KR-20260062041-A - Meta optical device and method for manufacturing meta optical device with enhanced the physical durability of meta surfaces by forming a protective layer using a coating process

KR20260062041AKR 20260062041 AKR20260062041 AKR 20260062041AKR-20260062041-A

Abstract

본 발명은 물리적 내구성이 향상된 메타 표면을 갖는 메타 광학소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 메타 광학소자는 기판; 입사광과 상호작용하는 광투과 나노 입자를 포함하는 고분자 레진을 포함하고 상기 기판의 상부면에 형성된 메타 표면; 및 상기 메타 표면의 상부면에 형성되고 광투과 레진을 포함하는 보호층(passivation layer)을 포함하고, 상기 메타 표면의 굴절률과 상기 보호층의 굴절률은 굴절률이 서로 상이한 특징을 갖는다.

Inventors

이헌
김원중
박찬웅
송효인

Assignees

고려대학교 산학협력단

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20251015
Priority Date: 20241028

Claims (13)

기판; 입사광과 상호작용하는 광투과 나노 입자를 포함하는 고분자 레진을 포함하고 상기 기판의 상부면에 형성된 메타 표면; 및 상기 메타 표면의 상부면에 형성되고 광투과 레진을 포함하는 보호층(passivation layer)을 포함하고, 상기 메타 표면의 굴절률과 상기 보호층의 굴절률은 굴절률이 서로 상이한 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 메타 표면의 굴절률은, 상기 보호층의 굴절률보다 굴절률이 큰 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 메타 표면은, 굴절률이 1.9 이상인 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 보호층은, 굴절률이 1.2 내지 1.7인 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 광투과 나노 입자는, 이산화티타늄(TiO 2 ), 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated Amorphous Silicon a-Si:H), 실리콘(Si) 이산화지르코늄(ZrO 2 ), 이산화하프늄(HfO 2 ), 오산화니오븀(NbO 5 ) 및 오산화탄탈럼(Ta 2 O 5 )으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 나노 입자를 포함하는 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 고분자 레진은, 광경화 폴리머, 고분자 안정제, 광개시제, 점착성 단량체 및 분산 용매를 포함하는 메타 광학소자.
제1항에 있어서, 상기 광투과 레진은, 광경화 폴리머, 고분자 안정제, 광개시제, 점착성 단량체 및 분산 용매를 포함하는 메타 광학소자.
제7항에 있어서, 상기 광투과 레진은, 상기 광투과 나노 입자를 더 포함하는 메타 광학소자.
제7항에 있어서, 상기 광투과 레진은, 중공 실리카(hollow silica) 및 중공 폴리머 볼(hollow polymer ball) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 메타 광학소자.
제7항에 있어서, 상기 광경화 폴리머는, 폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane, PDMS), 하드 폴리디메틸실록산(hard-polydimethyl siloxane, h-PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate), 폴리이미드 아크릴레이트(polyimide acrylate), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE), 디펜타에리스리톨 헥사-아크릴레이트(dipentaerythritol hexa-acrylate), 디펜타에리스리톨 펜타-아크릴레이트(dipentaerythritol penta-acrylate) 및 불소 아크릴레이트계 폴리머(fluoroacrylate-based polymer)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함하는 메타 광학소자.
기판의 상부면에 입사광과 상호작용하는 광투과 나노 입자를 포함하는 고분자 레진으로 메타 표면을 형성하는 단계; 및 상기 메타 표면의 상부면에 광투과 레진을 포함하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 메타 표면의 굴절률과 상기 보호층의 굴절률은 굴절률이 서로 상이한 메타 광학소자 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 광투과 레진을 드롭 캐스팅(drop casting)한 다음, 상기 메타 표면을 회전시켜 상기 메타 표면의 상부에 상기 광투과 레진을 도포하는 메타 광학소자 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 메타 표면의 상부면에 상기 보호층을 형성한 다음, 형성한 보호층을 평탄화시키는 단계를 더 포함하는 메타 광학소자 제조 방법.

Description

코팅 공정으로 보호층을 형성해 메타 표면의 물리적 내구성을 높인 메타 광학소자 및 그 제조 방법{Meta optical device and method for manufacturing meta optical device with enhanced the physical durability of meta surfaces by forming a protective layer using a coating process} 본 발명은 고내구성 메타 표면을 갖는 메타 광학소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 나노 안테나를 형성한 다음 메타 표면 상에 상기 메타 표면과 광학적 특성이 상이한 레진을 활용해 보호층을 형성해 메타 표면의 물리적 내구성을 높인 메타 광학소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 메타 표면은 입사광 파장 크기보다 작은 크기의 나노안테나의 어레이로 이루어진 2차원 소재이다. 상기 메타 표면은 입사광을 변형시켜 자연계에는 존재하지 않는 광학적 특성을 구현할 수 있다. 상기 메타 표면은 나노안테나의 형태, 주기 그리고 배열 등에 의해 다양한 광학적 기능을 수행할 수 있으므로, 메타렌즈, 메타홀로그램, 칼라필터, 클로킹 등의 분야에 사용되고 있다. 상기 메타 표면은 1 um 미만의 경량 박막의 형태를 가짐에도 불구하고 광학 시스템의 기능을 향상시키고, 폼-팩터(form-factor)를 낮출 수 있어, 기존의 굴절 광학계를 대체할 차세대 광학소자로 각광받고 있다. 하지만, 상기 메타 표면은 활발한 연구에도 불구하고 다양한 이유로 인해 양산화 및 상용화 단계에 이르지 못하고 있다. 상기 메타 표면의 상용화에 걸림돌이 되는 구체적인 원인으로는 전자빔 리소그래피 기반 공정으로 인한 비싼 공정 비용, 적절한 대면적 공정의 부재, 나노구조체의 물리적 안정성 등이 있다. 특히, 상기 나노구조체의 물리적 안정성 문제는, 메타 표면이 고종횡비의 나노구조체를 포함하는 나노안테나 어레이로 이루어져 있어 전단응력 등과 같은 기계적 특성이 취약한 것에 의해 발생되는 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 상기 메타 표면은 나노구조체가 외부로 노출된 구조를 가지며, 문지름이나 긁힘 등의 외부 자극에 상기 나노구조체가 쉽게 파손된다는 단점이 있으며, 이와 같은 기계적 특성의 취약함은 메타 표면을 광학 기기에 적용하는 데 있어 큰 장애로 작용하고 있다. 도 1은 실시예에 따른 메타 광학소자 제조 공정의 각 단계를 나타낸 상태도이다. 도 2는 실시예에 따른 메타 광학소자 제조 방법을 나타낸 공정도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 방법으로 제조한 메타 광학소자에 (a) 적색 레이저, (b) 녹색 레이저 및 (c) 청색 레이저를 각각 조사하여 형성한 메타홀로그램을 촬영한 이미지이다. 도 4는 (a) 실시예에 따른 방법으로 보호층을 형성하기 전 나노안테나 어레이를 포함하는 메타 표면(Only TiO2 PER (n=1.14)), (b) 상용 저굴절률 레진으로 보호층을 형성한 메타 표면(TiO2 PER+low refractive index resin (n=1.14)), 스핀온 글래스로 보호층을 형성한 메타 표면(TiO2 PER+SOG(spin on glass) resin (n=1.42))의 상변화를 평가한 결과이다. 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다. 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 1은 실시예에 따른 메타 광학소자 제조 공정의 각 단계를 나타낸 상태도이다. 도 1을 참조하면, 실시예의 메타 광학소자(1)는, 기판(substrate, 110), 입사광과 상호작용하는 광투과 나노 입자를 포함하는 고분자 레진으로 상기 기판(110) 상부면에 형성된 메타 표면(metasurface, 120) 및 상기 메타 표면(120)의 상부면에 광투과 레진(resin, 130)으로 형성된 보호층(passivation layer, 140)을 포함할 수 있다. 상기 기판(110)은 유리(glass, SiO2), 실리콘(Si), 산화 알루미늄(Al2O3) 등과 같은 세라믹 재료, 갈륨 비소(GaAs) 등과 같은 화합물 반도체 재료, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아세탈(polyacetal, POM), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephtalate, PBT), 폴리술폰(poly sulfone, PS), 폴리에테르이미드(polyether imide, PEI) 및 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK) 등과 같은 엔지니어링 플라스틱 등으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(110)은 전술한 소재를 복수 개 조합하여 제작된 것 일수도 있다. 상기 메타 표면(120)은 상기 기판(110)의 상부면에 형성되고, 상면에 나노안테나(123) 어레이가 형성된 박막 또는 필름의 형상을 가질 수 있다. 상기 나노안테나 어레이(123)는 복수 개의 나노안테나(121)가 상부를 향하는 방향으로 돌출 형성되고, 상기 나노안테나(121)들은 서로 일정한 간격만큼 이격되어 나노안테나(121) 사이에 트렌치 또는 갭을 형성하는 배치 구조를 가질 수 있다. 상기 나노안테나(121)는 종횡비가 1:1 내지 1:500일 수 있으며, 특히, 고종횡비의 구조를 가질 수 있다. 상기 나노안테나(121)는 나노미터 단위의 크기를 갖는 나노구조체의 형태를 가질 수 있다. 상기와 같이 종횡비를 갖는 복수 개의 나노안테나(121)를 포함하는 나노안테나 어레이(123)는 문지름이나 긁힘 등의 외부 자극에 의해 나노안테나(121)가 쉽게 파손된다는 문제가 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 메타 광학소자(1)는 상기 메타 표면(120)의 상부면에 상기 복수 개의 나노안테나(121)를 보호하기 위한 보호층(140)을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 보호층(140)은 상기 복수 개의 나노안테나(121)의 외부 노출을 방지하고, 문지름이나 긁힘 등의 외부 자극이 발생하는 경우에도 상기 나노안테나(121)를 지지하여 상기 메타 표면(120)의 기계적 특성을 향상시키는 역할을 한다. 이때, 메타 표면(120)의 광학적 특성에 영향을 미치지 않도록 상기 보호층(140)의 굴절률은 상기 메타 표면(120)의 굴절률과 상이한 굴절률값을 갖도록 구성할 수 있다. 특히, 상기 메타 표면(120)의 굴절률은 상기 보호층(140)의 굴절률보다 클 수 있다. 구체적으로, 상기 메타 표면(120)은 굴절률이 1.9 이상일 수 있다. 상기 보호층(140)은 굴절률이 1.2 내지 1.7일 수 있다. 상기 메타 표면(120)과 상기 보호층(140)은 굴절률이 서로 상이한 값을 갖도록 하는 것에 의해, 상기 메타 표면(120)과 상기 보호층(140) 사이에 경계가 형성되어 상기 메타 표면(120)의 광학적 특성을 유지할 수 있도록 한다. 상기 메타 표면(120)과 상기 보호층(140)이 서로 상이한 굴절률을 갖도록 하기 위해 상기 메타 표면(120)과 상기 보호층(140)을 형성하는 고분자 레진과 광투과 레