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1. (WO2019031680) FLAT METALENS AND COVER GLASS COMPRISING SAME
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

8   9  

과제 해결 수단

10   11  

발명의 효과

12   13   14  

도면의 간단한 설명

15   16   17   18   19   20   21  

발명의 실시를 위한 형태

22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103   104   105   106   107   108   109   110   111   112   113   114   115   116   117   118   119   120   121   122   123   124   125   126   127   128   129   130   131   132   133   134   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145   146   147   148   149   150   151   152   153   154   155   156   157   158   159   160   161   162   163   164   165   166   167   168   169   170   171   172   173   174   175   176   177   178   179   180   181   182   183   184   185   186   187   188   189   190   191   192   193   194   195   196   197   198   199   200   201   202   203   204   205   206   207   208   209   210   211   212   213   214   215   216   217   218   219   220   221   222   223   224   225  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34  

도면

1a   1b   1c   1d   2   3a   3b   3c   4a   4b   5a   5b   5c   5d   6a   6b   7a   7b   7c   7d   7e   7f   7g  

명세서

발명의 명칭 : 평판 메타렌즈 및 이를 포함하는 커버글라스

기술분야

[1]
본원은, 평판 메타렌즈, 및 상기 평판 메타렌즈를 포함하는 커버글라스를 제공한다.

배경기술

[2]
눈으로는 보이지 않는 매우 작은 물체를 관찰하는 현미경은 과학 기술과 상호보완적으로 발달해 왔다. 특히, 최근에는 생명과학, 반도체 등의 분야에서 광학 현미경은 시료의 진단 및 분석 등에 매우 폭넓게 쓰이고 있다. 하지만, 광학 현미경은 파장 500 nm를 기준으로 할 때, 중심간 거리가 약 300 nm 이하인 두 물체는 분간하지 못하는 근본적 회절한계를 가지고 있다. 바이러스의 크기가 약 100 nm 이하 이고 최근의 반도체 소자의 최소선폭 또한 수십 nm 임을 감안할 때, 회절한계는 현장에서 요구되는 이미지의 정밀도를 충족시키지 못하는 경우가 많다. 전자현미경은 1 nm 이하의 고분해능을 갖지만, 유기물이나 액체, 부도체 등을 관찰하기 부적합한 경우가 많기 때문에 활용이 제한적이다. 따라서, 빛의 회절한계를 극복하여 광학현미경으로 더 세밀한 상을 얻고자 하는 연구가 다방면으로 이루어져왔다.
[3]
유침렌즈는, 굴절률이 높은 기름을 광학 매질로 하는 렌즈이다. 파장이 굴절률에 비례하여 짧아지므로 유침 렌즈의 경우 파장 500 nm를 기준으로 할 때, 200 nm 수준까지 향상된 분해능을 가진다. 상기 유침렌즈는, 실제로 상용화되어 쓰이지만, 성능상의 한계를 갖는다.
[4]
형광 표지 방식은, STED, STORM 과 같이 형광 물질로 시료에 표식을 남겨서 관찰하는 방식으로, 수십 nm 이하의 분해능을 갖지만, 형광 물질로 전처리가 가능한 바이오 샘플에 주로 사용되고, 범용적으로는 사용되기 힘들며, 즉각적인 이미징이 이루어지지 않는 단점이 있다.
[5]
근접장 (near-field) 스캔 방식은, 시료 표면에서 수백 nm 이하로 가까운 곳에만 주로 존재하는 근접장을 이용하여, 시료 가까이에서 탐침으로 스캔하여 미세 정보를 얻는 방법이다. 탐침을 정밀하게 조정하는 고가의 장비가 필요하고, 전체 이미지를 얻는데 시간이 많이 걸리기 때문에 스캔과정에서 시료의 상태가 변할 수 있고 즉각적인 이미징이 이루어지지 않는 단점이 있다.
[6]
또한, 파장보다 작은 구조체의 규칙적 배열로 특이한 광학적 성질을 가지는 메타 물질을 활용하여 회절 한계를 극복하려는 시도가 있었다. 하지만, 미세구조체의 3차원 배열이 까다로우며, 컴퓨터를 이용한 후처리 과정이 필요하다는 단점이 있다.
[7]
대한민국 특허 등록번호 제10-1704580호는, 집광렌즈 및 이를 이용한 리소그래피 장치를 개시하고 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[8]
본원은, 평판 메타렌즈 및 상기 평판 메타렌즈를 포함하는 커버글라스를 제공한다.
[9]
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

과제 해결 수단

[10]
본원의 제 1 측면은, 일 측에 피사체가 위치되는 제 1 평판 기재 및 상기 제 1 평판 기재의 타 측에 위치되는 제 1 메타표면을 포함하는 제 1 렌즈를 포함하는, 평판 메타렌즈를 제공한다.
[11]
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 평판 메타렌즈를 포함하는, 커버글라스를 제공한다.

발명의 효과

[12]
본원의 구현예들에 의하여, 상기 평판 메타렌즈는, 고굴절률 물질을 광 매질로 사용하여 약 100 nm 이하의 초고분해능을 구현할 수 있고, 일반 렌즈와 같이 입사광을 그대로 이용하여 비표지 방식 (label-free)으로 작동하는 장점이 있다. 또한, 공기중의 파장보다 작은 수준까지 확장된 프레넬 띠판의 회절현상을 이용하여, 100 nm 이하의 자세한 정보를 원장 (far-field) 방식으로 전파시키고, 전체 시야범위에 대해서 즉각적인 (instantaneous) 이미지를 얻을 수 있어, 바이오 및 반도체 등의 분야뿐만 아니라 실생활에서 간편한 광학적 고분해능 이미징을 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, 본원의 구현예들에 있어서, GaP, Si와 같은 굴절률은 높지만, 미세 곡면 가공이 용이하지 않은 물질을 사용하여 평평한 메타 표면을 구현함으로써, 기존 소자를 대체할 단순한 형태의 광학 소자를 구현할 수 있다.
[13]
본원의 구현예들에 의한 상기 평판 메타렌즈는, 대량 생산 공정에 의하여 제조 가능하다. 상기 평판 메타렌즈는, 구조적으로 매우 단순하기 때문에, 반도체 웨이퍼의 한쪽 표면 상에 상기 메타 표면을 식각 공정 등을 통해 새기는 것만으로도 구현할 수 있다. 메타 표면의 최소 선폭 (약 50 nm)이 양산되는 D램 반도체의 최소선폭 (약 20 nm)보다 큰 수준임을 감안할 때, 상기 평판 메타렌즈는 상용화된 생산 설비를 이용하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
[14]
본원의 구현예들에 의한 상기 평판 메타렌즈는, 기존 렌즈와 달리 평판 형태를 띠고 있으며, 두께가 수십 내지 100 νm 수준으로 기존의 커버글라스와 구조적으로 유사하다. 따라서, 평판 메타렌즈를 추가로 도입하기 위한 기존 광학계의 변경 없이, 상기 평판 메타렌즈는 피사체에 접촉하여 위치됨으로써, 기존 커버글라스를 대체하여 사용될 수 있다. 따라서, 상기 평판 메타렌즈는 약 100 nm 이하 수준의 시료 (바이러스 등)을 관찰할 수 있는 신개념 커버글라스로의 활용이 가능하다. 본원의 구현예들에 의하여, 상기 평판 메타렌즈는 커버글라스 형태뿐만 아니라 휴대폰 카메라에 적용 가능하거나 사람의 나안으로 직접 관찰할 수 있는 형태로도 제작 가능하며, 이는 초고분해능 이미징이 실생활에서도 보편적으로 가능하게 할 수 있다.

도면의 간단한 설명

[15]
도 1a 및 도 1b는, 본원의 일 구현예에 따른 평판 메타렌즈의 모식도이고, 도 1c는 프레넬 띠판의 형상을 나타내는 모식도이며, 도 1d는 본원의 일 구현예에 있어서 상기 평판 메타렌즈에 의하여 높은 공간주파수 성분이 공기 중으로 전파될 수 있음을 나타내는 모식도이다.
[16]
도 2 는, 본원의 일 구현예에 있어서, 커버글라스 형태를 가진 평판 메타렌즈의 활용 개념도를 나타낸다.
[17]
도 3 은, 본원의 일 구현예에 있어서, 평판 메타렌즈 및 상기 평판 메타렌즈에서의 광경로를 나타낸 모식도로서, 도 3a는 상기 평판 메타렌즈에 의하여 물체로부터 상이 맺히는 과정에서 형성되는 광경로를 나타내는 모식도이며, 도 3b는 실상이 맺히게 되는 평판 메타렌즈의 모식도, 도 3c는 허상이 맺히게 되는 평판 메타렌즈의 모식도를 나타낸다.
[18]
도 4 는, 본원의 일 구현예에 있어서, 메타 표면의 일부분을 확대한 단면도로서, 도 4a는 위상 반전 프레넬 띠판의 구조의 일부분을 나타내는 모식도이고, 도 4b는 1/4 주기를 갖는 프레넬 띠판의 구조의 일부분을 나타내는 모식도이다.
[19]
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 편평한 상면을 구현하는 평판 메타 렌즈의 조합을 나타내는 모식도로서, 도 5a는 n 1 > n 2 > n 3 = 1 이고, 제 1 렌즈가 허상 렌즈, 제 2 렌즈가 실상 렌즈인 경우이고, 도 5b는 n 1 > n 2 > n 3 =1 이고, 제 1 렌즈가 실상 렌즈, 제 2 렌즈가 허상 렌즈인 경우이며, 도 5c는 n 2 =1, n 1 > n 3 > n 2이고, 제 1 렌즈가 허상 렌즈, 제 2 렌즈가 실상 렌즈인 경우의 모식도이다: 도 5d는, 도 5c와 동일하나, 대물 렌즈가 제 2 렌즈로부터 일정한 간격을 두고 위치된 경우의 모식도이다.
[20]
도 6은, 본원의 일 구현예에 있어서, 도 5c 의 구조를 이용하여 디자인된 평판 메타렌즈의 내부 프레넬 띠판의 m번째 띠의 반지름 r m의 관계를 나타낸 관한 그래프이다.
[21]
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 평판 메타렌즈의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

발명의 실시를 위한 형태

[22]
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[23]
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
[24]
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
[25]
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[26]
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
[27]
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
[28]
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
[29]
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
[30]
본원 명세서 전체에서, "메타 표면"은, 메타 물질을 사용한 박막 형태의 구조체를 의미하며, 나노미터 수준의 빛의 파장 대역을 조절할 수 있는 일정한 형태 또는 패턴을 포함하는 것을 의미한다.
[31]
본원 명세서 전체에서, 용어 "실상(허상) 렌즈"는, 평판 메타렌즈의 일측에 피사체가 위치하는 경우, 상기 피사체의 상이 실상(허상) 이 되도록 제조된 렌즈를 의미한다.
[32]
본원의 제 1 측면은, 일 측에 피사체가 위치되는 제 1 평판 기재 및 상기 제 1 평판 기재의 타 측에 위치되는 제 1 메타표면을 포함하는 제 1 렌즈를 포함하는, 평판 메타렌즈를 제공한다.
[33]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 피사체는 관찰 대상이 되는 모든 물체 또는 물질이 될 수 있으며, 이와 같은 기재에 의하여 본원은 제한되지 않는다.
[34]
본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a 및 도 1b를 참고하면, 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 피사체가 위치되는 경우, 상기 피사체는 제 1 평판 기재와 접촉하여 위치됨으로써 관찰될 수 있다. 구체적으로, 상기 피사체가 상기 제 1 평판 기재와 접촉하여 위치됨으로써, 상기 피사체로부터 반사, 산란, 및/또는 회절된 빛이 소실되지 않고 제 1 렌즈로 입사될 수 있다. 이에 따라, 본원의 구현예에 따른 평판 메타렌즈는 회절 한계를 극복하고 분해능이 약 100 nm 이하인 초고분해능 렌즈로서 활용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[35]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는 상기 평판 메타렌즈의 일 측에 피사체가 위치되기 전후로 렌즈 표면의 편평함이 유지되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[36]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 고유의 초점거리 (focal length)를 가지며, 상기 제 1 렌즈를 통과한 빛을 초점 (focus)으로 집중시킴으로써 이미지(상)를 형성할 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[37]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 경우, 후술하는 식 3, 식 5, 및 식 7에 의하여 상기 제 1 렌즈의 프레넬 띠판의 요철의 두께, 프레넬 띠판의 반경, 상기 제 1 렌즈의 초점 거리 등을 조절하여 상기 평판 메타렌즈의 분해능을 조절할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[38]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1 과 상기 제 1 메타표면과 상기 피사체의 이미지 면 (image plane) 사이의 공기 층의 굴절률 n 2가 n 1 > n 2 의 관계를 만족하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[39]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1 과 상기 제 1 메타표면과 상기 피사체의 이미지 면 (image plane) 사이의 공기 층의 굴절률 n 2가 n 1 > n 2 의 관계를 만족함으로써, 상기 제 1 렌즈을 통하여 포집되는 빛에 의하여 이미지가 형성될 수 있다.
[40]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 공기 층의 굴절률 n 2은 약 1 일 수 있다.
[41]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하는 경우, 상기 제 1 렌즈의 굴절률은 약 3.3 내지 약 3.6 일 수 있으며, 이와 같은 고굴절률 물질인 GaP를 사용함으로써, 상기 제 1 렌즈에 의해 포집될 수 있는 높은 공간주파수 성분을 갖는 빛의 양이 증가하므로, 적정 시야 범위에서 고분해능을 구현할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[42]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4, Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[43]
본원의 일 구현예에 있어서, 광원으로부터 유래한 빛이 피사체에 입사되어 상기 피사체에서 반사, 굴절, 회절, 또는 산란될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[44]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광원은 약 532 nm 또는 약 543 nm 파장의 HeNe레이저일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[45]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 피사체에서 반사, 굴절, 회절, 또는 산란된 빛 중의 일부는 상기 평판 메타렌즈를 투과할 수 있다.
[46]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 상기 제 1 렌즈를 형성하는 고굴절률 물질의 특성에 따라 결정될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[47]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 또는 적외선 영역인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[48]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장이 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 경우, 상기 제 1 렌즈는, 예를 들어, GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4, Ge, ZrO 2, 또는 SiC와 같은 고굴절률 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[49]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 300 nm 내지 약 1600 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[50]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하는 경우, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 500 nm 내지 약 1600 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[51]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하는 경우, 상기 제 1 렌즈의 굴절률은 약 3.3 내지 약 3.6일 수 있으며, 상기 제 1 렌즈는 약 500 nm 이상의 파장 대역의 빛을 투과시킬 수 있으며, 바람직하게는 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 대역의 빛을 투과시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[52]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면은 한 개 이상의 요철을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[53]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 요철의 두께는 약 2 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 렌즈의 요철의 두께는 약 0.5 ㎛ 이상 내지 약 2 ㎛ 이하, 약 0.5 ㎛ 이상 내지 약 1.5 ㎛ 이하, 약 0.5 ㎛ 이상 내지 약 1 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이상 내지 약 2 ㎛ 이하, 약 1 ㎛ 이상 내지 약 1.5 ㎛ 이하, 또는 약 1.5 ㎛ 이상 내지 약 2 ㎛ 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[54]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 두께는 약 500 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 렌즈의 두께는 약 100 ㎛ 이상 내지 약 500 ㎛ 이하, 약 100 ㎛ 이상 내지 약 300 ㎛ 이하, 약 300 ㎛ 이상 내지 약 500 ㎛ 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[55]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어, 상기 제 1 렌즈에 GaP가 포함되고 상기 제 1 렌즈의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛 중 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 영역대의 빛의 손실이 커져, 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛의 세기 대비 상을 형성하는 빛의 세기가 약해지며, 작은 공간주파수 성분 대비 큰 공간주파수 성분의 크기가 작아져 상을 관찰하는 것이 어려워질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[56]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면은 회절 격자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[57]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[58]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 공간주파수 필터용 프레넬 띠판은, 상기 1 차원의 프레넬 띠판 또는 상기 2 차원의 프레넬 띠판에서 띠들의 일부를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 공간주파수 필터용 프레넬 띠판은, 예를 들어, 프레넬 띠판의 각 띠의 순서를 지름이 작은 것부터 m 번째 띠라고 할 때 (m은 1 내지 1000 사이 자연수), m이 500 내지 600 에 해당하는 띠만을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[59]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어 상기 프레넬 띠판이 사용되는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사되는 빛이 상기 제 1 메타 표면을 투과하는 동시에 푸리에 변환되어, 즉각적인 이미징이 가능할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[60]
본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a 및 도 1b는 평판 메타렌즈의 모식도이고, 도 1c는 종래 기술의 프레넬 띠판의 형상을 나타내는 모식도이며, 도 1d는 본원의 일 구현예에 있어서 상기 평판 메타렌즈에 의하여 높은 공간주파수 성분이 공기 중으로 전파될 수 있음을 나타내는 모식도이다.
[61]
본원의 일 구현예에 있어서, 도 1a 및 도 1b를 참고하면, 상기 제 1 메타표면은 상기 제 1 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[62]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면이 상기 제 1 평판 기재를 식각하여 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈는 단일한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[63]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈는 2 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[64]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 상기 제 1 메타 표면의 형성 방법에 따라, 단일층 구조(monolayer), 2층 구조(bilayer) 또는 다층 구조(multilayer)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[65]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재에 식각되어 형성되는 경우, 렌즈 제조 분야에서 통용되는 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반응성 기체를 이용한 드라이 에칭, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 에칭 시약(etchant)을 이용한 웻 에칭(wet etching) 공정 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[66]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 예를 들어, 리프트-오프(lift-off) 증착 방법, 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법 등에 의하여 부착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[67]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리프트-오프 증착 방법은, 전자빔 식각(ebeam lithography)등을 이용하여 마스크 패턴(mask pattern)을 제조한 후, 스퍼터(sputter)나 증발기(evaporator)를 이용하여 금속 또는 유전체를 원하는 두께로 증착하고, 상기 마스크 물질을 아세톤(acetone) 등의 용액으로 제거하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[68]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법은, 프레넬 띠판의 주형(mold)에 금속 또는 유전체를 증착하고, 평평한 고굴절률 물질 (비제한적 예로서, GaP 등) 위에 일정 압력과 열을 가하여 증착하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[69]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 메타 표면은 금속 또는 비금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 금속은, 예를 들어, Zr, Au, Ag, Al, Ti, 또는 Cr일 수 있으며, 상기 비금속은, 예를 들어, Al 2O 3, AlN, ZnO, Si, TiO 2, Si 3N 4, 또는 SiO 2 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[70]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는, 제 2 렌즈를 추가 포함하며, 상기 제 2 렌즈는 일 측이 상기 제 1 메타표면에 접촉되는 제 2 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 타 측에 위치되는 제 2 메타표면을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[71]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈가, 상기 제 1 렌즈 외에, 상기 제 2 렌즈를 추가로 포함함으로써, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈가 서로 굽이를 상쇄시켜 보다 넓은 시야범위에서 편평한 이미지 면을 구현할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[72]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[73]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 고유의 초점거리 (focal length)를 가지며, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈를 통과한 빛을 초점 (focus)으로 집중시킴으로써 이미지(상)를 형성할 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[74]
본원의 일 구현예에 있어서, 도 5a를 참조하면, 상기 제 1 렌즈는 허상 렌즈이고, 상기 제 2 렌즈는 실상 렌즈이며, 도 5b를 참조하면 상기 제 1 렌즈는 실상 렌즈이고, 상기 제 2 렌즈는 허상 렌즈이다.
[75]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이미지 면(image plane)이 편평해질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[76]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 메타표면과 상기 피사체의 이미지 면 사이의 공기 층의 굴절률 n 3는 n 1 > n 2 > n 3의 관계를 만족하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[77]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 메타표면과 상기 피사체의 이미지 면 (image plane) 사이의 공기 층의 굴절률 n 3는 n 1 > n 2 > n 3의 관계를 만족함으로써, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈를 통하여 포집되는 빛에 의하여 이미지가 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[78]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 공기층의 굴절률 n 3는 약 1 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[79]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈에 GaP가 포함되는 경우, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1은 약 3.3 내지 약 3.6 일 수 있으며, 이와 같은 고굴절률 물질인 GaP를 사용함으로써, 상기 제 1 렌즈에 의해 포집될 수 있는 높은 공간주파수 성분을 갖는 빛의 양이 증가하므로, 적정 시야 범위에서 고분해능을 구현할 수 있다.
[80]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 렌즈에 유리가 포함되는 경우, 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 2는 약 1.3 내지 약 1.6 일 수 있으며, 상기 평판 메타렌즈가 상기 제 2 렌즈를 추가로 포함함으로써, 상기 제 1 렌즈로부터 상기 제 2 렌즈로 입사되는 빛의 양을 증가시켜 더 넓은 시야 범위를 설정하는 것이 가능하다.
[81]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것일 수 있고, 상기 제2 렌즈는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 실리카 에어로젤(silica aerogel), GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[82]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 및 상기 제 2 메타표면은 각각 서로 독립적으로 한 개 이상의 요철을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[83]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 요철의 두께는 각각 서로 독립적으로 약 2 ㎛ 이하인 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[84]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 두께는 각각 서로 독립적으로 약 500 ㎛ 이하인 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[85]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하고 상기 제 1 렌즈의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛 중 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 영역대의 빛의 손실이 커져, 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛의 세기 대비 상을 형성하는 빛의 세기가 약해지며, 작은 공간주파수 성분 대비 큰 공간주파수 성분의 크기가 작아져 상을 관찰하는 것이 어려워질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[86]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 렌즈가 GaP를 포함하고 상기 제 2 렌즈의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 경우, 상기 제 1 렌즈로부터 상기 제 2 렌즈로 입사하는 빛 중 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 영역대의 빛의 손실이 커져, 상기 제 2 렌즈로 입사하는 빛의 세기 대비 상을 형성하는 빛의 세기가 약해지며, 작은 공간주파수 성분 대비 큰 공간주파수 성분의 크기가 작아져 상을 관찰하는 것이 어려워질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[87]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 회절 격자를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[88]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[89]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프레넬 띠판이 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈에 사용되는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사되는 빛이 상기 제 1 메타 표면을 투과하는 동시에 푸리에 변환되고, 상기 제 1 메타 표면을 투과한 빛이 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 2 메타 표면을 투과하는 동시에 푸리에 변환되어, 즉각적인 이미징이 가능할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[90]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[91]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 또는 상기 제 2 메타표면이 상기 제 1 평판 기재 또는 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 단일한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[92]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 또는 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재 또는 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 2 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[93]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 상기 제1 메타 표면 또는 상기 제 2 메타표면의 형성 방법에 따라, 단일층 구조(monolayer), 2층 구조(bilayer) 또는 다층 구조(multilayer)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[94]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재에 식각되어 형성되는 경우, 렌즈 제조 분야에서 통용되는 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반응성 기체를 이용한 드라이 에칭, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 에칭 시약(etchant)을 이용한 웻 에칭(wet etching) 공정 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[95]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 예를 들어, 리프트-오프(lift-off) 증착 방법, 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법 등에 의하여 부착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[96]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 메타 표면은 금속 또는 비금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 금속은, 예를 들어, Zr, Au, Ag, Al, Ti, 또는 Cr일 수 있으며, 상기 비금속은, 예를 들어, Al 2O 3, AlN, ZnO, Si, TiO 2, Si 3N 4, 또는 SiO 2 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[97]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재에 식각되어 형성되는 경우, 렌즈 제조 분야에서 통용되는 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반응성 기체를 이용한 드라이 에칭, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 에칭 시약(etchant)을 이용한 웻 에칭(wet etching) 공정 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[98]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 예를 들어, 리프트-오프(lift-off) 증착 방법, 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법 등에 의하여 부착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[99]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 메타 표면은 금속 또는 비금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 금속은, 예를 들어, Zr, Au, Ag, Al, Ti, 또는 Cr일 수 있으며, 상기 비금속은, 예를 들어, Al 2O 3, AlN, ZnO, Si, TiO 2, Si 3N 4, 또는 SiO 2 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[100]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 또는 적외선 영역인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[101]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장이 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 경우, 상기 제 1 렌즈는, 예를 들어, GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4, Ge, ZrO 2, 또는 SiC와 같은 고굴절률 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[102]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 300 nm 내지 약 1600 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[103]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하는 경우, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 500 nm 내지 약 1600 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[104]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는, 제 2 렌즈 및 공기 층을 추가 포함하는 평판 메타렌즈로서, 상기 제 2 렌즈는 상기 제 1 메타 표면에 이격되어 위치되는 제 2 평판 기재, 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 위치되는 제 2 메타 표면을 포함하는 것이고, 상기 공기 층은 상기 제 1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 사이에 위치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[105]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈가, 상기 제 1 렌즈 외에, 상기 공기 층을 사이에 두고 상기 제 2 렌즈를 추가로 포함함으로써, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈가 서로 굽이를 상쇄시켜 보다 넓은 시야범위에서 편평한 이미지 면(image plane)을 구현할 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[106]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는, 상기 제 2 렌즈를 현미경의 대물 렌즈에 접촉시키거나 간격을 두어 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 5c의 경우와 같이, 상기 제 2 렌즈는 현미경의 대물 렌즈에 접촉될 수 있고, 다른 예로서, 도 5d의 경우와 같이, 상기 제 2 렌즈는 현미경의 대물 렌즈와 간격을 두어 구현될 수도 있다.
[107]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어 도 5c 및 도 5d의 경우, 이미지 면(image plane)이 편평해질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[108]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[109]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 고유의 초점거리 (focal length)를 가지며, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈를 통과한 빛을 초점 (focus)으로 집중시킴으로써 이미지(상)를 형성할 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[110]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어 도 5c의 경우, 상기 제 1 렌즈는 허상 렌즈이고, 상기 제 2 렌즈는 실상 렌즈일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[111]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어 도 5c와 같이 상기 제 1 렌즈는 허상 렌즈이고, 상기 제 2 렌즈는 실상 렌즈인 경우, 굽이가 서로 상쇄되어 이미지 면(image plane)이 편평해질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[112]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 공기층의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 3는 n 1 > n 3 > n 2의 관계를 만족하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[113]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 공기층의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 3는 n 1 > n 3 > n 2의 관계를 만족함으로써, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈를 통하여 포집되는 빛에 의하여 이미지가 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[114]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 공기 층의 굴절률 n 2는 약 1 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[115]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어, 상기 제 1 렌즈에 GaP가 포함되는 경우, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1은 약 3.3 내지 약 3.6 일 수 있으며, 이와 같은 고굴절률 물질인 GaP를 사용함으로써, 상기 제 1 렌즈에 의해 포집될 수 있는 높은 공간주파수 성분을 갖는 빛의 양이 증가하므로, 적정 시야 범위에서 고분해능을 구현할 수 있다.
[116]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들어, 상기 제 2 렌즈에 유리가 포함되는 경우, 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 3는 약 1.3 내지 약 1.6 일 수 있으며, 상기 평판 메타렌즈가 상기 제 2 렌즈를 추가로 포함함으로써, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈가 서로 굽이를 상쇄시켜 편평한 이미지 면(image plane)을 구현할 수 있다.
[117]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것일 수 있고, 상기 제 2 렌즈는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 실리카 에어로젤(silica aerogel), GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[118]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 및 상기 제 2 메타표면은 각각 서로 독립적으로 한 개 이상의 요철을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[119]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 요철의 두께는 각각 서로 독립적으로 약 2 ㎛ 이하인 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[120]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 두께는 각각 서로 독립적으로 약 500 ㎛ 이하인 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[121]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하고 상기 제 1 렌즈의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛 중 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 영역대의 빛의 손실이 커져, 상기 제 1 렌즈로 입사하는 빛의 세기 대비 상을 형성하는 빛의 세기가 약해지며, 작은 공간주파수 성분 대비 큰 공간주파수 성분의 크기가 작아져 상을 관찰하는 것이 어려워질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[122]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 렌즈가 GaP를 포함하고 상기 제 2 렌즈의 두께가 약 500 ㎛를 초과하는 경우, 상기 제 1 렌즈로부터 상기 제 2 렌즈로 입사하는 빛 중 약 500 nm 내지 약 600 nm 파장 영역대의 빛의 손실이 커져, 상기 제 2 렌즈로 입사하는 빛의 세기 대비 상을 형성하는 빛의 세기가 약해지며, 작은 공간주파수 성분 대비 큰 공간주파수 성분의 크기가 작아져 상을 관찰하는 것이 어려워질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[123]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 회절 격자를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[124]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[125]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프레넬 띠판이 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈에 사용되는 경우, 피사체로부터 상기 제 1 렌즈로 입사되는 빛이 상기 제 1 메타 표면을 투과하는 동시에 푸리에 변환되고, 상기 제 1 메타 표면을 투과한 빛이 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 2 메타 표면을 투과하는 동시에 푸리에 변환되어, 즉각적인 이미징이 가능할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[126]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[127]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 또는 상기 제 2 메타표면이 상기 제 1 평판 기재 또는 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 단일한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[128]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타표면 또는 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재 또는 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 2 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[129]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈 또는 상기 제 2 렌즈는 상기 제1 메타 표면 또는 상기 제 2 메타표면의 형성 방법에 따라, 단일층 구조(monolayer), 2층 구조(bilayer) 또는 다층 구조(multilayer)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[130]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재에 식각되어 형성되는 경우, 렌즈 제조 분야에서 통용되는 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반응성 기체를 이용한 드라이 에칭, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 에칭 시약(etchant)을 이용한 웻 에칭(wet etching) 공정 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[131]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 예를 들어, 리프트-오프(lift-off) 증착 방법, 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법 등에 의하여 부착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[132]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 메타 표면이 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 메타 표면은 금속 또는 비금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 금속은, 예를 들어, Zr, Au, Ag, Al, Ti, 또는 Cr일 수 있으며, 상기 비금속은, 예를 들어, Al 2O 3, AlN, ZnO, Si, TiO 2, Si 3N 4, 또는 SiO 2 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[133]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재에 식각되어 형성되는 경우, 렌즈 제조 분야에서 통용되는 일반적인 식각 공정이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반응성 기체를 이용한 드라이 에칭, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 에칭 시약(etchant)을 이용한 웻 에칭(wet etching) 공정 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[134]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 예를 들어, 리프트-오프(lift-off) 증착 방법, 또는 나노 임프린팅(nano imprinting) 증착 방법 등에 의하여 부착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[135]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 메타 표면이 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 경우, 상기 메타 표면은 금속 또는 비금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 금속은, 예를 들어, Zr, Au, Ag, Al, Ti, 또는 Cr일 수 있으며, 상기 비금속은, 예를 들어, Al 2O 3, AlN, ZnO, Si, TiO 2, Si 3N 4, 또는 SiO 2 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[136]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 또는 적외선 영역인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[137]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장이 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 경우, 상기 제 1 렌즈는, 예를 들어, GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4, Ge, ZrO 2, 또는 SiC와 같은 고굴절률 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[138]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 300 nm 내지 약 1600 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[139]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 렌즈가 GaP를 포함하는 경우, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 약 500 nm 내지 약 1600 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[140]
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 평판 메타렌즈를 포함하는 커버글라스를 제공한다.
[141]
도 2 는, 본원의 일 구현예에 있어서, 커버글라스 형태를 가진 평판 메타렌즈의 활용 개념도를 나타낸다.
[142]
상기 커버글라스는, 본원의 제 1 측면의 평판 메타렌즈에 관한 모든 내용은 본원의 제 2 측면에 모두 적용될 수 있으며, 기재를 생략하였다고 하여 본원의 제 2 측면에서 그 적용이 배제되는 것은 아니다.
[143]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는, 광원으로부터 피사체에 빛이 조사되어 상기 조사된 빛이 상기 피사체로부터 반사, 굴절, 회절, 또는 산란되어 나온 빛을 상기 프레넬 띠판에 의하여 즉각적으로 푸리에 변환하는 것이 가능하므로, 실시간 이미징이 가능하여 커버글라스로서 사용될 수 있으며, 관찰자는 상기 피사체를 상기 커버글라스로 덮은 후, 상용화된 현미경의 대물 렌즈를 통하여 육안으로 관찰하는 것이 가능하다.
[144]
본원의 일 구현예에 있어서, 예를 들면, 상기 평판 메타렌즈가 상기 커버글라스 자체로서 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
[145]
본원의 구현예들에 의하여, 상기 평판 메타렌즈는, 고굴절률 물질을 광 매질로 사용하여 약 100 nm 이하의 초고분해능을 구현할 수 있고, 일반 렌즈와 같이 입사광을 그대로 이용하여 비표지 방식 (label-free)으로 작동하는 장점이 있다. 또한, 공기중의 파장보다 작은 수준까지 확장된 프레넬 띠판의 회절현상을 이용하여, 약 100 nm 이하의 자세한 정보를 원장 (far-field) 방식으로 전파시키고, 전체 시야범위에 대해서 즉각적인 (instantaneous) 이미지를 얻을 수 있어, 바이오 및 반도체 등의 분야뿐만 아니라 실생활에서 간편한 광학적 고분해능 이미징을 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, GaP, Si와 같은 굴절률은 높지만, 미세 곡면 가공이 불가능한 물질을 사용하여 평평한 메타 표면을 구현함으로써, 기존 소자를 대체할 단순한 형태의 광학 소자를 구현할 수 있다.
[146]
본원의 일 구현예에 의하여, 상기 평판 메타렌즈는 대량 생산 공정에 의하여 제조 가능하다. 상기 평판 메타렌즈는, 구조적으로 매우 단순하기 때문에, 반도체 웨이퍼의 한쪽 표면 상에 상기 메타 표면을 식각 공정 등을 통해 새기는 것만으로도 구현할 수 있다. 메타 표면의 최소 선폭 (약 50 nm)이 양산되는 D램 반도체의 최소선폭 (약 20 nm)보다 큰 수준임을 감안할 때, 상기 평판 메타렌즈는 상용화된 생산 설비를 이용한 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
[147]
본원의 일 구현예에 의하여, 상기 평판 메타렌즈는 기존 렌즈와 달리 평판 형태를 띄고 있으며, 두께가 수십 ㎛ 내지 100 ㎛ 수준으로 기존의 커버글라스와 구조적으로 유사하다. 따라서, 평판 메타렌즈를 추가로 도입하기 위한 기존 광학계의 변경 없이, 기존 커버글라스를 대체하여 사용될 수 있다. 따라서, 상기 평판 메타렌즈는 약 100 nm 이하 수준의 시료 (바이러스 등)을 관찰할 수 있는 신개념 커버글라스로의 활용이 가능하다. 더 나아가, 커버글라스 형태뿐만 아니라 휴대폰 카메라에 적용 가능하거나 사람의 나안으로 직접 관찰할 수 있는 형태로도 제작 가능하며, 이는 초고분해능 이미징이 실생활에서도 보편적으로 가능하게 할 수 있다.
[148]
이하, 본원의 구현예들 및 실시예들을 도면을 참고하여 좀 더 구제적으로 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.
[149]
평판 메타 렌즈의 원리
[150]
도 1a 및 도 1b는, 본원의 일 구현예에 있어서, 평판 메타렌즈의 모식도이고, 도 1c는 프레넬 띠판의 형상이며, 도 1d는 상기 평판 메타렌즈에 의하여 높은 공간주파수 성분이 공기 중으로 전파될 수 있음을 나타낸다.
[151]
평판 메타렌즈의 구조는 일정한 두께의 고체 매질 한쪽 면에 메타 표면(예를 들어, 프레넬 띠판)을 식각 공정 등을 통해 식각한 것으로, 매우 간단한 구조이다. 평판 메타렌즈의 원리는 고체 잠입 렌즈 (유침 렌즈에서 기름의 역할을 고체로 대신한 렌즈)와 프레넬 띠판을 결합시킨 것이다. 평판 메타렌즈의 모식도는 도 1a 및 도 1b 와 같다. 먼저 대물 면 (object plane)과 접해있는 관찰하고자 하는 물체가 빛을 받아서 산란된 빛이 고체 매질로 퍼져나간다. 이때, 유침 렌즈 혹은 고체 잠입 렌즈와 마찬가지로, 고체 매질의 굴절률이 큰 만큼 높은 공간주파수 성분도 원장으로 특정한 각도성분을 가지고 퍼져나가서 z 방향으로 'd' 만큼 떨어진, 반대쪽 경계면 (푸리에 면)에 도달하게 된다. 평판 메타렌즈의 시야 (field of view)를 제한하여 프레넬 조건을 만족시키면, 대물 면과 푸리에 면이 근사적으로 푸리에 변환 관계를 갖게 된다. 따라서, 푸리에 면에 도달한 빛은 공간에 따라 다른 공간 주파수 성분을 갖게 된다. 하지만, 아직 빛이 고굴절률 매질 내에 있기 때문에, 높은 공간주파수를 갖는 정보는 공기 중으로 나오지 못한다 (도 1d 상부). 고체 매질 내에서 푸리에 면 상에서의 공간에 따른 공간주파수 성분은 아래의 식과 같다:
[152]
[153]
[154]
n: 고체 매질의 굴절률
[155]
이때, 푸리에 면에 위치한 프레넬 띠판에 의해 빛이 회절될 수 있고, 이때 프레넬 띠판에 의해 가해진 공간주파수 성분은 아래 식과 같다:
[156]
[157]
위와 같이 공간에 따라 다른 공간주파수 성분을 인가하는 것은 기존의 프레넬 띠판 (도 1c)과 같지만, 여기서는 고체 매질의 굴절률에 맞추어서 공기중의 파장보다도 수 배 작은 크기의 띠의 두께와 간격이 쓰이며, 이와 같은 프레넬 띠판이 구현된 푸리에 면은 메타 표면이 된다. 위와 같은 프레넬 띠판에 의해 회절된 빛의 공간주파수 성분은 아래 식과 같다:
[158]
[159]
따라서, 공간주파수 성분이 공기 중으로 전파할 수 있는 최대 공간주파수 성분, ko, 보다 작아지게 되고 모든 정보가 겹침 (aliasing) 없이, 원장으로 전파될 수 있다 (도 1d 아래). 이와 같은 과정을 통해 비표지 방식으로 원장에서, 즉각적으로 구현되는 증대된 분해능을 2차원 패턴된 평판 메타렌즈로부터 얻을 수 있다. 여기서는, 물체의 이미지 (상)가 1차적으로 푸리에면에서 'd'만큼 떨어진 공기 중에 맺히도록 하는 k G(r) 를 예로 들었지만, 프레넬 띠판의 간격을 조정하여 k G(r)를 조정하면 상이 맺히는 위치를 푸리에 면 바로 앞에서부터 무한대의 위치까지 조정할 수 있다.
[160]
평판 메타렌즈의 성능은 고체매질의 굴절률 및 손실률에 직접적인 영향을 받는다. 가시광선에서 굴절률이 크고 손실이 적은 GaP (Gallium Phosphide)를 가정하면 평판 메타렌즈의 성능을 다음과 같이 예상할 수 있다. 500 nm 파장을 가정하면, GaP의 굴절률은 3.6, 흡광계수는 0.0056 이다. 이때, 분해능의 최대치는 약 85 nm 가 되고 최대 시야각을 75도로 제한하면, 분해능은 약 88 nm 가 된다. 평판 메타렌즈의 시야범위는 대물 면과 푸리에 면이 근사적으로 푸리에 변환 관계가 되도록 하기 위해서 프레넬 조건을 만족시켜야 한다는 조건으로 계산할 수 있다. 프레넬 조건은 다음 식과 같다:
[161]
[162]
최대 시야각 (θm) 75도, 파장 (λ) 500 nm 를 가정하고, 손실을 고려한 최대 두께 d= 10 ㎛를 가정하면, 시야범위는 대략 1 X 1 ㎛ 2 가 된다. 파장을 532 nm로 가정하면, GaP의 광손실이 적어서 평판 메타렌즈를 크게 만들 수 있고, 약 96 nm의 분해능과 대략 5 X 5 ㎛ 2 수준 크기의 시야 범위를 가질 수 있다.
[163]
도 2 는, 본원의 일 구현예에 있어서, 커버글라스 형태를 가진 평판 메타렌즈의 활용 개념도를 나타낸다.
[164]
평판 메타 렌즈의 추가적 기능에 대하여, 기존의 고체 잠입 렌즈 등 빛의 굴절 현상을 이용한 렌즈의 경우, 렌즈의 초점 거리, 시야 범위 등이 렌즈 곡면의 모양에 따라 변한다. 이때, 렌즈의 곡면을 원하는 대로 정확하게 구현하는 것이 어려우며, 메타 물질의 고체 잠입 렌즈의 경우에도 자연적으로 만들어지는 곡면을 활용한다. 하지만, 본원에서 고안된 평판 메타렌즈의 경우, 2차원 메타 표면을 이용하기 때문에 표면 구조만을 변경함으로써 초점 거리, 시야 범위 등을 원하는 대로 설계하고 제작할 수 있으며, 특정한 공간주파수 성분만 얻는 공간주파수 필터나 1차원 프레넬 띠판 등을 이용한 한쪽 방향만의 이미징 소자 등으로의 활용이 가능하다.
[165]
도 3 은, 본원의 일 구현예에 있어서, 평판 메타렌즈 및 상기 평판 메타렌즈에서의 광경로를 나타낸 모식도로서, 도 3a는 상기 평판 메타렌즈에 의하여 물체로부터 상이 맺히는 과정에서 형성되는 광경로를 나타내며, 도 3b는 실상이 맺히게 되는 평판 메타렌즈의 모식도, 도 3c는 허상이 맺히게 되는 평판 메타렌즈의 모식도를 나타낸다.
[166]
도 3에서와 같은 평판 메타렌즈의 메타 표면 설계는 물체에서 여러 방향으로 나온 빛이 다시 모여서 상 (도 3a)을 형성할 때 위상이 모두 같아야 한다는 조건으로부터 구할 수 있다 (광경로차 계산). 도 3은 2차원 평면상에 나타나있지만, 3차원인 경우 r이 메타 표면 평면상에서 모든 방위각에 대해 성립하므로, 3차원공간으로 바로 적용된다.
[167]
먼저 관찰 면의 원점 (O')에 있는 물체가 상면의 원점(O'')에 상으로 맺히는 경우에 대해서 계산하면 다음과 같다. 물체가 메타 표면으로부터 떨어진 거리를 p, 상이 메타 표면으로부터 떨어진 거리를 q, 관찰 면에서 메타 표면까지의 물질 (고굴절률 물질)의 굴절률을 n 1, 반대쪽 물질의 굴절률을 n 2라고 하자. 이때, 메타 표면이 원점(O)로부터 r만큼 떨어진 위치에서 빛에 인가하는 위상, φ(r), 은 다음식과 같은 조건을 만족시켜야 물체에서 여러 방향으로 나온 빛이 상에서 모일 때 위상이 같아진다:
[168]
[식 1]
[169]
[170]
위 조건은 구면 수차가 없는 메타 표면의 조건이다. 이번에는, 원점으로부터 좌우로 떨어진 물체가 위의 메타 표면을 통해 상이 맺히는 상황에 대해서 광경로차 계산을 해보면 다음과 같다 (도 3b). 물체가 관찰 면의 원점으로부터 떨어진 거리를 l, 상이 상면의 원점으로부터 떨어진 수평거리를 l', 상이 상면의 원점으로부터 떨어진 수직거리를 δ (상면의 굽이), 이라고 한다면, 광경로차 (Optical Path Difference, OPD)는 다음과 같다:
[171]
[식 2]
[172]
[173]
이 경우에도 상이 정확하게 맺히려면, r과 l에 상관없이 OPD의 절대값이 최소가 되어야 한다. 0이 되지 않는 남은 OPD는 상의 여러 가지 수차를 나타낸다. 식2에 식1을 대입하고, l이 p에 비해 매우 작고, δ는 l/p에 비해 매우 작은 조건을 사용하여 식2를 근사하면, OPD가 최소가 되도록 하는 조건은 p=q 임을 얻을 수 있고 (1차 코마가 없는 조건; 코마: 원점에서 좌우로 떨어진 물체의 상에 대한 수차), 또한, OPD가 최소가 되는 상면의 굽이 δ 는,
[174]
가 된다. 여기서 β는 r에 대한 함수이지만, 대략 1로 생각할 수 있고, 고차 코마를 만든다.
[175]
위와 같은 방식으로, 허상을 만드는 평판 메타렌즈에 대해서도 적용할 수 있다(도 3c). 따라서 구면 수차와 1차 코마가 없는 실상을 만드는 메타렌즈의 조건은,
[176]
[식 3]
[177]
[178]
이며, 이때 상면의 굽이는,
[179]
[식 4]
[180]
[181]
가 된다. 또한, 구면수차와 1차 코마가 없는 허상을 만드는 메타렌즈의 조건은,
[182]
[식 5]
[183]
[184]
이며, 이 때 상면의 굽이는,
[185]
[식 6]
[186]
[187]
가 된다.
[188]
평판 메타렌즈의 구현
[189]
[식 3] 및 [식 5]를 만족시키는 어떠한 구조라도 평판 메타렌즈의 메타 표면이 될 수 있다. 그 예로는, 프레넬 렌즈, 여러 차수의 프레넬 띠판 등이 될 수 있다. 또한, 위 식을 약간 변형하여 반구 형태의 고체 잠입 렌즈 또한 적용될 수 있다.
[190]
프레넬 띠판은 빛이 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 특정 길이만큼 지나면 위상이 차이가 난다는 것을 이용하여 특정한 모양의 요철 구조를 통해 공간에 따라 빛의 위상을 조절해서 회절 혹은 굴절하게 한다. 먼저, 간단하게는 1차 혹은 고차의 위상 반전 (phase reversing) 프레넬 띠판이 있다. 이 경우, 메타 표면의 위상이 aπ (a=1, 3, 5... 홀수)만큼 차이가 날 때마다 요철이 생기게 된다. 요철의 간격은 [식 3] 및 [식 5]에 의해서 결정된다. [식 3] 및 [식 5]로부터 유도된 m (m=1, 2, 3....)번째 띠의 반지름은 다음과 같은 식으로 주어진다 (도 4a).
[191]
도 4 는, 본원의 일 구현예에 있어서, 메타 표면의 일부분을 확대한 단면도로서, 도 4a는 위상 반전 프레넬 띠판의 구조의 일부분으로서 는 φ(r m +1)- φ(r m)=aπ 를 만족하며, 도 4b는 1/4 주기를 갖는 프레넬 띠판의 구조의 일부분으로서 φ(r m+1)- φ(r m)=2π/l 을 만족하며, 이 경우에 l=4이다.
[192]
[식 7]
[193]
[194]
[195]
(복호의 +는 실상의 경우, -는 허상의 경우)
[196]
φref 는 -aπ 에서 aπ 사이의 값을 갖는 상수 (reference phase) 로써 초점 주변의 노이즈에 영향을 주지만, 주요한 성능에는 큰 영향을 주지 않고, 간단하게는, 0을 선택해도 무방하다. 상기 [식 7]에서 a=1 인 경우는 1차 (혹은 위상반전, phase-reversing) 프레넬 띠판, a=3, 5...인 경우 2차, 3차 등의 프레넬 띠판이 된다. 고차 프레넬 띠판이 될수록 띠의 폭과 간격이 넓어져서 만들기 쉽지만, 그만큼 렌즈에 의해 빛이 제어되는 효율이 떨어지고 노이즈가 상대적으로 늘어난다. 요철의 높이는 빛이 파인 부분과 파이지 않은 부분을 지날 때 반 파장만큼 위상 차이가 나도록 하는 높이가 될 때 효율이 최대가 된다. 요철이 n 1, n 2 물질 이외의 다른 물질로 만들어질 수도 있지만, 식각 등을 통해 고굴절률 물질의 요철로 이루어져 있다면, 최적의 두께, d는 하기 식과 같다:
[197]
[식 8]
[198]
[199]
두 번째로 보다 정교한 디자인으로, a=1 인 경우에도, 높이를 l개 (l≥2) 만큼 달리하는 여러 띠판을 세밀하게 채울 수 있다 (도 4b). l=2 인 경우가 일반적인 위상 반전 프레넬 띠판이 되고, l=4 인경우 1/4주기 (quarter-period) 프레넬 띠판 등이 된다. 임의의 l에 대해서, m번째 띠의 반지름 또한 [식 3] 및 [식 5]로부터 구할 수 있다.
[200]
[201]
[202]
(복호의 +는 실상의 경우, -는 허상의 경우)
[203]
이 때, m 번째 띠의 최적의 두께, d는 하기 식과 같다:
[204]
[205]
도 4b의 경우는 l=4인 1/4 주기 프레넬 띠판에 대해 나타낸 것으로, 그림상에서 m은 mod(m-1,l)=0을 만족하는 경우를 나타내었다. l -> ∞ 인 경우, 프레넬 띠판은 프레넬 렌즈로 수렴한다.
[206]
상면을 편평하게 하는 평판 메타렌즈 디자인
[207]
상면이 편평하지 않고 굽이를 갖는 경우, 현미경 등으로 관찰할 때 초점이 중심 부근 좁은 영역에서만 잘 맺히게 되므로 최근의 대물 렌즈는 대부분 상면이 최대한 편평해지도록 디자인된다. 평판 메타렌즈의 경우에도 서로 다른 상면의 굽이를 갖는 두 개의 평판 메타렌즈를 적절하게 디자인하면, 상면을 편평하게 만들 수 있다. 도 5에 편평한 상면을 주는 몇 가지 예시를 제시하였다.
[208]
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 편평한 상면을 구현하는 평판 메타렌즈의 조합을 나타내며, 도 5a는 n 1 > n 2 > n 3 = 1 이고, 제 1 렌즈가 허상 렌즈, 제 2 렌즈가 실상 렌즈인 경우이고, 도 5b는 n 1 > n 2 > n 3 =1 이고, 제 1 렌즈가 실상 렌즈, 제 2 렌즈가 허상 렌즈인 경우이며, 도 5c 및 도 5d는, n 2 =1, n 1 > n 3 > n 2이고, 제 1 렌즈가 허상 렌즈, 제 2 렌즈가 실상 렌즈인 경우의 모식도이다. n 1과 n 2사이, n 2와 n 3 사이에 메타 표면이 위치한다.
[209]
도 5a, 5b는 기존의 단층 평판 메타 렌즈 위에 n 1 > n 2 > n 3 = 1 을 만족하는 굴절률 n 2의 중간층을 가지는 경우이다. f는 대물렌즈 (objective lens)의 초점거리 (focal length) 이다. 이 때, 실상을 맺히게 하는 평판 메타렌즈 (실상 렌즈)와 허상을 맺히게 하는 평판 메타렌즈 (허상 렌즈)는 서로 반대의 상면의 굽이를 가지므로, 적절한 디자인의 실상 렌즈와 허상 렌즈를 한번씩 사용하면 편평한 상면을 만들 수 있다. 도 5a는 n 1, n 2사이 (제 1 렌즈)에는 허상 렌즈, n 2, n 3 사이 (제 2 렌즈)에는 실상 렌즈를 사용한 경우이다.
[210]
도 5c는 n 2=1, n 2 < n 3 < n 1을 만족시키는 경우이다. 이 때, n 2 < n 3 가 되므로, 제 2 렌즈가 허상 렌즈인 경우 도 5b에서의 허상 렌즈 (제 2 렌즈) 와는 상면의 굽이가 반대이다. 따라서, 제 1 렌즈가 허상 렌즈일때 상면을 편평하게 하기 위한 제 2 렌즈는 실상 렌즈 및 허상 렌즈 모두 가능하며, 제 1 렌즈가 실상 렌즈일때 상면을 편평하게 하기 위한 제 2 렌즈는 존재하지 않는다. 하지만, 제 1 렌즈가 허상 렌즈이고 제 2 렌즈도 허상 렌즈의 경우, 제 2 렌즈의 굴절률 n 3 = 1.5를 가정하였을 때, 제 2 렌즈의 초점 거리가 제 1 렌즈의 초점 거리보다 작아져야 하므로 물리적으로 구현이 불가능하다.
[211]
따라서 도 5c는 제 1 렌즈가 허상 렌즈이고, 제 2 렌즈가 실상 렌즈인 경우를 나타내었다. 이 때, 제 2 렌즈의 굴절률 n 3 = 1.5를 가정하면, 제 2 렌즈의 초점 거리가 제 1 렌즈에 비해 2배 내지 3배 커져야 하지만, 도 5a에 비해서는 상당히 줄었기 때문에, 비교적 제조하기에 수월하다. 또한, 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 최소선폭도 100 nm 이상으로 적합한 수준이다.
[212]
도 5c는 기존에 존재하는 대물 렌즈에 제 2 렌즈를 접촉시켜 간편하게 구현하는 예를 나타낸 것이다. 도 5d 는 제 2 렌즈를 포함하는 대물 렌즈를 새로 제작한 예를 나타낸 것이다. 상기 예시뿐만 아니라, 렌즈 디자인에 따라서 제 1 렌즈와 제 2 렌즈 사이의 거리와 제 2 렌즈와 대물 렌즈 사이의 거리가 정해지고, 이에 맞게 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 및 대물 렌즈가 공간적으로 고정되어 있으면, 평판 메타렌즈로서 구현이 가능하다.
[213]
평판 메타렌즈의 실제 디자인 예시
[214]
도 6은, 본원의 일 구현예에 있어서, 도 5c 및 도 5d 의 구조로 디자인한 평판 메타렌즈 내 프레넬 띠판의 m번째 띠의 반지름 r m에 관한 그래프이다.
[215]
파장은 약 543 nm, 굴절률은, 제 1 렌즈의 굴절률 n 1 = 3.468, 공기의 굴절률 n 2 = 1, 제 2 렌즈의 굴절률 n3 = 1.519, 제 1 렌즈의 초점 거리는 약 100 ㎛, 두 번째 렌즈의 초점 거리는 약 233 ㎛ 로 설정하였다. 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 m번째 프레넬 띠판의 반경 r m은 각각 도 6a와 6b와 같다. 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 m의 최대값은 약 60도로 진행하는 빛을 모을 수 있을 정도로 충분히 큰 값으로 선택하였다 (이 경우 위 광학계의 numerical aperture는, NA = 3.468 sin(60°) = 3 이 된다). 제 1 렌즈의 요철의 두께는 약 100 nm, 제 2 렌즈의 요철의 두께는 약 150 nm 이다. 이 때, 약 100 nm 수준의 분해능, 직경 약 16 ㎛ 정도의 시야범위와 편평한 상면을 가진 평판 메타렌즈를 구현할 수 있다 (이하 결과 분석에서 설명).
[216]
평판 메타렌즈의 성능 분석
[217]
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서 평판메타렌즈의 성능을 나타낸 시뮬레이션 결과이다.
[218]
도 7a의 그래프를 살펴보면, 평판 메타렌즈를 도 6의 디자인으로 시뮬레이션 했을 때, 관찰면 (objective plane) 에서 100 nm 떨어진 두 점광원이 상면 (image plane) 에서 잘 분리되어 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 7b 내지 도 7d는, 도6의 디자인에서 제 1 렌즈만을 사용하였을 때 관찰면에서 점광원의 위치에 따른 상의 변화를 나타낸 것이다. 관찰면의 원점에서 약 2 ㎛ 떨어진 점광원의 경우, 왜곡없이 상이 형성될 수 있음을 확인할 수 있다(도 7c). 관찰면의 원점에서 약 4 ㎛ 떨어진 점광원의 경우, 분리된 상이 형성될 수 있음을 확인할 수 있다(도 7d).
[219]
도 7e 내지 도 7g는, 도 6의 디자인의 평판 메타렌즈로서 제 1 렌즈와 제 2 렌즈를 모두 포함하는 경우 관찰면에서 점광원의 위치에 따른 상의 변화를 나타낸 것이다. 관찰면의 원점에서 약 8 ㎛ 떨어진 점광원도 상에 큰 왜곡이 발생하지 않는다 (도 7g). 따라서 편평한 상면이 구현되었다는 것을 확인할 수 있으며, 직경 약 16 ㎛의 시야범위를 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다.
[220]
본 발명은 그의 바람직한 구현예들에 대해 나타내고 설명되나, 본 출원에서 기술된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 구현예 및 추가적 구현예가 만들어질 수 있고, 본 출원은 본원에서 청구되는 청구항의 의도된 범위 내에 있는 그러한 모든 변형들을 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 수 있을 것이다.
[221]
[부호의 설명]
[222]
100 : 피사체
[223]
200 : 평판 메타렌즈
[224]
210 : 제 1 평판 기재
[225]
220 : 제 1 메타 표면

청구범위

[청구항 1]
일 측에 피사체가 위치되는 제 1 평판 기재, 및 상기 제 1 평판 기재의 타 측에 위치되는 제 1 메타표면 을 포함하는 제 1 렌즈를 포함하는, 평판 메타렌즈.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 3]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1 과 상기 제 1 렌즈와 상기 피사체의 이미지 면 (image plane) 사이의 공기 층의 굴절률 n 2가 n 1 > n 2 의 관계를 만족하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 4]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 5]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 메타표면은 한 개 이상의 요철을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 6]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 메타표면의 요철의 두께는 2 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 7]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 두께는 500 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 8]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 메타 표면은 회절 격자를 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 9]
제 8 항에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 10]
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 메타표면은 상기 제 1 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 11]
제 1 항에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 12]
제 1 항에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는 제 2 렌즈를 추가 포함하며, 상기 제 2 렌즈는 일 측이 상기 제 1 메타표면에 접촉되는 제 2 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 타 측에 위치되는 제 2 메타표면을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 13]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 14]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 메타표면과 상기 피사체의 이미지 면 (image plane) 사이의 공기 층의 굴절률 n 3는 n 1 > n 2 > n 3의 관계를 만족하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 15]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것이고, 상기 제 2 렌즈는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 실리카 에어로젤(silica aerogel), GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 16]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 한 개 이상의 요철을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 17]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 요철의 두께는 각각 서로 독립적으로 2 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 18]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 두께는 각각 서로 독립적으로 500 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 19]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 회절 격자를 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 20]
제 19 항에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 21]
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 메타표면 및 상기 제 2 메타표면은 각각 서로 독립적으로 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 22]
제 12 항에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 23]
제 1 항에 있어서, 상기 평판 메타렌즈는 제 2 렌즈 및 공기 층을 추가 포함하며, 상기 제 2 렌즈는 상기 제 1 메타 표면에 이격되어 위치되는 제 2 평판 기재, 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 위치되는 제 2 메타 표면을 포함하는 것이고, 상기 공기 층은 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 사이에 위치되는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 24]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 실상 렌즈 또는 허상 렌즈인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 25]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈의 굴절률 n 1, 상기 공기 층의 굴절률 n 2, 및 상기 제 2 렌즈의 굴절률 n 3는 n 1 > n 3 > n 2의 관계를 만족하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 26]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고굴절률 물질을 포함하는 것이고, 상기 제 2 렌즈는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 실리카 에어로젤(silica aerogel), GaP, Si, 유리, SiO 2, TiO 2, ZnO, Al 2O 3 , AlN, Si 3N 4 , Ge, ZrO 2, SiC, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 27]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈는 각각 서로 독립적으로 한 개 이상의 요철을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 28]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 요철의 두께는 각각 서로 독립적으로 2 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 29]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈의 두께는 각각 서로 독립적으로 500 ㎛ 이하인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 30]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 메타 표면 및 상기 제 2 메타 표면은 각각 서로 독립적으로 회절 격자를 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 31]
제 30 항에 있어서, 상기 회절 격자는 1 차원의 프레넬 띠판, 2 차원의 프레넬 띠판, 또는 공간주파수 필터용 프레넬 띠판을 포함하는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 32]
제 23 항에 있어서, 상기 제 1 메타표면 및 상기 제 2 메타표면은 각각 서로 독립적으로 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재를 식각하여 형성되거나 또는 상기 제 1 평판 기재 및 상기 제 2 평판 기재의 일 측에 부착되어 형성되는 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 33]
제 23 항에 있어서, 상기 평판 메타렌즈를 투과하는 빛의 파장은 자외선 영역, 가시광선 영역, 적외선 영역, 또는 근적외선 영역인 것인, 평판 메타렌즈.
[청구항 34]
제 1 항에 따른 평판 메타렌즈를 포함하는, 커버글라스.

도면

[도1a]

[도1b]

[도1c]

[도1d]

[도2]

[도3a]

[도3b]

[도3c]

[도4a]

[도4b]

[도5a]

[도5b]

[도5c]

[도5d]

[도6a]

[도6b]

[도7a]

[도7b]

[도7c]

[도7d]

[도7e]

[도7f]

[도7g]