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연구논문(Research Paper)

2024; 35(1): 24-29

Published online February 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.1.024

Copyright © Optical Society of Korea.

An Ultra-thin IR Cut-off Filter Based on Nanostructures

Hyundo Yang, Jong-Kwon Lee

나노구조 기반 초박형 적외선 차단 필터

양현도ㆍ이종권

Department of System Semiconductor Engineering, Cheongju University, Cheongju 28503, Korea

청주대학교 시스템반도체공학과 ㉾ 28503 충청북도 청주시 청원구 대성로 298

Correspondence to:jklee7@cju.ac.kr, ORCID: 0000-0003-2874-6106

Received: January 8, 2024; Revised: January 21, 2024; Accepted: January 21, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

We propose a hyperbolic metastructure based on a nanopatterned metal (Ag)-dielectric (PDMS) multilayer and report on its performance in an infrared (IR) cut-off filter for imaging devices. By optimizing the size of the square-shaped Ag nanopattern and the thickness of PDMS surrounding the Ag nanopattern, the proposed IR cut-off filter blocks 99% of light in the 0.70–1.01 μm wavelength band while maintaining a high transmittance of over 94% in the visible region. Here, the cut-off wavelength band starts at a region above the epsilon-near-zero wavelength of the hyperbolic metastructure and ends at the point where plasmonic absorption appears strongly. It is observed that transmittance in the wavelength region longer than the IR cut-off band increases again due to plasmonic coupling among horizontally adjacent Ag nanopatterns. This metastructure can improve the performance of IR-blocking filters as well as allow it to be manufactured ultra-thin, which is applicable to various planar optical elements and integrated optical components.

Keywords: IR cut-off filter, Nanopattern, Hyperbolic metastructure, Ultrathin

OCIS codes: (120.2440) Filters; (130.1750) Components; (130.3130) Integrated optics materials; (310.6628) Subwavelength structures, nanostructures

일반적으로 charge-coupled device (CCD) 또는 complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 기반의 영상 센서로 구성된 영상 시스템은 광학 모듈 부분에 가시광 영역의 빛은 투과시키고 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선 차단 필터를 채택하고 있다[1]. 이는 대부분의 영상 시스템용 광검출기에 사용되는 반도체들이 가시광 대역의 입사광뿐만 아니라 680–1,100 nm 범위의 근적외선 대역 입사광도 흡수를 하기 때문이다. 여기서 광검출기에 흡수된 근적외선 대역 빛은 영상을 왜곡시켜 고품질의 컬러 영상을 획득하는 것을 불가능하게 하므로, 적외선 차단 필터를 적용하여 선명도와 해상도 향상을 통해 사람의 눈과 유사한 고화질 영상을 획득할 수 있다[2,3]. 기존에 상용화된 적외선 차단 필터는 Ti3O5/SiO2, ZrO2/SiO2 등과 같이 고굴절 및 저굴절 유전체 다층 박막을 적용하여 차단 대역파장의 Bragg 반사 조건을 만족하도록 각 유전체층의 두께를 순차적으로 변화시킨 수십층의 유전체 박막들을 증착하여 수십–수백 μm 두께로 제작하고 있다[3,4]. 이러한 적외선 차단 필터는 영상 센서로부터 분리해 다른 광학부품들과 함께 영상 시스템 내에 결합하여 사용하고 있다. 그러나 이 경우 광학 모듈의 부품 수가 늘고, 적외선 차단 필터를 영상 시스템에 기계적으로 정렬 및 조립 시 복잡성 및 비용이 증가한다. 또한 필터가 영상 시스템 내 놓이는 위치에 따라 영상 시스템의 크기가 변화하기도 한다. 따라서 광학모듈 내 렌즈에 직접 형성하거나, 영상센서에 집적화가 가능한 초박형의 적외선 차단 필터 기술이 요구된다.

한편 쌍곡선 메타물질은 전기 또는 자기 텐서의 주요 구성 요소가 반대 부호를 갖기 때문에 분산 특성이 등주파수 윤곽선에서 개방형 쌍곡면 형태를 갖는 특별한 유형의 이방성 메타물질로서[5,6] 상당한 관심을 끌고 있다. 이는 쌍곡선 메타구조의 분산 모양을 조정함으로써 빛 전파를 자유롭게 제어할 수 있어 모든 각도에서 음굴절 현상[7,8], 빔의 시준[9,10] 및 빔의 분할[11,12], 그리고 완전 흡수체[13,14] 등의 현상을 관찰할 수 있기 때문이다. 특히 금속-유전체 평면 다층 박막들로 구성된 쌍곡선 메타물질은 구조적 매개변수를 변화시켜 epsilon-near-zero (ENZ) 파장을 인위적으로 제어하기 용이하므로[15,16], ENZ 파장을 기준으로 가시광 빛은 투과시키고 적외선 대역 빛은 차단하는 복사냉각 창에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[17,18]. 이러한 메타구조에서 ENZ 영역을 기준으로 양의 실수 ε값을 갖는 유전체 매질은 상대적으로 적은 반사로 가시광을 투과(60–70%)시키며, 적외선 대역에서는 음의 실수 ε값을 갖는 금속매질의 특성에 의해 입사광을 반사시킨다. 이러한 양의 실수 ε값과 음의 실수 ε값을 갖는 매질의 광학적 거동은 완전히 다르므로 ε의 작은 변화로도 특정 파장 전후의 급격한 투과율 변화를 유도하게 된다[15].

따라서 본 논문에서는 금속-유전체 다층 박막 기반의 쌍곡선 메타구조를 기반으로 가시광 대역의 투과도를 90% 이상 높이면서 근적외선 대역(0.7–1.0 μm) 빛을 99% 가까이 차단하기 위해서, 나노패턴된 Ag (금속)-PDMS (유전체) 다층 평면 구조에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 시간영역 유한요소(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 정사각형 형태의 Ag 나노패턴 크기와 이를 둘러싼 PDMS의 두께 변화에 따른 가시광–근적외선 대역 투과도/반사도/흡수도 스펙트럼 특성과 제안된 메타구조 내 전기장 세기 분포를 정량적으로 분석하였다. 또한 적외선 차단 주파수 대역을 기준으로 유효 유전율이 양에서 음으로 변화함에 따른 근적외선 대역 반사효과 및 Ag 나노패턴에 의한 플라즈모닉 흡수와 인접한 Ag 나노패턴들 사이의 플라즈모닉 커플링 효과에 의해 차단 주파수 대역이 정해짐을 보였다.

2.1. 얇은 평면 다층구조 기반 쌍곡선 메타구조

진공에서 진행하는 파의 선형 분산 및 등방성 거동은 kx2+ky2+kz2=ω2/c2 식으로 주어지는 구형 등주파수 표면으로 나타낸다. 여기서 진행하는 파의 파수벡터는 k=kx,ky,kz이며, ω는 복사의 주파수이고 c는 자유 공간에서의 빛의 속도이다. TM파의 경우 단축 매질에서 이러한 등주파수 관계는 식 (1)과 같이 변경된다.

kx2+ky2ε+kz2ε=ω2c2 

단축 매질에서는 평면 내 등방성 구성 요소는 εxx = εyy = ε이고, 평면 외부 구성 요소는 εzz = ε이다. 진공의 구형 등주파수 표면은 이방성 매질에서는 일반적으로 그림 1(a)의 왼쪽 그림처럼 타원체로 변형된다. 한편 ε · ε<0의 조건을 만족하는 이방성 매질에서 등진동수 표면은 그림 1(a)의 오른쪽 그림처럼 열린 쌍곡면으로 변한다. 이 경우 ENZ 파장보다 큰 대역에서는 금속의 특성을 나타내고, ENZ 파장보다 작은 영역에서는 유전체로 거동하게 된다. 특히 그림 1(b)처럼 얇은 평면 형태의 금속-유전체 다층 박막구조에 대해 유효 매질 이론(EMT)을 적용하면 이방성 유효 유전율은 다음과 같이 주어진다.

Figure 1.(a) Ellipsoidal and hyperboloidal dispersion relations and (b) schematic of a layered metal-dielectric metastructure with the permittivities of the two constituents given as εm and εd.

ε=εmhm+εdhdhm+hd
ε=hm+hdhm/εm+hd/εd

여기서 εm, hm은 금속의 유전율과 두께를, εd, hd는 유전체의 유전율과 두께를 나타낸다. 식 (1)에 따르면 등진동수 표면은 εε가 모두 양수일 때 타원형태의 등진동수 표면이 되나, ε이 양수이며 ε이 음수일 때는 열린 쌍곡면으로 변하게 된다. 이러한 열린 쌍곡면 주파수 표면을 갖는 경우 ε값이 0에 가까운 ENZ 영역에서 광학적 위상변화가 나타나게 된다. 따라서 평면 금속-유전체 다층박막 형태의 메타구조에서는 구조 매개변수인 금속층과 유전체층의 두께 비율(hm/hd)을 조절하여 ENZ 파장을 용이하게 제어할 수 있다.

2.2. 나노패턴된 Ag-PDMS 다층박막 기반 쌍곡선 메타구조 및 시뮬레이션

금속(Ag)-유전체(PDMS) 다층 박막 기반의 쌍곡선 메타구조를 기반으로 두께가 30 nm인 Ag 층들을 180 nm 크기로 나노 패턴닝하였으며, 나노패턴된 Ag 층들은 다시 80 nm 두께의 PDMS로 분리되어 세 쌍의 Ag-PDMS 단위로 유리기판 (SiO2) 위에 형성하였다(그림 2). 여기서 수평방향(xy-평면)으로 놓인 Ag 나노패턴들은 220 nm 간격으로 떨어져서 놓여 있다. 특히 Ag 나노패턴이 직접 공기층과 닿는 대신에 PDMS 층을 상부 표면에 형성함으로써 제안된 구조와 공기 사이의 가시광 영역 임피던스 불일치를 줄여 가시광 대역 반사도를 낮추도록 설계가 되어있다. 이러한 메타구조에서 관찰되는 ENZ 파장을 기준으로 가시광에서 투과율을 최대로 높이고 근적외선 대역 투과율을 최소화 시키는 최적화 구조를 찾기 위해, 구조 변수에 따른 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼 및 전기장 크기 분포 분석을 3차원 FDTD 솔루션 패키지(Ansys Lumerical 2023 R2; Ansys, PA, USA)를 이용하여 수행하였다. 여기서 세 쌍의 나노패턴된 Ag-PDMS 층들은 xy평면을 따라 주기적으로 놓여있으므로, 시뮬레이션 영역의 x, y축 경계면을 따라 주기적인 경계 조건(periodic boundary condition, PBC)을 시뮬레이션 영역의 z축 경계면을 따라서 완전히 일치하는 층(pefectly matched layer, PML) 조건을 설정하였다. 430 nm–1.3 μm의 파장 범위를 갖는 평면파를 광원으로 택하여 메타구조보다 위에 놓고 메타구조를 향해 z축 방향으로 입사하도록 설정하였으며, 메타구조 위와 아래에 놓인 전력 모니터를 통해 반사율과 투과율 스펙트럼을 각각 얻었다. 또한 제안된 메타구조의 xz-평면 상에서 파장에 따른 전기장 세기분포를 관찰하기 위해 해당 평면을 따라 전자기장 및 전력 모니터를 놓았다.

Figure 2.(a) Cross-sectional view and (b) top view of the suggested nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack.

3.1. 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막의 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼

본 연구에서 Ag의 유전율은 Johnson and Christy[19]의 광학상수 값들을 택하고 PDMS의 유전율은 Palik 안내서[20]에 나온 광학상수 값들을 택하였다. 그림 3(a)는 이러한 유전율 값을 이용하여 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조에 대해 계산된 εε의 실수 값들을 파장에 따라 나타내고 있다. 제안된 메타구조에서는 ENZ 영역이 580 nm 부근에서 존재함을 확인할 수 있으며, 파장이 증가함에 따라 ε값은 양수로 거의 동일한 값을 유지하는 반면에 ε의 값들은 파장이 증가함에 따라 음수값이 지속적으로 증가하여 근적외선 대역에서는 금속 매질의 특성이 나타날 것이라고 예상할 수 있다. 그림 3(b)는 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조를 통과한 빛의 투과도, 반사도 및 흡수도 스펙트럼을 보여주고 있다. 여기서 ENZ 부근 영역을 포함하는 가시광 대역에서는 등주파수 표면이 타원체 형태인 유전체 매질의 역할을 하므로 94% 이상의 높은 투과도를 보임을 확인할 수 있다. 한편 ENZ 부근 영역보다 긴 파장인 680 nm 영역에서 차츰 투과도의 감소(또는 반사도의 증가)가 관찰되며 700 nm 파장보다 긴 파장부터 1 μm 파장 대역까지는 매우 낮은 1% 이하의 투과도가 관찰되는데 이는 등주파수 표면이 쌍곡선 형태를 보이는 금속 매질로서의 역할을 하기 때문이다. 특히 패턴이 되지 않은 Ag층-PDMS 단위 구조로 이루어진 메타구조에서는 1 μm보다 긴 파장에서도 계속해서 금속 매질의 특성이 발현되어 높은 반사도(또는 낮은 투과도)를 보이는 반면, 제안된 나노패턴된 Ag-PDMS 구조에서는 1 μm 이상 파장에서 다시 투과도가 증가하는 차이점이 관찰된다. 아울러 1.01 μm 파장에서 강한 흡수 피크도 관찰되었다.

Figure 3.(a) Real part of the permittivities (ε and ε) of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack, revealing the epsilon-near-zero (ENZ) is around 580 nm. (b) Transmission, reflection, and absorption spectra for the three pairs of 80-nm-thick PDMS/30-nm-thick patterned Ag in the wavelength range of 430 to 1,200 nm.

3.2. 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층박막 구조 내 전기장 분포

그림 3(b)에서 관찰된 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼 특성의 메커니즘을 분석하기 위해서 그림 4에서는 가시광 영역, 근적외선 차단 영역 및 근적외선 투과 영역에 해당하는 파장별로 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조 내부의 전기장 분포를 비교 분석하였다.

Figure 4.E-field (norm) distributions of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of (a) 550 nm, (b) 890 nm, (c) 980 nm, and (d) 1,010 nm.

가시광 영역에 해당하는 550 nm 파장의 빛이 입사되는 경우[그림 4(a)] 유전체 매질의 특성을 보이는 구조를 통과하므로 아래에 놓인 유리 기판을 향해 투과하는 전기장의 크기가 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 한편 근적외선 차단 대역에 해당하는 890 nm 또는 980 nm 파장의 빛이 입사 시, (그림 4(b)와 4(c)에 표시된 전기장 분포에서 알 수 있듯이) 해당 메타구조가 금속 매질의 역할을 하므로 위와 중간에 놓인 Ag 나노패턴의 모서리 부분에서의 플라즈모닉 흡수와 더불어 반사된 전기장의 크기가 투과된 전기장의 크기보다 월등히 높음을 확인할 수 있다. 또한 그림 3(b)에서 강한 흡수 피크가 관찰되는 1.01 μm 파장의 빛이 입사된 경우에는 위, 중간, 아래에 놓인 Ag 나노패턴의 모서리 부분에서 강한 플라즈모닉 흡수와 더불어 수평으로 인접한 Ag 나노패턴들 사이에 플라즈모닉 커플링 효과가 나타나면서 투과도가 다시 증가함을 그림 4(d)의 전기장 크기 분포를 통해 확인할 수 있다.

그림 4에서 보여준 전기장 분포를 바탕으로 하여 PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/유리기판 순서로 빛이 전파되어 감에 따른 파장별 전기장 크기를 명확히 보여주는 분포를 그림 5에 표시해 놓았다. 그림 5에서 알 수 있듯이, 가시광 대역인 550 nm 파장의 빛은 유리 기판까지 비교적 입사파의 전기장 크기와 유사한 전기장 크기를 갖고 전파됨을 확인할 수 있다. 한편 근적외선 차단 주파수 대역에 해당하는 890 nm 또는 980 nm 빛은 공기가 있는 부분에서 전기장이 강하므로 반사도가 높아짐을 알 수 있고, 유리 기판쪽으로 전파되어 감에 따라 Ag-PDMS 계층 구조를 통한 반사와 플라즈모닉 흡수에 의해서 유리기판에 도달하는 전기장의 크기가 0에 가까워진다. 또한 1,010 nm 파장의 빛이 패턴된 Ag 구조를 통과함에 따라 Ag 나노패턴 모서리부에 형성된 강한 플라즈모닉 흡수에 의한 전기장 크기 증가와 함께 플라즈모닉 커플링 효과도 나타나면서 적외선 차단 대역파장보다는 높은 전기장 크기를 유리 기판쪽에서 관찰할 수 있다. 한편 근적외선 차단 대역이 아닌 1,100 nm 파장의 빛이 입사한 경우 공기 중에서의 전기장 크기만큼 반사가 생기며, 구조 내로 진행함에 따른 수평방향으로 인접한 Ag 나노패턴들 사이의 강한 플라즈모닉 커플링 효과에 의해 유리기판쪽 전기장이 높아지고, 이에 따라 투과율이 다시 증가함을 확인할 수 있다.

Figure 5.Electric field profiles of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of 550, 890, 980, 1,010, and 1,100 nm.

나노패턴된 금속(Ag 30 nm)-유전체(PDMS 80 nm) 다층 박막으로 형성된 메타구조가 가시광 대역에서 94% 이상의 높은 투과율을 보이며 근적외선(0.70–1.01 μm) 대역에서 1% 미만의 낮은 투과율을 보임을 FDTD 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석하였다. 이러한 결과는 제안된 쌍곡선 메타구조가 ENZ 파장(~580 nm)을 기준으로 가시광 영역에서는 유전체로서의 역할을 하며, 적외선 대역에서는 금속의 특성을 보이므로 해당 근적외선 대역의 빛을 차단한다. 또한 인접한 Ag 나노패턴들 사이에서 유도된 플라즈모닉 커플링 효과에 의해, 해당 근적외선 대역을 제외한 파장영역에서의 투과도가 점차로 향상됨을 전기장 크기 분포를 통해 확인하였다. 이러한 Ag나노패턴-PDMS 기반 메타구조는 전체 두께를 400 nm 이하로 형성할 수 있는 초박형 구조로서, 고분자 PDMS를 사용하여 유연한 형태로 곡면렌즈에 직접 형성할 수 있으며 집적광학 분야의 초박형 대역 차단 필터로도 활용이 가능하다.

이 논문은 (2022. 3. 1–2024. 2. 29)학년도에 청주대학교 산업과학연구소가 지원한 학술연구조성비(특별연구과제)에 의해 연구되었음.

청주대학교 산업과학연구소 학술연구조성비(특별연구과제 2022–2023).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.

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연구논문(Research Paper)

2024; 35(1): 24-29

Published online February 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.1.024

Copyright © Optical Society of Korea.

An Ultra-thin IR Cut-off Filter Based on Nanostructures

Hyundo Yang, Jong-Kwon Lee

Department of System Semiconductor Engineering, Cheongju University, Cheongju 28503, Korea

Correspondence to:jklee7@cju.ac.kr, ORCID: 0000-0003-2874-6106

Received: January 8, 2024; Revised: January 21, 2024; Accepted: January 21, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

We propose a hyperbolic metastructure based on a nanopatterned metal (Ag)-dielectric (PDMS) multilayer and report on its performance in an infrared (IR) cut-off filter for imaging devices. By optimizing the size of the square-shaped Ag nanopattern and the thickness of PDMS surrounding the Ag nanopattern, the proposed IR cut-off filter blocks 99% of light in the 0.70–1.01 μm wavelength band while maintaining a high transmittance of over 94% in the visible region. Here, the cut-off wavelength band starts at a region above the epsilon-near-zero wavelength of the hyperbolic metastructure and ends at the point where plasmonic absorption appears strongly. It is observed that transmittance in the wavelength region longer than the IR cut-off band increases again due to plasmonic coupling among horizontally adjacent Ag nanopatterns. This metastructure can improve the performance of IR-blocking filters as well as allow it to be manufactured ultra-thin, which is applicable to various planar optical elements and integrated optical components.

Keywords: IR cut-off filter, Nanopattern, Hyperbolic metastructure, Ultrathin

I. 서 론

일반적으로 charge-coupled device (CCD) 또는 complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 기반의 영상 센서로 구성된 영상 시스템은 광학 모듈 부분에 가시광 영역의 빛은 투과시키고 적외선 영역의 빛을 반사하는 적외선 차단 필터를 채택하고 있다[1]. 이는 대부분의 영상 시스템용 광검출기에 사용되는 반도체들이 가시광 대역의 입사광뿐만 아니라 680–1,100 nm 범위의 근적외선 대역 입사광도 흡수를 하기 때문이다. 여기서 광검출기에 흡수된 근적외선 대역 빛은 영상을 왜곡시켜 고품질의 컬러 영상을 획득하는 것을 불가능하게 하므로, 적외선 차단 필터를 적용하여 선명도와 해상도 향상을 통해 사람의 눈과 유사한 고화질 영상을 획득할 수 있다[2,3]. 기존에 상용화된 적외선 차단 필터는 Ti3O5/SiO2, ZrO2/SiO2 등과 같이 고굴절 및 저굴절 유전체 다층 박막을 적용하여 차단 대역파장의 Bragg 반사 조건을 만족하도록 각 유전체층의 두께를 순차적으로 변화시킨 수십층의 유전체 박막들을 증착하여 수십–수백 μm 두께로 제작하고 있다[3,4]. 이러한 적외선 차단 필터는 영상 센서로부터 분리해 다른 광학부품들과 함께 영상 시스템 내에 결합하여 사용하고 있다. 그러나 이 경우 광학 모듈의 부품 수가 늘고, 적외선 차단 필터를 영상 시스템에 기계적으로 정렬 및 조립 시 복잡성 및 비용이 증가한다. 또한 필터가 영상 시스템 내 놓이는 위치에 따라 영상 시스템의 크기가 변화하기도 한다. 따라서 광학모듈 내 렌즈에 직접 형성하거나, 영상센서에 집적화가 가능한 초박형의 적외선 차단 필터 기술이 요구된다.

한편 쌍곡선 메타물질은 전기 또는 자기 텐서의 주요 구성 요소가 반대 부호를 갖기 때문에 분산 특성이 등주파수 윤곽선에서 개방형 쌍곡면 형태를 갖는 특별한 유형의 이방성 메타물질로서[5,6] 상당한 관심을 끌고 있다. 이는 쌍곡선 메타구조의 분산 모양을 조정함으로써 빛 전파를 자유롭게 제어할 수 있어 모든 각도에서 음굴절 현상[7,8], 빔의 시준[9,10] 및 빔의 분할[11,12], 그리고 완전 흡수체[13,14] 등의 현상을 관찰할 수 있기 때문이다. 특히 금속-유전체 평면 다층 박막들로 구성된 쌍곡선 메타물질은 구조적 매개변수를 변화시켜 epsilon-near-zero (ENZ) 파장을 인위적으로 제어하기 용이하므로[15,16], ENZ 파장을 기준으로 가시광 빛은 투과시키고 적외선 대역 빛은 차단하는 복사냉각 창에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[17,18]. 이러한 메타구조에서 ENZ 영역을 기준으로 양의 실수 ε값을 갖는 유전체 매질은 상대적으로 적은 반사로 가시광을 투과(60–70%)시키며, 적외선 대역에서는 음의 실수 ε값을 갖는 금속매질의 특성에 의해 입사광을 반사시킨다. 이러한 양의 실수 ε값과 음의 실수 ε값을 갖는 매질의 광학적 거동은 완전히 다르므로 ε의 작은 변화로도 특정 파장 전후의 급격한 투과율 변화를 유도하게 된다[15].

따라서 본 논문에서는 금속-유전체 다층 박막 기반의 쌍곡선 메타구조를 기반으로 가시광 대역의 투과도를 90% 이상 높이면서 근적외선 대역(0.7–1.0 μm) 빛을 99% 가까이 차단하기 위해서, 나노패턴된 Ag (금속)-PDMS (유전체) 다층 평면 구조에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 시간영역 유한요소(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 정사각형 형태의 Ag 나노패턴 크기와 이를 둘러싼 PDMS의 두께 변화에 따른 가시광–근적외선 대역 투과도/반사도/흡수도 스펙트럼 특성과 제안된 메타구조 내 전기장 세기 분포를 정량적으로 분석하였다. 또한 적외선 차단 주파수 대역을 기준으로 유효 유전율이 양에서 음으로 변화함에 따른 근적외선 대역 반사효과 및 Ag 나노패턴에 의한 플라즈모닉 흡수와 인접한 Ag 나노패턴들 사이의 플라즈모닉 커플링 효과에 의해 차단 주파수 대역이 정해짐을 보였다.

II. 이론 및 시뮬레이션

2.1. 얇은 평면 다층구조 기반 쌍곡선 메타구조

진공에서 진행하는 파의 선형 분산 및 등방성 거동은 kx2+ky2+kz2=ω2/c2 식으로 주어지는 구형 등주파수 표면으로 나타낸다. 여기서 진행하는 파의 파수벡터는 k=kx,ky,kz이며, ω는 복사의 주파수이고 c는 자유 공간에서의 빛의 속도이다. TM파의 경우 단축 매질에서 이러한 등주파수 관계는 식 (1)과 같이 변경된다.

kx2+ky2ε+kz2ε=ω2c2 

단축 매질에서는 평면 내 등방성 구성 요소는 εxx = εyy = ε이고, 평면 외부 구성 요소는 εzz = ε이다. 진공의 구형 등주파수 표면은 이방성 매질에서는 일반적으로 그림 1(a)의 왼쪽 그림처럼 타원체로 변형된다. 한편 ε · ε<0의 조건을 만족하는 이방성 매질에서 등진동수 표면은 그림 1(a)의 오른쪽 그림처럼 열린 쌍곡면으로 변한다. 이 경우 ENZ 파장보다 큰 대역에서는 금속의 특성을 나타내고, ENZ 파장보다 작은 영역에서는 유전체로 거동하게 된다. 특히 그림 1(b)처럼 얇은 평면 형태의 금속-유전체 다층 박막구조에 대해 유효 매질 이론(EMT)을 적용하면 이방성 유효 유전율은 다음과 같이 주어진다.

Figure 1. (a) Ellipsoidal and hyperboloidal dispersion relations and (b) schematic of a layered metal-dielectric metastructure with the permittivities of the two constituents given as εm and εd.

ε=εmhm+εdhdhm+hd
ε=hm+hdhm/εm+hd/εd

여기서 εm, hm은 금속의 유전율과 두께를, εd, hd는 유전체의 유전율과 두께를 나타낸다. 식 (1)에 따르면 등진동수 표면은 εε가 모두 양수일 때 타원형태의 등진동수 표면이 되나, ε이 양수이며 ε이 음수일 때는 열린 쌍곡면으로 변하게 된다. 이러한 열린 쌍곡면 주파수 표면을 갖는 경우 ε값이 0에 가까운 ENZ 영역에서 광학적 위상변화가 나타나게 된다. 따라서 평면 금속-유전체 다층박막 형태의 메타구조에서는 구조 매개변수인 금속층과 유전체층의 두께 비율(hm/hd)을 조절하여 ENZ 파장을 용이하게 제어할 수 있다.

2.2. 나노패턴된 Ag-PDMS 다층박막 기반 쌍곡선 메타구조 및 시뮬레이션

금속(Ag)-유전체(PDMS) 다층 박막 기반의 쌍곡선 메타구조를 기반으로 두께가 30 nm인 Ag 층들을 180 nm 크기로 나노 패턴닝하였으며, 나노패턴된 Ag 층들은 다시 80 nm 두께의 PDMS로 분리되어 세 쌍의 Ag-PDMS 단위로 유리기판 (SiO2) 위에 형성하였다(그림 2). 여기서 수평방향(xy-평면)으로 놓인 Ag 나노패턴들은 220 nm 간격으로 떨어져서 놓여 있다. 특히 Ag 나노패턴이 직접 공기층과 닿는 대신에 PDMS 층을 상부 표면에 형성함으로써 제안된 구조와 공기 사이의 가시광 영역 임피던스 불일치를 줄여 가시광 대역 반사도를 낮추도록 설계가 되어있다. 이러한 메타구조에서 관찰되는 ENZ 파장을 기준으로 가시광에서 투과율을 최대로 높이고 근적외선 대역 투과율을 최소화 시키는 최적화 구조를 찾기 위해, 구조 변수에 따른 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼 및 전기장 크기 분포 분석을 3차원 FDTD 솔루션 패키지(Ansys Lumerical 2023 R2; Ansys, PA, USA)를 이용하여 수행하였다. 여기서 세 쌍의 나노패턴된 Ag-PDMS 층들은 xy평면을 따라 주기적으로 놓여있으므로, 시뮬레이션 영역의 x, y축 경계면을 따라 주기적인 경계 조건(periodic boundary condition, PBC)을 시뮬레이션 영역의 z축 경계면을 따라서 완전히 일치하는 층(pefectly matched layer, PML) 조건을 설정하였다. 430 nm–1.3 μm의 파장 범위를 갖는 평면파를 광원으로 택하여 메타구조보다 위에 놓고 메타구조를 향해 z축 방향으로 입사하도록 설정하였으며, 메타구조 위와 아래에 놓인 전력 모니터를 통해 반사율과 투과율 스펙트럼을 각각 얻었다. 또한 제안된 메타구조의 xz-평면 상에서 파장에 따른 전기장 세기분포를 관찰하기 위해 해당 평면을 따라 전자기장 및 전력 모니터를 놓았다.

Figure 2. (a) Cross-sectional view and (b) top view of the suggested nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack.

III. 결과 및 논의

3.1. 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막의 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼

본 연구에서 Ag의 유전율은 Johnson and Christy[19]의 광학상수 값들을 택하고 PDMS의 유전율은 Palik 안내서[20]에 나온 광학상수 값들을 택하였다. 그림 3(a)는 이러한 유전율 값을 이용하여 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조에 대해 계산된 εε의 실수 값들을 파장에 따라 나타내고 있다. 제안된 메타구조에서는 ENZ 영역이 580 nm 부근에서 존재함을 확인할 수 있으며, 파장이 증가함에 따라 ε값은 양수로 거의 동일한 값을 유지하는 반면에 ε의 값들은 파장이 증가함에 따라 음수값이 지속적으로 증가하여 근적외선 대역에서는 금속 매질의 특성이 나타날 것이라고 예상할 수 있다. 그림 3(b)는 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조를 통과한 빛의 투과도, 반사도 및 흡수도 스펙트럼을 보여주고 있다. 여기서 ENZ 부근 영역을 포함하는 가시광 대역에서는 등주파수 표면이 타원체 형태인 유전체 매질의 역할을 하므로 94% 이상의 높은 투과도를 보임을 확인할 수 있다. 한편 ENZ 부근 영역보다 긴 파장인 680 nm 영역에서 차츰 투과도의 감소(또는 반사도의 증가)가 관찰되며 700 nm 파장보다 긴 파장부터 1 μm 파장 대역까지는 매우 낮은 1% 이하의 투과도가 관찰되는데 이는 등주파수 표면이 쌍곡선 형태를 보이는 금속 매질로서의 역할을 하기 때문이다. 특히 패턴이 되지 않은 Ag층-PDMS 단위 구조로 이루어진 메타구조에서는 1 μm보다 긴 파장에서도 계속해서 금속 매질의 특성이 발현되어 높은 반사도(또는 낮은 투과도)를 보이는 반면, 제안된 나노패턴된 Ag-PDMS 구조에서는 1 μm 이상 파장에서 다시 투과도가 증가하는 차이점이 관찰된다. 아울러 1.01 μm 파장에서 강한 흡수 피크도 관찰되었다.

Figure 3. (a) Real part of the permittivities (ε and ε) of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack, revealing the epsilon-near-zero (ENZ) is around 580 nm. (b) Transmission, reflection, and absorption spectra for the three pairs of 80-nm-thick PDMS/30-nm-thick patterned Ag in the wavelength range of 430 to 1,200 nm.

3.2. 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층박막 구조 내 전기장 분포

그림 3(b)에서 관찰된 투과도, 반사도, 흡수도 스펙트럼 특성의 메커니즘을 분석하기 위해서 그림 4에서는 가시광 영역, 근적외선 차단 영역 및 근적외선 투과 영역에 해당하는 파장별로 나노패턴된 Ag-PDMS 평면 다층 박막 구조 내부의 전기장 분포를 비교 분석하였다.

Figure 4. E-field (norm) distributions of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of (a) 550 nm, (b) 890 nm, (c) 980 nm, and (d) 1,010 nm.

가시광 영역에 해당하는 550 nm 파장의 빛이 입사되는 경우[그림 4(a)] 유전체 매질의 특성을 보이는 구조를 통과하므로 아래에 놓인 유리 기판을 향해 투과하는 전기장의 크기가 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 한편 근적외선 차단 대역에 해당하는 890 nm 또는 980 nm 파장의 빛이 입사 시, (그림 4(b)와 4(c)에 표시된 전기장 분포에서 알 수 있듯이) 해당 메타구조가 금속 매질의 역할을 하므로 위와 중간에 놓인 Ag 나노패턴의 모서리 부분에서의 플라즈모닉 흡수와 더불어 반사된 전기장의 크기가 투과된 전기장의 크기보다 월등히 높음을 확인할 수 있다. 또한 그림 3(b)에서 강한 흡수 피크가 관찰되는 1.01 μm 파장의 빛이 입사된 경우에는 위, 중간, 아래에 놓인 Ag 나노패턴의 모서리 부분에서 강한 플라즈모닉 흡수와 더불어 수평으로 인접한 Ag 나노패턴들 사이에 플라즈모닉 커플링 효과가 나타나면서 투과도가 다시 증가함을 그림 4(d)의 전기장 크기 분포를 통해 확인할 수 있다.

그림 4에서 보여준 전기장 분포를 바탕으로 하여 PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/Ag-나노패턴/PDMS/유리기판 순서로 빛이 전파되어 감에 따른 파장별 전기장 크기를 명확히 보여주는 분포를 그림 5에 표시해 놓았다. 그림 5에서 알 수 있듯이, 가시광 대역인 550 nm 파장의 빛은 유리 기판까지 비교적 입사파의 전기장 크기와 유사한 전기장 크기를 갖고 전파됨을 확인할 수 있다. 한편 근적외선 차단 주파수 대역에 해당하는 890 nm 또는 980 nm 빛은 공기가 있는 부분에서 전기장이 강하므로 반사도가 높아짐을 알 수 있고, 유리 기판쪽으로 전파되어 감에 따라 Ag-PDMS 계층 구조를 통한 반사와 플라즈모닉 흡수에 의해서 유리기판에 도달하는 전기장의 크기가 0에 가까워진다. 또한 1,010 nm 파장의 빛이 패턴된 Ag 구조를 통과함에 따라 Ag 나노패턴 모서리부에 형성된 강한 플라즈모닉 흡수에 의한 전기장 크기 증가와 함께 플라즈모닉 커플링 효과도 나타나면서 적외선 차단 대역파장보다는 높은 전기장 크기를 유리 기판쪽에서 관찰할 수 있다. 한편 근적외선 차단 대역이 아닌 1,100 nm 파장의 빛이 입사한 경우 공기 중에서의 전기장 크기만큼 반사가 생기며, 구조 내로 진행함에 따른 수평방향으로 인접한 Ag 나노패턴들 사이의 강한 플라즈모닉 커플링 효과에 의해 유리기판쪽 전기장이 높아지고, 이에 따라 투과율이 다시 증가함을 확인할 수 있다.

Figure 5. Electric field profiles of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of 550, 890, 980, 1,010, and 1,100 nm.

IV. 결 론

나노패턴된 금속(Ag 30 nm)-유전체(PDMS 80 nm) 다층 박막으로 형성된 메타구조가 가시광 대역에서 94% 이상의 높은 투과율을 보이며 근적외선(0.70–1.01 μm) 대역에서 1% 미만의 낮은 투과율을 보임을 FDTD 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석하였다. 이러한 결과는 제안된 쌍곡선 메타구조가 ENZ 파장(~580 nm)을 기준으로 가시광 영역에서는 유전체로서의 역할을 하며, 적외선 대역에서는 금속의 특성을 보이므로 해당 근적외선 대역의 빛을 차단한다. 또한 인접한 Ag 나노패턴들 사이에서 유도된 플라즈모닉 커플링 효과에 의해, 해당 근적외선 대역을 제외한 파장영역에서의 투과도가 점차로 향상됨을 전기장 크기 분포를 통해 확인하였다. 이러한 Ag나노패턴-PDMS 기반 메타구조는 전체 두께를 400 nm 이하로 형성할 수 있는 초박형 구조로서, 고분자 PDMS를 사용하여 유연한 형태로 곡면렌즈에 직접 형성할 수 있으며 집적광학 분야의 초박형 대역 차단 필터로도 활용이 가능하다.

감사의 글

이 논문은 (2022. 3. 1–2024. 2. 29)학년도에 청주대학교 산업과학연구소가 지원한 학술연구조성비(특별연구과제)에 의해 연구되었음.

재정지원

청주대학교 산업과학연구소 학술연구조성비(특별연구과제 2022–2023).

이해상충

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

데이터 가용성

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.

Fig 1.

Figure 1.(a) Ellipsoidal and hyperboloidal dispersion relations and (b) schematic of a layered metal-dielectric metastructure with the permittivities of the two constituents given as εm and εd.
Korean Journal of Optics and Photonics 2024; 35: 24-29https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.1.024

Fig 2.

Figure 2.(a) Cross-sectional view and (b) top view of the suggested nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack.
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Fig 3.

Figure 3.(a) Real part of the permittivities (ε and ε) of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack, revealing the epsilon-near-zero (ENZ) is around 580 nm. (b) Transmission, reflection, and absorption spectra for the three pairs of 80-nm-thick PDMS/30-nm-thick patterned Ag in the wavelength range of 430 to 1,200 nm.
Korean Journal of Optics and Photonics 2024; 35: 24-29https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.1.024

Fig 4.

Figure 4.E-field (norm) distributions of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of (a) 550 nm, (b) 890 nm, (c) 980 nm, and (d) 1,010 nm.
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Fig 5.

Figure 5.Electric field profiles of the nanopatterned Ag-PDMS multilayer stack at the wavelength of 550, 890, 980, 1,010, and 1,100 nm.
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저널정보

Optical Society of Korea

April 2024
Vol.35 No.2

pISSN 1225-6285
eISSN 2287-321X

Title: Korean Journal of Optics and Photonics
Abbreviation: Korean J. Opt. Photon.

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