KR20230076305A - 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기 - Google Patents
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Abstract
본원은, 광 경로 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에 관한 것이다.
Description
본원은, 광 경로 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에 관한 것이다.
마이크로 유체 채널은 여러 산업 분야, 예를 들어 제약/바이오, 의료, 현장진단기기 제조 등에 사용되고 있는 것으로, 종래에는 물리적 솔리드 구조체가 주로 마이크로 유체 채널로 이용되기 때문에 한 번 만들어지면 쉽게 그 구조를 바꿀 수 없고 3D 경로 구현이 어려워 대부분 2차원적 연결성을 가지는 위상기하적 구조로 한정되는 단점이 있다. 광학적 힘을 기반으로 하는 광트랙터(optical tractor)를 이용하면 상기 종래의 마이크로 유체 채널과 차별성이 있는 트랙터를 가능하게 할 수 있다. 광학적 힘은 수십 나노미터~수백 마이크로미터 범위의 길이 스케일, 펨토뉴턴~나노뉴턴 범위의 힘 스케일 및 마이크로초 이상의 시간 스케일을 특징으로 하는 메조스코픽 시스템을 조작 및 제어하는 데 적합하므로 이러한 광학적 힘을 이용한 광집게와 광트랙터에 관한 연구가 다방면으로 행해져 왔다. 하지만 아직까지 이러한 광트랙터는 입자를 먼 거리, 복잡한 경로로 운반할 수 없다는 단점이 있으므로, 광트랙터를 마이크로 유체 채널에 적용하더라도 기존의 마이크로 유체 채널과 마찬가지로 3D 경로의 구현은 제한적이라는 한계가 있다.
본원은, 상기 문제점을 해결하기 위해, 3D를 비롯한 자유 광 경로 형성과 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서, 상기 편광제어부를 통과한 입사되는 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 전기장 세기 분포가 형성되고, 상기 상 전달부를 통해 상기전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고, 목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는, 마이크로 유체 칩을 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는, 메타표면만 교체하면 형성되는 자유경로 광 유체 채널의 경로를 바꿀 수 있는 점에서 가변적이고, 특히 3차원의 자유경로가 가능한 광트랙터를 구현할 수 있다. 또한 메타표면 앞에서 반파장판 등의 편광제어부를 위치시켜서 입사 편광을 조절함으로써 최대 빔 세기 위치(광집속 분포)를 이동시킴으로써 입자를 원하는 방향으로 이동시킬 수 있으므로 시스템이 단순한 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기가 적용된 마이크로 유체 칩은, 서로 다른 입사 편광 상태에 따라 독립적인 기능을 할 수 있는 유니버셜 메타표면을 이용하는 것으로, 서브 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 사이즈를 갖는 입자를 물리적 통로 역할을 하는 구조체 없이 유체 내부에서 3차원의 임의의 경로로 이동시킬 수 있게 하는 마이크로 유체 채널 장치이다. 또한 기존 마이크로 유체 채널은 한 번 제작을 하면 그 연결 구조가 고정되고 이에 따라 그 기능도 고정되어 있는 반면, 본원은 입사광의 실시간 제어를 통해 유체 채널의 네트워크 구성 자체를 바꾸거나, 입자의 이동 속도를 구역에 따라 다르게 제어하거나, 스플리터(splitter), 서큘레이터(circulator), 어큐뮬레이터(accumulator) 등 다양한 기능을 실시간으로 바꿀 수 있는 장점을 가진다. 따라서, 본원의 마이크로 유체 칩은 유체 내부에서 물리적 구조체 없이도 구현가능한 것으로 공간적 효율을 갖고 입자의 거동을 복잡하고 미세하게 제어해야 하는 여러 산업분야에 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. 대표적으로 미세한 약물 제조 기술이 필요한 제약산업 등에 적용될 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기와 이를 이용한 마이크로 유체 칩의 구현을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 두 가지 서로 수직인 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 각각 x 편광(a), x축과 45도의 각도를 갖는 선형 편광(b), y 편광(c)을 가지는 입사 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포를 나타내는 그림이다. 이에 따라, 입사 편광이 동적 편광(편광의 배향이 연속적으로 조절될 때)일 때, 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포가 동적 전기장 세기 분포(이동하는 광집속 분포)가 된다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사빔의 편광을 시간에 따라 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로의 변화를 나타내는 그래프(a)와 이에 따른 전기장 세기의 분포가 점차 광 경로를 따라 이동하게 됨을 나타내는 그래프(b)이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면 앞에 목적하는 광 경로(전기장 세기 분포)가 형성되는 것을 나타내는 개략도(a)와 z축 위치에 따른 형성되는 이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그림(b, c)이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면으로부터 480 nm 위치에 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴(a, b)을 나타내는 시뮬레이션 결과이다: 원(circle) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보임.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면으로부터 720 nm 위치에 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴(a, b)을 나타내는 시뮬레이션 결과이다: 선(line) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보임.
도 8은, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 9는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹과 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹(a)과 제 2 층 구조체 그룹(b)에서의 구조체 형상을 나타내는 SEM 사진이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 12는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 2 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 13은, 본원의 일 구현예에 있어서, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기와 이를 이용한 이미지 생성을 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 14는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 원형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 15는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 선형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 두 가지 서로 수직인 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 각각 x 편광(a), x축과 45도의 각도를 갖는 선형 편광(b), y 편광(c)을 가지는 입사 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포를 나타내는 그림이다. 이에 따라, 입사 편광이 동적 편광(편광의 배향이 연속적으로 조절될 때)일 때, 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포가 동적 전기장 세기 분포(이동하는 광집속 분포)가 된다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사빔의 편광을 시간에 따라 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로의 변화를 나타내는 그래프(a)와 이에 따른 전기장 세기의 분포가 점차 광 경로를 따라 이동하게 됨을 나타내는 그래프(b)이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면 앞에 목적하는 광 경로(전기장 세기 분포)가 형성되는 것을 나타내는 개략도(a)와 z축 위치에 따른 형성되는 이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그림(b, c)이다.
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도 8은, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 9는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹과 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹(a)과 제 2 층 구조체 그룹(b)에서의 구조체 형상을 나타내는 SEM 사진이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 12는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 2 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 13은, 본원의 일 구현예에 있어서, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기와 이를 이용한 이미지 생성을 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 14는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 원형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 15는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 선형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 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 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서, 상기 편광제어부를 통과한 입사되는 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 전기장 세기 분포가 형성되고, 상기 상 전달부를 통해 상기 전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 서로 수직인 두 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 형성하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 편광의 배향을 연속적으로 조절함에 따라 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포를 구현하는 것일 수 있다.
도 1을 참조하면 본원 자유경로 동적 광집속 분포 생성기의 개략적이 설계를 확인할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광을 갖는 입사광이 선형 편광 배향의 제어를 위한 반파장판을 지나면 입사광은 배향이 조절된 선형 편광을 갖는다. 다음으로 배향이 조절된 선형 편광을 갖는 입사광은 적절히 설계된 유니버셜 메타표면(두 층 메타표면)을 지나 설계된 전기장 세기 분포를 형성한다. 이는 목표로 하는 자유 광 경로를 따라 전기장의 최대 세기가 위치하는 광 집속 분포를 갖도록 메타표면이 설계되는 것이다. 또한, 렌즈 등을 포함하는 적절한 광학 시스템을 이용하여, 메타표면을 지나 형성된 광 경로를 마이크로 유체 칩 안의 원하는 위치에 맺히도록 광 경로 상을 전달할 수 있다. 도 1에서 마이크로 유체 칩 내부의 초록색과 파란색 화살표는 각각 서로 다른 마이크로 입자의 이동 경로를 의미하고, 노란 원은 광 경로를 따라 주기적으로 존재하는 전기장의 최대 세기 위치를 의미한다. 파란색 경로와 초록색 경로는 서로 만나지 않는다. 광 경로를 이용하면 물리적으로 끊어진 마이크로 유체 채널에서 광 경로를 따라 서로 다른 종류의 마이크로 입자의 이동 경로가 서로 교차하지 않도록 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 2를 참조하면 두 입사 편광에 대하여 독립적인 전기장 세기 분포의 형성을 확인할 수 있다. 도 2의 a와 같이, x편광 빔이 메타표면에 입사될 때 임의의 목표 광 경로를 따라 최대 전기장 세기가 주기적으로 위치하도록 설계할 수 있다. 또한, y편광 빔이 입사될 때는 그 목표 광 경로 상에서 최대 전기장 세기 위치가 도 2의 a 분포에 독립적인 전혀 다른 전기장 세기 분포가 형성될 수 있다 (도 2의 b). 이때 도 2의 b에서 볼 수 있듯이, 광 조절기 구현을 위해서는 y편광 빔을 조사하였을 때 최대 전기장 세기 분포가 광 경로 상에서 형성됨과 동시에 x편광 빔의 경우와 엇갈리도록 설계해야 한다.
한편, 입자는 빔이 가장 강하게 집속된 위치에 트래핑 되므로 유니버셜 메타표면을 이용하면 입자를 트래핑하고 싶은 위치에 빔의 허리(최대 세기)가 위치하도록 전기장 세기 분포를 구현할 수 있다. 또한, 적절히 설계된 하나의 두 층 메타표면을 이용하면 서로 직교성을 갖는 두 편광에 대하여 독립적인 임의의 세기 분포를 구현할 수 있다. 따라서 도 2의 a에서, 하나의 두 층 메타표면에 x편광 빔을 조사하였을 때는 유체 내의 마이크로 입자들이 광 경로 상의 최대 세기 위치(노란 원)에 모이려고 할 것이다. 마찬가지로, y편광 빔을 사용한 도 2의 b의 경우에도, 유체 내의 마이크로 입자들이 도 2의 a의 경우와 교대로 위치하는 광 경로 상의 최대 세기 지점(노란 원)에 모이려고 할 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 편광제어부는 편광판 및/또는 위상지연판을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 편광제어부를 통해 입사되는 편광의 배향이 조절될 수 있으며, 연속적인 조절을 통해 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포가 생성될 수 있다.
도 3을 참조하면 입사광이 x편광(a), x축과 45도의 각도를 갖는 선형 편광(b), y 편광을 가질 때(c), 각각의 경우에 메타표면을 지나 생성된 광 경로 상에서 최대 전기장 세기 분포를 확인할 수 있다. 도 3의 b의 45도 입사빔 편광의 경우 광 경로 상에서 최대 전기장 세기의 위치는 도 3의 a(x편광 입사빔)의 분포와 도 3의 c(y편광 입사빔)의 분포의 중간 지점에 위치하는 것이 수학적으로 증명될 수 있다. 즉, 시간에 따라 입사빔의 편광을 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로 변화시킴에 따라 최대 세기 지점이 광 경로를 따라 서서히 이동한다. 따라서 마이크로 입자들이 유체 내부에 존재하고, 두 층 메타표면을 이용하여 유체 내부에 광 경로 상을 형성시킨다면, 입사빔의 선형 편광의 배향을 서서히 연속적으로 변화시킴으로써 동적 전기장 세기 분포가 나타나므로 (이동하는 광집속 분포), 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광 컨베이어로서 작동할 수 있다
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 입사되는 편광은 선형 편광(linear polarization), 원형 편광(circular polarization) 또는 타원형 편광(elliptical polarization)을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 동적 전기장 세기 분포의 형성은, 상기 편광제어부에서의 편광 배향을 변화시키는 편광 조절을 통해 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 동적 전기장 세기 분포의 변경은, 상기 유니버셜 메타표면의 구성 변경, 상기 유니버셜 메타표면과 상기 편광제어부 사이의 거리 및 상기 유니버셜 메타표면과 상기 상 전달부 사이의 거리 중 하나 이상을 조절함으로써 수행되는 것일 수 있다.
도 4의 a와 같이, 입사광의 편광을 시간에 따라 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로 변화시킬 수 있다. 상이 맺히는 초점 위치에서의 선형 x편광의 가우시안 빔을 조사하였을 때 복소 세기가 임의의 1차원 광 경로를 따라 cosine 형태, 선형 y 편광의 가우시안 빔을 조사하였을 때는 복소 세기가 sine 형태(pi/2 위상차)를 그리도록 위상 분포를 설계한다. 입사 빔의 편광과 x축 사이의 각도가 Ωt일 때 전기장의 x축 방향 성분은 cos(Ωt)이고, y축 방향 성분은 sin(Ωt)이고, 이미지 면에서의 복소 세기는 각각의 축 성분의 세기에 각각의 경로에 따른 목표 위상 분포 곡선을 곱하여 선형 합하여 나타낼 수 있다. 이 경우 도 4의 b에서와 같이, 시간에 따른 전기장 세기의 분포가 점차 광 경로를 따라 이동하게 됨을 확인할 수 있다. 즉, 광 경로 상의 최대 세기 위치가 평행이동 한다. 일 예로 반파장판를 이용하여 시간에 따라서 서서히 입사 편광을 변화시킬 수 있다. 메타표면을 투과한 입사광이 유체에 조사되면 유체 내부의 입자가 전기장의 최대 세기 위치에 트래핑 되고, 전기장의 편광 상태가 시간에 따라 변화하면 입자가 임의의 설계된 경로를 따라 움직이므로 이로써 광학 트랙터로서의 작동이 구현될 수 있다.
도 5 내지 7을 참조하면, 유니버셜 메타표면을 통해 설계된 광 경로의 형성과 이의 시뮬레이션을 통한 확인을 알 수 있다. 구체적으로, 편광제어부를 통해 입사되는 x편광이 유니버셜 메타표면을 통해 광 경로를 형성(도 5의 a)하고 이를 z축의 위치에 따라 이미지 카메라를 통해 관찰하는 시뮬레이션을 통해 각 형성된 모양을 확인할 수 있다 (도 5의 b 및 c). 유니버셜 메타표면으로부터 z축 480 μm에서 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴은 선(line) 형태는 뚜렷하게 보이나, 원(circle) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보이는 것을 확인할 수 있다(도 6의 a 및 b). 또한, 유니버셜 메타표면으로부터 z축 720 μm에서 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴은 원(circle) 형태는 뚜렷하게 보이나, 선(line) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보이는 것을 확인할 수 있다(도 7의 a 및 b)
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 이중층의 메타표면으로서, 제 1 층의 메타표면과 제 2 층의 메타표면을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층의 메타표면은 기판에 형성되며, 제 1 호스트 물질 및 제 1 복수의 구조체를 포함하고, 상기 제 2 층의 메타표면은 상기 제 1 층의 메타표면 상에 형성되고, 제 2 복수의 구조체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 독립적으로 서로 이격하여 배열되는 것일 수 있다. 상기 기판은 유리(glass) 기판일 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 실리콘을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 호스트 물질은 상기 제 1 복수의 구조체를 지지하는 것으로서, SU-8(에폭시계 포토레지스트)를 포함하는 것일 수 있으며, 투명한 유전체이면 사용에 제한되지는 않는다. 또한, 투명한 물질로 상기 제 1 복수의 구조체에 비해 굴절률이 작은 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 직육면체, 타원기둥, 반타원체, 또는 누워있는 반원기둥의 형상인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 금속, 금속 혼합물, 합금, 무기물, 유/무기물 하이브리드 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물은, 산화물, 질화물, 가시광선보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체, 및 유전체 물질 중에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 산화물은 SiO2, ZnO, Al2O3, ITO, TiO2, ZrO2, HfO2, 및 SnO3 중에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 질화물은 Si3N4 또는 전이금속의 질화물들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 호스트 물질은 기상 물질, 액상 물질, 또는 고상 물질을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기상 물질은 공기, 질소, 또는 불활성 기체를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 불활성 기체는 구체적으로 아르곤 기체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 고상 물질은 SiO2, MgF2, NaF와 같은 저굴절률 유전체 물질, 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)[poly(methyl methacrylate)], 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 유기물, 또는 발포성 폴리스티렌 등의 기공을 포함하는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체는 둘 이상의 제 1 층 구조체 그룹을 포함하고, 상기 각각의 제 1 층 구조체 그룹은 서로 상이한 형상의 구조체를 포함하는 것이고, 상기 제 2 복수의 구조체는 둘 이상의 제 2 층 구조체 그룹을 포함하고, 상기 각각의 제 2 층 구조체 그룹은 동일한 형상의 구조체를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체는 타원기둥 형상이고, 상기 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ1) 중에서 하나 이상이 조절되고, 상기 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ2) 중에서 하나 이상이 조절되는 것일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1 층의 구조체와 제 2 층의 구조체는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 예를 들어 타원형의 구조체가 사용될 경우에는 제 1 층은 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 장축의 회전된 각도(θ1), 제 2 층은 장축과 단축의 길이가 고정되고 수평에 대해 장축의 회전된 각도(θ1)의 인자로 메타표면이 조절될 수 있다. 예를 들어 도 9와 같이, 제 1 층의 구조체는 장축과 단축의 길이가 상이하고 회전된 각도가 상이한 두개의 그룹을 포함할 수 있으며, 이때 조절인자는 두개의 그룹과 장축과 단축의 길이, 회전된 각도를 모두 고려하면 6개가 된다. 또한 제 2 층의 구조체는 장축과 단축의 길이가 동일하고 회전된 각도만 상이한 두개의 그룹을 포함할 경우에는 조절인자는 2개가 된다. 따라서 도 9와 같이 구성된 메타표면은 총 8개의 조절인자를 조절함으로써 목적하는 서로 수직인 입사 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 세기 분포의 형성을 구현할 수 있다.
도 10 내지 13을 참조하면, 도 9와 같이 설계된 유니버셜 메타표면의 실제 제작 사진을 확인할 수 있다. 본원의 유니버셜 메타표면은 두 번의 E-빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 통하여 두 층 메타표면의 각 층을 패터닝하여 타원형 나노포스트(elliptical nanopost) 배열을 만들 수 있다. 따라서, 두 번의 리소그래피를 통한 패터닝 과정을 통해 유니버셜 메타표면을 형성할 수 있는 바, 본원의 유니버셜 메타표면은 메타표면의 최소 선폭(약 80 nm)이 상용화된 D램 반도체의 최소 선폭(약 20 nm)보다 훨씬 큰 수준이며, 수십 번의 패터닝이 필요한 반도체 소자와는 달리 단 두 번의 패터닝만 필요함을 감안할 때 충분히 양산성이 인정되는 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상 전달부는 대물렌즈 및 볼록 렌즈를 포함하는 것일 수 있다. 상기 상 전달부는 일반적인 광학 시스템을 이용할 수 있는 것으로, 상용화된 현미경이 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광트랙터(optical tractor) 또는 광집게(optical tweezer)를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 유니버셜 메타표면을 이용하면 위상, 편광, 세기가 모두 조절된 3D 홀로그램을 만들 수 있다. 특히, 서로 직교성을 갖는 두 입사 편광에 따라 독립적인 3D 홀로그램을 만들 수 있다.
도 13 내지 15를 참조하여 설명하면, 도 13은 입사 편광과 메타표면 위치를 조절하여, 제작된 샘플로부터 이미지를 얻을 수 있는 광 측정 셋업이다. 입사되는 편광 상태가 각각 RCP(right-circular polarization)와 LCP(left-circular polarization)편광일 때, 메타표면의 위치를 조절함에 따라 이미지를 측정하여 홀로그램과 같은 이미지를 형성할 수 있다. 이는 메타표면 앞에 맺힌 3차원 이미지를 z방향으로 스캔하여 보여줄 수 있는 동영상과 같다. 즉, 본원은 서로 수직인 두 편광에서 독립적으로 편광, 세기, 위상을 조절할 수 있는 유니버설 메타 표면의 원리를 이용하여 RCP와 LCP(left-circular polarization) 입사빔 편광에서 각각 나선 이미지와 KAIST 문자를 보일 수 있는 유니버설 메타표면을 디자인하여 구현할 수 있다 (도 14). 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 RCP와 LCP 및 x편광과 y편광의 입사광 편광에서 독립적으로 전혀 다른 필드 프로파일(field profile)을 구현할 수 있다 (도 14 및 도 15).
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고, 목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는, 마이크로 유체 칩을 제공한다. 구체적으로, 상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에서 입사 편광을 동적 편광(편광의 배향이 연속적으로 조절될 때)으로 설계함으로써, 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포가 동적 전기장 세기 분포(이동하는 집광 분포)가 될 수 있다. 상기 동적 전기장 세기 분포(광집속 분포)는 광 유체 채널로서의 역할을 할 수 있다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 마이크로 유체 칩은 임의의 단절된 유체 채널을 포함하고, 상기 자유경로 광 유체 채널이 상기 임의의 단절된 유체 채널을 연결하는 것일 수 있다.
도 1의 최우측 그림과 같이, 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 이용해 마이크로 유체 칩의 물리적으로 끊어진 채널의 양 끝 접합부 사이의 빈 공간에 임의의 경로를 갖는 자유경로 광 유체 채널을 형성함으로써 입자를 단절된 한 접합부에서 다른 접합부로 이동시킬 수 있다. 종래의 마이크로 유체 채널은 2차원 경로만 가능하여 교차 전달이 어려웠던 반면(경로 간의 만남 때문에 교차 전달이 어려움), 본원은 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 통해 3차원 임의의 경로를 형성하고 입자를 이동시킴으로써 채널 간의 교차 전달과 미세한 조정을 가능할 수 있다.
본원의 마이크로 유체 칩은, 임의로 형성될 수 있는 마이크로 유체 채널이 시스템을 구동시키고 제어할 수 있는 마이크로 액추에이터와 함께 통합될 수 있으므로 다양한 산업 분야에 응용될 수 있다. 특히 마이크로 유체 칩을 실험실에서 수행되는 다양한 분석들을 소량의 유체만을 이용하는 하나의 단일 칩에 통합할 수 있는 랩온어칩 시스템에 응용함으로써, 비용 효율성, 병렬화, 진단 속도 및 감도 증가 등의 장점을 얻을 수 있다. 또한 마이크로 유체 칩은 의학, 약물 제조, 세포생물학 등의 여러 분야에 사용되고 있는데, 본원은 기존의 마이크로 유체 채널의 한계를 극복하여 경로의 가변성 및 높은 자유도를 얻을 수 있으므로, 상기 산업 분야에서 있었던 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (16)
- 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서,
상기 편광제어부를 통과한 입사되는 동적 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 임의의 동적 전기장 세기 분포가 형성되고,
상기 상 전달부를 통해 상기 동적 전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는,
자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 서로 수직인 두 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 분포를 형성하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 편광의 배향을 연속적으로 조절함에 따라 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포를 구현하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 편광제어부는 편광판 및/또는 위상지연판을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유니버셜 메타표면은 이중층의 메타표면으로서, 제 1 층의 메타표면과 제 2 층의 메타표면을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 층의 메타표면은 기판에 형성되며, 제 1 호스트 물질 및 제 1 복수의 구조체를 포함하고,
상기 제 2 층의 메타표면은 상기 제 1 층의 메타표면 상에 형성되고, 제 2 복수의 구조체를 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 독립적으로 서로 이격하여 배열되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 직육면체, 타원기둥, 반타원체, 또는 누워있는 반원기둥의 형상인 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 복수의 구조체는 둘 이상의 제 1 층 구조체 그룹을 포함하고,
상기 각각의 제 1 층 구조체 그룹은 서로 상이한 형상의 구조체를 포함하는 것이고,
상기 제 2 복수의 구조체는 둘 이상의 제 2 층 구조체 그룹을 포함하고,
상기 각각의 제 2 층 구조체 그룹은 동일한 형상의 구조체를 포함하는 것인,
자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체는 타원기둥 형상이고,
상기 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ1) 중에서 하나 이상이 조절되고,
상기 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ2) 중에서 하나 이상이 조절되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 입사되는 편광은 선형 편광(linear polarization), 원형 편광(circular polarization) 또는 타원형 편광(elliptical polarization)을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 동적 전기장 세기 분포의 형성은, 상기 편광제어부에서의 편광 배향을 변화시키는 편광 조절을 통해 수행되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 동적 전기장 세기 분포의 변경은, 상기 유니버셜 메타표면의 구성 변경, 상기 유니버셜 메타표면과 상기 편광제어부 사이의 거리 및 상기 유니버셜 메타표면과 상기 상 전달부 사이의 거리 중 하나 이상을 조절함으로써 수행되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상 전달부는 대물렌즈 및 볼록 렌즈를 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광트랙터(optical tractor) 또는 광집게(optical tweezer)를 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
- 제 1 항에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고,
목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는,
마이크로 유체 칩.
- 제 15 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 칩은 임의의 단절된 유체 채널을 포함하고,
상기 자유경로 광 유체 채널이 상기 임의의 단절된 유체 채널을 연결하는 것인, 마이크로 유체 칩.
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|---|---|---|---|
| KR1020210163111A KR102608513B1 (ko) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102608513B1 (ko) |
| WO (1) | WO2023096302A1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100074874A (ko) * | 2008-12-24 | 2010-07-02 | 한국과학기술원 | 미세입자 분리 장치 및 방법 |
| KR20180124106A (ko) * | 2016-04-05 | 2018-11-20 | 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 | 파장이하 해상도 촬영을 위한 메타렌즈 |
| KR20200047612A (ko) * | 2017-08-31 | 2020-05-07 | 메탈렌츠 인코포레이티드 | 투과성 메타표면 렌즈 통합 |
| KR20200071586A (ko) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 포항공과대학교 산학협력단 | 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 |
| KR20210080431A (ko) | 2018-10-26 | 2021-06-30 | 노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션 | 각도를 결정하도록 구조화된 광 조명을 갖는 공초점 광학 프로트랙터를 위한 방법 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101216648B1 (ko) * | 2011-02-15 | 2012-12-31 | 광주과학기술원 | 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법 |
-
2021
- 2021-11-24 KR KR1020210163111A patent/KR102608513B1/ko active IP Right Grant
-
2022
- 2022-11-22 WO PCT/KR2022/018476 patent/WO2023096302A1/ko unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100074874A (ko) * | 2008-12-24 | 2010-07-02 | 한국과학기술원 | 미세입자 분리 장치 및 방법 |
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| KR20200047612A (ko) * | 2017-08-31 | 2020-05-07 | 메탈렌츠 인코포레이티드 | 투과성 메타표면 렌즈 통합 |
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| KR20200071586A (ko) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 포항공과대학교 산학협력단 | 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2023096302A1 (ko) | 2023-06-01 |
| KR102608513B1 (ko) | 2023-12-04 |
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