KR102239427B1 - 메타물질로 만든 구성요소를 포함하는 광학 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는 원 편광 스플리터, 제1 편광기 및 제2 편광기를 포함하는 광학 다이오드를 개시한다. 원 편광 스플리터는 적어도 부분적으로 비편광된 광을 수신하고 제1 광경로를 따라 우측 원 편광된 광 및 제2 광 경로를 따라 좌측 원 편광된 광을 출력하도록 배치된다. 제1 원 편광기는 제1 광 경로에 배치되었고, 우측 원 편광된 광을 투과하고 좌측 원 편광된 광을 반사한다. 제2 원 편광기는 제2 광 경로에 배치되었고, 좌측 원 편광된 광을 투과하고 우측 원 편광된 광을 반사한다.

Description

메타물질로 만든 구성요소를 포함하는 광학 다이오드{Optical Diode Comprising Components Made from Metamaterials}
본 개시는 광학 다이오드(Optical Diode)와 광전지 소자(Photovoltaic Device)에 관한 것이다. 또한 메타물질(Metamateiral)에 관한 것이고 더욱 상세하게는 광 메타물질에 관한 것이다. 본 개시는 액정에 관한 것이고 더욱 상세하게는 콜레스테릭 액정(CLC: Cholesteric Liquid Crystal)에 관한 것이다. 실시예들은 원 편광 원형 편파 스플리터에 관한 것이다. 실시예들은 광전지 소자의 효율을 증가시키기 위한 메타물질의 성분 또는 층, 또는 메타물질층의 조합에 관한 것이다.
전 세계의 광전지(PV: Photovoltaic) 에너지 발전 용량은 2007년과 2010년 사이에 5배 성장하여 유럽에서 사용할 수 용량의 75%인 35 Gigawatts에 이른다. 대부분의 PV 기술은 액정 실리콘(Crystalline Silicon) 웨이퍼에 기반을 두고 있는 한편, 유기 PV는 먼 장래의 옵션으로 여겨진다. 실리콘은 태양광 대부분의 가시광 영역(350-600 nanometers)에서는 흡수 효율이 우수하지만, 600-1100 nm에서는 흡수율이 낮다. 이런 낮은 흡수율을 보상하기 위하여 모든 광전지 셀의 실리콘 웨이퍼의 두께는 200-300 nm로 하는데, 이는 일반적으로 "광학적으로 두꺼운(Optically Thick)" 흡수제로 언급된다. 피라미드 표면 질감은 광범위한 각도에 걸쳐서 입사광을 산란하기 위하여 전형적으로 사용되고, 이는 광전지(Light Cell)의 유효 경로 길이를 증가시킨다.
그러나 이러한 방법들은 더 많은 재료와 공정이 요구되어 광전지 셀의 비용에 매우 심각한 영향을 준다. 뿐만 아니라 두꺼운 태양광 전지의 포토캐리어(Photocarrier) 확산 길이는 비교적 짧기 때문에, 반도체 접합부에서 떨어진 곳에서 발생하는 전하 캐리어(Charge Carrier)는 유효하게 수집되지 못한다. 이 때문에 PV 기술이 에너지 발전에서 전통적 화석 연료 기술을 대체하는 것을 막아 왔다. PV 셀의 비용을 적어도 반으로 감소시키는 기술적 발전이라면 산업분야에서 대단한 혁명이 될 수 있다. 이런 발전은 광전지의 흡수 효율을 향상시킴으로써 이루어지고, 포토 캐리어 전류 수집과 함께 거의 완벽한 광 흡수가 이루어진다.
플라즈몬(Plasmonics)을 이용하는 기술이 효율을 향상시키기 위하여 연구되어 왔고, 두께가 1-2 micrometers(μm)인 박막형(Thin-film) 태양광 전지의 개발에 목표를 두었다. 예를 들어 직경이 20-100 nm인 금속 나노 입자를 반도체 소재에 도핑함으로써, 이들 입자들이 서브 파장 산란 요소(Subwavelength Scattering Element) 또는 입사 태양 복사(Incident Solar Radiation)를 위한 근접장(Near-field) 커플러(Coupler)로서 작용하여 유효 산란 단면(Effective Scattering Cross Section)을 증가시킨다.
다른 방법은, 입사 태양광 복사를 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPPs: Surface Plasmon Polaritons)에 커플링하는 것과 관련되는데, 이는 도체와 유전체의 경계를 따라 이동하는 전자기파이다. 이러한 SPP 커플링은 예컨대 태양광 전지의 금속 후면을 주름지게 함으로써 이루어진다. 이 모든 경우에도, 중요한 난점 중 하나는 반도체 재료에서의 흡수가 금속에서의 플라즈몬 손실(Plasmon Loss)보다 커야 하는 것이다. 그러나 이런 손실은 800 nm 이상의 태양광 파장에서는 심각하게 된다.
약 손실성 물질의 흡수 효율의 향상은 이중의 장점이 있음이 강조되어야 한다. 적은 양의 흡수 물질이 사용될 수 있고 열등한 품질일 수 있어서 두 가지 경우에 소자의 전체 비용을 줄일 수 있는 요인이 된다.
본 개시의 실시예는 이러한 문제들을 해결하기 위한 메타물질 및 메타물질에 기반을 둔 구조에 관한 것이다.
메타물질은 인공적으로 만들어진 물질로 자연적으로는 발생하지 않는 전자기적 특성 즉, 음의 굴절율 계수(Index of Refraction) 및 전자기 은폐(Electromagnetic Cloaking)와 같은 특성을 얻을 수 있다. 메타물질의 이론적인 특성들은 1960년대에 최초로 소개되었지만, 과거 15년간 이러한 물질의 설계, 엔지니어링 및 공정에서 심대한 발전이 있었다. 메타물질은 일반적으로 다수의 단위 셀을 포함하는데, 단위 셀 즉, 다수의 개별 요소들(때때로 "메타 원자"라고 불린다)각각은 동작하는 파장보다 작은 크기를 가진다. 이 단위 셀은 금속과 유전체와 같은 기존의 물질로부터 현미경적 공정으로 만들어진다. 그러나, 이것의 정확한 모양, 형상, 크기, 방향 및 배열에 따라서 통상적이지 않은 방식으로 빛에 영향을 줄 수 있는데, 공진을 유발하거나 거시적으로 비정상적인 유전율과 투자율을 만들기도 한다.
메타물질의 응용가능한 예는 부의(Negative) 인덱스 메타물질, 키랄(Chiral) 메타물질, 플라즈몬(Plasmonic) 메타물질 및 광자(Photonic) 메타물질 등이 있다. 본연의 서브파장(Subwavelength) 성질로 인하여 메타물질은 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 단위 셀은 전형적으로 수 밀리미터(mm: milimeter) 크기를 갖는 반면에, 스펙트럼의 가시광 부분에서 동작하는 메타물질의 단위 셀의 크기는 전형적으로 수 나노(nm: nanometer)이다. 일부 메타물질은 본질적으로 공진 특성을 가져서 좁은 주파수 범위에서 강하게 광을 흡수할 수 있다.
기존 물질의 자기 투자율(Magnetic Permeability)이나 전기 유전율(Electric Permittivity)의 전자기적 파라메타들은 이들을 통과하는 전자기파(Electromagnetic Wave)에 대하여 통과하는 물질을 이루는 원자나 분자가 반응하는 것으로부터 발생한다. 메타물질의 경우에 이러한 전자기적 특성은 원자나 분자 수준에 의하여 결정되지 않는다. 대신에 이 특성들은 메타물질을 구성하는 더 작은 물체(Object의 집합의 구조나 선택에 의하여 결정된다. 물체의 집합이나 그 구조는 기존의 물체처럼 원자 레벨에서는 "보이지(Look)" 않지만, 메타물체는 그럼에도 불구하고 전자기파가 기존의 물질을 통과하도록 설계될 수 있다. 게다가 메타물질의 특성들은 이처럼 작은 나노단위(Nanoscale)의 물체의 조성이나 구조로 결정될 수 있기 때문에, 메타물질의 유전율이나 투자율 같은 전자기적 특성은 매우 작은 규모로 정확하게 조정할 수 있다.
한 특별한 메타물질의 서브 필드(Sub-field)는 플라즈모닉 재료인데, 이는 광 주파수에서 금속 표면의 전기적 전하의 진동을 보조한다. 예를 들어, 이러한 공진이 나타나는 은이나 금과 같은 금속은 이러한 진동을 보이는데, 그 결과 이 주파수 대역에서 부의 유전율을 갖는다. 이러한 성질은 나노미터 스케일 해상도(Nanometer-scale Resolution) 현미경, 나노렌즈(Nanolenses), 나노안테나(Nanoantennas) 및 클로킹 코팅(Cloaking Coating) 등의 새로운 장치를 만들어내는 데 이용될 수 있다.
본 개시의 다양한 측면들은 첨부된 독립항들에 정의되어 있다.
이 개시는 원 편광(Circular Polarization)으로 얻을 수 있는 효과를 이용한 광학 다이오드(Optical Diode)의 구체적인 설계에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 메타물질(Metamateiral) 및 액정에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 콜레스테릭 액정(CLC: Cholesteric Liquid Crystal)에 관한 것이다. 특히, 본 개시의 실시예는 광전지 소자와 같은 기존의 장치에 효율을 증가시키기 위하여 층으로 형성하거나 기존의 장치에 용이하게 집합할 수 기술에 관한 것이다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 광학 다이오드(Optical Diode)에 있어서, 비편광된 광(Unpolarized Light)과 제1 광 경로를 따라 우측 원 편광된 광(Right-handed Circular Light) 및 제2 광 경로를 따라 좌측 원 편광된 광(Left-handed Circular Light)을 출력하도록 배열된 원 편광 스플리터(Circular Polarized Splitter); 우측 원 편광된 광을 투과하고 좌측 원 편광된 광을 반사하는 것을 특징으로 하는 제1 광 경로에 배치된 제1 원 편광기; 및 좌측 원 편광된 광을 투과하고 우측 원 편광된 광을 반사하는 것을 특징으로 하는 제2 광 경로에 배티된 제2 원 편광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드를 제공한다.
본 실시에의 다른 측면에 의하면, 광전지 소자에 있어서, 제1 항 내지 제25 항 중 어느 하나의 광 다이오드; 제1 및 제2 광 경로 상에서 광을 수신하도록 배열된 광전지 물질; 및 흡수 요소에 의해 전송된 광과 다시 상기 광을 상기 광학 다이오드를 향하도록 배열하는 반사요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 소자를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 원 편광으로 얻어지는 효과를 이용한 광학 다이오드의 설계에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 실시예는 메타물질과 액정에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 콜레스테릭 액정에 관한 것이다. 주목할 것은, 본 실시예는 레이어들(Layers)로 구성될 수 있거나 태양전지 소자와 같은 기존의 소자들의 성능을 향상하기 위하여 용이하게 결합할 수 있다.
본 개시의 실시예들은 다음의 도면을 참고하여 설명될 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 광학 다이오드와 태양전지 소자의 레이아웃(Layout) 회로를 도시한다.
도 2는 본 실시예에 따른 광학 다이오드를 포함하는 평면 태양전지 소자의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 실시예에 따른 우측 원 편광된 광이 입사될 때 평면 태양전지의 소자에서의 필드 분포 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 4는 본 개시에 따라 도 2의 시뮬레이션된 구조의 광학 다이오드 적용된 경우와 적용되지 않은 경우의 전력소비의 비교를 도시한다.
도 5는 본 실시예에 따른 실린더 구조의 광전지 소자를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 참조한다.
본 개시의 실시예들은 따른 광 방사로 얻어지는 효과에 관한 것이다. "광(Optical)" 및 "빛(Light)"이라는 용어는 여기에서는 가시광, 근- 및 중-적외선 파장을 일컫기 위하여 사용되었다. 즉, 전자기적 방사(Electromagnetic Radiation)는 350 nm에서 8μm 범위이다.
본 실시예들은 또한 광전지 소자에 관한 것이다. 그러나 본 개시에 따른 광학 다이오드는 빛이 인가될 때 일방 굴절 및 일방 투과가 유리한 경우 전체 응용 범위에 적합하다고 하는 다음의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다.
본 실시예들은 메타물질 또는 액정에 관한 것이다. 그러나 본 개시에 따른 광학 다이오드는 비-메타물질(Non-Metamaterial) 또는 상용으로 사용되고 있는 기능이 설명된 액정의 편광기와 편광 빔 스플리터와 액정 소자에 대한 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예는 일방 원 편광(Circular Polarisation)은 투과하고 반대편 원 편광은 반사하는 광학 다이오드를 제공한다. 즉, 광학 다이오드는 일방 원 편광을 투과하고 다른 원 편광은 반사한다. 본 실시예는 원 편광된 빛이 반사되는 경우 편광 반전 (Polarization Reversal)되는 현상을 이용한 것이다. 즉, 예를 들면, 우측 방향의 원 편광된 빛은 반사에 의해 좌측 방향의 원 편광된 빛으로 된다. 본 실시예의 장점은 빛의 비전환 전송을 허용하는 메타물질 구조를 이용함으로써 태양전지 물질에서 빛의 흡수를 증대시킬 수 있는 것이다. 본 실시예의 추가적인 장점은 이러한 메타물질의 구조가 콜레스테릭 액정(CLSs: Cholesteric Liquid Crystals)으로 형성된다는 것이다.
콜레스테릭 액정은 공간 상의 특정 방향을 따라서 나선형 및 주기적 구조를 형성하는 액정 분자들로 구성된다. 콜레스테릭 액정 나선의 피치(Pitch)는 원 편광되어 수백 nm 단위의 특정 주파수 영역에서 이것의 축을 따라 전파하는 빛을 반사하기 위하여 조정될 수 있다. 콜레스테릭 액정의 이와 같은 흥미로운 특징은 조정가능한 광학 다이오드를 만드는 데 이용될 수 있다. 본 발명자들은 의미 있는 진전를 위하여 이 개념을 이용하였다.
도 1은 본 개시에 따른 광학 다이오드를 포함하는 장치를 도시한다.
보다 구체적으로, 도 1은 공통의 광축에 대하여 다음과 같은 성분의 순서 있는 배열을 도시한다: 반사 방지막(Antireflection Coating: 101); 본 개시에 따른 광학 다이오드(103); 및 광전지 소자(105)를 포함한다. 광학 다이오드(103)는 반사 방지막(101)과 정렬된 입력을 갖는 원 편광 스플리터(107)를 포함한다. 광학 다이오드(103)는 원 편광 스플리터(107)의 제1 출력과 정렬된 우측 원 편광기(109)와 원 편광 스플리터(107)의 제2 출력과 정렬된 좌측 원 편광기(111)를 포함한다. 광전지 소자(105)는 우측 원 편광기(109)의 출력과 좌측 원 편광기(111)의 풀력과 정렬된 광전지 또는 흡수 재료(Absorbing Material: 113)를 포함한다. 태양 전지는 광전지 물질(113)의 출력과 정렬된 반사기(115)를 더 포함한다. 반사기(115)는 빛의 모든 편광을 반사한다.
동작에 있어서, 반사 방지막(101)은 예를 들어 태양광과 같은 편광되지 않은 제1 광(151)을 수용하도록 마련된다. 반사 방지막(101)은 제2 광(153)을 출력한다.
광학 다이오드(103)는 하나의 입력과 두 개의 출력이 있다. 광학 다이오드(103)의 입력은 제2 광(153)을 수용하도록 위치된다. 보다 구체적으로, 광학 다이오드(103)의 원 편광 스플리터(107)는 제2 광(153)을 수신한다. 원 편광 스플리터(107)는 제2 광(153)을 공간적으로 우측 원 편광된(RCP: Right-handed Circular Polarised) 광(155)과 좌측 원 편광된(LCP: Left-handed Circular Polarised) 광(157)으로 분리한다. 보다 구체적으로, 원 편광 스플리터(107)는 제1 광 경로로 RCP 광(155)을 제2 광 경로로 LCP 광(157)을 출력한다.
RCP 광(155)은 우측 원 편광기(109)에 의해 수신된다. 우측 원 편광기(109)는 우측 원 편광된 광을 투과하고 좌측 원 편광된 광을 반사하도록 마련된다. 따라서 우측 원 편광기(109)는 광학 다이오드(103)의 제1 출력을 형성하는 제2 RCP 광(159)을 전송한다.
LCP 광(157)은 좌측 원 편광기(111)에 의해 수신된다. 좌측 원 편광기(111)는 좌측 원 편광된 광을 투과하고 우측 원 편광된 광을 반사하도록 마련된다. 따라서 좌측 원 편광기(111)는 광학 다이오드(103)의 제2 출력을 형성하는 제2 LCP 광(159)을 전송한다.
제2 RCP 광(159)과 제2 LCP 광(161)은 광전지 물질(113)에 의해 흡수되는데, 이는 광전지 소자(105)의 광활성 성분이다. 광전지 물질(113)에 의하여 흡수되지 않은 빛 즉, 제3 RCP 광(163)과 제3 LCP 광(165)은 반사기(115)에서 일차로 반사된다. 제1 반사된 빛은 광전지 물질(113)에 보내져서 두 번째 경로를 만들면서 재차 광전지 물질(113)에 흡수된다. 그러나 모든 광이 두 번째 경로에서 광전지 물질(113)에 흡수되지는 않는다. 이 경우에, 광은 광전지 물질(113)을 통과하여 다시 광학 다이오드(103)에 도달한다.
구성 요소들은 반사기(115)에 의해 반사되었지만(제1 반사) 제2 경로 후에도 광전지 물질(113)에 흡수되지 않은 어떠한 제2 RCP 광(159)도 우측 원 편광기(109)에 의해 수신되도록 광학적으로 정렬된다. 구성 요소들은 반사기(115)에 의해 반사되었지만 제2 경로 후에 광전지 물질(113)에 흡수되지 않은 어떠한 제2 LCP 광(161)도 좌측 원 편광기(111)에 의해 수신되도록 광학적으로 정렬된다.
주목할 것은, 원 편광된 광의 원 편광은 통상적인 반사에 의하여 반전된다. 따라서, 제3 RCP 광(163)은 제1 반사 후 좌측 편광된 광이 된다. 우측 원 편광기(109)는 좌측 원 편광된 광을 반사하기 때문에, 광전지 물질(113)을 통해 한번 더 통과하는 어떤 빛도 우측 원 편광기(109)에 반사된다(즉, 제2 반사를 거쳐). 따라서 RCP 광(159)의 일부는 광전지 물질(113)을 통하여 제3 경로를 만든다. 사실, RCP 광(159)의 일부가 실제로는 반사기(115)의 제3 반사 이후에 광전지 물질(113)을 통과하는 제4 경로를 만들 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.
이와 마찬가지로, 제3 LCP 광(165)은 제1 반사 후 우측 편광된 광이 된다. 좌측 원 편광기(111)는 우측 원 편광된 광을 반사하기 때문에, 광전지 물질(113)을 통해 한번 더 통과하는 어떤 광도 우측 좌측 원 편광기(111)에 반사된다(즉, 제2 반사를 거쳐). 따라서 LCP 광(161)의 일부는 광전지 물질(113)을 통하여 제3 경로를 만든다. 사실, LCP 광(161)의 일부가 실제로는 반사기(115)의 제3 반사 이후에 광전지 물질(113)을 통과하는 제4 경로를 만들 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.
따라서 다음을 포함하는 광학 다이오드가 제시된다: 적어도 부분적으로 편광되지 않은 광을 수신하고 제1 광 경로를 따른 우측 원 편광된 광과 제2 광 경로를 따른 좌측 원 편광된 광을 출력하도록 하는 원 편광 스플리터; 우측 원 편광된 광은 투과하고 좌측 원 편광된 광은 반사하는 제1 경로에 마련된 제1 원 편광기; 및 좌측 원 편광된 광을 투과하고 우측 원 편광된 광은 반사하는, 제2 경로에 마련된, 제2 원 편광기를 포함한다.
따라서 광학 다이오드는 광을, 그렇지 않으면 시스템 밖으로 나갈 것을 광전지 물질로 되돌리는 기능을 하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서 제1 광(151)의 더 많은 부분이 광전지 물질에 의하여 전류로 변환되어 전압이 된다. 이를 다르게 보면, 일부 광이 제3과 제4의 경로를 만들기 때문에 광전지 물질의 유효 경로는 증가된다. 따라서 광전지 소자의 효율이 증가될 수 있다.
정리하면, LCP 파는 장치의 입구에 입사된다. 예를 들어, 이 파는 600 nm의 파장에서 진행방향을 따라 전파될 수 있다. 좌측 원 편광된 광이 광학 다이오드를 통과한다고 가정하면, 이 파는 장치를 대부분 투과하고 같은 편광방향(즉, LCP 파)으로 출구에 나타날 것이다. 광학 다이오드 뒤의 광전지 물질의 흡수 강도에 따라 송신 전력의 일부는 흡수되고, 나머지 부분은 소자의 단부에 있는 반사기에 의해서 반사될 것이다. 반사기는 파의 편광 방향을 반전하여 반대 방향으로 전파하는 RCP 파를 만든다. 다시, 광학 다이오드로 전달될 때 반사파의 상당 부분은 광전지 물질에 의해 흡수될 것이다. 그러나 RCP 파는 광학 다이오드를 반사기로서 인식하며, 전력의 대부분은 다시 광전지 물질로 반사된다.
도 2는 본 실시예에 따른 광학 다이오드를 포함하는 평면 광전지 소자의 구성도를 도시한다. 광전지 소자에서 태양전지 재료(흡수 영역: 213)는 반사기(215)와 광학 다이오드 사이에 위치하는데, 메타물질, 예컨데 피치가 특정 파장의 범위를 차단하도록 조정된 콜레스테릭 액정 층으로 구성되어 있다.
이상의 설명으로부터, 반사 방지막은 선택적으로 채택할 수 있음이 이해될 수 있다. 또 다른 실시예에서 편광되지 않은 입사광은 광학 다이오드(103, 203)에 직접 입사된다.
본 실시예에서 편광기는 메타물질 또는 액정 구조 물질과 같은 물질을 포함하는데, 이는 통상의 반사와는 달리, 반사시 편광 방향이 반전하지 않는다. 이러한 실시예들에서, 시스템이 선형이고 패시브(Passive)인 경우, RCP 파는 인과 이유(Causality Reasons)로 광학 다이오드로부터 반사 후 다시 그 편광 방향을 유지한다. 이와 같은 2차 흡수 후에, 대부분의 잔여 에너지는 소자를 빠져나간다. 이로 인해 본 실시예에 따르면 광학 다이오드가 없이 자유 공간에 존재하는 소자에 비해서 흡수된 에너지를 증가시킨다.
한 실시예에서 편광기 및/또는 편광 스플리터는 메타물질로 형성된다. 즉, 본 실시예에서 원 편광 스플리터, 제1 원 편광기 및 제2 원 편광기 중 적어도 하나는 광학 메타물질을 포함한다. 여기서 광학 메타물질은 적어도 부분적으로 편광되지 않은 광의 파장보다 크지 않은 치수를 갖는 주기적 성분을 갖는다.
한 실시예에서 주기적 성분은 재질 요소들의 어레이를 포함한다. 다른 실시예에서 어레이는 2차원이다. 재질 요소 및/또는 재질 요소들의 간격의 크기는 경우에 따라서(Optionally) 서브파장(Sub-Wavelength)이다. 즉, 한 실시예에서 각 재질 요소는 적어도 부분적으로 편광되지 않은 광의 파장보다 크지 않은 제1 크기를 갖는다. 한 실시예에서 제1 크기는 1 nm에서 8 μm 사이이고, 경우에 따라서 1 nm에서 100 nm 사이에 있다. 한 실시예에서, 인접한 재질 소자 사이의 간격은 1 nm에서 8 μm 사이이고, 경우에 따라서 1 nm에서 100 nm 사이에 있다.
한 실시예에서 재질 요소는 호스트 매체(Host Medium)에 의해 지원된다. 예를 들어, 적어도 하나의 재질 요소는: 적어도 부분적으로 호스트 매체에 의해 둘러싸임; 호스트 매체의 표면상에 위치함; 및/또는 적어도 부분적으로 호스트 매체에 매립됨을 포함한다. 본 실시예에서, 호스트 매체는 실리콘 또는 이산화물과 같은 유전체 등이다.
한 실시예에서, 재질 요소는 플라즈모닉(즉, 플라즈모닉한 성질을 갖는것이다). 즉, 한 실시예에서, 재질 요소는 음의 유전율을 갖는 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 재질 요소는 적어도 부분적으로 편광되지 않은 광의 파장에서 공진하도록 한다.
한 실시예에서, 재질 요소는 선택적으로, 금, 은 및 알루미늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이다.
그러나, 통상의 기술자라면 다른 크기 및 물질이 본 실시예에서 개시된 효과를 제공하기 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 재질 요소는 광 주파수에서 플라즈모닉 물질일 수 있으며, 1-500 nm의 크기를 가질 수 있다. 인접한 재질 요소는 5-500 nm만큼 이격될 수 있다. 재질 요소 그룹은 타원체, 직육면체, 구, 평행 육면체 또는 이들의 조합일 수 있다.
실시예들에서, 대응하는 좌측 원 편광기는 동일한 재질 요소로 만들어지지만 회전되어 있다.
한 바람직한 실시예에서, 재질 요소는 광학적 효과를 제공하기 위하여 연장되거나 지향성을 가지거나, 또는 "피치(Pitched)"될 수 있다. 본 실시예에서, 소자는 재료의 액정 분자이다. 한 실시예에서, 메타물질은 각각 나선 형상으로 배향된 콜레스테릭 액정이나 세장형인(Elongate) 재질 요소의 배열을 포함한다. 즉, 세장형인 재질 요소는 입사광의 진행 축에 대하여 회전한다.
각 재질 요소의 지향 방향은 편광기의 편광 방향을 결정한다. 예를 들어, 동일한 재질 요소는 좌우 원 편광기를 형성하는데 사용될 수 있지만, 세장형인 요소의 회전 방향은 다를 것이다. 예를 들어, 재질 요소는 각각 좌측 나선 또는 우측 나선을 형성하도록 배열될 수 있다.
한 실시예에서, 광학 다이오드는 콜레스테릭 액정(CLCs: Cholesteric Liquid Crestals)을 포함한다. 한 실시예에서는 CLC는 피치 p1은 315 nm이고, 좌측 나선을 가지며, 1.8μm 두께(광의 진행 방향의 길이)를 갖는다. CLC는 1.50인 보통 굴절 계수(nlo)와 1.75인 특별 굴절 계수(nls)를 가진다. CLC 층들은 xy 평면에서의 광축(그들의 국지적 방향)을 갖는 것으로 가정될 수 있지만, 그 방향은 결정의 길이를 따른 그들의 위치에 따라 정해진다. 실험실 좌표계에서 단일축 로컬 텐서(Uniaxial Local Tensor)는 수학식 1과 같다.
Figure 112015097590280-pct00001
여기서 z0는 결정의 시작 에지의 위치이고,
Figure 112015097590280-pct00002
,
Figure 112015097590280-pct00003
및
Figure 112015097590280-pct00004
이다. 본 실시예에서, 광학 다이오드의 전체 두께(광의 진행 방향의 길이)는 1.8 μm이고 z축 도메인(광의 전파 방향)에 배열된다.
도 3은 본 실시예에 따른 우측 원으로 편광된 광이 입사될 때 평면 장치의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 보다 상세하게, 도 3은 본 개시에서, 광전지 물질(413)과 단일 반사 편광기(410)에서 필드의 분포를 보여준다. 입사파의 파장은 자유 공간에서 500 nm이고, 흡수 물질은 상대 유전율
Figure 112015097590280-pct00005
로(여기서 tanδ=0.001) 모델링된다. 원 편광기는 콜레스테릭 액정을 포함한다. 이러한 예에서 구조는 x 및 y 방향(진행 방향에 수직한)의 파장에 비해 매우 큰 것으로 가정한다. 시뮬레이션에서는 입사파의 시각화 향상을 위하여 공기 1 μm 길이 부분을 포함한다. 흡수층은 상대 유전율은
Figure 112015097590280-pct00006
와 같은 1 μm 두께의 물질이고, 여기서 손실 탄젠트(tanδ)는 다른 흡수 강도를 가지는 시뮬레이션 물질들에 따라서 변할 수 있다.
실시예들에서, 콜레스테릭 액정은 길이가 1 μm에서 1 mm 사이이고, 피치가 100 nm에서 8 μm 사이인 하이드로싸이프로필 셀룰로오스(Hydroxypropyl Cellulose) 또는 콜레스테릴 벤조에이트(Cholesteryl Benzoate)로 제조된다.
다른 실시예에서, 메타물질의 편광기는 콜레스테릭과 네마틱(Nematic) 액정의 혼합을 포함한다. 한 바람직한 실시예에서, 콜레스테릭은 70-90%(경우에 따라서 80%) 및 네마틱은 30-10%(경우에 따라서 20%)인 혼합물이다.
발명자들은 본 개시에 따른 광학 다이오드가 광학 다이오드가 없는 자유 공간에 존재하는 다바이스에 비해서 에너지흡수를 상당히 증가시킨다는 것을 발견했다. 일부 예시적인 결과는 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 매우 손실이 큰 물질을 제외하고, 광학 다이오드의 도입으로 흡수되는 에너지의 양을 두 배로 증가시키는 것을 알 수 있다. 이러한 방식은 광대역 및 기존의 광전지 소자에 이상적인데, 특히 반도체 광전지(Semiconductor Solar Cell)에서는 전자기 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)의 대부분에 걸쳐서 약한 흡수율을 보이기 때문이다.
다른 실시예들에서, 광학 다이오드는 메타물질로 된 복수의 층을 포함한다. 실시예들에서, 광학 다이오드는, 경우에 따라서, 다수의 상이한 물질을 포함하는 흡수체 또는 다수의 태양전지의 보다 복잡한 시스템에 적용된다. 이러한 경우에 본 개시에 따른 광학 다이오드는 기존 광전지 소자 바로 다음에 위치했을 때 흡수 효율을 향상시킨다.
한 실시예에서, 광학 다이오드는 콜레스테릭 액정들의 복수의 층들을 포함하는 메타물질을 포함한다. 바람직스럽게도, 광학 메타물질은 실질적으로 평면이다. 따라서, 계층화된 디바이스(Layered Device)를 형성할 수 있고, 층화 기법(Layering Technique)으로 제조될 수 있다. 더 바람직스러운 것은, 평면 광학 다이오드는 기존의 태양전지 장치와 용이하게 결합될 수 있다. 주목할 것은, 실시예들에서, 광학 다이오드는 패시브(Passive)이다. 즉, 광학 다이오드는 외부 전원이나 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
바람직한 실시예들에서, 제1 광 경로가 제2 광 경로와 실질적으로 평행하다는 것을 이해할 수 있다.
도 1의 실시예에서 두 개의 원 편광기가 포함된다. 그러나 통상의 기술자라면 광학 다이오드가 원 편광된 광의 효율을 높이는 데도 똑같이 적합하다는 것을 인식할 것이다. 즉, 실시예들에서, 광학 다이오드는 한 종류의 원 편광만을 위하여 동작한다.
따라서 다음을 포함하는 광학 다이오드가 제시된다: 적어도 부분적으로는 편광되지 않은 광을 수용하고 제1 광 경로를 따라서는 함께 우측 원 편광을, 제2 광 경로를 따라서는 좌측 원 편광을 출력하도록 배열된 원 편광 스플리터; 및 제1 경로상에 배치되며 한 방향으로 원 편광된 광은 투과하고 다른 방향으로는 원 편광된 광은 반사하는 원 편광기를 포함한다.
그러나, 도 1에 도시된 것과 같은 바람직한 실시예들에서, 입사 광의 편광에 무관하게 성능을 향상시키기 위해서는, 제2 광학 다이오드(그러나 제1 광경로에 비해 반전된 방향으로)는 기존 것(입사 광의 전파 방향에 횡 방향)의 옆에 배치해야 한다. 입사하는 비편광된 광은 다이오드에 도달하기 전에 사이클로이드 회절 파장판(CDW: Cycloidal Diffractive Waveplate)과 같은 장치를 사용하여 좌측 및 우측 원 편광으로 분리될 수 있다. 즉, 한 실시예에서는, 원 편광 스플리터는 사이클로이드 회절 파장판으로 구성된다. 그러나, 통상의 기술자라면 다른 원 편광 스플리터도 똑같이 적용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 콜레스테릭 액정으로 제조될 수 있는 이 디바이스는, 비편광된 광을 CDW 이후에 다른 위치들에 존재할 수도 있는 반대 방향의 원 편광된 두 개의 빔으로 분할할 수 있는 기능을 갖는다. 이러한 원리에 따르면, 편광 및 비편광된 광 모두에 대하여 흡수 효율을 향상시킨다.
실시예들에서, CDW는 분자의 광 진행 방향에 수직인 면을 따라 회전하는데, 다시 말해, 분자의 광축은 재료 소자 층의 평면에서 회전한다. 한 실시예에서, 분자는 아조벤젠(Azobenzene) 또는 신나메이트(Cinnamates) 등의 액정 재료의 타원형의 분자를 포함한다. 층의 두께는 일반적으로 10 nm에서 10 μm 사이인데, 이는 방향 패턴(Orientation Pattern)의 공간적 주기(Spatial Period)보다 보통 작다. 실시예들에서, CDW는 사진 광배향 기법(Photographic Photoalignment)과 같은 기술을 이용하여 제조된다.
본 개시에 따른 광학 다이오드는 광전지 소자에 용이하게 통합하거나 기존의 PV 장치에 사후적으로 채용될 수 있다. 따라서 다음을 포함하는 광전지 소자가 제공되어지는 것이 이해될 수 있다: 본 개시에 따른 광학 다이오드; 제1 및 제2 광 경로 상에서 광을 수신할 수 있도록 배치된 광전지 재료; 및 흡수 요소에 의해 투과된 광을 수신하고 이 광을 광학 다이오드를 향해 다시 보내기 위하여 배치된 반사요소.
본 개시에 따르면, 통상의 기술자라면 어떤 광전지 성분도 적합할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 한 실시예에서, 광전지 성분은 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소(Gallium Arsenide) 및 탄화 규소(Silicon Carbide)를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로 형성된다. 다른 실시예들에서, 광전지 성분은 카드뮴 텔루라이드(Cadmium Telluride) 또는 구리 인듐 갈륨 셀레나이드/황화물(Copper Indium Gallium Selenide/Sulphide)이다. 본 개시로부터, 다른 반도체들도 동등하게 적합할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 실린더 구조의 태양전지 소자를 도시한다.
도 5의 장치는 방위각 대칭(Azimuthal Symmetry)을 가지며, 도 2의 일차원 장치를 에지(반사경의 좌측 에지가 위치한 지점) 중심으로 360° 회전시킴으로써 형성될 수 있다. 내면 전파(Inward Propagating)로서 원 편광 원통파(Circularly Polarized Cylindrical Wave)는 장치의 표면에서 수직으로 지향될 수 있는데, 즉, 이는 입사면(Impinging Surface)에서 다음의 수학식 2와 같이 묘사된다.
Figure 112015097590280-pct00007
여기서
Figure 112015097590280-pct00008
는 장치의 외부면에 접하는 단위 벡터이고,
Figure 112015097590280-pct00009
는 xy 평면과 수직이고 페이지에서 나오는 방향이다.
이 경우에 결정 디렉터(Crystal Director)는 실험실 프레임의 θ면에 위치해 있다. 각 CLC 층의 유전체 텐서(Dielectric Tensor)는 두 번의 회전을 적용한 후 실험실 프레임에서 계산되어 진다. 첫 번째 회전은 각도
Figure 112015097590280-pct00010
만큼 다이오드의 반경 길이를 따른 회전이다. 각 다이오드의 길이는 이제 z 방향 대신에 r 방향으로 측정되어 진다. 두 번째 회전은 각도
Figure 112015097590280-pct00011
만큼 xy 평면에서 발생한다. 따라서, CLC 층에 대한 유전율 텐서는 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure 112015097590280-pct00012
반대 편광을 갖는 파들을 흡수하도록 z 방향을 따라 임의로 연장되거나, 또는 이와 유사한 장치를 다이오드와 편광기에 대해서 서로 반대의 방향으로 설정할 수 있다. 적절한 원 편광 스플리터(도 1에 나타낸 바와 같이)와 결합된 이와 같은 다이오드 쌍은 모든 입사 편광을 흡수할 수 있다.
이는 한 실시예에 따르면, 반사 요소는 원통형이고, 광전지 요소와 광학 다이오드는 반사 요소의 주위에 원통형의 층으로 배열되어 있다는 것이 이해될 수 있다.
한 실시예에서, 광전지 소자는 태양 전지이다.
본 개시에 따른 광학 다이오드, 메타물질 및/또는 액정은, 전자 빔 리소그래피(Electron Beam Lithography), 집속 이온 빔 리소그래피(Focused Ion Beam Lithography), 리프트 오프 프로세서(Lift-off Process) 또는 여타의 리소그래피 기법(Lithographic Technique)에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기법들은 서브 파장 파라미터 및 본 명세서에 개시된 특성을 갖는 요소들을 형성하는 데 이용될 수 있다.
실시예들은 원 편광기 및 편광 빔 스플리터를 포함하는 원 편광에 관련되지만, 이는 동등하게 타원형 방사에도 적용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 마찬가지로, 본 개시에서, 메타물질은, 정의된 바와 같이, 타원형, 직선 편광 또는 편광 빔 스플리터링(Splittering)을 제공하도록 동일하게 적용 가능하다. 즉, 한 실시예에서, 다음을 포함하는 광학 다이오드가 제시된다: 적어도 부분적으로 비편광된 광을 수신하고 제1 광 경로를 따른 제1 편광 및 제2 광 경로를 따른 제2 편광을 수용하도록 배열된 편광 스플리터; 및 제1 편광된 광은 투과하고 제2 편광된 광은 반사하도록 배치되고, 메타물질인 제1 편광기.
바람직하게도, 본 실시예들에 따른 광학 다이오드 및 광전지 소자는 기존 유형의 태양전지 패널(Solar Panel) 또는 광전지 셀에 부가 소자로 사용될 수 있다. 특히, 태양전지 패널과 같은 기존의 광전지 소자에 이 시스템은 사후적으로 적용될 수 있다. 이 시스템은 패시브이다. 즉, 이 시스템은 외부 전원 또는 능동 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
다양한 양상들 및 실시예들이 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 발명의 개념에서 벗어나지 않고도 다양한 변형들이 만들어질 수 있다.
101: 반사 방지막 103: 광학 다이오드
105: 광전지 소자 107: 원 편광 스플리터
109: 우측 원 편광기 111: 좌측 원 편광기
113: 광전지 물질 115: 반사기
203: 광학 다이오드 213: 흡수 대역
215: 반사기 410: 단일 반사 편광기
413: 광전지 물질

Claims (29)

  1. 광학 다이오드(Optical Diode)에 있어서,
    적어도 부분적으로 비편광된 광(Unpolarized Light)을 수신하고 제1 광 경로를 따라 우측 원 편광된 광(Right-handed Circular Light) 및 제2 광 경로를 따라 좌측 원 편광된 광(Left-handed Circular Light)을 출력하는 원 편광 스플리터(Circular Polarized Splitter);
    우측 원 편광된 광을 투과하고 좌측 원 편광된 광을 반사하도록 하는, 제1 광 경로에 마련된 제1 원 편광기; 및
    좌측 원 편광된 광을 투과하고 우측 원 편광된 광을 반사하도록 하는, 제2 광 경로에 배치된 제2 원 편광기
    를 포함하고,
    상기 원 편광 스플리터, 상기 제1 원 편광기 및 상기 제2 원 편광기 중 적어도 하나는 광학 메타물질(Optical Metamaterial)을 포함하되, 상기 광학 메타물질은 상기 비편광된 광의 파장보다 크지 않은 치수를 갖는 주기적 성분(Periodic Component)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 주기적 성분은 재질 요소들의 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 2차원 어레이인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 플라즈모닉(Plasmonic)인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 음의 유전체 유전율(Negative Dielectric Permittivity)을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 금속으로, 금, 은 및 알루미늄 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 적어도 상기 부분적으로 비편광된 광의 파장에서 공진하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  7. 제2 항에 있어서,
    각 재질 요소는 상기 적어도 부분적으로 비편광된 광의 파장보다 크지 않은 제1 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 크기는 1 nm에서 100 nm인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  9. 제2 항에 있어서,
    인접한 재질 요소들 사이의 간격은 1 nm에서 100 nm인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 호스트 매체(Host Medium)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  11. 제10 항에 있어서,
    적어도 하나의 재질 요소는 적어도 부분적으로 상기 호스트 매체에 둘러싸인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  12. 제10 항에 있어서,
    적어도 하나의 재질 요소는 상기 호스트 매체의 표면 내에 또는 표면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  13. 제10 항에 있어서,
    적어도 하나의 재질 요소는 적어도 부분적으로 상기 호스트 매체에 매립되는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 호스트 매체는 유전체인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  15. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 세장형인(Elongate) 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  16. 제2 항에 있어서,
    상기 재질 요소는 액정(Liquid Crystal)의 분자들인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 분자들은 각각 콜레스테릭(Cholesteric) 또는 나선 배치(Helical Arrangement)를 형성하도록 배향되는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 재질 요소들은 콜레스테릭(Cholesteric) 액정과 네마틱(Nematic) 액정의 혼합물인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 분자들은 입사 광의 진행 축을 중심으로 회전되는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 메타물질은 콜레스테릭 액정의 복수의 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 메타물질(Optical Metamateiral)은 평면인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  22. 제1 항에 있어서,
    패시브(Passive)인 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  23. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광 경로는 상기 제2 광 경로와 평행한 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  24. 제1 항에 있어서,
    상기 원 편광 스플리터는 사이클로이드 회절 파장판(Cycloidal Diffractive Waveplate)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 다이오드.
  25. 광전지 소자(Photovoltaic Device)에 있어서,
    제1 항 내지 제24 항 중 어느 하나의 상기 광학 다이오드;
    제1 및 제2 광 경로 상에서 광을 수신하도록 하는 광전지 물질; 및
    흡수 요소에 의해 투과된 광을 수신하고 이 광을 상기 광학 다이오드를 향해 반사하는 반사 요소
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 소자.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 광전지 물질은 실리콘(Silicon), 게르마늄(Germanium), 갈륨 아세나이드(Gallium Arsenide), 실리콘 카바이드(Silicon Carbide), 카드뮴 텔루라이드(Cadmium Telluride), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드/황화물(Copper Indium Gallium Selenide/Sulphide)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 소자.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 반사 요소는 원통형이고 상기 광전지 물질과 광 상기 다이오드는 상기 반사 요소 주위에 원통형 층으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전지 소자.
  28. 삭제
  29. 삭제
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