WO2015012554A1 - 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층 구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 포함하는 광학 이미징 시스템 - Google Patents

나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층 구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 포함하는 광학 이미징 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a three-dimensional metamaterial of a laminated structure using nano transfer printing, a metamaterial structure film prepared using the same, and an optical imaging system including the same. More specifically, the present invention uses a nano transfer printing method to produce a polymer-based three-dimensional meta-material film that can be attached and detached to the surface of the specimen flexibly and easily, using the ultra-fine structure that can not be observed by conventional optical systems
  • a method for manufacturing a three-dimensional metamaterial having a laminated structure using observable nano transfer printing, a metamaterial structural film prepared using the three-dimensional metamaterial manufacturing method, and an optical imaging system using the metamaterial structural film will be.
  • conventional optical imaging devices include lenses that utilize the refraction of light.
  • the optical imaging device cannot accurately focus on an ultrafine structure having a size less than half wavelength due to the resolution limit due to the diffraction limit of light.
  • the optical microscope which is a typical optical imaging system, it is impossible to visually observe an object and a specific material of 200 nm or less due to the diffraction limit of light.
  • the conventional objective lens cannot capture the near field light having the information of the ultra fine structure, and only the far field light is captured and imaged. Therefore, the optical microscope has no choice but to recognize two objects close to each other at a distance of less than half wavelength (ie, 200 nm or less) as one object.
  • the near-field light Since the near-field light has the characteristics of an evanescent wave, it exists only near or near the interface of the observation object and rapidly decreases and disappears away from the observation object. Therefore, in order to image the ultra-fine structure of less than half-waves with the naked eye, there is a need for an apparatus or technology capable of amplifying and collecting near-field light.
  • NSM Near field scanning optical microscopy
  • the near-field scanning optical microscope is a near field having a characteristic of the evanescent wave by scanning the probe having a size below the wavelength (about 100nm) very close to the observation object below the wavelength (about 100nm), and scanning in the X and Y directions
  • the device can image ultra-fine structures.
  • Such a proximity scanning optical microscope has the advantage of overcoming the diffraction limit of light and accurately imaging the ultrafine structure.
  • the proximity scanning optical microscope uses a scanning probe of a small probe, so the measurement speed is very slow, and there is a limitation that only local area imaging is possible.
  • the method of using the proximity scanning optical microscope is very complicated and is completely different from the conventional optical system, and thus cannot be utilized in various industrial fields.
  • the meta-material is a material consisting of a periodic arrangement of meta atoms (metal atoms) designed as a metal or a dielectric material is a new concept material having characteristics that do not exist in the natural world, such as ultra high refractive index and negative refractive index.
  • the unit cells constituting the meta-materials should be about 50 nm or less. It is very difficult.
  • various studies have been conducted to manufacture meta-materials having a fine size using self-assembly of nanoparticles or block copolymers.
  • domestic and international studies are still at the level of basic research to realize the properties of metamaterials.
  • nanopatterning technology of low cost, large area (hundreds to thousands of wavelengths), and high production yield.
  • only research on basic metamaterials having only a few dozen cells in an area within several wavelengths has been reported.
  • meta-materials In other words, the biggest technical difficulty to implement meta-materials is to manufacture complex meta-material structures in two dimensions and even three dimensions. Also, in order to realize meta-material characteristics in the visible region, nano-sized cells must be in three dimensions. Sophisticated structure is needed.
  • the conventional method for manufacturing a meta-material is a method of manufacturing on an inorganic substrate using an expensive exposure equipment in general, but there is a problem that there is a process cost and technical limitations to produce a large area.
  • the metamaterial lens should be attached as closely as possible to the specimen. (The near field disappears rapidly away from the specimen, so to capture the near field, Closely spaced at a distance of less than 1/3), the meta-materials formed on existing inorganic substrates were difficult to closely adhere to the specimens to be observed.
  • the attached metamaterial should be easily attached to the specimen and removed without damaging the specimen, but there was a problem that the metamaterial manufactured on the existing inorganic substrate was impossible.
  • the general meta-material is composed of a unit cell consisting of a metal and a dielectric repeating periodically.
  • the near field and the far field overlap. Therefore, one of the far-field and the near-field cannot be utilized properly, and as a result, there was a disadvantage in that it was impossible to accurately image an ultra-fine structured object.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, the present inventors to solve the above-mentioned problems, the polymer-based 3 that can be attached and detached on the surface of the specimen flexibly and easily using a nano transfer printing method
  • One object of the present invention is to provide a method for producing a polymer-based three-dimensional meta-material film that is flexible and easily attached and detached to a specimen surface using a nano transfer printing method.
  • One object of the present invention is to provide a metamaterial structure film prepared using the method for producing a three-dimensional metamaterial film.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional metamaterial of a laminated structure using nano transfer printing, and (a) the target layer and the mold in contact with the target layer pattern is transferred onto the mold. Thereafter, (b) hot embossing the polymer layer using the mold including the target layer pattern to insert the target layer pattern into the polymer layer. (c) coating a capping layer on the polymer layer into which the target layer pattern is inserted, and (d) attaching the capping layer to the specimen.
  • the target layer is deposited on a substrate, and the target layer may include at least one of metal, oxide and graphene.
  • the mold may comprise an elastomer.
  • the mold may include a convex portion corresponding to the target layer pattern.
  • step (b) may be performed at 80 to 200 °C.
  • the polymer layer may include a thermoplastic polymer, and a sacrificial layer and a supporting layer may be sequentially formed below the polymer layer.
  • Step (e) the process of removing the sacrificial layer and the support layer may be additionally performed.
  • Step (e) may include lifting off the sacrificial layer with pure water or a solution.
  • the steps (a) to (d) may be repeatedly performed.
  • the metamaterial structure film according to an embodiment of the present invention includes at least two unit cells each including a matrix formed of at least one of a polymer and silicon oxide and at least one micropattern array formed in the matrix.
  • the unit cells are stacked vertically, and the cross-sectional area of the fine pattern array included in each of the unit cells decreases downward.
  • the micropattern array may include any one or more of metal, oxide and graphene.
  • the one or more micropattern array may be inserted into the matrix.
  • Optical imaging system using a meta-material film is a laser device, SLM (Spatial Light Modulator) for converting the light emitted from the laser device into a customized light pattern to have a specific pattern, And an objective lens through which a custom light pattern passes, a metamaterial structure film positioned above the specimen to be observed, and a detector for detecting imaging information generated from the specimen to be observed.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the imaging information may include near-field and far-field information of the specimen to be observed.
  • the metamaterial structure film includes at least two unit cells each including a matrix formed of at least one of a polymer and silicon oxide and at least one micropattern array formed in the matrix.
  • the unit cells are vertically stacked, and the cross-sectional area of the fine pattern array included in each of the unit cells may be reduced downward.
  • the present invention it is possible to provide a polymer-based three-dimensional meta-material film production method and a meta-material structure film prepared using the flexible and easy to attach and detach on the surface of the specimen using a nano transfer printing method.
  • meta-materials can be manufactured at a simpler process and at a lower cost compared to existing technologies.
  • the meta-material film can be formed on a very thin organic substrate, it is possible to closely adhere to the specimen to be observed, thereby resulting in an effect of easily amplifying the near field of the ultra-fine structure.
  • the meta-material film since the meta-material film has a structure in which various lattice structures are mixed or disordered structures are repeated, it is possible to scatter the near field in a large area, and thus light in a large area band It can amplify the near field of and can also collect the far field.
  • the meta-material film can be easily removed with a solvent such as water or other acetone, resulting in nondestructive testing.
  • a solvent such as water or other acetone
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a method of manufacturing a three-dimensional metamaterial of a laminated structure using nano transfer printing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view for explaining a three-dimensional meta-material structure film according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view for explaining a three-dimensional meta-material structure film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an optical imaging system using a metamaterial film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram for explaining the principle of operation 1 of the optical imaging system using a metamaterial film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a principle 2 of an optical imaging system using a metamaterial film according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a method of manufacturing a three-dimensional metamaterial of a laminated structure using nano transfer printing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 a three-dimensional metamaterial manufacturing method of a laminated structure using nano transfer printing according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • a method of manufacturing a three-dimensional metamaterial having a laminated structure using nano transfer printing may include: (a) transferring a target layer pattern onto the mold by contacting a mold on the target layer; (b) inserting the target layer pattern into the polymer layer by hot embossing the polymer layer using the mold to which the target layer pattern is transferred; (c) coating a capping layer on the polymer layer into which the target layer pattern is inserted; And (d) attaching the capping layer to the specimen.
  • Step 1 After preparing the substrate 1, the step of depositing the target layer (2) on the substrate (1).
  • the target layer 2 may be any one or more of metal, oxide, and graphene, and serves as a functional layer for forming a meta material.
  • the method of depositing the target layer 2 on the substrate 1 may be performed in various ways such as electron beam evaporation, sputtering, nanoparticle coating, and chemical vapor deposition. Be careful.
  • Step 2 The step of bringing the mold 3 into contact with the surface of the target layer 2 to bring the target layer 2 into contact with the mold 3.
  • the mold 3 is preferably an elastomeric mold comprising an elastomer.
  • the surface of the mold 3 is self-assembled monolayer coating, UVozone treatment, plasma treatment and other adhesive layer coating to induce bonding with the target layer 2 Note that any one or more steps of may be added.
  • the step is to apply the heat of about 50 to 200 °C to contact the target layer 2 to the surface of the mold 3 in order to more effectively proceed the bonding of the mold 3 and the target layer (2) Be careful.
  • Step 3 The step of transferring the object layer pattern on the convex portion of the mold 3 by separating the mold 3 contacted in the step 2 is performed.
  • Step 4 After coating a sacrificial layer (5) that can be removed with water or other solvent on the supporting layer (4), a thin thermoplastic polymer layer (6) on top follow the steps to form.
  • the sacrificial layer 5 is a polymer that is easily removed by a solvent (solution) such as water or other acetone, and is a water-soluble polymer (eg, PVA, polyvinyl alcohol, etc.) that can be removed in water. It is preferable.
  • step 4 is not necessarily performed after step 3 but may be performed before step 1.
  • Step 5 The mold 3 to which the target layer pattern 2 is transferred is hot-embossed onto the substrate formed of the thermoplastic polymer layer 6 / sacrificial layer 5 / support layer 4 to heat the thermoplastic polymer layer 6
  • Step 6 After the hot embossing process, a thin capping layer 7 having a thickness of about 100 nm or less is inserted into the target layer pattern 2 to improve adhesion to the specimen to be observed and to facilitate the subsequent lamination process. Coating on the thermoplastic polymer layer 6 is carried out.
  • Step 7 The capping layer 7 is attached to the specimen 10 to be observed. At this time, not only the capping layer 7 is attached to the specimen 10 to be observed, but the thermoplastic polymer layer 6, the sacrificial layer 5, and the support layer having the object layer pattern 2 positioned below the capping layer 7 are inserted. Note that (4) will be attached together.
  • Step 8 A lift-off process may be performed to remove the sacrificial layer 5 and the support layer 4 located above the capping layer 7 attached to the specimen 10 to be observed using water or other solvents. By this step, it is possible to form a polymer film-based metamaterial on the specimen 10 to be observed.
  • Step 9 By repeating the above process, the step of implementing a three-dimensional meta-material having various pattern structures is performed.
  • FIGS. 2 and 3 are plan views for explaining a three-dimensional meta-material structure film according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view for explaining a three-dimensional meta-material structure film according to an embodiment of the present invention.
  • the 3D metamaterial structure film 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3.
  • Three-dimensional metamaterial structure film 100 is characterized in that it is manufactured by the three-dimensional metamaterial manufacturing method of the laminated structure using the nano-transfer printing described above.
  • 3D meta-material structure film 100 is formed in the matrix (21a, 22a, 23a) formed of any one or more of the polymer and silicon oxide, the matrix (21a, 22a, 23a) At least two unit cells 21, 22, and 23 each having one or more fine pattern arrays 21b, 22b, and 23b are included.
  • the matrix (21a, 22a, 23a) is a component corresponding to the thermoplastic polymer layer 6 described in the three-dimensional meta-material manufacturing method of the laminated structure using the nano-transfer printing described above may be made of not only a polymer but also silicon oxide. Note that.
  • the fine pattern arrays 21b, 22b, and 23b are any of metals, oxides, and graphenes as constituents of the target layer pattern 2 described in the method for manufacturing a three-dimensional metamaterial of a laminated structure using the nano-transfer printing described above. It may be abnormal.
  • fine pattern arrays 21b, 22b, and 23b are preferably inserted into the matrixes 21a, 22a, and 23a at regular intervals or at random.
  • One or more unit cells 21, 22, and 23 may be stacked in a vertical direction.
  • the cross-sectional area of the fine pattern array included in each of the unit cells 21, 22, and 23 may become smaller toward the lower side. The reason for this is that the fine layer is placed close to the specimen to be observed to effectively amplify the near field of the microstructure to be observed.
  • the meta-material film having a three-dimensional structure according to an embodiment of the present invention as shown in Figures 2 and 3, the fine pattern array (21b, 22b, 23b) having a grid of a plurality of sizes and shapes
  • Two or more unit cells 21, 22, and 23 may be stacked.
  • the size of the two or more unit cells (21, 22, 23) may have a range of 10 nm to several microns.
  • the 3D meta-material film having such a structure can scatter light in a wide area, thereby obtaining both near and far field information of the wide area in light.
  • the three-dimensional meta-material structure film according to an embodiment of the present invention may be considered a structure in which a disordered structure or pattern is formed in a predetermined area and a portion where the disordered structure is formed is regularly repeated. Note that there is. Such a structure can also scatter light in a wide area, and the effect of obtaining near-field and far-field information of a wide area light is generated.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an optical imaging system using a metamaterial film according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a configuration diagram for explaining the principle of operation 1 of the optical imaging system using a metamaterial film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a principle 2 of an optical imaging system using a metamaterial film according to an exemplary embodiment.
  • Optical imaging system 200 using a metamaterial film is a laser device 210, a spatial light modulator (SLM) 220, the objective lens 230, the metamaterial film 100 ) And a detector 240.
  • SLM spatial light modulator
  • a beam splitter 215 and an optical lens 225 may be additionally configured.
  • the laser device 210 serves to irradiate a desired kind of light, and a HeNe laser device may be used. Note that the wavelength of light need not be limited here, and lasers of other wavelengths may also be used (step 1).
  • the light irradiated from the laser device 210 is partially reflected by the beam splitter 215 to be introduced into the wavefront controller 220 (step 2).
  • the wavefront controller 220 converts the light emitted from the laser device 210 into a customized light pattern 1, 2, 3, ... to have a specific pattern (step 3).
  • the converted custom light pattern is then passed through the optical lens 225 and the objective lens 230 (steps 4 and 5).
  • the objective lens 230 collects new light having information of the near and far fields of the specimen 10 to be observed (step 7).
  • the detector 240 detects the imaging information (1 ", 2", 3 ", ...) generated from the specimen 10 to be observed to image the microstructure (steps 8, 9 and 10).
  • the imaging information is characterized in that it includes all the information of the near and far field of the specimen 10 to be observed.
  • a plurality of customized light patterns 1, 2, 3, ... are observed through the metamaterial film 100. 10) to collect near-field and far-field light (1 ", 2", 3 ", ...) scattered from the meta-material film 100 and transmit it to the detector 240 for accurate imaging of ultra-fine structures Is to implement
  • the paired light pattern (1, 2, 3, %) and the near-field and far-field imaging information (1 ", 2", 3 ", ...) detected from the meta-material film 100 is a pair
  • accurate imaging of ultra-fine structures can be performed.
  • the metamaterial film 100 when the metamaterial film 100 is manufactured in advance and the light patterns 1, 2, 3,... Of the meta material film 100 are irradiated with the meta material film 100, focusing may be performed on an existing lens. It will be able to focus on near-field light that is missing.
  • the meta-material film 100 is a structure in which a plurality of fine pattern arrays are formed, when the conventional light is irradiated, a myriad of light scatters in the meta-material film 100, and thus a desired shape is obtained. You will not be able to get the focus.
  • the light when the light is specifically patterned to the metamaterial film 100 through a device such as a wave conditioner, the light may be focused at a specific position. That is, the key point here is the near- and far-field focusing information (1 ', 2', 3 ', which is realized through the customized light pattern (1, 2, 3, ...) and the meta-material film 100. Note that Certainly is analyzed by matching each pair (11 ', 22', 33 ', ).
  • the metamaterial film since the metamaterial film has a structure in which various lattice structures are mixed or disordered structures are repeated, the metamaterial film may scatter near field in a large area. As a result, it can amplify the near field of light in a large area and collect the far field together.
  • the meta-material film can be easily removed with a solvent such as water or other acetone, resulting in nondestructive testing. This makes it possible to provide an optical imaging system that includes a new concept of metamaterial film that is easy to fabricate and that can be used once.

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Abstract

본 발명은 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법, 이에 의해 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 이용한 광학 이미징 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 나노 트랜스퍼 프린팅 공법을 이용하여 유연하며 용이하게 시편 표면에 부착 및 탈착이 가능한 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름을 제조하고 이를 이용하여 기존 광학계로 관찰하지 못하는 초미세 구조를 관찰할 수 있는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법, 이에 의해 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 이용한 광학 이미징 시스템에 관한 것이다.

Description

나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층 구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 포함하는 광학 이미징 시스템
본 발명은 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 포함하는 광학 이미징 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 나노 트랜스퍼 프린팅 공법을 이용하여 유연하며 용이하게 시편 표면에 부착 및 탈착이 가능한 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름을 제조하고 이를 이용하여 기존 광학계로 관찰하지 못하는 초미세 구조를 관찰할 수 있는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 상기 3차원 메타물질의 제조 방법을 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 상기 메타 물질 구조 필름을 이용한 광학 이미징 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 광학 이미징 장치는 빛의 굴절을 이용하는 렌즈를 포함한다. 상기 광학 이미징 장치는 빛의 회절 한계로 인한 분해능 한계에 의하여 반파장 이하의 크기를 가지는 초미세 구조에 대해서는 초점을 정확히 맞출 수 없다. 대표적인 광학 이미징 시스템인 광현미경의 경우 빛의 회절 한계로 인하여 200nm 이하의 관찰 대상 및 특정 물질을 육안으로 관찰하기는 불가능한 실정이다.
이러한 이유를 구체적으로 살펴보면, 기존의 대물 렌즈로는 초미세 구조의 정보를 지니고 있는 근접장 (near field) 빛을 포집할 수 없고, 오직 원거리장 (far field) 빛을 포집하여 이미징화한다. 따라서, 상기 광현미경은 반파장 이하(즉, 200nm 이하)의 거리로 가까이 있는 두 물체를 하나의 물체로 인식할 수 밖에 없게 된다.
이러한 근접장 빛은 소멸파(Evanescent wave)의 특성을 가지므로 관찰 대상의 계면 근방 혹은 계면 부근에만 존재하고 관찰 대상으로부터 멀어질수록 급격히 감소하여 소멸하게 된다. 따라서 반파장 이하의 초미세 구조를 육안으로 관찰할 수 있도록 이미징화하기 위해서는 근접장 빛을 증폭시켜서 이를 포집할 수 있는 장치나 기술이 필요한 실정이다.
초미세 구조를 이미징하기 위한 종래 기술로서 근접 주사 광학 현미경(Nearfield scanning optical microscopy, NSOM)이 사용되고 있다.
구체적으로 살펴보면, 근접 주사 광학 현미경은 파장 이하의 크기(약 100nm)를 가지는 탐침을 관찰 대상에 파장 이하(약 100nm)로 매우 가깝게 근접시키고, X 및 Y 방향으로 주사하여 소멸파의 특성을 가지는 근접장 빛을 탐침으로 포집함으로써 초미세 구조를 이미징할 수 있는 장치이다.
이러한 근접 주사 광학 현미경은 빛의 회절 한계를 극복하여 초미세 구조를 정밀하게 이미징할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만, 상기 근접 주사 광학 현미경은 반면에 미세 탐침의 주사를 이용하기 때문에 측정 속도가 매우 느리고, 국소면적의 이미징만 가능하다는 한계가 존재하게 된다. 더욱이, 근접 주사 광학 현미경의 사용 방법이 매우 복잡하고 기존의 광학계와는 전혀 다른 방식이기 때문에 다양한 산업 분야에 활용되지 못한다는 문제점이 존재하였다.
한편, 메타 물질은 금속이나 유전 물질로 설계된 메타 원자(meta atom)의 주기적인 배열로 이루어진 물질로서 초고굴절률 및 음굴절률 등 자연계에서는 존재하지 않는 특성을 가지는 신개념 소재이다.
이러한 메타 물질을 이용하여 굴절률이 10 이상인 물질을 구현하거나 굴절률이 음수인 물질 등을 구현하면 회절 한계에 의하여 성능 향상의 제약이 있는 모든 분야의 기술적 장애를 해결할 수 있다고 여겨져 메타 물질 관련한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.
특히, 메타 물질을 광학 이미징 시스템에 활용하기 위해서는 메타 물질을 이루는 단위셀이 약 50nm 이하의 수준이 되어야 하는데, 현재의 광 식각 리소그래피 기술을 이용해서 상술된 크기의 단위셀 형태의 메타 물질을 제작하기에는 매우 어려운 실정이다. 이에 최근에는, 나노 입자 또는 블록 공중합체의 자기조립 현상을 이용하여 미세한 크기의 메타 물질을 제조하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지는 국내외 연구들은 메타 물질의 특성을 구현하기 위한 기초 연구 수준에 머물러 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 메타 물질의 단순한 구현에 머물지 않고 실제 산업에 있어서 메타물질을 적용하기 위해서는, 저가이며, 대면적(파장의 수백~수천배)이고, 그리고 고생산수율의 나노패터닝 기술의 개발이 반드시 필요한 상황이나, 현재까지는 몇 파장 내의 면적에 수십개의 셀만이 형성된 기초적인 메타 물질에 관련된 연구만이 보고되고 있는 실정이다.
즉, 메타 물질을 구현하기 위한 가장 큰 기술적 난제는 2차원, 더 나아가 3차원의 복잡한 메타 물질 구조를 제작하는 것이며, 또한 가시광선 영역에서 메타 물질 특성을 구현하기 위해서는 나노 크기의 셀이 3차원으로 정교하게 제작된 구조가 필요한 실정이다.
그러나, 현재의 리소그래피 기술 및 반도체 공정으로는 상술된 나노 크기의 셀이 3차원적으로 정교하게 제작된 메타 물질 구조를 실질적으로 구현하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 메타 물질 제작방식은 일반적으로 고가의 노광 장비를 이용하여 무기물 기판에 제작하는 방식이 주를 이루고 있으나 대면적으로 제작하는 데 공정비용 및 기술적으로 한계가 있다는 문제점이 있다.
또한, 초미세 구조를 관찰하기 위해서는 메타 물질 렌즈를 시편에 최대한 밀착시켜 부착해야 하는데 (근접장은 시편으로부터 멀어질수록 급격히 소멸되기 때문에 근접장을 포집하기 위해서는 메타 물질 렌즈를 시편에 사용하는 빛의 파장의 1/3 이하 수준의 이격 거리로 매우 근접하게 밀착시켜야 함), 기존의 무기물 기반 기판에 형성한 메타 물질로는 관찰대상 시편에 매우 근접하게 밀착시키는데 어려움이 있었다.
또한, 관찰 대상 시편의 비파괴 검사를 위해서는 부착한 메타 물질을 시편에 쉽게 부착하고 또한 시편을 손상시키지 않으면서 제거할 수 있어야 하지만 기존 무기물 기판에 제작된 메타 물질로는 불가능하다는 문제점이 있었다.
또한 일반적인 메타 물질은 금속과 유전체로 이루어진 단위 셀이 주기적으로 반복된 형태로 이루어 진다. 상기 단위 셀의 반복 구조를 갖는 메타 물질에서는 근접장과 원거리장이 겹치게 된다. 따라서 원거리장이나 근접장 둘 중 하나를 제대로 활용할 수 없고, 그 결과 초미세 구조의 물체를 정확하게 이미징 할 수 없다는 단점이 존재하였다.
따라서, 본 발명은 이러한 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명자는 상술된 문제점을 해결하기 위해, 나노 트랜스퍼 프린팅 공법을 이용하여 유연하며 용이하게 시편 표면에 부착 및 탈착이 가능한 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름을 제조하고 이를 이용하여 기존 광학계로 관찰하지 못하는 초미세 구조를 관찰할 수 있는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층 구조의 3차원 메타물질의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름 및 상기 메타물질 구조 필름을 포함하는 광학 이미징 시스템을 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 일 목적은, 나노 트랜스퍼 프린팅 공법을 이용하여 유연하며 용이하게 시편 표면에 부착 및 탈착 가능한 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 상기 3차원 메타 물질 필름의 제조 방법을 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 목적은, 상술된 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름을 이용하여 기존 광학계로 관찰하지 못하는 초미세 구조를 관찰할 수 있는 광학 이미징 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 대상층 및 몰드를 접촉시켜 상기 몰드 상에 대상층 패턴을 전사한다. 이후, (b) 상기 대상층 패턴을 포함하는 상기 몰드를 이용하여 고분자층을 핫엠보싱시켜 상기 고분자층 내에 대상층 패턴을 삽입한다. (c) 상기 대상층 패턴이 삽입된 고분자층 상에 캡핑층을 코팅한고 (d) 상기 캡핑층을 시편에 부착시킨다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상층은 기판 상에 증착되며, 그리고 상기 대상층은 금속, 산화물 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몰드는 탄성 중합체(elastomeric)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몰드는 상기 대상층 패턴에 대응되는 볼록부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 80 내지 200℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고분자층은 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)를 포함하고, 상기 고분자층의 아래에는 희생층(sacrificial layer) 및 지지층(supporting layer)이 순차적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, (e) 상기 희생층 및 지지층을 제거하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 상기 (e) 단계는 상기 희생층을 순수 또는 용액으로 리프트 오프시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계 내지 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 구조 필름은 고분자 및 산화 실리콘 중 어느 하나 이상으로 형성되는 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 형성되는 하나 이상의 미세패턴 어레이를 각각 포함하는 적어도 두 개의 유닛셀들을 포함하고, 상기 유닛셀들은 수직으로 적층되며, 상기 유닛셀들 각각에 포함된 상기 미세패턴 어레이의 단면적은 하방으로 갈수록 작아진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 미세패턴 어레이는 금속, 산화물 및 그래핀 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 미세패턴 어레이는, 상기 매트릭스 내에 삽입되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템은 레이저 장치, 상기 레이저 장치로부터 조사되는 빛을 특정한 패턴을 가지도록 맞춤형 빛 패턴으로 변환하는 파면조절기(SLM; Spatial Light Modulator), 상기 맞춤형 빛 패턴이 통과하는 대물 렌즈, 관찰 대상 시편 상측에 위치하는 메타물질 구조 필름 및 상기 관찰 대상 시편으로부터 발생하는 이미징 정보를 검출하는 검출기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이미징 정보는 상기 관찰 대상 시편의 근접장 및 원거리장 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메타물질 구조 필름은, 고분자 및 산화실리콘 중 어느 하나 이상으로 형성되는 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 형성되는 하나 이상의 미세패턴 어레이를 각각 포함하는 적어도 두 개의 유닛셀들을 포함하고, 상기 유닛셀들은수직으로 적층되며, 상기 유닛셀들 각각에 포함된 미세패턴 어레이의 단면적은 하방으로 갈수록 작아질 수 있다.
본 발명에 따르면, 나노 트랜스퍼 프린팅 공법을 이용하여 유연하며 용이하게 시편 표면에 부착 및 탈착 가능한 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 메타물질 구조 필름을 제공할 수 있다.
구체적으로, 기존 기술과 비교하여 보다 간단한 공정과 저비용으로 메타 물질을 제작할 수 있게 된다. 또한 매우 얇은 유기물 기판 위에 메타 물질 필름을 형성할 수 있으므로 관찰 대상 시편 위에 매우 근접하게 밀착이 가능하게 되고, 그로 인해 초미세 구조의 근접장을 용이하게 증폭할 수 있다는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 상술된 고분자 기반 3차원 메타 물질 필름을 이용하여 기존 광학계로 관찰하지 못하는 초미세 구조를 관찰할 수 있는 광학 이미징 시스템을 제공할 수 있게 된다.
구체적으로, 3차원 메타 물질 필름을 이용하는 경우에는, 메타 물질 필름이 다양한 격자 구조가 혼재되거나 무질서한 구조가 반복되는 구조로 이루어지기 때문에 넓은 면적에서 근접장을 산란시킬 수 있게 되며, 그로 인해 넓은 영역 대의 빛의 근접장을 증폭할 수 있고 원거리장도 함께 포집할 수 있게 된다.
또한 메타 물질 필름을 물이나 기타 아세톤과 같은 솔벤트로 쉽게 제거할 수 있으므로 비파괴검사가 가능하다는 장점도 발생하게 된다. 그로 인해, 제작이 용이하고 일회성으로 사용될 수 있는 새로운 개념의 메타 물질 필름을 포함하는 광학 이미징 시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름을설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템을설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템의 작동 원리 1를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템의 작동 원리 2를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법, 이에 의해 제조된 메타물질 구조 필름 및 이를 이용한 광학 이미징 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
메타 물질 렌즈 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도들이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법은 (a) 대상층 상에 몰드를 접촉시켜 상기 몰드 상에 대상층 패턴을 전사하는 단계; (b) 상기 대상층 패턴이 전사된 상기 몰드를 이용하여 고분자층을 핫엠보싱시켜 상기 고분자층에 상기 대상층 패턴을 삽입하는 단계; (c) 상기 대상층 패턴이 삽입된 고분자층 상에 캡핑층을 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 캡핑층을 시편에 부착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제조 공정에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
(단계 1) 기판(1)을 준비한 다음, 기판(1) 위에 대상층(2)을 증착하는 단계를 수행한다. 여기서, 대상층(2)은 금속, 산화물, 그래핀 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 메타 물질을 이루기 위한 기능성 층의 역할을 수행한다.
이때, 대상층(2)을 기판(1) 상에 증착하는 방법은 전자빔증착법 (Ebeam evaporation), 스퍼터링법(sputtering), 나노입자 코팅 및 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 등 다양하게 수행될 수 있음을 유의한다.
(단계 2) 대상층(2) 표면에 몰드(3)를 접촉시켜 몰드(3) 상에 대상층(2)을 접촉시키는 단계를 수행한다. 여기서, 몰드(3)는 탄성 중합체를 포함하는 탄성 중합체 몰드(elastomeric mold)인 것이 바람직하다.
이때, 몰드(3)의 표면에는 대상층(2)과의 결합을 유도하기 위해서 자기조립단분자 코팅(self assembled monolayer coating), 자외서오존(UVozone) 처리, 플라즈마 처리(plasma treatment) 및 기타 접착층 코팅 중 어느 하나 이상의 단계가 추가될 수 있음을 유의한다.
또한, 상기 단계는 몰드(3)와 대상층(2)과의 결합을 보다 효과적으로 진행하기 위해, 약 50 내지 200℃의 열을 가하며 몰드(3)의 표면에 대상층(2)을 접촉시킬 수 있음을 유의한다.
(단계 3) 상기 단계 2에서 접촉된 몰드(3)를 분리함으로써 몰드(3)의 볼록부 상에 대상층 패턴을 전사하게 단계를 수행한다.
(단계 4) 지지층(supporting layer)(4) 상에 물이나 기타 솔벤트로 제거 가능한 희생층(sacrificial layer)(5)을 코팅한 후 그 상부에 얇은 열가소성 폴리머층(thermoplastic polymer layer)(6)을 형성하는 단계를 수행한다.
여기서, 희생층(5)은 물이나 기타 아세톤과 같은 솔벤트(용액)에 의한 제거가 용이한 고분자를 사용하며, 물에 제거될 수 있는 수용성 고분자(예를 들어, PVA, 폴리비닐 알코올 등) 인 것이 바람직하다.
한편, 단계 4의 경우는 반드시 단계 3 후에 수행되는 것이 아니며 단계 1 전에 수행될 수도 있음을 유의한다.
(단계 5) 대상층 패턴(2)이 전사되어 있는 몰드(3)를 열가소성 폴리머층(6)/희생층(5)/지지층(4)으로 형성되어 있는 기판에 핫엠보싱하여 열가소성 폴리머층(6)에 대상층 패턴(2)을 삽입하는 단계를 수행한다. 이때, 단계 5가 효과적으로 수행될 수 있도록 약 80 내지 200℃의 열을 가하는 것이 바람직하다.
(단계 6) 핫엠보싱 공정 후에 관찰 대상 시편과의 접착력 향상 및 이후 적층 공정의 용이성을 위해서 약 100 nm 이하 두께를 가지는 얇은 캡핑층(capping layer)(7)을 상기 대상층 패턴(2)이 삽입된 열가소성 폴리머층(6) 상에 코팅하는 단계를 수행한다.
(단계 7) 캡핑층(7)을 관찰 대상 시편(10)에 부착시키는 단계를 수행한다. 이때, 캡핑층(7) 만을 관찰 대상 시편(10)에 부착하는 것이 아니라 캡핑층(7) 하측에 위치하는 대상층 패턴(2)이 삽입된 열가소성 폴리머층(6), 희생층(5) 및 지지층(4)을 함께 부착하게 됨을 유의한다.
(단계 8) 관찰 대상 시편(10)에 부착된 캡핑층(7) 상측에 위치한 희생층(5) 및 지지층(4)을 물이나 기타 솔벤트를 이용하여 제거하는 리프트 오프 공정이 수행될 수 있다. 이러한 단계에 의하여 관찰 대상 시편(10) 상측에 고분자 필름 기반의 메타 물질을 형성할 수 있게 된다.
(단계 9) 상술된 공정을 반복함으로써 다양한 패턴 구조를 가지는 3차원 메타 물질을 구현하는 단계를 수행한다.
이러한 방법에 의하면, 유연한 고분자 재질의 필름으로 구성되는 메타 물질 필름을 형성할 수 있으며 이러한 고분자 메타 물질 필름을 관찰 대상 시료에 용이하게 부착시킬 수 있게 된다. 또한 나노 트랜스퍼 공정으로 다층 구조의 메타 물질 필름을 용이하게 제조할 수 있게 된다.
메타물질 구조 필름
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름을설명하기 위한 평면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름을 설명하기 위한 단면도이다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름(100)를 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름(100)은 상술된 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름(100)은 고분자 및 산화실리콘 중 어느 하나 이상으로 형성되는 매트릭스(21a, 22a, 23a), 상기 매트릭스(21a, 22a, 23a) 내에 형성되는 하나 이상의 미세패턴 어레이(21b, 22b, 23b)를 각각 구비하는 적어도 두 개의 유닛셀들(21, 22, 23)을 포함한다.
여기서, 매트릭스(21a, 22a, 23a)는 상술된 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법에 기재된 열가소성 폴리머층(6)에 해당하는 구성 요소로서 고분자뿐만 아니라 산화실리콘으로 이루어질 수도 있음을 유의한다.
그리고 미세패턴 어레이(21b, 22b, 23b)는 상술된 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법에 기재된 대상층 패턴(2)에 해당하는 구성 요소로서 금속, 산화물, 그래핀 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 이러한 미세패턴 어레이(21b, 22b, 23b)는 일정한 간격으로 혹은 랜덤하게 매트릭스(21a, 22a, 23a) 내에 삽입되어 위치하는 것이 바람직하다.
이러한 하나 이상의 유닛셀(21, 22, 23)은 수직 방향으로 적층될 수 있다. 또한 상기 유닛셀(21, 22, 23)들 각각에 포함된 미세패턴 어레이의 단면적은 하측부로 갈수록 작아질 수 있다. 이러한 이유는 관찰 대상인 미세 구조의 근접장을 효과적으로 증폭하기 위해서 미세한 층이 관찰 대상 시편에 가깝게 위치하도록 하는 것이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조의 메타 물질 필름은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 크기 및 모양의 격자를 구비하는 미세패턴 어레이(21b, 22b, 23b)를 포함하는 두 개 이상의 유닛셀(21, 22, 23)은 적층되어 있는 구조일 수 있다. 이때, 두 개 이상의 유닛셀(21, 22, 23)의 크기는 10 nm 내지 수 마이크론의 범위를 가질 수 있다.
이러한 구조의 3차원 메타 물질 필름은 넓은 영역 대의 빛을 산란시킬 수 있게 되며, 그로 인해 넓은 영역 대 빛의 근접장 및 원거리장 정보를 모두 획득할 수 있게 된다.
또한 도시되지는 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메타물질 구조 필름은 무질서한 구조나 패턴이 일정 면적 내에 형성되어 있고 이 무질서한 구조가 형성되어 있는 부분이 규칙적으로 반복되어 있는 구조를 생각할 수도 있음을 유의한다. 이러한 구조 역시 넓은 영역대 빛을 산란시킬 수 있으며, 넓은 영역대 빛의 근접장 및 원거리장 정보를 획득할 수 있다는 효과가 발생한다.
메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템을설명하기 위한 구성도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템의 작동 원리 1를 설명하기 위한 구성도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템의 작동 원리 2를 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템(200)을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템(200)은 레이저 장치(210), 파면 조절기(spatial light modulator, SLM)(220), 대물 렌즈(230), 메타 물질 필름(100) 및 검출기(240)를 포함할 수 있다. 또한, 빔 스플리터(Beam splitter)(215) 및 광학 렌즈(225)가 추가적으로 구성될 수 있다.
레이저 장치(210)는 원하는 종류의 빛을 조사하는 역할을 수행하며, HeNe 레이저 장치가 사용될 수 있다. 여기서, 빛의 파장은 한정될 필요는 없으며, 다른 파장의 레이저도 사용 가능함을 유의한다(단계 1).
레이저 장치(210)로부터 조사된 빛은 빔 스플리터(215)를 통하여 일부가 반사되어 파면 조절기(220)로 유입되게 된다(단계 2).
파면 조절기(220)는 레이저 장치(210)로부터 조사된 빛을 특정한 패턴을 가지도록 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)으로 변환하는 역할을 수행한다(단계 3). 그리고 이러한 변환된 맞춤형 빛 패턴은 광학 렌즈(225) 및 대물 렌즈(230)를 통과하게 된다(단계 4 및 단계 5).
대물 렌즈(230)를 통과한 빛은 관찰 대상 시편(10)의 상측에 위치한 메타 물질 필름(100)을 통하여 관찰 대상 시편(10)에 조사되게 된다(단계 6). 이때, 메타 물질 필름(100)은 관찰 대상 시편(10)의 근접장을 증폭하는 역할을 수행하게 된다. 그리고 대물 렌즈(230)는 관찰 대상 시편(10)의 근접장 및 원거리장의 정보를 가지는 새로운 빛을 포집하게 된다(단계 7).
그리고 검출기(240)는 관찰 대상 시편(10)으로부터 발생하는 이미징 정보(①", ②", ③", ...)를 검출함으로써 미세 구조를 이미징화하게 된다(단계 8, 9, 10). 여기서 이미징 정보는 관찰 대상 시편(10)의 근접장 및 원거리장의 정보를 모두 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템(200)은 다수의 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)을 메타 물질 필름(100)을 통해서 관찰 대상 시편(10)에 조사함으로써 메타 물질 필름(100)으로부터 산란되어 나오는 근접장 및 원거리장 빛(①", ②", ③", ...)을 포집하고 검출기(240)로 전달하여 초미세구조의 정확한 이미징을 구현하는 것이다.
즉, 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)과 메타 물질 필름(100)으로부터 검출되는 근접장 및 원거리장 이미징 정보(①", ②", ③", ...)는 하나의 쌍이 되고, 이러한 여러쌍의 이미징 정보를 분석함으로써 초미세구조의 정확한 이미징을 할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템(200)의 작용 원리를 살펴보면 다음과 같다.
도 5를 참조하면, 메타 물질 필름(100)을 미리 제작하고 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)을 메타 물질 필름(100)으로 조사하게 되면 기존 렌즈에서 포커싱(focusing) 할 수 없는 근접장 빛을 포커싱할 할 수 있게 된다.
구체적으로 살펴보면, 메타 물질 필름(100)은 상술된 바와 같이, 미세 패턴 어레이가 다수 형성되어 있는 구조이기 때문에 통상적인 빛을 조사하면 메타 물질 필름(100) 내에서 무수한 빛의 산란이 일어나므로 원하는 형태의 포커싱을 얻을 수 없게 된다. 그러나, 파면조절기 등의 장치를 통해서 특정하게 패터닝된 빛을 메타 물질 필름(100)에 조사하면 이를 통해서 특정한 위치에 빛을 포커싱할 수 있게 된다. 즉, 여기서 핵심이 되는 사항은, 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)과 메타 물질 필름(100)을 통해서 구현되는 근접장 및 원거리장 포커싱 정보(①', ②', ③', ...)를 각각 쌍으로 매칭(①①', ②②', ③③', ...) 하여 분석하는 것임을 유의한다.
도 6을 참조하면, 맞춤형 빛 패턴(①, ②, ③, ...)을 기존 광학 렌즈(225)와 메타 물질 필름(100)을 통하여 미세 구조를 가지는 관찰 대상 시편(10)에 조사하면 메타 물질 필름(100)에 의하여 근접장 및 원거리장 초점(①', ②', ③', ...)이 관찰 대상 시편(10)에 맺히게 되며 이렇게 얻어진 초점 정보는 메타 물질 필름(100)에 의하여 증폭되고 전달되어 근접장과 원거리장이 보두 포함된 이미징 정보(①", ②", ③", ...)를 얻을 수 있게 된다. 그리고 맞춤형 빛 패턴을 많이 조사할수록 미세 구조를 가지는 관찰 대상 시편(10)의 더 많은 이미징 정보를 얻을 수 있으므로 보다 정확한 이미징을 할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템에 의하면, 메타 물질 필름이 다양한 격자 구조가 혼재되거나 무질서한 구조가 반복되는 구조로 이루어지기 때문에 넓은 면적에서 근접장을 산란시킬 수 있게 되며, 그로 인해 넓은 영역 대의 빛의 근접장을 증폭할 수 있고 원거리장도 함께 포집할 수 있게 된다. 또한 메타 물질 필름을 물이나 기타 아세톤과 같은 솔벤트로 쉽게 제거할 수 있으므로 비파괴검사가 가능하다는 장점도 발생하게 된다. 그로 인해, 제작이 용이하고 일회성으로 사용될 수 있는 새로운 개념의 메타 물질 필름을 포함하는 광학 이미징 시스템을 제공할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. (a) 대상층 및 몰드를 접촉시켜 상기 몰드 상에 대상층 패턴을 전사하는 단계;
    (b) 상기 대상층 패턴을 포함하는 상기 몰드를 이용하여 고분자층을 핫엠보싱시켜 상기 고분자층 내에 대상층 패턴을 삽입하는 단계;
    (c) 상기 대상층 패턴이 삽입된 고분자층 상에 캡핑층을 코팅하는 단계; 및
    (d) 상기 캡핑층을 시편에 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상층은 기판 상에 증착되며, 그리고 상기 대상층은 금속, 산화물 및 그래핀 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 몰드는 탄성 중합체(elastomeric)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 몰드는 상기 대상층 패턴에 대응되는 볼록부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 80 내지 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자층은 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)를 포함하고,
    상기 고분자층의 아래에는 희생층(sacrificial layer) 및 지지층(supporting layer)이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    (e) 상기 희생층 및 지지층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계는 상기 희생층을 순수 또는 용액으로 리프트 오프시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 트랜스퍼 프린팅을 이용한 적층구조의 3차원 메타물질 제조 방법.
  10. 고분자 및 산화 실리콘 중 어느 하나 이상으로 형성되는 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 형성되는 하나 이상의 미세패턴 어레이를 각각 포함하는 적어도 두 개의 유닛셀들을 포함하고,
    상기 유닛셀들은 수직으로 적층되며, 상기 유닛셀들 각각에 포함된 상기 미세패턴 어레이의 단면적은 하방으로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조 필름.
  11. 제10항에 있어서, 상기 미세패턴 어레이는 금속, 산화물 및 그래핀 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메타물질 구조 필름.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 미세패턴 어레이는,
    상기 매트릭스 내에 삽입되어 위치하는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조 필름.
  13. 레이저 장치;
    상기 레이저 장치로부터 조사되는 빛을 특정한 패턴을 가지도록 맞춤형 빛 패턴으로 변환하는 파면조절기(SLM; Spatial Light Modulator);
    상기 맞춤형 빛 패턴이 통과하는 대물 렌즈;
    관찰 대상 시편 상측에 위치하는 메타물질 구조 필름; 및
    상기 관찰 대상 시편으로부터 발생하는 이미징 정보를 검출하는 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이미징 정보는,
    상기 관찰 대상 시편의 근접장 및 원거리장 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 메타물질 구조 필름은, 고분자 및 산화실리콘 중 어느 하나 이상으로 형성되는 매트릭스; 및
    상기 매트릭스 내에 형성되는 하나 이상의 미세패턴 어레이;로 구성되는 적어도 두 개의 유닛셀들을 포함하고,
    상기 유닛셀들은수직으로 적층되며, 상기 유닛셀들 각각에 포함된 미세패턴 어레이의 단면적은 하방으로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 메타물질 필름을 이용한 광학 이미징 시스템.
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