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테라헤르츠 메타물질 광학 소자

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테라헤르츠 메타물질 광학 소자 특집 1 ■ 메타물질

테라헤르츠주파수 대역은일반적으로 광파와 마이크로 파 대역 사이에 위치하는 0.1THz에서 10THz의 전자기 파 대역으로 정의된다. 테라헤르츠 주파수 대역은 그 동 안 전자기파 스펙트럼에서 다른 대역에 비하여 상대적으 로 관심을 덜 받아왔으며,이러한 이유로 인하여 이 대역 은‘테라헤르츠 갭(Terahertz gap)’이라고 불리기도 했다.

최근, 새로운 광원 및 재료의 개발로 인하여 테라헤르츠 대역은 다시 새로이 조명을 받기 시작했으며, 그 기술적 응용의 범위가 신소재, 의학, 제조업, 우주기술, 군사적 이용까지 이를 정도로 광범위하게 미치고 있다. 하지만, 테라헤르츠파의 소자의 개발은 광파 혹은 마이크로파 영 역과비교하면아직 매우 미진한 것 또한 현실이다.메타물 질은 테라헤르츠 대역에서 인위적으로 조절 가능한 물성 을 가능케 하여 테라헤르츠파 소자의 개발 및 성능향상

에 직간접적으로 기여하고 있다.

메타물질의 어원은 ‘초월하다(beyond)’라는 뜻을 가진 접두사 메타(meta)와 물질(material)이 합쳐진 합성어이 다. 따라서 기존의 물질이 가진 특성을 초월하는 새로운 성질을 가지는 인위적 물질로 규정할 수 있다. 그 중에서 도 전자기파 메타물질(Electromagneticmetamaterials) 에 대한 관심은 음굴절률, 파장 이하의 고분해능이미징, 물체를 보이지 않게 하는 클로킹(Cloaking)기술 등과 같 은 새로운 물리적 현상의 구현 및 새롭고 뛰어난 성능의 소자의 개발로 인하여 폭발적으로 증가하고 있다.메타물 질은 금속이나 유전체 등으로 인공적으로 제작된 메타원

자로 구성된 복합 구조체이다. 이러한 메타물질을 구성 하는 메타원자는 파장에 비하여 매우 작아야 하는데테라 헤르츠 대역의 경우 광학 주파수 대역과 달리 이러한 제 작 조건을광학 리소그래피 기술로 쉽게 만족시킬 수 있 다. 이러한 실제적인 이유로메타물질의 활용 가능성이 테라헤르츠파대역에서 특히 크다고 할 수 있다.

현재까지 테라파헤르츠 대역에서 다양한 메타물질 소 자들이 제안되고 검증되었다. 검출기 등으로 전환이 가 능한 완전 흡수체(perfect absorber), 렌즈, 메모리, 능 동형 변조기등이 그것이다. 이 글에서는 그 동안 발표된 대표적 테라헤르츠파 메타물질 소자들에 대해 살펴보고, 그 발전 가능성에 대해 알아보도록 하겠다.

1. 테라헤르츠 메타물질 수동 광학 소자 1.1 테라헤르츠 GRIN 렌즈

빛의 경로를 조절하는 광학소자의 가장 기본적인 형태 중 하나는 렌즈이다. 테라헤르츠파를조절하는데 있어서 도 렌즈는 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 렌즈를 제작 하는경우에도 메타물질의 개념을 도입할 수 있다. 메타 물질을 이용하는 경우음굴절률을 가진 메타물질[1] 로부 터 자연계에서 찾아볼 수 없는 매우 높은 고굴절률 메타 물질[2] 까지 만들 수 있음이 잘 알려져 있다. 메타물질 단

특집 1 ■ 메타물질

테라헤르츠 메타물질 광학 소자

민범기*

(2)

위원자의 구조적 변수들을 조정하면 다 양한 굴절률 값을 얻을 수 있는데, GRIN 렌즈를 제작하기 위해 필요한 굴 절률의 분포를 메타원자의 조절 가능한 굴절률을 이용하여 실제적으로 구현할 수 있다. 이 방법으로 Oliver 등은 메타 물질 GRIN렌즈를 제작하여 테라헤르 츠 파의 경로를 조절하였으며 이로부터 파장보다 작은 분해능 또한 가능함을 보였다.[3] 이들이 구현한 GRIN렌즈는

금속판에 링 형태로 구멍이 뚫린 메타원자들의 배열로 만들어졌으며, 메타원자 ‘링’의 지름의 크기가 달라지면 다른 굴절률을 가지게 되는 것을 이용하였다(그림 1).

1.2 테라헤르츠파 메타물질 흡수체

전자기파 흡수체는 전자기파가 가지고 있는 에너지의 대부분을 흡수하고반사와 투과의 양을 최소화할 수 있는 소자를 의미한다. 전자기파 흡수체는 마이크로파 대역에 서는 군사적 목적으로 레이더를 회피하기 위한 기술로 많은 관심을 받아 활발하게 개발되어 왔으며, 이외에도 광 검출기(detector)나 각종 센서로써 활용 가능성으로 인하여 계속 연구되고 있다. 메타물질 흡수체의 가장 기 본적인 원리는메타물질의 임피던스를 공기의 임피던스 와 맞추고, 메타물질 굴절률의 허수부를되도록 크게 만 들어 반사를 최소로 줄이고 최대한의 흡수가 일어나게 만드는 것이다.

메타물질 흡수체 연구의 경우 마이크로파 대역의 소자 연구가 주도적으로 진행되고 있으나, 최근들어 테라헤르 츠파 대역의메타물질 흡수체 연구도 활발히 진행되고 있

다. Tao 등은 그림 2에서와 같이 서로 다른 금속 메타원 자의 조합으로 구성된 흡수가 거의 98%에 이르는 완전 흡수체iv를 테라헤르츠파 대역에서는 최초로 보고하였다.

이 메타물질은 메타원자의 디자인과 각 층간이 간격을 조 정하여 전체 메타물질의 유효유전율과 유효투자율을 최 적화시켰다. 즉, 반사가 일어나지 않는 주파수에서 흡수 또한 크게 만들어서 반사도, 투과도 거의 일어나지 않는 완전 흡수체를 실제로 구현하였다(그림 2, 우측 그래프).

현재까지 주로 개발된 메타물질 흡수체들은 공진이 일 어나는 주파수 부근의 좁은 주파수 대역에서만 흡수가 되는 한계를 지니고 있었다. 이를 보완하기 위해 흡수체 를 좀 더 광대역에서, 그리고 광각에서 사용이 가능하도 록 하는 여러 노력들이 진행되고 있다. Wen 등은 메타물 질의 공진을 두 개 이상의 주파수에서 갖도록 설계하여 다주파흡수체(multiple band absorber)를 구현하였다v. Landy 등은 입사 전자기파 편광의 방향이 변하여도 흡 수는 일정하게 유지가 되도록 두 층으로 구성된 십자 모 양의 메타물질을 만들었으며[4], Iwaszczuk 등은 쉽게 스 텔스 기술 등에 적용이 가능하도록 유연한 디자인의 메 타물질vii도 최근 발표하였다.

그림 1. (a) 메타물질 GRIN렌즈의 메타원자, (b) 메타물질 GRIN렌즈 설계, (c) 초점부근에서 전기장 분포

그림 2. (a) 메타물질 흡수체설계와 실제 제작된 메타물질의 샘플, (b) 메타물질의 반사(녹색선), 투과(적색선)와 흡수(청색선)의 그래프, 1,125THz에서 98%의 흡수를 기록하였다.

(a) (b)

(3)

테라헤르츠 메타물질 광학 소자 특집 1 ■ 메타물질

2. 테라헤르츠 메타물질 능동 광학 소자

메타물질이 형성되는 기판 (특히 반도체의 경우)은 단 순히 기계적인 지지뿐만 아니라 외부의 전자기파에 대한 메타물질의 응답 특성에도 영향을 주게 된다. 특히 복소 수로 표현되는 기판의 유전율(ε(ω)=εs1+iεs2)에서 실수부 의 변화는 메타물질의 공진 주파수에 영향을 미치며, 전 기 전도도와 관련된 허수부의 변화는 공진 진폭을 조절 하는 중요한 요소이다. 기판의 유전율은기판 내부의 전 하 농도를 조절함으로써 쉽게 제어가 가능하며, 최근 광 학적 펌핑또는 전압의 인가를 통한 능동형 메타물질들이 활발히 연구되고 있다.

2.1 광학적 제어 능동 메타물질

Padilla는 갈륨비소 (GaAs)반도체 기 판 위에 금속으로끊어진 고리형 공진기 (split-ring resonators)를 제작하고 광 학적 펌핑을이용하여 그 공진특성을 능 동적으로 조절하였다 (그림 4)[8]. 공진 특성의 광학적 능동 제어는 근적외선 펨토초 레이저 펄스를 메타물질에 입사

함으로써주로 구현되고 있다. 광학적 펌핑을 하는 경우, 반도체 기판에서 전 자와 정공의 생성에 따라 반도체 기판 의 전기 전도도가 증가하게 되며 이로 인하여 메타물질의 광학적 손실이 주로 변하게 된다.

특히, 끊어진 고리형 공진기의 전자기 적 응답은 금속이 끊어진 간극 사이에 걸 리는 강한 전기장에 의해서 지배되는데, 광학적펌핑에 의하여 생성된 전하들은전 기 전도도를 증가시켜 끊어진 고리형 공 진기의 공진 특성을 약화시키게 된다. 그 결과 그림 4에서와 같이 광학적펌핑파워 에 따라 공진 특성이 완화되고 투과도가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 유 효 유전율의 감소로 인해 공진 주파수가 조금씩 증가함을 알 수 있다.

2.2 전기적 제어 능동 메타물질

반도체 기판을 사용하는 전기적 제어 능동 메타물질에 대한 연구 또한 광학적 제어 능동 메타물질 연구와 더불 어 활발하게 진행되고 있다. 아래의 그림 5은 도핑된 GaAs 기판 위에 사각 개방 루프 공진기로구성된 대표적 인 전압 제어 메타물질이다[9]. 메타물질을 구성하는 금속 은 도핑된GaAs기판과 Schottky접합을 형성하게 된 다.바이어스 전압이 인가되는 경우, 능동적으로 공핍 영 역을 조절하는 것이 가능하며 이를 통하여 메타물질 공 진특성의 조절이 가능하게 된다.

그림 3. (a) 메타물질 무반사코팅의 설계도와 (b) 반사/투과 그래프

(a) (b)

그림 4. 광 펌핑 에너지에 따른 (좌) 테라헤르츠파의 투과도 및 (우) 유효 굴절률

그림 5. 능동형테라헤르츠 메타물질 소자의 실험 설계. (a) 사각 개방 루프 공진기의 구조 및 (b) 등가회로 모델, (c) 능동형 메타물질의 구조 및 (d) 단면도, (e) 테라헤르츠파 투과 특성 실험 방법

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(4)

그림 6에서는 인가된 역방향 바이어스 전압에 따른 테 라헤르츠파의 투과도 및 메타물질의 유효 유전율을 보여 주고 있다. 전압이 인가되지 않은 경우(0V)에는 기판을 통한 누설 전류로 인해 공진 주파수에서의 투과도가 낮음 을 알 수 있다. 반면에 역박향 바이어스 전압을 인가할 경 우 공핍 영역이 넓어져 메타물질과 전도성 기판을 전기적 으로 격리시킬 수 있으며, 따라서 공진 주파수에서의 투 과 특성이 회복됨을 알 수 있다. 또한 공진 주파수 부근에 서 유효 유전율이 양의 값에서 음의 값으로 변하는 특성

기 때문에 인가할 수 있는 전압이 낮다. 이러한 단점을 해결하기 위해 Chen은 그림 7과 같이 사각 루프의 네 꼭 지에 간극을 형성하였으며, 도핑된GaAs층과 옴 접촉을 형성함으로써 간극 부근에서의 전자의 공핍층을 최대화 할 수 있었다[5].

그 결과 그림 8(a)에서와 같이 0.81THz 에서 전압의 변화에 따라 55%의 큰 투과도 변화를 보임을 실증하였 다. 이는 처음에 제시된 전기적 제어 메타물질에 비해 약 80%정도 큰 투과도 변화를 갖는 것일 뿐만 아니라 0.89THz 에서는 전압의 변화에 따라 투과도의 변화가 적은 반면, 위상이 0.56 라디안만큼 변화하는 것을 확인 하였다 (그림 8(b)).

2.3 메모리 메타물질

광학적, 전기적 혹은 열적인 외부 변수에 대하여 이력 현상(hysteresis)을 보이는 물질과 결합된메모리 메타물 질에 대한 연구가 최근 메타물질의 한 분야로 새로이 각 광받고 있다. 메타물질에 적용 가능한 이력현상을 가지 는 대표적 물질로는 이산화바나듐(VO2)이 있으며, 이 물 질은 열적, 전기적, 광학적 방법을 통해 금속-절연체상전이를 보이기 때문에이 러한 변수에 좌우되는 메모리 특성을 보인다[6]. Driscoll은 90nm로 매우 얇 은 이산화바나듐막 위에 끊어진 고리형 공진기를 결합시킨 메모리 메타물질을 제안하였다 (그림 9). 이산화바나듐의 경우 온도가 증가할수록 상전이에 의해 서 유전율이 증가하게 되며, 따라서 메 타물질의 공진 주파수가 낮아짐을 확인 할 수 있다. 본 논문에서는 온도에 따른 직류 저항의 변화가 큰 338.6K에서 메 타물질의 메모리 소자로의 응용 가능성 을 보여주고 있다.

그림 6. 게이트 전압 바이어스에 따른 능동형테라헤르츠 메타물질 소자의 스위칭 특성 (b)

그림 8. 능동형테라헤르츠 메타물질 소자의 (a) 투과도와 (b) 위상 및 (c) 게이트 전압 바이어스에 따른 스위칭 특성

(a) (b)

그림 7. 능동형테라헤르츠 메타물질 구조

(a) (b)

(5)

테라헤르츠 메타물질 광학 소자 특집 1 ■ 메타물질

3. 그래핀을 이용한 테라헤르츠메타물질 소자

테라헤르츠 주파수 영역에서 능동 메타물질의 구현을 위해 최근 그래핀이 많이 연구되고 있다. 이러한 그래핀 메타물질 혹은 그래핀플라즈모닉스에 관한 최초의 실험 적 연구는 미국 버클리대학의 Wang 교수에 의하여 진행 되었다. Wang 교수팀은 대면적 그래핀을 주기적인 선 (마이크로 리본)으로패터닝하여테라헤르츠에서 작동하 는 그래핀의플라즈몬 현상을 상온에서 관찰 하였다[7].

그림 10은 게이트 전압을 인가할 수 있는 그래핀 마이 크로 리본 소자의 그림과 테라헤르츠 영역에서 관찰된 플라즈몬 공진현상을 보여준다. 포토리소그래피를 이용 하여 그래핀 마이크로 리본을 패터닝하였고, 효과적으로 게이트 전압을 인가하기 위해서 이온젤을 사용하였다.

그래핀에서 패터닝 효과에 의해서 플라즈몬 공진이 발생 한다는 것을 증명하기 위하여 테라헤르츠파의 편광방향 을 각각 리본 방향과 수직/수평으로 하여 투과특성을 측 정하였다. 그 결과, 편광 방향이 그래핀 리본과 수평일

때와는 달리 수직일 때만 플라즈몬 공 진이 관측되었다. 이는 그래핀에서 2차 원적으로 자유롭게 움직이는 전하 운반 자들이 패터닝에 의해서 그 자율성이 1 차원에 국한되어 생기는 현상이며, 그 주장을 뒷받침하기 위하여 그래핀 리본 의 너비에 따라 플라즈몬 공진주파수가 이동하는 것을 실험적으로 관측하였다.

그림 11에서와 같이 그래핀 마이크로 리본에서 관찰된 플라즈몬 공진 특성은 게이트 전압을 인가함으로써 능동적으 로 조절 할 수 있다. 이를 이용하면 테 라헤르츠파를 능동적으로 변조할 수 시 스템에 응용할 수 있을 뿐더러 공진을 이용한 민감한 센서의 제작에도 도움이 될 것으로 예상된다. 또 한가지 특이할 만한 점은 일반적으로 2차원 전자/정공 시스템이 저온에서만 플라즈몬 현상이 관측되는 것에 비해 그래핀은전하의 유 효 질량이 없기 때문에 상온에서도 관 측 가능하다는 것이다.그래핀을패터닝 하여플라즈몬 공진 현상을 상온에서 관 측할 수 있다는 것은 그래핀을 금속과 같이 메타물질의 인공원자로 사용할 수 있다는 것을 시사하며 더 나아가 외부 게이트에 의해서 튜닝 가능한 메타물질의 구조체로 적용 가능함으로 능동형 소자 및 메타물질 시스템에 적 용될 수 있을 것으로 기대된다.

그림 9. (a) 메모리 메타물질의 구조, (b) 온도 변화에 따른 메타물질의 직렬 저항 및 공진 주파수 특성 및 (c) 투과도 변화

(a) (b) (c)

그림 10. 그래핀 마이크로 리본에서 관찰된 플라즈몬 공진현상 (a)

(e) (f)

(b) (c) (d)

그림 11. 게이트 전압에 따른 플라즈몬 공진의 이동

(6)

high refractive index”, Nature 2011

[3] Paul Oliver et al. “ Gradient index metamaterial based on slot elements”, Applied Physics Letter 2010

[4] Tao Hu et al.“A metamaterial absorber for the terahertz regime: Design, fabrication and characterization”, Optics Express 2008

[5] Wen Qi-Ye et al., “Dual band terahertz metamaterial absorber: Design, fabrication, and characterization”, Applied Physics Letter 2009

[6] Landy N. I. et al. “Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging”, Physical Review B 2009

[7] Iwaszczuk et al.,“Flexible metamaterial absorbers for stealth applications at terahertz frequencies”, Optics Express 2012 [8] Padilla, W. J.et al., “Dynamical Electric and Magnetic

Metamaterial Response at Terahertz Frequencies”, Physical Review Letters2006

[9] Chen, H.-T.et al., “Active terahertz metamaterial devices”, Nature 2006

[10] Chen, H. et al., “A metamaterial solid-state terahertz phase modulator”, Nature photonics 2009

[11] Driscoll et al., “Memory metamaterials”, Science 2009 [12] Ju, L. et al., “Graphene plasmonics for tunable terahertz

metamaterials” Nature nanotechnology 2011

•2007년 7월-2008년 12월

University of California, Berkeley, 박사후 연구원

•2006년 7월-2007년 6월

California Institute of Technology, 박사후 연구원

•2006년 6월

California Institute of Technology, 응용물리학 박사

•2001년 2월

서울대학교 전기공학부, 공학석사

•1999년 2월

서울대학교 전기공학부, 공학사.

수치

그림 6에서는 인가된 역방향 바이어스 전압에 따른 테 라헤르츠파의 투과도 및 메타물질의 유효 유전율을 보여 주고 있다. 전압이 인가되지 않은 경우(0V)에는 기판을  통한 누설 전류로 인해 공진 주파수에서의 투과도가 낮음 을 알 수 있다

참조

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