WO2013108994A1 - 방사형 패턴으로 정렬된 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents

방사형 패턴으로 정렬된 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법 Download PDF

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lens
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정기훈
박상길
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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    • G02B2207/107—Porous materials, e.g. for reducing the refractive index

Definitions

  • the present invention relates to a refractive index distribution lens based on the effective refractive index of the microstructure, and more particularly, to a refractive index distribution lens operating in the terahertz region from the mid-infrared region and a method of manufacturing the same.
  • terahertz wave and mid-infrared refers to the electromagnetic wave having a wavelength of 3 ⁇ m ⁇ 3mm, and recently, to the development of optical elements operating in this wavelength range Research is actively underway.
  • Such optical devices are the most basic optical devices capable of focusing light, and are used in various optical systems.
  • Lenses used to focus the mid-infrared and terahertz waves include, for example, parabolic mirrors, silicon lenses, polymer lenses, and the like.
  • the conventional spherical and hemispherical silicon lenses 20 are known to have good permeability in the mid-infrared and terahertz frequency ranges, but are difficult to process due to the characteristics of the crystalline silicon material. There was a disadvantage, and there was a limit to miniaturization.
  • the conventional spherical or hemispherical polymer lens there is a problem that shows a high light absorption at a specific frequency, that is, conventionally, the polymer lens used in the visible region, most polymers are in the mid-infrared and terahertz frequency range Since it has an absorption peak at, a specific bandwidth is lost.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a conventional refractive index distribution lens, and illustrates a refractive index distribution lens using a conductive layer and a dielectric layer.
  • the multilayer structure 12 has an array structure in which rectangular holes 14 and 16 are formed.
  • the diameter of the left hole 14 is larger than that of the hole 16 formed on the right side, and is smaller in shape toward the left side. Between these holes, an array structure is formed in which horizontal and vertical stripes 18 and 20 are formed.
  • the multilayer structure 20 used as a substrate is composed of a multilayer structure in which a dielectric sandwiched between two conductive layers, and thus is mainly used for focusing visible light and IR.
  • the conductive layer is included in the multilayer structure, a region in which most regions of visible light and IR are reflected or absorbed and transmitted is limited.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore an object of the present invention, by forming a structure below the wavelength on the substrate to control the effective refractive index, thereby operating in the mid-infrared and terahertz frequency region It is an object of the present invention to provide a refractive index distribution lens and a method of manufacturing such a lens element.
  • the present invention seeks to provide a gradient index lens using an effective medium theorem. That is, the effective refractive index is controlled through a structure smaller than the wavelength based on the effective medium theory. Gradients can be given to the refractive index in the radial and axial directions, and thus the refractive index distribution lens using the effective refractive index of the microstructure that can focus the mid-infrared and terahertz waves It is to provide a manufacturing method.
  • a radial structure having a diameter smaller than the wavelength of the wave incident on the substrate and the wave to be focused on the substrate A refractive index distribution lens including a microstructure pattern is provided.
  • the microstructures are formed such that the diameter or spacing gradually increases or decreases toward the radial from the center of the substrate.
  • a refractive index distribution lens using an effective refractive index of a microstructure capable of solving the disadvantages of the conventional parabolic mirror, which has been disadvantageous for implementing a complicated optical path and miniaturized optical system, and a manufacturing method thereof. Can be provided.
  • the absorption peak (absorption peak) in the mid-infrared and terahertz frequency region since the absorption peak (absorption peak) in the mid-infrared and terahertz frequency region, the refractive index using the effective refractive index of the microstructure that can solve the disadvantage of the conventional polymer lens, which had the disadvantage of a specific bandwidth is lost A distributed lens and a method of manufacturing the same can be provided.
  • the effective refractive index is adjusted through the structure smaller than the wavelength based on the effective medium theory, and the refractive index in the radial direction and the axial direction It is possible to provide a gradient in the refractive index distribution lens using the effective refractive index of the new microstructures that can focus light in the mid-infrared and terahertz frequency range through this can be provided.
  • 1 is a view showing a conventional parabolic mirror.
  • FIG. 2 is a view showing a conventional silicon lens.
  • 3 is a refractive index distribution lens having a conventional multilayer structure.
  • FIG. 4 is a view showing the shape of the refractive index distribution lens using the effective refractive index of the microstructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing another form of the refractive index distribution type lens using the effective refractive index of the microstructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing each step of the manufacturing method of the refractive index distribution type lens using the effective refractive index of the microstructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the shape of the refractive index distribution lens using the effective refractive index of the microstructure according to another embodiment of the present invention.
  • the present invention generally relates to a refractive index distribution lens using an effective refractive index of a microstructure operating in the mid-infrared region and the terahertz frequency region having a wavelength in the range of 3 ⁇ m to 3 mm, and a method of manufacturing the same.
  • the present invention as will be described later, the conventional parabolic mirror used to focus the beam in the mid-infrared region and terahertz frequency region, the optical path is complicated and miniaturized
  • a silicon lens has a disadvantage in that it is expensive to manufacture, and in the case of a polymer lens used in the visible region, most polymers They have an absorption peak in this region, and thus are intended to solve the disadvantage of a particular bandwidth being lost.
  • the present invention based on the effective medium theorem, adjusts the effective refractive index through the structure smaller than the wavelength, and the gradient (gradient) to the refractive index in the radial and axial direction
  • the present invention is to provide a refractive index distribution lens (gradient index lens) using the effective refractive index of the microstructure capable of focusing the mid-infrared and terahertz beam through this, and a method of manufacturing the same.
  • the size of the structure in general, in order for an inhomogeneous structure to have homogeneous optical properties, the size of the structure must be smaller than the wavelength, and the lens-to-lens operation is required.
  • the wavelength may be different, and accordingly, the size of a structure having a size less than or equal to the wavelength of the mid-infrared ray and the terahertz wave may also vary, which is collectively referred to as 'below wavelength'.
  • the size of the structure in order for the structure to have an effective refractive index characteristic for light having a wavelength of 10 ⁇ m, the size of the structure must be smaller than 10 ⁇ m, and waves generally corresponding to the mid-infrared region and the terahertz frequency region are required. Since the wavelength of 3 ⁇ m ⁇ 3mm, therefore, the structure of the "wavelength or less" used in the present invention may be referred to as a structure having a size of 3 ⁇ m ⁇ 3mm or less.
  • the structure below the "wavelength" is substantially a structure of 3 ⁇ m ⁇ 0.8 ⁇ m.
  • the expression 'the effective refractive index has a slope' means that there is a difference in the effective refractive index in the structure of the locally different size, that is, the present invention, such a difference in the local effective refractive index Through the use of the phenomenon that the light is bent according to the gradient (gradient).
  • FIG. 4 schematically illustrates a configuration of a refractive index distribution lens using an effective refractive index of a microstructure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the refractive index distribution type lens using the effective refractive index of the microstructure according to the embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a substrate having a structure of various forms for refractive index control, in more detail, a substrate It is characterized in that pillars or holes having a diameter below the wavelength of the intermediate infrared ray and terahertz wave are arranged, and the effective refractive index has a slope.
  • the microstructure arrangement is described in which the diameter of the hole is gradually increased, but the arrangement of the diameter of the microstructure is gradually reduced according to the purpose.
  • a circular hole having a diameter less than the wavelength of the medium infrared ray and terahertz wave is formed by the dry etching or the wet etching. It is comprised including the board
  • the dry etching may use one or more methods of reactive ion etching, deep reactive ion etching, and plasma etching, and wet etching may include isotropic wet type etching. Etching (isotropic wet etch) or anisotropic wet etch (anisotropic wet etch) may be used.
  • the circular hole was formed in the board
  • the structure, the cross section in the vertical direction can be formed to have the shape of one of a triangle, a square, a semicircle, a semi-ellipse, the shape, size, position and number of the hole or structure is obtained, It has a sub-wavelength diversity for the effective refractive index.
  • the substrate may be Si, GaAs or glass substrate, and the distribution of refractive index follows the distribution of one of parabolic equation, multi-order equation, square root of multi-order equation, sphere distribution in the surface direction and depth direction.
  • the refractive index distribution type lens using the effective refractive index of the microstructure according to the embodiment of the present invention is a circular or polygonal shape having a diameter below the wavelength of mid-infrared and terahertz waves on a lattice-shaped substrate. Since the pillars or holes are formed by dry etching or wet etching, the effective refractive index is inclined according to the local effective refractive index change, and the light is bent in the substrate, thereby allowing the convergence of intermediate infrared and terahertz waves.
  • the refractive index distribution type lens using the effective refractive index of the microstructure according to the embodiment of the present invention can focus the intermediate infrared and terahertz waves through the principle as described above.
  • FIGS. 6A to 6D are diagrams illustrating steps of a method of manufacturing a refractive index distribution lens using an effective refractive index of a microstructure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a mask layer 52 is formed on the substrate 51, and then, as shown in Fig. 6B, the formed mask layer 52 is patterned in a desired pattern. .
  • the substrate 51 is patterned according to a pattern formed in the mask layer 52, wherein the patterning of the substrate 51 is performed by using dry etching or wet etching, as described above. Forming a hole or structure of circles or polygons having a diameter below the wavelength of the mid-infrared and terahertz waves.
  • the remaining mask layer 52 may be removed to manufacture a refractive index distribution lens using the effective refractive index of the microstructure according to the present invention.
  • a polymer is injected into the master substrate, the injected polymer is cured, and then the cured polymer is removed from the substrate.
  • a refractive index distribution type lens using an effective refractive index of a microstructure capable of focusing mid-infrared and terahertz waves can be produced.
  • FIG. 7 illustrates a lens having a refractive index distribution type lens using an effective refractive index of a microstructure according to another embodiment of the present invention, in which a columnar microstructure is formed in place of a hole of an embodiment.
  • Columns of circular or polygonal shape with diameters below the wavelengths of mid-infrared and terahertz waves can also be used.
  • the disadvantages of the conventional parabolic mirror which is disadvantageous for implementing a compact optical system with complicated optical paths
  • the refractive index distribution lens using the effective refractive index of the microstructure according to the present invention and the manufacturing method thereof have been described through the embodiments of the present invention as described above, but the present invention is described in the above embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the present invention, therefore, various modifications, changes, combinations and substitutions may be made by those skilled in the art according to the design needs and various other factors. It is natural.
  • the present invention is applied to a refractive index distribution lens based on the effective refractive index of the microstructure.

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Description

방사형 패턴으로 정렬된 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법
본 발명은 미세구조물의 유효굴절률을 기반으로한 굴절률 분포형 렌즈에 관한 것으로, 더 상세하게는, 중간적외선 역에서부터 테라헤르츠 영역에서 동작하는 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 테라헤르츠파(THz wave) 및 중간적외선(mid-infrared)은 3㎛ ~ 3 mm의 파장을 가지는 전자기파를 의미하는 것으로, 최근에는, 이러한 해당 파장 영역에서 동작하는 광학소자들의 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 광학 소자는 빛을 집속할 수 있는 가장 기본적인 광학소자로서 다양한 광학시스템에 필수적으로 사용되고 있다.
중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속하기 위해 사용되는 렌즈로는, 예를 들면, 파라볼릭 미러(parabolic mirror), 실리콘 렌즈(silicon lens) 및 폴리머 렌즈(polymer lens) 등이 있다.
그러나, 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래 기술의 파라볼릭 미러(10)를 사용하는 경우는, 광경로가 복잡해지고 따라서 소형화된 광학시스템을 구현하기에 불리하다는 단점이 있었다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 구형 및 반구형 실리콘 렌즈(20)의 경우는, 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 투과성이 좋은 것으로 알려져 있으나, 결정 실리콘 재질의 특성상 가공하기가 어려워 단가가 높다는 단점이 있으며, 소형화에도 한계가 있다는 단점을 가지는 것이었다.
아울러, 종래의 구형 또는 반구형 폴리머 렌즈의 경우는, 특정 주파수에서 높은 광흡수율을 보이는 문제가 있는 것으로, 즉, 종래, 가시광 영역에서 사용되는 폴리머렌즈는, 대부분의 폴리머들이 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 흡수 피크(absorption peak)를 가지므로, 특정 대역폭이 손실된다는 단점이 있었다.
도 3은 종래의 굴절률 분포형 렌즈 나타낸 도면으로, 전도층 및 유전체층을 사용하고 있는 굴절률 분포형 렌즈를 도시하고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 다층구조(12)는 직사각형 구멍(14, 16)이 형성된 어레이 구조를 가지고 있다. 도면에서 좌측 구멍(14)의 직경은 우측에 형성되어 있는 구멍(16) 보다 크게 형성되어 있으며, 좌측으로 갈수록 작아지는 형태를 취하고 있다. 이러한 구멍들 사이에 수평 및 수직 스트라이프(stripe)(18, 20)가 형성되어 있는 어레이 구조를 형성하게 된다. 한편, 기판으로 사용되는 다층구조(20)는 두 개의 전도층 사이에 유전체가 샌드위치된 형태의 다층구조물로 이루어져 있어 주로 가시광선 및 IR의 포커싱에 사용되고 있다. 또한 다층구조에 전도층을 포함하기 때문에 가시광선 및 IR의 대부분의 영역이 반사 또는 흡수되어 투과하는 영역이 한정된다.
따라서, 상기한 바와 같은 종래의 렌즈들의 단점을 해결하여 중간적외선 및 테라헤르츠 영역에서 빛을 집속할 수 있는 새로운 광학소자의 개발이 요구되고 있으나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 렌즈나 그러한 렌즈의 제조방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 구조적으로 단순하면서 효과적인 포커싱이 가능한 어레이 구조 역시 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 기판에 파장 이하의 구조물을 형성하여 유효굴절률을 조절하며, 이를 통하여 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 동작하는 굴절률 분포형 렌즈 및 그러한 렌즈 소자의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
즉, 본 발병은, 유효매체이론(effective medium theorem)을 이용한 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)를 제공하고자 하는 것으로, 즉, 유효매체이론에 기반하여 파장보다 작은 구조물을 통해 유효굴절률을 조절하고, 반경(radial) 방향 및 축(axial) 방향으로 굴절률에 그라디언트(gradient)를 줄 수 있으며, 이를 통해 중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속시킬 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 유효굴절률을 조절하기 위해, 기판 및 상기 기판 상에 입사되어 포커싱될 파의 파장보다 작은 직경을 가지는 방사형 구조의 미세구조물 패턴을 포함하는 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)를 제공한다. 상기 미세구조물들은 상기 기판의 중앙에서 방사형으로 갈수록 직경 또는 간격이 점차 커지거나 작아지도록 형성된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광경로가 복잡해지고 소형화된 광학시스템을 구현하기에 불리하였던 종래의 파라볼릭 미러의 단점을 해결할 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제작이 어렵고 단가가 비싸며, 소형화에 한계가 있었던 종래의 실리콘 렌즈의 단점을 해결할 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 흡수 피크(absorption peak)를 가지므로 특정 대역폭이 손실되는 단점이 있었던 종래의 폴리머 렌즈의 단점을 해결할 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 종래의 렌즈들의 단점을 해결하여, 유효매체이론에 기반하여 파장보다 작은 구조물을 통해 유효굴절률을 조절하고, 반경(radial) 방향 및 축(axial) 방향으로 굴절률에 그라디언트(gradient)를 줄 수 있으며, 이를 통해 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 빛을 집속할 수 있는 새로운 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 파라볼릭 미러를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 실리콘 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 다층 구조를 가지는 굴절률 분포형 렌즈 나타낸 도면.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 제조방법의 각 단계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 형태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일뿐이며, 본 고안은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 일반적으로, 3㎛ ~ 3mm 범위의 파장을 가지는 중간적외선 영역 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 동작하는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
더 상세하게는, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 중간적외선영역 및 테라헤르츠 주파수 영역의 빔(beam)을 집속하기 위해 사용되는 종래의 파라볼릭 미러(parabolic mirror)는 광경로가 복잡해지고 소형화된 광학시스템을 구현하는데 불리하다는 단점이 있으며, 실리콘 렌즈(silicon lens)는 제작이 어려워 단가가 비싸다는 단점이 있고, 또한, 기존의 가시광 영역에서 사용되는 폴리머 렌즈(polymer lens)의 경우는 대부분의 폴리머들이 해당 영역에서 흡수 피크(absorption peak)를 가지므로 특정 대역폭이 손실되었던 단점을 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 유효매체이론(effective medium theorem)에 기반하여, 파장보다 작은 구조물을 통해 유효굴절률을 조절하고, 반경(radial) 방향 및 축(axial) 방향으로 굴절률에 그라디언트(gradient)를 줄 수 있으며, 이를 통해 중간적외선 및 테라헤르츠 빔을 집속시킬 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens) 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 이하의 설명에서, '파장 이하'라는 용어에 대하여는, 일반적으로, 비등질(inhomogeneous) 구조물이 등질(homogeneous)한 광학 특성을 가지려면 구조물의 크기가 파장보다 작아야 하며, 또한, 렌즈마다 동작하는 파장이 다를 수 있고, 그에 따라 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 크기를 가지는 구조물의 크기도 달라질 수 있으므로, 이를 통칭하여 '파장 이하'라 표기하였다.
즉, 예를 들면, 광학영역에 있어서, 10㎛ 파장의 빛에 대해 구조물이 유효굴절률 특성을 지니려면 구조물의 크기가 10㎛보다 작아야 하며, 일반적으로 중간적외선 영역 및 테라헤르츠 주파수 영역에 해당하는 파의 파장은 3㎛ ~ 3mm이므로, 따라서 본 발명에 사용된 '파장 이하'의 구조물은 3㎛ ~ 3mm이하의 크기를 가지는 구조물이라 할 수 있다.
여기서, 공정상의 한계가 존재하므로, 이를 고려하면, '파장 이하'의 구조물은 실질적으로는 3㎛ ~ 0.8㎛의 구조물이 된다.
또한, 본 명세서에 있어서, '유효굴절률이 경사를 가진다'는 표현은, 지역적으로 다른 크기의 구조물에 유효굴절률의 차이가 있음을 의미하는 것으로, 즉, 본 발명은, 이러한 지역적인 유효굴절률의 차이를 통해 경사(gradient)에 따라 빛이 휘게 되는 현상을 이용하는 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4을 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈는, 굴절률 조절을 위해 다양한 형태의 구조물을 가지는 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 것으로, 더 상세하게는, 기판에 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 기둥 또는 구멍이 배열되고, 유효굴절률이 경사를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에서는 구멍의 직경이 점차 커지는 미세구조물 배열을 설명하고 있으나, 목적에 따라 미세구조물의 직경이 점차 작아지는 배열 역시 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈는, 육각형 격자 형태로 이루어지고 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 원형의 구멍이 건식 식각 또는 습식 식각으로 형성되어 있는 기판(30)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기한 건식 식각은, 반응성 이온식각(reactive ion etch), 깊은 반응성 이온식각(deep reactive ion etch), 플라즈마 식각(plasma etch) 중 하나 이상의 방법을 이용할 수 있으며, 습식 식각은, 동방위성 습식 식각(isotropic wet etch) 또는 이방성 습식 식각(anisotropic wet etch)을 이용할 수 있다.
또한, 도 4에 나타낸 실시예에서는, 육각형 격자 형태의 기판(30)에 원형의 구멍이 형성된 형태를 나타내고 있으나, 상기한 기판은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 원형의 구멍이 형성된 사각형 격자(40)가 배열된 형태의 기판일 수도 있다.
아울러, 상기한 도 4 및 도 5에 나타낸 실시예에서는, 각각의 격자 형태에 원형의 구멍이 형성된 예를 나타내었으나, 본 발명은 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 상기한 바와 같은 원형 구멍 이외에도, 다각형 또는 기타 복합 형상을 가지는 구멍이 형성된 형태로 형성될 수도 있다.
여기서, 상기한 구조물은, 그 수직 방향의 단면이 삼각형, 사각형, 반원, 반타원 중 하나의 형상을 가지도록 형성될 수 있으며, 상기한 구멍 또는 구조물의 모양, 크기, 위치 및 그 숫자는, 얻고자 하는 유효굴절률을 위해 파장 이하의 다양성을 가진다.
또한, 상기한 기판은, Si, GaAs 또는 유리기판 등을 사용할 수 있으며, 굴절률의 분포는 표면방향 및 깊이 방향으로 포물선 방정식, 다차방정식, 다차방정식의 제곱근, 구 분포 중 하나의 분포를 따른다.
따라서 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈는, 격자 형태로 이루어진 기판에 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 원이나 다각형 형상의 기둥 또는 구멍이 건식 식각 또는 습식 식각으로 형성되어 있음으로써, 지역적인 유효굴절률 변화에 따라 유효굴절률에 경사를 형성하고, 기판 내에서 빛이 휘어지도록 하여 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 집속이 가능해진다.
즉, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈는, 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 크기를 가지는 구조물의 형태에 따라 변화하는 유효굴절률을 이용하여 지역적(spatial) 굴절률 경사를 가지고, 이를 통해 중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속하는 것을 특징으로 하는 것이다.
더 상세하게는, 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 원점을 중심으로 일정하게 나열된 원형 구멍의 지름이 증가하는 형태의 경우를 상정하면, 이러한 형태를 통해 원점에서는 높은 굴절률을, 바깥 부분에서는 낮은 굴절률을 형성할 수 있으며, 굴절률 차이에 따라 빛의 속도가 달라지므로, 높은 굴절률을 가지는 부분으로 광선이 휘어지게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈는 상기한 바와 같은 원리를 통하여 중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속할 수 있다.
계속해서, 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 제조방법에 대하여 설명한다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈의 제조방법의 각 단계를 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 먼저, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 기판(51)에 마스크층(52)을 형성하고, 다음으로, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 형성된 마스크층(52)을 원하는 패턴으로 패터닝한다.
이어서, 도 6c에 나타낸 바와 같이, 마스크층(52)에 형성된 패턴에 따라 기판(51)을 패터닝하며, 여기서, 기판(51)의 패터닝은, 상기한 바와 같이, 건식 에칭 또는 습식 에칭을 이용하여 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 원 또는 다각형의 구멍 또는 구조물을 형성하는 단계이다.
다음으로, 도 6d에 나타낸 바와 같이, 남아 있는 마스크층(52)을 제거하여, 본 발명에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈를 제조할 수 있다.
또는, 도 4 및 도 5를 참조하여 상기한 바와 같은 기판형의 굴절률 분포형 렌즈를 마스터 기판으로 이용하여, 마스터 기판에 폴리머를 주입하고, 주입된 폴리머를 경화시킨 다음, 경화된 폴리머를 기판으로부터 분리시킴으로써, 중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속시킬 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈를 제조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈로서, 일실시예의 구멍을 대신하여 기둥 형태의 미세구조물이 형성된 렌즈를 도시하고 있다. 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 원이나 다각형 형상의 기둥 역시 동일하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이 하여 제조된 본 발명에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈를 이용하면, 광경로가 복잡해지고 소형화된 광학시스템을 구현하는데 불리한 종래의 파라볼릭 미러의 단점과, 제작이 어려워 단가가 비싼 종래의 실리콘 렌즈의 단점 및 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역에서 특정 대역폭이 손실되었던 종래의 폴리머 렌즈의 단점들을 모두 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 및 그 제조방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 고안은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
본 발명은 미세구조물의 유효굴절률을 기반으로한 굴절률 분포형 렌즈에 적용된다.

Claims (18)

  1. 중간적외선 및 테라헤르츠 주파수 영역의 파를 집속시킬 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)에 있어서,
    기판;
    상기 기판의 유효굴절률을 조절하기 위해 상기 기판에 형성되는 미세구조물들을 포함하고,
    상기 미세구조물은 입사되어 포커싱될 파의 파장보다 작은 직경을 가지고, 상기 기판의 중앙에서 방사형 또는 일축방향으로 갈수록 직경 또는 간격이 점차 커지거나 작아지는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 단일 유전체 기판인 것을 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미세구조물은, 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 기둥 또는 구멍이 상기 기판상에 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경은 3mm ~ 0.8㎛인 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 미세구조물은, 원형, 다각형 또는 복합 형상을 가지는 구멍이 상기 기판상에 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 미세구조물은, 원형, 다각형 또는 복합 형상을 가지며 그 수직 방향의 단면이 삼각형, 사각형, 반원, 반타원 중 하나의 형상을 가지는 기둥 형태의 구조가 상기 기판상에 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 미세구조물은 건식 식각 또는 습식 식각으로 형성되는 구조물인 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 기판은, Si, GaAs 또는 유리기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 미세구조물은 상기 기판의 굴절률의 분포가 표면방향 및 깊이 방향으로 포물선 방정식, 다차방정식, 다차방정식의 제곱근, 구 분포 중 하나의 분포를 가지도록 배열된 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈.
  10. 중간적외선 및 테라헤르츠 파를 집속시킬 수 있는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 제조방법에 있어서,
    마스터 기판을 제공하는 단계;
    상기 마스트 기판 상에 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 마스크층에 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경을 가지는 미세구조물 형성을 위한 식각 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패턴된 마스크층을 식각 마스크로하여 상기 기판을 식각하는 단계;
    잔류되어 있는 마스크층을 제거하는 단계;
    상기 기판에 상에 폴리머를 주입하는 단계;
    주입된 상기 폴리머를 경화시키는 단계; 및
    경화된 상기 폴리머를 상기 기판으로부터 분리시켜 미세구조물이 형성된 폴리머 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 미세구조물의 패턴을 형성하는 단계는, 원형, 다각형 또는 복합 형상을 가지는 구멍이 상기 기판상에 배열되도록 상기 패턴이 형성되는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 미세구조물의 패턴을 형성하는 단계는, 원형, 다각형 또는 복합 형상을 가지며 그 수직 방향의 단면이 삼각형, 사각형, 반원, 반타원 중 하나의 형상을 가지는 기둥 형태의 구조가 상기 기판상에 배열되도록 상기 패턴이 형성되는 미세구조물의 유효굴절률을 이용한 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 중간적외선 및 테라헤르츠 파의 파장 이하의 직경은 3mm ~ 0.8㎛인 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈. 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 기판을 식각하는 단계는, 건식 식각 또는 습식 식각으로 상기 기판을 식각하는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈. 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 건식 식각은, 반응성 이온식각(reactive ion etch), 깊은 반응성 이온식각(deep reactive ion etch), 플라즈마 식각(plasma etch) 중 하나 이상의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈. 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 습식 식각은, 동방위성 습식 식각(isotropic wet etch) 또는 이방성 습식 식각(anisotropic wet etch)인 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 기판은, Si, GaAs 또는 유리기판인 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 미세구조물은 상기 기판의 굴절률의 분포가 표면방향 및 깊이 방향으로 포물선 방정식, 다차방정식, 다차방정식의 제곱근, 구 분포 중 하나의 분포를 가지도록 배열된 것을 특징으로 하는 굴절률 분포형 렌즈 제조방법.
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