KR20230076744A - meta-structure actively modulating at visible light wavelengths - Google Patents

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KR20230076744A
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김용해
최경희
황치선
양종헌
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention discloses a metastructure. According to the present invention, a metastructure includes: a lower electrode; a lower insulating film on the lower electrode; metal oxide layers on the lower insulating film; metal layers provided between the metal oxide layers; an upper insulating layer on the metal layers; and an upper electrode provided on the upper insulating layer and having an area smaller than that of the lower electrode and having a hexahedral shape.

Description

가시광 파장에서 능동 변조하는 메타 구조{meta-structure actively modulating at visible light wavelengths}Meta-structure actively modulating at visible light wavelengths}

본 발명은 메타 구조에 관한 것으로, 상세하게는 가시광 파장에서 능동 변조하는 메타 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a metastructure, and more particularly, to a metastructure that actively modulates at a wavelength of visible light.

일반적으로 가시광 파장에서 능동 변조하는 메타구조가 많지 않다. ITO 전극을 이용하는 경우는 근적외선 영역에서 동작 하였고, Graphene 전극을 사용하는 경우는 중적외선 영역에서 동작하였다. 최근에 금속과 유전체를 적층으로 쌓아서 유효 유전율이 zero 가 되는 ENZ(Epsilon near zero) 주파수를 조절할 수 있다는 결과가 보고되었다. 메탈과 유전체의 두께가 충분히 얇다고 하면, 평균장 이론에 의해 유효 유전율은 다음과 같이 나타내어 진다. 메탈과 ITO가 Drude model 을 따른다고 하면, 유효 굴절율은 감소할 수 있다.In general, there are not many metastructures that actively modulate at visible light wavelengths. In the case of using the ITO electrode, it operated in the near-infrared region, and in the case of using the graphene electrode, it operated in the mid-infrared region. Recently, it has been reported that the ENZ (Epsilon near zero) frequency at which the effective permittivity becomes zero can be controlled by stacking metal and dielectric layers. Assuming that the thickness of the metal and the dielectric is sufficiently thin, the effective permittivity is expressed as follows by the mean field theory. If metal and ITO follow the Drude model, the effective refractive index may decrease.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가시광 영역에서 복소 광변조를 구현할 수 있는 메타 구조를 제공하는 데 있다.An object to be solved by the present invention is to provide a meta structure capable of realizing complex light modulation in the visible light region.

본 발명은 메타 구조를 개시한다. 그의 구조는 하부 전극; 상기 하부 전극 상의 하부 절연막; 상기 하부 절연막 상의 금속 산화물 층들; 상기 금속 산화물 층들 사이에 제공되는 금속 층들; 상기 금속 층들 상의 상부 절연 층; 및 상기 상부 절연 층 상에 제공되어 상기 하부 전극의 면적보다 작은 면적을 갖고, 육면체의 모양을 갖는 상부 전극을 포함한다.The present invention discloses a meta structure. Its structure includes a lower electrode; a lower insulating film on the lower electrode; metal oxide layers on the lower insulating film; metal layers provided between the metal oxide layers; an upper insulating layer on the metal layers; and an upper electrode provided on the upper insulating layer, having an area smaller than that of the lower electrode, and having a hexahedral shape.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 메타 구조는 교번하여 적층되는 금속 층 및 금속 산화물 층과, 육면체 모양을 갖는 상부 전극을 이용하여 복소 광변조를 구현할 수 있다.As described above, the metastructure according to the embodiment of the present invention can implement complex light modulation using alternately stacked metal layers and metal oxide layers, and an upper electrode having a hexahedral shape.

도 1은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 메타 구조의 상부 전극에 제공되는 전압에 의해 생성되는 전하의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 전압 및 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여주는 그래프들이다.
도 5는 도 1의 하부 전극 및 상부 전극 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여주는 그래프들이다.
도 8은 도 1의 금속 층들의 상부 및 상부 전극 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 9 및 도 10은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여주는 그래프들이다.
도 11은 도 1의 하부 전극, 금속 층들, 및 상부 전극 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 12 및 도 13은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여주는 그래프들이다.
도 14는 본 발명의 개념에 따른 메타 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 개념에 따른 메타 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조의 일 예를 보여주는 단면도들이다. 1 is a cross-sectional view showing an example of a meta structure according to the concept of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of electric charge generated by a voltage applied to an upper electrode of the meta structure of FIG. 1 .
3 and 4 are graphs showing reflectance according to the voltage of FIG. 2 and the wavelength of visible light.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of charges according to a voltage between a lower electrode and an upper electrode of FIG. 1 .
6 and 7 are graphs showing reflectance according to the wavelength of visible light.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of charges according to a voltage between an upper portion of the metal layers and an upper electrode of FIG. 1 .
9 and 10 are graphs showing reflectance according to the wavelength of visible light.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of charges according to a voltage between a lower electrode, metal layers, and an upper electrode of FIG. 1 .
12 and 13 are graphs showing reflectance according to the wavelength of visible light.
14 is a cross-sectional view showing an example of a meta structure according to the concept of the present invention.
15 is a cross-sectional view showing an example of a meta structure according to the concept of the present invention.
16 is a cross-sectional view showing an example of a meta structure according to the concept of the present invention.
17 and 18 are cross-sectional views showing an example of a meta structure according to the concept of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in different forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' means that a stated component, operation, and/or element excludes the presence or addition of one or more other components, operations, and/or elements. I never do that. In addition, since it is according to a preferred embodiment, reference numerals presented according to the order of description are not necessarily limited to the order.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shapes shown, but also include changes in shapes generated according to manufacturing processes.

도 1은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조(100)의 일 예를 보여준다.1 shows an example of a meta structure 100 according to the concept of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 메타 구조(100)는 가시광 파장에서 능동 변조하는 메타 구조일 수 있다. 일 예에 따르면, 본 발명의 메타 구조(100)는 하부 전극(10), 하부 절연 층(20), 금속 산화물 층들(30), 금속 층들(40), 상부 절연 층(50), 및 상부 전극(60)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the meta structure 100 of the present invention may be a meta structure that actively modulates in visible light wavelengths. According to an example, the meta-structure 100 of the present invention includes a lower electrode 10, a lower insulating layer 20, metal oxide layers 30, metal layers 40, an upper insulating layer 50, and an upper electrode. (60) may be included.

하부 전극(10)은 하부 절연 층(20)의 아래에 제공될 수 있다. 하부 전극(10)은 투명 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(10)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 하부 전극(10)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W)을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.The lower electrode 10 may be provided under the lower insulating layer 20 . The lower electrode 10 may include a transparent electrode. For example, the lower electrode 10 may include indium tin oxide (ITO). Unlike this, the lower electrode 10 may include gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), or tungsten (W), but the present invention is not limited thereto.

하부 절연 층(20)은 하부 절연 층(20) 상에 제공될 수 있다. 하부 절연 층(20)은 유전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 절연 층(20)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이와 달리, 하부 절연 층(20)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.The lower insulating layer 20 may be provided on the lower insulating layer 20 . The lower insulating layer 20 may include a dielectric. For example, the lower insulating layer 20 may include silicon oxide. Alternatively, the lower insulating layer 20 may include silicon nitride, but the present invention is not limited thereto.

금속 산화물 층들(30)은 하부 절연 층(20) 상에 제공될 수 있다. 일 예에 따르면, 금속 산화물 층들(30)은 투명 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물 층들(30)은 ITO를 포함할 수 있다. Metal oxide layers 30 may be provided on the lower insulating layer 20 . According to one example, the metal oxide layers 30 may include a transparent layer. For example, the metal oxide layers 30 may include ITO.

금속 층들(40)은 금속 산화물 층들(30) 사이에 제공될 수 있다. 금속 층들(40)은 반투과 층일 수 있다. 금속 층들(40)은 은(Ag)을 포함할 수 있다.Metal layers 40 may be provided between the metal oxide layers 30 . The metal layers 40 may be transflective layers. The metal layers 40 may include silver (Ag).

상부 절연 층(50)은 금속 산화물 층들(30) 및 금속 층들(40) 상에 제공될 수 있다. 상부 절연 층(50)은 하부 절연 층(20)과 동일할 수 있다. 상부 절연 층(50)은 유전체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 절연 층(50)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.The upper insulating layer 50 may be provided on the metal oxide layers 30 and the metal layers 40 . The upper insulating layer 50 may be the same as the lower insulating layer 20 . The upper insulating layer 50 may include a dielectric. For example, the upper insulating layer 50 may include silicon oxide or silicon nitride.

상부 전극(60)은 상부 절연 층(50) 상에 제공될 수 있다. 상부 전극(60)은 하부 전극(10)의 면적보다 작은 면적을 가질 수 있다. 상부 전극(60은 육면체 모양을 가질 수 있다.The upper electrode 60 may be provided on the upper insulating layer 50 . The upper electrode 60 may have an area smaller than that of the lower electrode 10 . The upper electrode 60 may have a hexahedral shape.

따라서, 본 발명의 메타 구조(100)는 교번하여 적층되는 금속 층(40) 및 금속 산화물 층(30)과, 육면체 모양을 갖는 상부 전극(60)을 이용하여 복소 광변조를 구현할 수 있다.Accordingly, the metastructure 100 of the present invention can implement complex light modulation by using the alternately stacked metal layers 40 and metal oxide layers 30 and the upper electrode 60 having a hexahedral shape.

한편, 본 발명의 메타 구조(100)는 금속 산화물 층들(30) 및 금속 층들(40)의 필 팩터(fill factor)를 조정하여 ENZ 파장을 가시광 파장으로 설정할 수 있다. 본 발명의 메타 구조(100)의 유효 유전율은 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.Meanwhile, in the metastructure 100 of the present invention, the ENZ wavelength may be set to the visible light wavelength by adjusting fill factors of the metal oxide layers 30 and the metal layers 40 . The effective permittivity of the meta structure 100 of the present invention can be expressed as Equation 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 Eeff는 effective 유전율, ρ는 fill factor, Emetal은 금속 층들(40)의 제 1 유전율, 및 EITO는 상부 절연 층(50)의 제 2 유전율이다.Here, E eff is the effective dielectric constant, ρ is the fill factor, E metal is the first dielectric constant of the metal layers 40, and E ITO is the second dielectric constant of the upper insulating layer 50.

유효 유전율(Eeff)는 필 팩터(ρ)와 금속 층들(40)의 제 1 유전율(Emeta)의 곱에 비례하고, 금속 산화물 층들(30)의 제 2 유전율(EITO)에 비례할 수 있다.The effective permittivity (E eff ) is proportional to the product of the fill factor (ρ) and the first permittivity (E meta ) of the metal layers 40 , and may be proportional to the second permittivity (E ITO ) of the metal oxide layers 30 . there is.

상부 전극(60)의 넓이는 가시광의 파장에 대한 유효 굴절률에 영향을 미칠 수 있다. 가시광의 파장이 GAP 플라즈마 파장과 동일할 경우, 메타 구조(100)는 상기 가시광을 반사하거나 굴절시킬 수 있다. 가시광의 파장이 GAP 플라즈마 파장과 동일하게 하는 조건은 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.The width of the upper electrode 60 may affect the effective refractive index for the wavelength of visible light. When the wavelength of visible light is the same as the wavelength of the GAP plasma, the meta structure 100 may reflect or refract the visible light. A condition for making the wavelength of visible light equal to the wavelength of the GAP plasma may be expressed as in Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, neff는 effective 굴절율, φ는 계면에서 얻어지는 위상,

Figure pat00003
는 가시광의 파장, m은 정수를 나타낸다. Here, n eff is the effective refractive index, φ is the phase obtained at the interface,
Figure pat00003
is the wavelength of visible light, and m is an integer.

유효 굴절률(neff)을 가시광의 파장(

Figure pat00004
)으로 나눈 값과 위상(φ)의 합은 2ð의 정수배(m)에 대응할 수 있다. The effective refractive index (n eff ) is defined as the wavelength of visible light (
Figure pat00004
) and the sum of the phase φ may correspond to an integer multiple (m) of 2ð.

도 2는 도 1의 메타 구조(100)의 상부 전극(60)에 제공되는 전압에 의해 생성되는 전하의 일 예를 보여준다.FIG. 2 shows an example of electric charge generated by a voltage applied to the upper electrode 60 of the meta structure 100 of FIG. 1 .

도 2를 참조하여 하부 전극(10)에 음의 전압이 제공되고, 상부 전극(60)에 양의 전압이 제공되면, 음 전하는 상부 절연 층(50)에 집중되고, 양 전하는 하부 절연 층(20)에 집중될 수 있다. 음 전하는 금속 산화물 층들(30) 상부의 플라즈마 주파수를 증가시키고, 상기 금속 산화물 층들(30) 상부의 유전율을 감소시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 감소시킬 수 있다. 양 전하는 금속 산화물 층들(30) 하부의 플라즈마 주파수를 감소시키고, 상기 금속 산화물 층들(30) 하부의 유전율을 증가시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 증가시킬 수 있다.Referring to FIG. 2 , when a negative voltage is provided to the lower electrode 10 and a positive voltage is provided to the upper electrode 60, negative charges are concentrated on the upper insulating layer 50, and positive charges are concentrated on the lower insulating layer 20. ) can be concentrated. The negative charge may increase the plasma frequency above the metal oxide layers 30, decrease the permittivity above the metal oxide layers 30, and decrease the ENZ wavelength of the metal layers 40 and the metal oxide layers 30. . The positive charge may decrease the plasma frequency under the metal oxide layers 30, increase the permittivity under the metal oxide layers 30, and increase the ENZ wavelength of the metal layers 40 and metal oxide layers 30. .

도 3 및 도 4는 도 2의 전압 및 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여준다. 3 and 4 show reflectance according to the voltage of FIG. 2 and the wavelength of visible light.

도 3을 참조하면, 상부 전극(60) 및 하부 전극(10) 사이에 전압이 인가되기 전에, gap 플라즈몬 파장에서 반사도의 최대값이 나타날 수 있다. Referring to FIG. 3 , before a voltage is applied between the upper electrode 60 and the lower electrode 10, a maximum value of reflectivity may appear at a gap plasmon wavelength.

도 4를 참조하여 상부 전극(60)에 양의 전압이 인가되고, 하부 전극(10)에 음의 전압이 인가되면, 금속 산화물 층들(30)의 상부와 하부의 유전율이 서로 반대 방향으로 이동함에 따라 2개의 반사도 피크들이 나타나고, 정해진 파장에서 반사되는 광의 세기와 위상이 바뀌는 것처럼 느끼게 된다. Referring to FIG. 4 , when a positive voltage is applied to the upper electrode 60 and a negative voltage is applied to the lower electrode 10 , the upper and lower permittivities of the metal oxide layers 30 move in opposite directions. Accordingly, two peaks of reflectivity appear, and it is felt as if the intensity and phase of light reflected at a given wavelength change.

도 5는 도 1의 하부 전극(10) 및 상부 전극(60) 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여준다. FIG. 5 shows an example of charges according to voltage between the lower electrode 10 and the upper electrode 60 of FIG. 1 .

도 5를 참조하여 하부 전극(10)에 양의 전압이 제공되고, 상부 전극(60)에 음의 전압이 제공되면, 양 전하는 상부 절연 층(50)에 집중되고, 음 전하는 하부 절연 층(20)에 집중될 수 있다. 양 전하는 금속 산화물 층들(30) 상부의 플라즈마 주파수를 감소시키고, 상기 금속 산화물 층들(30) 상부의 유전율을 증가시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 증가시킬 수 있다. 음 전하는 금속 산화물 층들(30) 하부의 플라즈마 주파수를 증가시키고, 상기 금속 산화물 층들(30) 하부의 유전율을 감소시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 감소시킬 수 있다.Referring to FIG. 5 , when a positive voltage is provided to the lower electrode 10 and a negative voltage is provided to the upper electrode 60, positive charges are concentrated on the upper insulating layer 50, and negative charges are concentrated on the lower insulating layer 20. ) can be concentrated. The positive charge may decrease the plasma frequency over the metal oxide layers 30, increase the permittivity over the metal oxide layers 30, and increase the ENZ wavelength of the metal layers 40 and metal oxide layers 30. . The negative charge may increase the plasma frequency under the metal oxide layers 30, decrease the permittivity under the metal oxide layers 30, and decrease the ENZ wavelength of the metal layers 40 and the metal oxide layers 30. .

도 6 및 도 7은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여준다. 6 and 7 show the reflectance according to the wavelength of visible light.

도 6을 참조하면, 상부 전극(60) 및 하부 전극(10) 사이에 전압이 인가되기 전에, gap플라즈몬 파장에서 반사도의 최대값이 나타날 수 있다.Referring to FIG. 6 , before a voltage is applied between the upper electrode 60 and the lower electrode 10, a maximum value of reflectivity may appear at a gap plasmon wavelength.

도 7을 참조하여 상부 전극(60)에 음의 전압이 인가되고, 하부 전극(10)에 양의 전압이 인가되면, 금속 산화물 층들(30)의 상부와 하부의 유전율이 서로 반대 방향으로 이동함에 따라 2개의 반사도 피크들이 나타나고, 정해진 파장에서 반사되는 광의 세기와 위상이 바뀌는 것처럼 느끼게 된다. 반사도 피크들은 전압의 극성에 따라 변화될 수 있다. Referring to FIG. 7, when a negative voltage is applied to the upper electrode 60 and a positive voltage is applied to the lower electrode 10, the permittivity of the upper and lower portions of the metal oxide layers 30 moves in opposite directions. Accordingly, two peaks of reflectivity appear, and it is felt as if the intensity and phase of light reflected at a given wavelength change. Reflectivity peaks can change depending on the polarity of the voltage.

도 8은 도 1의 금속 층들(40)의 상부 및 상부 전극(60) 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여준다.FIG. 8 shows an example of charges depending on the voltage between the top of the metal layers 40 and the top electrode 60 of FIG. 1 .

도 8을 참조하여 금속 층들(40)의 상부 및 하부 전극(10)에 음의 전압이 제공되고, 상부 전극(60)에 양의 전압이 인가되면, 음 전하는 금속 산화물 층들(30)의 상부에 집중되고, 양전하는 금속 층들(40)의 상부에 집중될 수 있다. Referring to FIG. 8 , when a negative voltage is applied to the upper and lower electrodes 10 of the metal layers 40 and a positive voltage is applied to the upper electrode 60, negative charges are applied to the top of the metal oxide layers 30. Concentrated, the positive charge may be concentrated on top of the metal layers 40 .

음 전하는 금속 산화물 층들(30)의 상부의 플라즈마 주파수를 증가시키고, 상기 금속 산화물 층들(30)의 상부의 유전율을 감소시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 증가시킨다. The negative charge increases the plasma frequency of the top of the metal oxide layers 30, reduces the permittivity of the top of the metal oxide layers 30, and increases the ENZ wavelength of the metal layers 40 and the metal oxide layers 30. .

양 전하는 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 변화시키지 않는다.The positive charge does not change the ENZ wavelength of the metal layers 40 and metal oxide layers 30 .

도 9 및 도 10은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여준다. 9 and 10 show the reflectance according to the wavelength of visible light.

도 9를 참조하여 하부 전극(10), 금속 층들(40), 및 상부 전극(60)에 전압이 인가되기 전에, gap 플라즈몬 파장에서 반사도의 최대값이 나타날 수 있다.Referring to FIG. 9 , before voltage is applied to the lower electrode 10 , the metal layers 40 , and the upper electrode 60 , a maximum value of reflectivity may appear at a gap plasmon wavelength.

도 10을 참조하여 하부 전극(10) 및 금속 층들(40)에 음의 전압이 제공되고, 상부 전극(60)에 양의 전압이 제공되면, 2개의 반사도 피크들이 나타나고, 정해진 파장에서 반사되는 광의 세기와 위상이 바뀌는 것처럼 느끼게 된다. Referring to FIG. 10, when a negative voltage is applied to the lower electrode 10 and the metal layers 40 and a positive voltage is applied to the upper electrode 60, two reflectivity peaks appear, and the It feels like the intensity and phase are shifting.

도 11은 도 1의 하부 전극(10), 금속 층들(40), 및 상부 전극(60) 사이의 전압에 따른 전하들의 일 예를 보여준다.FIG. 11 shows an example of charges according to voltage between the lower electrode 10 , the metal layers 40 , and the upper electrode 60 of FIG. 1 .

도 11을 참조하여 하부 전극(10)에 음의 전압이 제공되고, 금속 층들(40)의 하부 및 상부 전극(60)에 양의 전압이 제공되면, 양의 전하는 하부 절연 층(20)에 집중되고, 음의 전하는 금속 산화물 층들(30)의 하부에 집중될 수 있다. Referring to FIG. 11 , when a negative voltage is provided to the lower electrode 10 and a positive voltage is provided to the lower and upper electrodes 60 of the metal layers 40 , positive charges are concentrated on the lower insulating layer 20 . and negative charges may be concentrated on the lower portions of the metal oxide layers 30 .

양의 전하는 금속 산화물 층들(30)의 하부의 플라즈마 주파수를 감소시키고, 유전율을 증가시키고, 금속 층들(40) 및 금속 산화물 층들(30)의 ENZ 파장을 감소시킬 수 있다. 음의 전하는 ENZ 파장을 변화시킬 수 없다. The positive charge may decrease the plasma frequency of the bottom of the metal oxide layers 30 , increase the permittivity, and decrease the ENZ wavelength of the metal layers 40 and the metal oxide layers 30 . A negative charge cannot change the ENZ wavelength.

도 12 및 도 13은 가시광의 파장에 따른 반사율을 보여준다. 12 and 13 show the reflectance according to the wavelength of visible light.

도 12 및 도 13을 참조하면, 전압을 가하기 전에는 gap플라즈몬 파장에서 반사도의 최대값이 나타나지만, 전압이 가해지면 하부 ITO 유전율이 감소함에 따라 반사도에서 새로운 피크가 얻어지며 정해진 파장에서는 반사되는 빛의 세기와 위상이 바뀌는 것처럼 느끼게 된다.12 and 13, the maximum value of reflectivity appears at the gap plasmon wavelength before voltage is applied, but when voltage is applied, a new peak is obtained in reflectance as the lower ITO permittivity decreases, and the intensity of reflected light at a given wavelength and it feels like the phase has changed.

도 14는 본 발명의 개념에 따른 메타 구조(100)의 일 예를 보여준다.14 shows an example of a meta structure 100 according to the concept of the present invention.

도 14를 참조하면, 본 발명의 메타 구조(100)의 금속 층들(40) 중의 상부 하나는 직사각형 또는 라인 모양을 가질 수 있다. 하부 전극(10), 하부 절연 층(20), 금속 산화물 층들(30), 상부 절연 층(50), 및 상부 전극(60)은 도 1과 동일하게 구성될 수 있다.Referring to FIG. 14 , an upper one of the metal layers 40 of the meta-structure 100 of the present invention may have a rectangular or linear shape. The lower electrode 10 , the lower insulating layer 20 , the metal oxide layers 30 , the upper insulating layer 50 , and the upper electrode 60 may be configured the same as those of FIG. 1 .

평균장 이론에 의하면 x 방향과 y 방향의 유효 유전율은 아래의 수학식 3과 같이 달라져서, 빛의 편광에 따른 ENZ 특성이 달라지게 된다.According to the average field theory, the effective permittivity in the x direction and the y direction varies as shown in Equation 3 below, so that the ENZ characteristics vary according to the polarization of light.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 Eeff, x는 x 방향의 제 1 유효 유전율, ρx는 x 방향의 fill factor, Emetal은 금속 층들(40)의 제 1 유전율, 및 EITO는 상부 절연 층(50)의 제 3 유전율이고, Eeff, y는 y 방향의 effective 유전율, ρy는 y 방향의 fill factor이다. where E eff, x is the first effective dielectric constant in the x direction, ρ x is the fill factor in the x direction, E metal is the first dielectric constant of the metal layers 40, and E ITO is the third dielectric constant of the upper insulating layer 50 , E eff, y is the effective dielectric constant in the y direction, and ρ y is the fill factor in the y direction.

유효 유전율은 x 방향의 제 1 유전율(Eeff, x) 및 y 방향의 제 3 유전율(Eeff, y)을 포함할 수 있다. The effective permittivity may include a first permittivity (E eff, x ) in the x direction and a third permittivity (E eff, y ) in the y direction.

갭 플라즈마 주파수를 x 방향에 설정하고, x 방향 편광 빛에 대해서는 반사 피크가 나타나지만, y 방향 편광 빛에 대해서는 반사 피크가 나타나지 않는다. 전압에 따른 변화 또한 x 방향 편광 빛에 대해서만 나타난다.When the gap plasma frequency is set in the x direction, a reflection peak appears for x-direction polarized light, but no reflection peak appears for y-direction polarized light. A voltage-dependent change also appears only for x-direction polarized light.

도 15는 본 발명의 개념에 따른 메타 구조(100)의 일 예를 보여준다.15 shows an example of a meta structure 100 according to the concept of the present invention.

도 15를 참조하면, 본 발명의 메타 구조(100)의 상부 전극(60)은 금속 층들(40)과 교차하는 방향으로 연장하는 직사각형 또는 라인 모양을 가질 수 있다. 하부 전극(10), 하부 절연 층(20), 금속 산화물 층들(30), 금속 층들(40) 및 상부 절연 층(50)은 도 14와 동일하게 구성될 수 있다. 상부 전극(60)은 그의 폭의 변화에 따라 y방향의 편광에 대한 공진 현상을 생성시킬 수 있다. 즉, 유효 굴절율의 변화는 상부 전극(60)의 폭에 따라 아래의 수학식 4와 같이 나타날 수 있다. Referring to FIG. 15 , the upper electrode 60 of the meta structure 100 of the present invention may have a rectangular or line shape extending in a direction crossing the metal layers 40 . The lower electrode 10 , the lower insulating layer 20 , the metal oxide layers 30 , the metal layers 40 , and the upper insulating layer 50 may be configured the same as those of FIG. 14 . The upper electrode 60 may generate a resonance phenomenon for polarized light in the y direction according to a change in its width. That is, the change in the effective refractive index may be expressed as shown in Equation 4 below according to the width of the upper electrode 60 .

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, neff, x는 x 방향의 유효 굴절율, wx는 상부 전극(60)의 폭, φ는 계면에서 얻어지는 위상,

Figure pat00007
x는 가시광의 x 방향 파장, m은 정수를 나타내고, neff, y는 y 방향의 유효 굴절율, wy는 상부 전극(60)의 폭, φ는 계면에서 얻어지는 위상,
Figure pat00008
y는 가시광의 y방향 파장을 나타낸다. Here, n eff, x is the effective refractive index in the x direction, w x is the width of the upper electrode 60, φ is the phase obtained at the interface,
Figure pat00007
x is the wavelength of visible light in the x direction, m represents an integer, n eff, y is the effective refractive index in the y direction, w y is the width of the upper electrode 60, φ is the phase obtained at the interface,
Figure pat00008
y represents the y-direction wavelength of visible light.

도시되지는 않았지만, x 방향 및 y 방향에 대해 공진 현상이 나타나기 때문에 반사율은 x 방향 및 y 방향의 피크들을 가질 수 있다. Although not shown, since resonance occurs in the x and y directions, the reflectance may have peaks in the x and y directions.

도 16은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조(100)의 일 예를 보여준다.16 shows an example of a meta structure 100 according to the concept of the present invention.

도 16을 참조하면, 본 발명의 메타 구조(100)의 금속 층들(40)은 x 방향 및 y 방향으로 긴 직사각형 또는 라인 모양을 가질 수 있다. 금속 층들(40)은 x 방향 및 y 방향의 편광을 생성하여 반사 빛의 위상 및 세기를 조절할 수 있다. 금속 층들(40)은 메타 구조(100)의 광대역 특성을 증가시킬 수 있다.Referring to FIG. 16 , the metal layers 40 of the meta-structure 100 of the present invention may have a rectangular or line shape elongated in the x and y directions. The metal layers 40 may adjust the phase and intensity of the reflected light by generating polarized light in the x-direction and the y-direction. The metal layers 40 may increase the broadband characteristics of the meta structure 100 .

하부 전극(10), 하부 절연 층(20), 금속 산화물 층들(30), 상부 절연 층(50), 및 상부 전극(60)은 도 1과 동일하게 구성될 수 있다. The lower electrode 10 , the lower insulating layer 20 , the metal oxide layers 30 , the upper insulating layer 50 , and the upper electrode 60 may be configured the same as those of FIG. 1 .

도시되지는 않았지만, x 방향 및 y 방향에 대해 공진 현상이 나타나기 때문에 반사율은 x 방향 및 y 방향의 피크들을 가질 수 있다. Although not shown, since resonance occurs in the x and y directions, the reflectance may have peaks in the x and y directions.

도 17 및 도 18은 본 발명의 개념에 따른 메타 구조(100)의 일 예를 보여준다.17 and 18 show an example of a meta structure 100 according to the concept of the present invention.

도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 메타 구조(100)의 상부 전극(60)은 사각형의 사다리꼴 모양을 가질 수 있다. 하부 전극(10), 하부 절연 층(20), 금속 산화물 층들(30), 금속 층들(40) 및 상부 절연 층(50) 은 도 1과 동일하게 구성될 수 있다. 상부 전극(60)은 메타 구조(100)의 광대역 특성을 증가시킬 수 있다. 17 and 18, the upper electrode 60 of the meta-structure 100 of the present invention may have a quadrangular trapezoidal shape. The lower electrode 10 , the lower insulating layer 20 , the metal oxide layers 30 , the metal layers 40 , and the upper insulating layer 50 may be configured the same as those of FIG. 1 . The upper electrode 60 may increase the broadband characteristics of the meta structure 100 .

첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains will realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will understand. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (1)

하부 전극;
상기 하부 전극 상의 하부 절연막;
상기 하부 절연막 상의 금속 산화물 층들;
상기 금속 산화물 층들 사이에 제공되는 금속 층들;
상기 금속 층들 상의 상부 절연 층; 및
상기 상부 절연 층 상에 제공되어 상기 하부 전극의 면적보다 작은 면적을 갖고, 육면체의 모양을 갖는 상부 전극을 포함하는 메타 구조.
lower electrode;
a lower insulating film on the lower electrode;
metal oxide layers on the lower insulating film;
metal layers provided between the metal oxide layers;
an upper insulating layer on the metal layers; and
A meta structure comprising an upper electrode provided on the upper insulating layer, having an area smaller than that of the lower electrode, and having a hexahedral shape.
KR1020220104172A 2021-11-24 2022-08-19 meta-structure actively modulating at visible light wavelengths KR20230076744A (en)

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