따라 다수의 적층 구조물(110)과 다수의 제 2 유전체층(120)이 배열될 수 있다. 따라서, 다수의 적층 구조물(110)과 다수의 제 2 유전체층(120)이 배열되는 방향은 다수의 제 1 유전체층(102)과 다수의 금속층(103)이 적층되는 방향에 대해 수직할 수 있다. 도 1에는 편의상 2개의 적층 구조물(110)과 2개의 제 2 유전체층(120)만이 도시되었지만, 실제로는 매우 많은 수의 적층 구조물(110)들과 제 2 유전체층(120)들이 1차원 또는 2차원 배열될 수 있다. 여기서, 인접한 두 적층 구조물(110)들 사이의 간격은 제 2 유전체층(120)의 폭에 의해 조절될 수 있다.
하나의 적층 구조물(110)과 그의 측면에 인접한 하나의 제 2 유전체층(120)은 위상 변환 소자(100)의 하나의 단위 요소를 구성한다. 단위 요소의 피치(P) 또는 주기, 다시 말해 적층 구조물(110)의 폭(Wm)과 제 2 유전체층(120)의 폭(Wd)의 합은 특별한 광학적 효과를 얻기 위하여 입사광의 파장보다 작다. 보다 구체적으로, 단위 요소의 피치(P)는 위상 변환 소자(100)가 주로 동작하는 파장 대역보다 작다. 예를 들어, 단위 요소의 피치(P)는 입사광의 1/2 또는 1/3보다도 작을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 각각의 금속층(103)의 상부 표면과 하부 표면에서는 전기적 공진으로서 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)이 발생할 수 있다. 표면 플라즈몬 공진은 금속의 표면에 빛이 입사할 경우 금속 내의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 현상에 따라 금속의 표면에서 국소적으로 매우 증가된 전기장이 발생하는 현상이다. 표면 플라즈몬 공진은 일반적으로 금속과 유전체의 계면에서 발생한다. 이를 위해, 금속층(103)은 표면 플라즈몬 공진을 쉽게 일으키고 얇은 두께에서 빛의 손실이 적은 금속 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속층(103)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
위상 변환 소자(100)를 투과하는 빛은 다수의 금속층(103)을 지나면서 반복적으로 표면 플라즈몬 공진을 일으키게 된다. 이 과정에서, 위상 변환 소자(100)는 표면 플라즈몬 공진의 공진 파장 대역에 해당하는 빛에 대해 높은 굴절률을 갖게 된다. 공진 파장 대역은 각각의 금속층(103)의 두께(hm), 인접한 두 금속층(103) 사이의 간격 또는 각각의 제 1 유전체층(102)의 두께(hd), 각각의 금속층(103)의 폭 또는 각각의 적층 구조물(110)의 폭(Wm), 금속층(103)들의 개수, 금속층(103)의 재료, 제 1 유전체층(102)의 재료 등과 같은 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다.
빛이 위상 변환 소자(100)를 투과하는 동안 짧은 경로 내에서 많은 표면 플라즈몬 공진을 일으킬 수 있도록, 각각의 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)와 각각의 금속층(103)의 두께(hm)의 합이 작은 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 하나의 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)와 하나의 금속층(103)의 두께(hm)의 합은 30 nm 이하일 수 있다.
또한, 제 1 유전체층(102)은 금속층(103)의 표면에서 표면 플라즈몬 공진을 효율적으로 일으킬 수 있으며 입사광의 파장 대역에서 투과성이 있는 유전체 재료를 사용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 표면 플라즈몬 공진은 금속과 유전체의 계면에서 발생하며, 일반적으로 금속에 접하는 유전체의 유전 상수가 작을수록 표면 플라즈몬 공진의 발생에 유리하다. 예를 들어, 제 1 유전체층(102)은 유전 상수가 20보다 작은 저유전율(low-k) 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 유전체층(102)은 SiO2, Al2O3, Si3N4, Na2SO4, Sr3(PO4)2, YAlO3, MgSiO3, YOCl, CaB4O7, Al2MgO4, Ba2SiO4, B2O3, Mg4O3(OH)2, Ba3P4O13, Li3OBr, Mg(OH)2, Y2(Si2O7), AlLiO2, YOF, Ba3(PO4)2, SrB4O7, BaSO4, Poly(methyl methacrylate) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
한편, 빛이 금속층(103)을 투과하면, 금속층(103) 내에서 빛에 의해 여기된 자유 전자가 제 2 유전체층(120)과 접하는 금속층(103)의 양쪽 가장자리에 축적되는 축전 현상(electron accumulation)이 일어난다. 그러면, 화살표로 표시된 바와 같이, 한 단위 요소 내의 금속층(103)의 한쪽 가장자리에 축적된 전자와 인접한 다른 단위 요소 내의 금속층(103)의 한쪽 가장자리에 축적된 전자 사이에 자기장이 형성되어 자기적 공진이 발생한다. 예를 들어, 한 단위 요소의 한 금속층(103)의 우측 가장자리와 그 금속층(103)과 동일한 높이에서 인접하는 다른 금속층(103)의 좌측 가장자리 사이에서 자기적 공진이 발생한다.
위상 변환 소자(100)를 투과하는 빛은 다수의 자기적 공진을 반복적으로 겪게 되며, 이로 인해 위상 변환 소자(100)는 자기적 공진의 공진 파장 대역에 해당하는 빛에 대해 높은 굴절률을 갖게 된다. 금속층(103)과 제 2 유전체층(120) 사이의 계면에 자유 전자를 쉽게 축적시켜 자기적 공진 효과를 증대시키기 위하여, 제 2 유전체층(120)은 높은 유전 상수를 갖는 것이 유리하다. 예를 들어, 제 2 유전체층(120)은 유전 상수가 30보다 큰 고유전율(high-k) 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 유전체층(120)은 TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SrTiO3, GaN, GaP, BeO, NbOCl3, NaNbO3, NaTaO3, AgTaO3, Li4CO4, CdTiO3, KTaO3, Y2Ti2O7, Cd2Ta2O7, PbHfO3, AlO(OH), SrHfO3, Ag2Ta4O11, BaZrO3, PbZrO3, NaIO3, BiTaO4, HfTe3O8, K2W2O7, Sr2Ta2O7 중에서 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 유전체층(120)의 폭(Wd)이 지나치게 크면, 하나의 단위 요소 내의 금속층(103)의 한쪽 가장자리에 축적된 전자와 인접한 다른 단위 요소 내의 금속층(103)의 한쪽 가장자리에 축적된 전자 사이의 거리가 멀어지게 되어 자기적 공진의 효과가 저하될 수 있다. 따라서, 충분한 자기적 공진 효과를 얻기 위하여, 제 2 유전체층(120)의 최대폭은 적층 구조물(110)의 폭 이하일 수 있다. 다시 말해, 적층 구조물(110)의 폭 또는 금속층(103)의 폭은 제 2 유전체층(120)의 폭과 같거나 또는 제 2 유전체층(120)의 폭보다 크다. 예를 들어, 적층 구조물(110)의 폭은 약 30 nm 내지 약 110 nm 정도일 수 있다. 그리고, 제 2 유전체층(120)의 폭은, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm 정도일 수 있다. 또한, 위에서 이미 설명한 바와 같이, 위상 변환 소자(100)의 하나의 단위 요소의 폭 또는 피치(P)는 위상 변환 소자(100)가 주로 동작하는 파장 대역보다 작다. 예를 들어, 적층 구조물(110)의 폭과 제 2 유전체층(120)의 폭의 합은 약 50 nm 내지 약 200 nm 정도일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 위상 변환 소자(100)는 금속층(103)과 제 1 유전체층(102) 사이의 계면에서의 전기적 공진인 표면 플라즈몬 공진에 의한 제 1 공진 파장 대역 및 인접한 2개의 적층 구조물(110) 내의 인접한 금속층(103)들 사이에서의 자기 공진에 의한 제 2 공진 파장 대역을 갖는다. 그리고, 제 1 공진 파장 대역의 빛과 제 2 공진 파장 대역의 빛에 대해 위상 변환 소자(100)는 높은 굴절률을 갖는다. 통상적으로, 제 1 공진 파장 대역은 제 2 공진 파장 대역보다 작다. 그러면, 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 위상 변환 소자(100)는 높은 굴절률을 비교적 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 위상 변환 소자(100)는약 4 이상의 굴절률을 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 위상 변환 소자(100)의 파장에 따른 굴절률 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 3의 그래프를 참조하면, 약 400 nm 내지 약 600 nm의 파장 대역, 즉 제 1 공진 파장 대역에서 전기적 공진이 발생하며, 약 500 nm의 파장에서 약 5 정도인 굴절률의 1차 피크가 형성된다. 그리고, 약 1,000 nm 내지 약 1,300 nm의 파장 대역, 즉 제 2 공진 파장 대역에서 자기적 공진이 발생하며, 약 1,130 nm의 파장에서 약 5 정도인 굴절률의 2차 피크가 형성된다. 이러한 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이에 있는 약 600 nm 내지 약 1,000 nm 사이의 적색 가시광 및 근적외선 영역에서는 약 4 정도의 굴절률이 비교적 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 위상 변환 소자(100)는 비교적 넓은 파장 대역에 걸쳐서 높은 굴절률과 일정한 굴절률을 가질 수 있다. 특히, 위상 변환 소자(100)는 가시광 또는 근적외선 영역에서 높은 굴절률과 일정한 굴절률을 달성할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 위상 변환 소자(100)를 이용하면, 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작할 수 있으며 색수차가 거의 없는 광학 소자를 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 약 4 이상의 높은 굴절률이 유지될 수 있는 파장 대역은 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역이다. 제 1 공진 파장 대역은 각각의 금속층(103)의 두께(hm), 인접한 두 금속층(103) 사이의 간격 또는 각각의 제 1 유전체층(102)의 두께(hd), 각각의 금속층(103)의 폭 또는 각각의 적층 구조물(110)의 폭(Wm), 금속층(103)들의 개수, 금속층(103)의 재료, 제 1 유전체층(102)의 재료 등과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 또한, 제 2 공진 파장 대역은 각각의 금속층(103)의 두께(hm), 각각의 적층 구조물(110)의 폭 또는 각각의 금속층(103)의 폭(Wm), 제 2 유전체층(120)의 폭(Wd), 하나의 단위 요소의 피치(P), 금속층(103)들의 개수, 금속층(103)의 재료, 제 2 유전체층(120)의 재료 등과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 상술한 요인들을 조절함으로써 높은 굴절률이 유지될 수 있는 파장 대역 및 굴절률의 값과 같은 위상 변환 소자(100)의 광학적 특성을 결정할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 위상 변환 소자(100)에서 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 4의 예에서, 3개의 금속층(103)을 사용하였으며, 금속층(103)의 재료로서 은(Ag)을 사용하였고, 금속층(103)의 두께를 15 nm로 고정하였다. 또한, 금속층(103)의 폭(Wm)을 30 nm로 고정하고 하나의 단위 요소의 피치(P)를 50 nm로 고정한 상태에서, 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)를 5 nm, 10 nm, 및 15 nm로 변화시켰다. 또한, 제 1 유전체층(102)의 재료로서 SiO2를 사용하였으며 제 2 유전체층(120)의 재료로서 HfO2를 사용하였다. 도 4의 그래프를 참조하면, 400 nm 내지 750 nm의 파장 대역에서 제 1 유전체층(102)의 두께가 감소할수록 위상 변환 소자(100)의 굴절률이 증가한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5는 도 1에 도시된 위상 변환 소자(100)에서 금속층(103)의 폭(Wm)과 하나의 단위 요소의 피치(P)를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 5의 예에서, 3개의 금속층(103)을 사용하였고, 금속층(103)의 재료로서 은(Ag)을 사용하였으며, 제 1 유전체층(102)의 재료로서 SiO2를 사용하였고, 제 2 유전체층(120)의 재료로서 HfO2를 사용하였다. 또한, 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)를 5 nm로 고정하고 금속층(103)의 두께(hm)를 10 nm로 고정한 상태에서, 금속층(103)의 폭(Wm)을 30 nm, 40 nm, 및 50 nm로 변화시키고 하나의 단위 요소의 피치(P)를 50 nm, 60 nm, 및 70 nm로 변화시켰다. 도 5의 그래프를 참조하면, 400 nm 내지 750 nm의 파장 대역에서 금속층(103)의 폭(Wm)이 증가할수록 위상 변환 소자(100)의 굴절률이 증가한다는 것을 알 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서는 각각의 적층 구조물(110)이 3개의 금속층(103)과 4개의 제 1 유전체층(102)을 포함하고, 적층 구조물(110)의 가장 아래쪽 층과 가장 위쪽 층이 제 1 유전체층(102)인 것으로 설명하였다. 그러나 이는 단지 예시적인 것에 불과하며, 적층 구조물(110)의 구조가 도 1에 도시된 예에 한정되는 것은 아니다. 제 1 유전체층(102)의 개수, 금속층(103)의 개수, 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)의 적층 순서는 위상 변환 소자(100)에 요구되는 광학적 특성에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 6은 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 위상 변환 소자(200)는 금속층(103)과 제 1 유전체층(102)이 번갈아 적층된 적층 구조물(210) 및 적층 구조물(210)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 유전체층(120)을 포함할 수 있다. 적층 구조물(210)은 투명한 기판(101)의 상부 표면 위에서 수직 방향으로 번갈아 적층된 금속층(103)과 제 1 유전체층(102)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 투명한 기판(101)의 상부 표면 위에 금속층(103)이 가장 먼저 배치되고, 그 위에 제 1 유전체층(102)이 배치될 수 있다. 그리고, 적층 구조물(210)의 맨 위쪽 층에는 제 1 유전체층(102)이 위치할 수 있다.
또한, 도 7은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 위상 변환 소자(300)는 금속층(103)과 제 1 유전체층(102)이 번갈아 적층된 적층 구조물(310) 및 적층 구조물(310)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 유전체층(120)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 적층 구조물(310)의 구조는 도 6에 도시된 적층 구조물(210)의 구조와 거의 유사하며, 단지 적층 구조물(310)의 맨 위쪽 층에 금속층(103)이 위치한다는 점에서 차이가 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 위상 변환 소자(400)는 금속층(103)과 제 1 유전체층(102)이 번갈아 적층된 적층 구조물(110), 적층 구조물(110)의 측면에 인접하여 배치된 제 2 유전체층(120), 및 적층 구조물(110)의 측면과 제 2 유전체층(120) 사이에 개재된 산화물층(104)을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 적층 구조물(110)은 도 1에 도시된 적층 구조물(110)과 동일한 것으로 도시되었으나, 도 8에서 적층 구조물(110)은 도 6에 도시된 적층 구조물(210)이나 도 7에 도시된 적층 구조물(310)로 대체될 수도 있다.
산화물층(104)은 약 3 nm 이하의 폭(Wo)을 가지며 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120) 사이의 계면을 따라 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 도 8에는 편의상, 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120) 사이의 계면을 따라 산화물층(104)이 균일하게 배치된 것으로 도시되었다. 그러나, 산화물층(104)은 금속층(103)과 제 2 유전체층(120) 사이의 계면에만 배치되고 제 1 유전체층(102)과 제 2 유전체층(120) 사이의 계면에는 부분적으로만 배치되거나 또는 배치되지 않을 수도 있다. 산화물층(104)은, 예를 들어, 금속층(103)의 금속 재료의 산화물일 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 위상 변환 소자(400)에서 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)를 변화시킬 때 파장에 따른 굴절률 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9의 예에서, 2개의 금속층(103)을 사용하였으며, 금속층(103)의 재료로서 알루미늄(Al)을 사용하였고, 금속층(103)의 두께를 10 nm로 고정하였다. 또한, 금속층(103)의 폭(Wm)을 110 nm로 고정하고 하나의 단위 요소의 피치(P)를 150 nm로 고정한 상태에서, 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)를 5 nm, 10 nm, 및 15 nm로 변화시켰다. 또한, 제 1 유전체층(102)의 재료로서 Al2MgO4를 사용하였으며 제 2 유전체층(120)의 재료로서 HfO2를 사용하였다. 그리고 알루미늄 산화물층(104)의 두께는 약 2.5nm이었다. 도 9의 그래프를 참조하면, 600 nm 내지 900 nm의 파장 대역에서 제 1 유전체층(102)의 두께가 감소할수록 위상 변환 소자(100)의 굴절률이 증가한다는 것을 알 수 있다. 특히, 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)가 5 nm 및 10 nm인 경우에, 650 nm 내지 1,000 nm의 파장 대역 내에서 4 이상의 굴절률이 일정하게 유지된다는 것을 알 수 있다. 또한, 제 1 유전체층(102)의 두께(hd)가 고정된 경우에, 650 nm 내지 1,000 nm의 파장 대역 내에서 굴절률의 편차는 약 0.3 이하일 수 있다.
한편, 상술한 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)에서 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120)의 형태는 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)에 요구되는 광학적 특성에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 10 및 도 11은 편광 의존성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면을 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120)은 y-축 방향을 따라 길게 연장될 수 있다. 이 경우, y-축 방향으로 연장된 막대 형태의 적층 구조물(110)과 y-축 방향으로 연장된 막대 형태의 제 2 유전체층(120)이 x-축 방향을 따라 번갈아 배열된 것으로 볼 수 있다. 그러면, 위상 변환 소자는 y-축 방향의 선편광 성분의 빛을 투과시킬 수 있다.
또한, 도 11을 참조하면, 적층 구조물(110)과 제 2 유전체층(120)은 x-축 방향을 따라 길게 연장될 수 있다. 이 경우, x-축 방향으로 연장된 막대 형태의 적층 구조물(110)과 x-축 방향으로 연장된 막대 형태의 제 2 유전체층(120)이 y-축 방향을 따라 번갈아 배열된 것으로 볼 수 있다. 그러면, 위상 변환 소자는 x-축 방향의 선편광 성분의 빛을 투과시킬 수 있다.
또한, 도 12a는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 상부면의 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 12b는 무편광 특성을 갖는 위상 변환 소자의 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 위상 변환 소자는 x-축 방향 및 y-축 방향을 따라 2차원 배열되어 있는 다수의 적층 구조물(110)을 포함하며, 제 2 유전체층(120)은 다수의 적층 구조물(110)의 측면들을 둘러싸는 격자 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 위상 변환 소자는 모든 편광 성분의 빛을 투과시킬 수 있다.
도 12a 및 도 12b에는 각각의 적층 구조물(110)이 정사각형 형태를 갖는 것으로 도시되었으나, 적층 구조물(110)은 다른 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 13 및 도 14는 적층 구조물(110)의 다양한 형태를 보이는 평면도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 적층 구조물(110)은 2차원 배열된 원 형태를 가질 수도 있다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 적층 구조물(110)은 2차원 배열된 육각형 형태를 가질 수도 있다. 그 외에도, 적층 구조물(110)은 타원형, 삼각형, 직사각형, 평행 사변형, 사다리꼴, 마름모형, 오각형 이상의 다각형 형태를 가질 수도 있다.
도 10 내지 도 14에서는 도 1에 도시된 적층 구조물(110)의 형태에 대해 설명하였으나, 도 10 내지 도 14에서 설명한 내용은 도 6 및 도 7에 도시된 적층 구조물(210, 310)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 15a 내지 도 15e는 일 실시예에 따른 위상 변환 소자(100)의 제조 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
먼저, 도 15a를 참조하면, 투명한 기판(101)의 상부 표면 위에 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)을 번갈아 적층한다. 도 15a에는 제 1 유전체층(102)을 먼저 적층하고 그 위에 금속층(103)을 적층하며 맨 위쪽에는 제 1 유전체층(102)이 위치하는 것으로 도시되었다. 그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)을 적층하는 순서, 제 1 유전체층(102)과 금속층(103)의 개수 등은 필요에 따라 다르게 선택될 수 있다. 그런 후, 맨 위쪽에 배치된 제 1 유전체층(102) 위에 제 1 유전체층(102)의 표면을 모두 덮도록 마스크층(140)을 적층한다.
다음으로, 도 15b를 참조하면, 예를 들어 포토리소그래피 공정을 통해 마스크층(140)을 패터닝하여 패터닝된 마스크(141)를 형성한다. 패터닝된 마스크(141)의 형태는, 예를 들어, 도 10 내지 도 14에 도시된 적층 구조물(110)의 패턴 형태와 같을 수 있다. 그리고, 패터닝된 마스크(141) 사이로 외부에 노출된 제 1 유전체층(102)의 부분은 도 10 내지 도 14에 도시된 제 2 유전체층(120)의 패턴 형태와 같을 수 있다.
그런 후, 도 15c를 참조하면, 투명한 기판(101)이 외부에 노출될 때까지, 패터닝된 마스크(141) 사이로 외부에 노출된 다수의 제 1 유전체층(102)의 부분과 다수의 금속층(103)의 부분을 수직 방향으로 식각하여 제거한다. 투명한 기판(101)이 외부에 노출되면, 식각 공정을 중단하고 식각액을 세척한다. 그리고, 패터닝된 마스크(141)를 제거한다. 그러면, 다수의 적층 구조물(110)이 형성되며, 다수의 적층 구조물(110) 사이로 다수의 트렌치(142)가 형성된다.
도 15d를 참조하면, 트렌치(142) 내에 제 2 유전체층 재료(121)를 채운다. 예를 들어, 다수의 트렌치(142)를 모두 채우고 다수의 적층 구조물(110)의 상부 표면을 모두 덮을 정도로 제 2 유전체층 재료(121)를 적층할 수 있다. 그러면, 다수의 적층 구조물(110) 사이에 제 2 유전체층(120)이 형성될 수 있다. 필요에 따라서는, 적층 구조물(110)의 상부 표면에 있는 제 2 유전체층 재료(121)를 제거하지 않고 공정을 완료할 수도 있다. 그러면, 위상 변환 소자(100)는 적층 구조물(110)의 상부 표면까지 연장된 제 2 유전체층(120)을 포함할 수 있다.
마지막으로, 도 15e를 참조하면, 적층 구조물(110)의 상부 표면에 있는 제 2 유전체층 재료(121)를, 예를 들어, CMP(chemical mechanical polishing)와 같은 평탄화 공정을 이용하여 제거할 수 있다. 그러면, 적층 구조물(110)의 상부 표면이 외부로 노출되고, 적층 구조물(110)의 상부 표면과 제 2 유전체층(120)의 상부 표면이 동일 평면 상에 위치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 개시된 실시예들에 따른 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)의 굴절률은, 금속층(103)의 두께(hm), 인접한 두 금속층(103) 사이의 간격 또는 각각의 제 1 유전체층(102)의 두께(hd), 각각의 금속층(103)의 폭 또는 각각의 적층 구조물(110)의 폭(Wm), 금속층(103)들의 개수, 금속층(103)의 재료, 제 1 유전체층(102)의 재료, 제 2 유전체층(120)의 폭(Wd), 하나의 단위 요소의 피치(P), 제 2 유전체층(120)의 재료 등과 같은 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)의 영역에 따라 이러한 요인들을 달리하면 소정의 굴절률 분포를 갖는 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)가 제작될 수 있다. 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)의 영역에 따라 굴절률이 국소적으로 변화하면 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)를 투과하는 빛의 위상도 국소적으로 달라지게 된다. 이러한 원리를 이용하여 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)는 소정의 광학적 기능을 수행하는 광학 소자의 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)를 이용하면 입사광을 집광하거나, 특정 방향으로 산란 또는 반사하거나, 입사광의 진행 방향을 바꾸거나, 입사광 중에서 특정 파장의 빛만을 투과 또는 반사시킬 수 있다. 특히, 개시된 실시예들에 따른 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)는 가시광 또는 근적외선 파장 대역에서 높은 굴절률을 갖고 비교적 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 굴절률이 유지되기 때문에, 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)를 이용하면 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작할 수 있으며 색수차가 거의 없는 광학 소자를 구현할 수 있다. 예를 들어, 넓은 대역폭에서 균일한 광학적 성능을 유지하는 무색수차(achromatic) 특성을 보유한 렌즈 소자, 빔 성형 소자(beam shaping element), 빔편향 소자(beam deflector), 빔 조향 소자(beam steering element), 홀로그램 소자(hologram element) 등을 구현할 수 있다. 이러한 광학 소자의 동작 특성은 위상 변환 소자(100, 200, 300, 400)의 굴절률 분포에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 도 16은 일 실시예에 따른 광학 소자로서 평판형 렌즈의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 평판형 렌즈(500)는 기판(101) 상에서 번갈아 배열된 다수의 적층 구조물(110)과 다수의 제 2 유전체층(120)을 포함한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 평판형 렌즈(500)의 중심에서 적층 구조물(110)의 폭이 가장 작고, 평판형 렌즈(500)의 가장자리를 향해 다수의 적층 구조물(110)의 폭이 대칭적으로 또는 비대칭적으로 점차 증가할 수 있다. 예를 들어, 적층 구조물(110)의 폭의 분포는 방사 대칭 형태의 분포를 가질 수 있다. 그러면, 평판형 렌즈(500)는 대칭적인 평면 렌즈가 된다. 또한, 다수의 적층 구조물(110)의 폭이 비대칭적으로 점차 증가할 수도 있다. 이 경우, 평판형 렌즈(500)는 비대칭적인 평면 비구면 렌즈가 될 수 있다. 제 2 유전체층(120)의 폭은 평판형 렌즈(500)의 모든 영역에서 동일할 수 있다. 이러한 평판형 렌즈(500)는 가시광 또는 근적외선 영역에서 낮은 색수차를 가질 수 있다.
도 16에는 평판형 렌즈(500)의 중심에서 적층 구조물(110)의 폭이 가장 작고, 평판형 렌즈(500)의 가장자리를 향해 다수의 적층 구조물(110)의 폭이 대칭적으로 또는 비대칭적으로 점차 증가하는 것으로 도시되었으나, 그 반대도 가능하다. 예를 들어, 평판형 렌즈(500)의 중심에서 적층 구조물(110)의 폭이 가장 크고, 평판형 렌즈(500)의 가장자리를 향해 다수의 적층 구조물(110)의 폭이 대칭적으로 또는 비대칭적으로 점차 감소할 수도 있다. 또한, 도 16에는 적층 구조물(110)의 폭만이 변화하는 것으로 도시되었으나, 다른 요인을 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 평판형 렌즈(500)는 금속층의 폭, 금속층의 두께, 제 1 유전체층의 두께 중에서 적어도 하나가 상이한 다수의 적층 구조물(110)을 포함할 수 있다.
또한, 도 17은 일 실시예에 따른 빔 편향기의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 17을 참조하면, 빔 변향기(600)는 기판(101) 상에서 번갈아 배열된 다수의 적층 구조물(110)과 다수의 제 2 유전체층(120)을 포함한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 다수의 적층 구조물(110)의 폭이 일 방향을 따라 점차 증가하거나 또는 감소할 수 있다. 예를 들어, 다수의 적층 구조물(110)의 폭은 좌측에서 우측 방향으로 점차 증가하거나 감소할 수 있다. 각각의 적층 구조물(110)과 각각의 제 2 유전체층(120)은 일 방향으로 연장된 막대의 형태를 가질 수 있다. 제 2 유전체층(120)의 폭은 빔 변향기(600)의 모든 영역에서 동일할 수 있다. 이러한 빔 변향기(600)는 가시광 또는 근적외선 영역에서 대부분의 파장의 빛을 일정한 각도로 균일하게 편향시킬 수 있다.
또한, 도 17에는 적층 구조물(110)의 폭만이 변화하는 것으로 도시되었으나, 다른 요인을 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 빔 변향기(600)는 금속층(103)의 폭, 금속층(103)의 두께, 제 1 유전체층(102)의 두께, 적층 구조물(110)의 전체 두께 중에서 적어도 하나가 상이한 다수의 적층 구조물(110)을 포함할 수 있다.
상술한 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400.....위상 변환 소자
101.....기판
102.....제 1 유전체층
103.....금속층
104.....산화물층
110, 210, 310.....적층 구조물
120.....제 2 유전체층
500.....평판형 렌즈
600.....빔 변향기
101.....기판
102.....제 1 유전체층
103.....금속층
104.....산화물층
110, 210, 310.....적층 구조물
120.....제 2 유전체층
500.....평판형 렌즈
600.....빔 변향기
Claims (29)
- 금속층과 제 1 유전체층이 번갈아 적층된 적층 구조물; 및
상기 적층 구조물의 측면에 배치된 제 2 유전체층;을 포함하며,
상기 제 1 유전체층은 제 1 유전 상수를 갖는 재료로 이루어지고, 상기 제 2 유전체층은 제 1 유전 상수보다 큰 제 2 유전 상수를 갖는 재료로 이루어지는 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물은 적어도 2개의 금속층을 포함하며, 마주보는 2개의 금속층 사이에 상기 제 1 유전체층이 개재되어 있는 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물의 측면과 상기 제 2 유전체층 사이에 개재된 산화물층을 더 포함하는 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 입사광의 파장보다 작은 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 입사광의 파장의 1/3보다 작은 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물의 폭은 상기 제 2 유전체층의 폭과 같거나 또는 상기 제 2 유전체층의 폭보다 큰 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상 변환 소자는 다수의 적층 구조물 및 상기 다수의 적층 구조물 사이에 배치된 다수의 제 2 유전체층을 포함하는 위상 변환 소자. - 제 7 항에 있어서,
각각의 적층 구조물과 각각의 제 2 유전체층은 제 1 방향으로 연장되어 있으며, 다수의 적층 구조물과 다수의 제 2 유전체층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 번갈아 배열되어 있는 위상 변환 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 다수의 적층 구조물은 상기 금속층의 폭, 상기 금속층의 두께, 상기 제 1 유전체층의 두께 중에서 적어도 하나가 서로 상이한 제 1 적층 구조물과 제 2 적층 구조물을 포함하는 위상 변환 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 다수의 적층 구조물의 폭이 일 방향을 따라 점차 증가 또는 감소하는 위상 변환 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 위상 변환 소자는 상기 금속층과 상기 제 1 유전체층 사이의 계면에서의 표면 플라즈몬 공진에 의한 제 1 공진 파장 대역 및 인접한 2개의 적층 구조물의 금속층들 사이에서의 자기 공진에 의한 제 2 공진 파장 대역을 갖고, 제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 4 이상의 굴절률을 갖는 위상 변환 소자. - 제 11 항에 있어서,
제 1 공진 파장 대역과 제 2 공진 파장 대역 사이의 파장 대역에서 굴절률 편차는 0.3 이하인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상 변환 소자는 2차원 배열되어 있는 다수의 적층 구조물을 포함하며, 상기 제 2 유전체층은 상기 다수의 적층 구조물의 측면들을 둘러싸는 격자 형태를 갖는 위상 변환 소자. - 제 13 항에 있어서,
각각의 적층 구조물의 수평 단면은 사각형, 육각형, 원형 또는 육각 이상의 다각형 형태를 갖는 위상 변환 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 다수의 적층 구조물은 상기 금속층의 폭, 상기 금속층의 두께, 상기 제 1 유전체층의 두께 중에서 적어도 하나가 서로 상이한 제 1 적층 구조물과 제 2 적층 구조물을 포함하는 위상 변환 소자. - 제 13 항에 있어서,
서로 다른 위치에 배치된 적층 구조물들이 서로 다른 폭 또는 두께를 가지며, 상기 위상 변환 소자는 상기 위상 변환 소자 상의 위치에 따라 상이한 굴절률을 갖는 위상 변환 소자. - 제 16 항에 있어서,
상기 위상 변환 소자가 대칭적인 평면 렌즈 또는 비대칭적인 평면 비구면 렌즈가 되도록, 상기 상이한 폭 또는 두께를 갖는 적층 구조물들이 배열되어 있는 위상 변환 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 위상 변환 소자의 중심으로부터 가장자리를 향해 상기 다수의 적층 구조물의 폭이 점차 증가 또는 감소하는 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 20 nm인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층의 두께는 2.5 nm 내지 15 nm인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
하나의 금속층의 두께와 하나의 제 1 유전체층의 두께의 합은 30 nm 이하인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 구조물의 폭은 30 nm 내지 110 nm인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 유전체층의 폭은 20 nm 내지 50 nm이고, 상기 적층 구조물의 폭과 상기 제 2 유전체층의 폭의 합은 50 nm 내지 200 nm인 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층의 제 1 유전 상수는 20보다 작고 상기 제 2 유전체층의 제 2 유전 상수는 30보다 큰 위상 변환 소자. - 제 24 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층은 SiO2, Al2O3, Si3N4, Na2SO4, Sr3(PO4)2, YAlO3, MgSiO3, YOCl, CaB4O7, Al2MgO4,, Ba2SiO4, B2O3, Mg4O3(OH)2, Ba3P4O13, Li3OBr, Mg(OH)2, Y2(Si2O7), AlLiO2, YOF, Ba3(PO4)2, SrB4O7, BaSO4, Poly(methyl methacrylate) 중에서 적어도 하나의 재료를 포함하는 위상 변환 소자. - 제 24 항에 있어서,
상기 제 2 유전체층은 TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SrTiO3, GaN, GaP, BeO, NbOCl3, NaNbO3, NaTaO3, AgTaO3, Li4CO4, CdTiO3, KTaO3, Y2Ti2O7, Cd2Ta2O7, PbHfO3, AlO(OH), SrHfO3, Ag2Ta4O11, BaZrO3, PbZrO3, NaIO3, BiTaO4, HfTe3O8, K2W2O7, Sr2Ta2O7 중에서 적어도 하나의 재료를 포함하는 위상 변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은 Al, Ag, Au, Cu 중에서 적어도 하나의 재료를 포함하는 위상 변환 소자. - 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 위상 변환 소자를 포함하는 무색수차 광학 소자.
- 제 28 항에 있어서,
상기 무색수차 광학 소자는 가시광 대역 또는 근적외선 영역에서 평판형 렌즈 또는 평판형 빔 편향기로 작용하도록 구성된 광학 소자.
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