KR20240011494A - 다초점 메타 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀로그램, 증강/가상 현실 디스플레이 등에 사용될 수 있는 렌즈(lens)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타 표면(meta surface)를 이용한 메타 렌즈에 관한 것이다.

Description

다초점 메타 렌즈{MULTI-FOCUSING META LENS}

본 발명은 홀로그램, 증강/가상 현실 디스플레이 등에 사용될 수 있는 렌즈(lens)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타 표면(meta surface)를 이용한 메타 렌즈에 관한 것이다.

메타 표면은 입사하는 빛의 파장보다 작은 크기의 나노 구조체('메타 원자'라고도 함)을 배열하여 만든 초박막 평면 광학 소자이다. 상기 나노 구체체를 통해서 요구되는 광 특성(진폭, 위상, 편광 등)을 조절할 수 있다. 이러한 메타 표면을 이용하여 반사 진폭을 픽셀별로 제어하면서 백색광 구조색 인쇄를 가능하게 하는 칼라 필터를 구현할 수도 있고, 위치별로 위상까지 조절하면서 홀로그램을 구현할 수 있다. 한편, 빛을 통과시키면서 광특성(진폭, 위상 등)에 따라 초점을 조절하는 렌즈(lens)에도 적용할 수 있으며, 이를 메타렌즈(metal lens)라 한다.

한편, 홀로그램, 가상 현실 또는 증강 현실 디스플레이를 구현하기 위해서는 렌즈의 이용이 필수적이다. 이러한 용도의 렌즈는 다초점을 구현할 수 있어야 한다. 기존의 다초점을 구현하기 위한 렌즈는 부피가 큰 유리 기반의 광학 장치를 기계적으로 움직이도록 구성한다.

그러나, 기존의 방식은 전체적인 시스템이 무겁고, 많은 부피를 차지하는 점에서 한계가 있다.

이에 가볍고 얇은 메타렌즈를 이용하는 것이 제안되어 있으나 다초점을 구현함에 있어 한계가 존재하였다. 예를 들어 가시광 파장 영역의 광을 이용하여 다초점을 구현하는 경우에 가시광 영역의 빛이 두개 이상의 다초점을 갖도록 하는 것이 용이하지 않다는 한계를 가지고 있었다.

이러한 한계점을 극복하고 다초점을 구현할 수 있는 경량화된 장치에 대해 관심과 요구가 높아지고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 메타 렌즈(meta lens)에 관한 것으로서, 2 이상의 다초점을 맺도록 할 수 있는 다초점 메타 렌즈에 관한 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일태양은 액정층 및

상기 액정층의 일면 또는 양면에 결합된 메타 렌즈를 포함하고,

상기 메타 렌즈 표면에 나노 구조체가 형성된, 다초점 메타 렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 기존의 무겁고 부피가 큰 다초점 렌즈 시스템의 한계를 극복하여 초박막 렌즈를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 가시광 영역에서 구현이 어려웠던 다초점을 구현할 수 있는 다초점 메타 렌즈를 제공할 수 있다.

특히 액정을 통해 편광에 따른 실시간 초점 변화가 가능하고, 액정의 전환속도가 빠르기 때문에 빠른 초점 변환이 요구되는 가변적인 빔 조종 및 홀로그램 장치, 증강/가상 현실 디스플레이 기술 등에 적용할 수 있는 렌즈 제공이 가능하다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명 메타 렌즈의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명 메타 렌즈의 일실시예에 관한 것으로서, 액정층의 분자 배열 상태에 따라 입사편광의 변화와 이에 따른 초점 변화를 구현한 모식도이다.
도 3은 본 발명에서, 액정층의 일예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명 메타 렌즈의 일실시예에서, 나노 구조체 선별하는 과정의 일예를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명 메타 렌즈의 일실시예에 요구되는 위상맵을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명 메타 렌즈의 일실시예로 사용된 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)의 굴절율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명 메타 렌즈의 일실시예를 이용하여, 편광상태에 따라 두 개의 초점이 맺히는 현상을 확인한 사진이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 메타 렌즈(100)의 단면 구조를 도시한 모식도이다. 상기 다초점 메타 렌즈(100)는 액정층(120)과 상기 액정층(120)의 일면에 결합된 메타 렌즈(110)를 포함하고, 상기 메타 렌즈의 표면에 나노 구조체(111)가 형성될 수 있다.

이때, 상기 액정층(120)과 메타 렌즈(110)는 하나 이상일 수 있으며, 상기 액정층(120)의 일면뿐만 아니라, 양면에 메타 렌즈(110)가 결합될 수 있다. 상기 액정층(120)과 메타 렌즈(110)는 빛의 경로 상에 평행하게 배치되는 것이 바람직하며, 이때 배열, 접착, 적층 등의 방식을 통해 결합될 수 있다.

상기 액정층(120)에 대해 특별히 한정되지 않으며, 본 발명에 적용될 수 있는 것이면 그 종류나 형태 등을 제한되지 않는다. 도 3은 액정층의 일예를 도시한 단면도이다. 도 3의 액정층은 유리 기판에 폴리이미드(polyimide)를 스핀 코팅하여 액정 분자가 단방향으로 정렬될 수 있는 환경을 만들어준 후에, 스페이서와 UV-접착제를 이용하여 두 개의 판이 샌드위치 구조 (10㎛ 간격 유지) 갖게 조립하고, 그 사이에 5CB(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl) 액정 분자를 주입하여 만든 것이다

상기 액정층(120)은 인가되는 전압에 따라 액정 분자의 배열 상태가 변경되며, 이에 따라 들어오는 빛의 편광상태가 변화된다. 도 2는 본 발명의 일실시예를 도시한 것으로서, 인가되는 전압에 따라 액정층의 분자 배열 상태 변화하고, 액정층을 통과하는 빛의 편광상태가 달라지면서 메타 렌즈를 통과했을 때 서로 다른 초점 위치(f ₁ , f ₂ )가 구현되어 초점의 차이(△f)를 확인할 수 있다.

상기 메타 렌즈(110)은 기판 상에 나노 구조체(111)가 형성되어 있다. 상기 나노 구조체(111)는 기판의 평면 상에 각기 다른 구조 변수(높이 H, 너비 L _x , 길이 L _y , 회전각 α)를 갖는다. 상기 나노 구조체(111)의 구조 변수는 입사되는 빛의 편광상태에 따른 위상 효과, 목표 입사 파장, 메타 렌즈의 크기 및 초점 등 다양한 요소에 의해 결정된다.

도 4는 본 발명 메타 렌즈의 일실시예에서, 나노 구조체 선별하는 과정의 일예를 도시한 것이다. 이때 상기 나노 구조체는 위상 지연(phase delay) 효과를 가지면서, 우수한 투과율(transmission)을 만족하는 서로 다른 구조 변수를 갖는 8개의 나노 구조체를 선별한 것이다.

상기 위상 지연(phase delay) 효과는 전파 위상(φ(x,y)) 및 기하학적 위상(θ(x,y))을 고려하여 결정되며, 도 5는 상기 전파 위상과 기하학적 위상의 위상맵을 도시한 것으로서, 상기 나노 구조체는 이 2가지 모두 고려하여 메타 렌즈 각 부분에 적절히 배치되어 형성된다.

이에 대한 자세한 설명을 하면, 메타렌즈가 작동하여 한 초점에 맺히게 하기 위해서는 위상식이 아래와 같은 렌즈식을 만족시켜야 한다.

(식 1)

ψ(x,y)는 (x,y) 좌표에 있을 때의 위상이며, λ는 작동 파장, f는 초점 거리이다. 이 때 원형 편광 종류(좌원형편광(left-circularly polarized, LCP), 우원형편광(right-circularly polarized, RCP))에 따라 다른 초점 거리를 가지므로 입사되는 빛에 따라 f값이 달라질 것이고, 이에 따라 요구되는 위상 역시 달라진다(ψ_RCP(x,y) 와 ψ_LCP(x,y)). 원형 편광의 빛이 메타 원자를 통과하면서 전파 위상(φ(x,y)) 및 기하학적 위상(θ(x,y)) 두 요소가 생기는데, 이 때 원형 편광에 따라 다른 초점 거리에 빛이 모이게 만들기 위해서는 다음과 같은 식을 만족해야 한다.

(식 2)

(식 3)

상기 식 2와 식 3을 연립하여 전파 위상과 기하학적 위상에 대한 식으로 나타내면 다음과 같다.

(식 4)

(식 5)

이 위상식을 만족시키는 위상맵을 도시한 일예가 도 5이며, 전파 위상은 구조체의 모양을 다르게 함으로써 부여할 수 있고, 기하학적 위상은 나노 구조체를 회전시켜 부여할 수 있으므로, 전파 위상 식을 만족시킬 수 있도록 각 좌표에서의 구조체 모양을 부여하고, 이 구조체를 기하학적 위상을 만족하도록 회전시켜 최종적으로 메타 렌즈를 설계할 수 있다.

한편, 상기 메타 렌즈(110)의 일예로는 용융 실리카 (fused silica) 유리 기판 위에 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)인 나노 구조체가 형성될 수 있다. 상기 용융 실리카 기판은 가시광 영역인 633nm 파장에서 약 1.46인 n값(굴절률)과 0에 가까운 k값(소광률)을 가지기 때문에 투과형 메타 표면을 만들기에 적합하다.

상기 나노 구조체(111)는 빛을 효과적으로 굴절시키기 위해 n값이 높고, 손실을 최소화하기 위해 k값은 물질이 사용되어야 하기 때문에, 이를 만족시키는 물질인 a-Si:H를 사용하였다. 이를 이용하여 투과율이 1에 가까운 조건을 만족하는 8개의 메타 원자를 선별해 기본 세트를 구성하였고, 8개의 메타 원자의 평균 투과율은 약 95%이다.

도 6은 본 발명의 일실시예로서, 메타 렌즈의 재료 사용될 수 있는 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)의 굴절율을 도시한 것이다. 상기 도 6으로부터, 상기 a-Si:H는 가시광 파장인 633nm 파장에서 3에 가까운 n 값(n=2.88)을 가지고, 낮은 k 값(k=0.00166)을 가지는 것을 확인할 수 있어서, 높은 투과 효율을 갖는 메타 렌즈 제작이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 메타 렌즈를 제조하는 방법은 메타 렌즈 기판 상에 나노 구조체를 형성하며, 이때 전자 빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 본 발명의 메타렌즈를 제조하는 방법의 일예로써, 먼저 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 500nm 두께의 a-Si:H 층을 쌓은 후, 코팅된 포지티브 감광제(positive tone photoresist)인 PMMA 위에 전자 빔을 집속시켜 원하는 구조체 모양을 가공한다. 다음으로 식각 마스크로 사용하기 위한 크롬층을 증착한 후, 건식 식각 과정을 거친 후에 남은 식각 마스크를 제거하면, 최종적으로 메타렌즈의 나노 구조체가 완성된다.

도 7은 앞선 방식으로 제조된 다초점 메타 렌즈의 일실시예를 이용하여 2개의 초점이 맺히는 현상을 관찰한 결과 사진이다. 초점 맺히는 현상을 확인하기 위하여 현미경 셋업을 활용하였다. 선형 편광 상태로 나오는 레이저 빛에 1/4 파장판 (quarter-wave plate) 역할을 하는 액정층을 통과시킨다. 액정층에 파장 발생기 (function generator)를 연결하여 전압을 조절해주면, 메타렌즈로 입사되는 빛의 편광을 우원형편광(RCP) 혹은 좌원형편광(LCP) 상태로 만들어줄 수 있다.

메타렌즈를 통과하면서 초점에 맺힌 빛은 대물렌즈를 통해 상이 확대되고, 이를 카메라로 촬영하여 이미지를 얻었다. 현미경 셋업은 스테이지에 장착되어 있으며, 스테이지의 이동 간격을 0.03 mm로 설정하여 편광 당 총 195개의 이미지를 적층하여 최종 초점 실험결과인 도 7을 얻었다. 즉, 도 7은 본 발명 다초점 메타 렌즈의 일실시예를 이용하여 2개의 초점이 맺히는 현상을 관찰한 결과 사진이다.

상기 도 7의 결과를 보게 되면, 원편광 상태(LCP, RCP)에 따라 2개의 초점이 각각 나타나는 것을 확인하였고, 초점 거리는 약 4mm인 것을 확인할 수 있었다.

100 ... 다초점 메타렌즈
110 ... 메타 렌즈
111 ... 나노 구조체(메타 원자)
120 ... 액정층

Claims (7)

1. 액정층 및
   상기 액정층의 일면 또는 양면에 결합된 메타 렌즈를 포함하고,
   상기 메타 렌즈 표면에 나노 구조체가 결합된, 다초점 메타 렌즈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 결합은 배열, 접착 및 적층 중 어느 하나의 방식으로 형성된 것인, 다초점 메타 렌즈.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 액정층은 인가되는 전압에 따라 액정 분자의 배열 상태가 겨되어, 빛의 편광상태가 변화되는 것인, 다초점 메타 렌즈.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 구조체는 위상 지연(phase delay) 효과를 포함하는 서로 다른 구조 변수(높이 H, 너비 L _x , 길이 L _y , 회전각 )를 갖는, 다초점 메타 렌즈.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 위상 지연(phase delay) 효과는 전파 위상(φ(x,y)) 및 기하학적 위상(θ(x,y))으로 결정되는 것인, 다초점 메타 렌즈.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 구조체는 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)인, 다초점 메타 렌즈.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 나노 구조체는 전자 빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 이용하여 제조된 것인, 다초점 메타 렌즈.
   
   

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