KR20180015489A - 메타 광학 소자 및 이의 설계방법 - Google Patents

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Abstract

메타 광학 소자의 설계 방법이 개시된다. 개시된 방법은 메타 광학 소자가 수행할 기능에 따라 나노 구조체의 배열과 형상 치수에 대한 설계데이터를 설정하고, 설정된 설계데이터에서 위상 결함 영역에 포함되는 수치를 정상값으로 치환하는 과정을 포함한다. 이에 따라 위상 결함이 없는 메타 광학 소자를 구현할 수 있다.

Description

메타 광학 소자 및 이의 설계방법{Meta optical device and method of designing the same}
본 개시는 메타 광학 소자 및 이의 설계방법에 대한 것이다.
메타 구조(meta structure)는 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 인공적인 구조로서, 자연계에 존재하지 않는 광학적 특성을 나타낸다.
메타 구조로서, 금속층과 유전체층의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 구조와 함께, 굴절률이 다른 유전체 물질 간의 경계 특성을 사용하는 구조도 많이 사용되고 있다.
메타 구조는 높은 응답 속도로 다양한 광학적 특성을 나타낼 수 있고, 또한, 초소형 기기에 적용하기 유리하여, 이를 입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자에 적용하려는 시도가 지속되고 있다.
본 개시는 구현할 광학 성능에 맞게 나노 구조체의 형상 치수가 설계된 메타 광학 소자 및 이의 설계방법을 제공한다.
일 유형에 따르면, 메타 광학 소자를 설계하는 방법으로서, 상기 메타 광학 소자가 구현할 기능에 알맞게, 상기 메타 광학 소자에 채용될 나노 구조체의 배열과 형상 치수에 대한 설계데이터를 설정하는 단계; 상기 형상 치수의 변화에 대한 위상 변화 그래프를 획득하는 단계; 상기 위상 변화 그래프로부터 위상 결함 영역을 설정하는 단계; 상기 설계데이터에 포함된 형상 치수 중 상기 위상 결함 영역에 포함되는 수치(위상 결함 수치)를, 위상 결함 영역에 포함되지 않으면서 상기 위상 결함 영역에 인접한 수치(치환값)로 치환하는 단계;를 포함하는, 방법이 제공된다.
상기 위상 결함 영역을 설정하는 단계는 상기 위상 변화 그래프에서 기울기의 부호가 바뀌는 영역을 포함하는 소정 폭으로 상기 위상 결함 영역을 설정할 수 있다.
상기 위상 결함 영역(PDR)의 범위가 PDMIN < PDR < PDMAX 와 같이 정의되고, 상기 위상 변화 그래프에서 상기 위상 결함 영역을 기준으로 왼쪽 영역을 제1 정상영역, 오른쪽 영역을 제2 정상영역이라고 할 때, 상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기의 부호, 상기 제1 정상영역에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기 평균의 부호, 제2 정상영역에서의 상기 위상 변환 그래프의 기울기 평균의 부호는 서로 같도록, PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다.
또는, 상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기는 PDMIN 에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기와 PDMAX에서의 상기 위상 변화 그래프의 기울기 사이의 값을 갖도록, PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다.
또는, 상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기는 상기 제1 정상영역에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기 평균과 제2 정상영역에서의 상기 위상 변환 그래프의 기울기 평균 사이의 값을 갖도록, PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다.
상기 치환값은 PDMIN 또는 PDMAX일 수 있다.
상기 위상 결함 수치가 복수개일 때, 상기 복수의 위상 결함 수치에 적용되는 복수의 치환값은 상기 PDMIN, PDMAX 중 어느 하나를 선택하여, 모두 값은 값으로 설정될 수 있다.
또는, 상기 위상 결함 수치가 복수개일 때, 상기 복수의 위상 결함 수치 중 상대적으로 PDMIN에 가까운 하나 이상에 대한 치환값은 PDMIN으로 설정하고, 나머지에 대한 치환값은 PDMAX로 설정할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 상술한 방법을 사용하여 설계된 메타 광학 소자가 제공된다.
또한, 일 유형에 따르면, 지지층; 상기 지지층 상에 마련되고, 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 배열되며, 상기 형상 치수의 값들은 상기 입사광의 파장보다 작은, 복수의 나노 구조체;를 포함하며, 상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들에 대한 상기 입사광의 위상 변화를 나타낸 그래프는 기울기의 부호가 일정할 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들은, 상기 형상 치수에 대한 상기 입사광의 위상 변화 그래프에서 추출한 위상 결함 영역에 포함되는 값이 배제된 값일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들은, 상기 입사광에 대해 공명(resonance) 내지 유사 공명(quasi-resonance)을 일으키는 수치가 배제된 값일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체는 원기둥 또는 다각 기둥 형상을 가지며, 상기 형상 치수는 원기둥 단면 원의 직경 또는 다각 기둥 단면의 다각형의 어느 한 변의 길이일 수 있다.
상기 나노 구조체가 상기 지지층으로부터 돌출된 두께, t는 다음 조건을 만족할 수 있다.
λ/(2nswg) < t < λ
여기서 λ는 상기 입사광의 파장이며, nswg는 상기 나노 구조체의 굴절률이다.
상기 복수의 나노 구조체에 의한 입사광의 위상 변화 범위는 0도 내지 360도의 범위에 이를 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체는 유전체 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체의 굴절률은 상기 지지층의 굴절률보다 클 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 복수의 나노 구조체 각각의 표면을 쉘(shell) 형태로 덮으며, 상기 나노 구조체의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 커버층;을 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 메타 광학 소자는 상기 복수의 나노 구조체를 전체적으로 덮거나, 상기 지지층 상의 상기 복수의 나노 구조체 사이의 영역에 상기 나노 구조체와 같은 두께로 형성되며, 상기 나노 구조체와 다른 굴절률을 가지는 커버층;을 더 포함할 수 있다.
상기 커버층의 굴절률은 상기 지지층의 굴절률과 같을 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
상기 메타 광학 소자는 상기 지지층과 상기 나노구조체 사이에 위치한 하부 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노 구조체는 상기 지지층 상에 상기 지지층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 물질로 형성된 나노구조형성층을 음각한 형태로 이루어질 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 지지층과 상기 나노구조체 사이에 위치한 하부 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
상기 메타 광학 소자는 상기 나노구조형성층의 음각 영역을 채우며 상기 나노구조형성층 상부로 연장 형성된 커버층;을 더 포함할 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 상술한 메타 광학 소자를 포함하는 광학 소자가 제공된다.
상술한 메타 광학 소자 설계 방법에 따르면, 위상 결함을 나타내는 형상 치수가 정상값으로 치환될 수 있다.
따라서, 상술한 방법에 따라 설계되는 메타 광학 소자는 위상 결함을 나타내는 형상 치수가 제거된 구조를 가지므로, 양호한 광학 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 상술한 메타 광학 소자는 평판 형태로 구현될 수 있어, 다양한 광학 소자에 적용되기 유리하며, 예를 들어, 평판 형태로 굴절력을 구현할 수 있고 나노 구조체의 배열, 크기에 의해 굴절력이 조절되므로, 굴절력 증가에 따른 부피 증가가 수반되지 않는다.
도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 메타 광학 소자에 채용되는 나노 구조체에 의해 위상 지연이 일어나는 것을 보인 개념도이다.
도 3은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 설계 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4는 볼록 렌즈 기능을 수행하도록 나노 구조체의 배열, 형상을 정한 설계 데이터를 예시적으로 보인 평면도이다.
도 5는 도 4의 평면도를 나노 구조체의 위치에 따른 나노 구조체 직경으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 나노 구조체의 직경에 따른 위상 변화, 투과율, 반사율을 보인 그래프이다.
도 7a는 도 6의 그래프로부터 위상 결함 영역을 설정한 것을 보인 그래프이며, 도 7b, 도 7c 및 7d는 위상 결함 영역을 설정하는 예시적인 방법을 설명하기 위한 개념적인 그래프이다.
도 8은 도 5의 그래프에서 도 7a의 그래프에 포함된 위상 결함 수치를 정상값으로 치환한 것을 보인 그래프이다.
도 9는 도 5의 그래프에서 도 7a의 그래프에 포함된 위상 결함 수치를 정상값으로 치환한 다른 예를 보인 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 위상 결함 영역에 포함된 수치가 복수개일 때 이를 정상값으로 치환하는 예들을 보인다.
도 13은 실시예에 따른 메타 광학 소자의 나노 구조체의 직경으로 채용된 값들에 대한 위상 변화, 투과율, 반사율을 보인 그래프이다.
도 14는 실시예에 따른 메타 광학 소자에 의해 포커싱된 광의 전기장 성분의 크기 분포를 비교예와 비교하여 보인 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 구성을 보인 단면도이다.
도 16은 도 15의 메타 광학 소자에 채용되는 나노 구조체의 직경에 따른 위상 변화를 보인 그래프이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단위 구성을 보인 단면도이다.
도 18은 도 17의 메타 광학 소자에 채용되는 나노 구조체의 직경에 따른 위상 변화를 보인 그래프이다.
도 19 내지 도 26는 다른 실시예들에 따른 메타 광학 소자의 단위 구성을 보인 단면도들이다.
도 27 및 도 28은 다른 실시예들에 따른 메타 광학 소자의 나노구조체 배열을 보인 단면도들이다.
도 29는 실시예에 따른 메타 광학 소자를 채용한 광학 소자의 개략적인 구성을 보인 사시도이다.
도 30a 내지 도 30d는 도 29의 광학 소자에 채용될 수 있는 메타 광학 소자의 나노 구조체 배열의 다양한 예들을 보인 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)에 채용되는 나노 구조체(NS)에 의해 위상 지연이 일어나는 것을 보인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 메타 광학 소자(100)는 지지층(SU)과 지지층(SU) 상에 형성된 다수의 나노 구조체(NS)가 배열되어 이루어진 나노구조 어레이(NSA)를 포함한다.
나노 구조체(NS)들은 서브 파장의 형상 치수를 갖는다. 나노 구조체(NS)는 두께 t, 단면 원의 직경이 D인 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 서브 파장의 형상 치수라 함은 나노 구조체(NS)의 형상을 정의하는 치수가 메타 광학 소자(100)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 예를 들어, 나노 구조체(NS)가 원기둥 형상인 경우, 두께(t)나 단면 원의 직경(D)이 동작 파장보다 작은 치수를 갖는다. 나노 구조체(NS)가 다각기둥 형상인 경우, 두께나, 단면 다각형의 한 변의 길이 또는 대각선 길이가 동작 파장보다 작을 수 있다.
도 2를 참조하면, 위상이 같은 점들을 연결한 파면(wavefront)의 위치는 지지층(SU) 상에 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS)가 형성된 구조를 지난 후와, 지지층(SU)만이 구비된 구조를 지난 후에 서로 다르다. 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS)는 나노 구조체(NS)를 지나가는 광의 위상을 변화시키기 때문이다. 이는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS)에 의한 위상 지연(phase delay)이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조체(NS)의 세부적인 형상 치수에 의해 정해진다. 따라서, 이러한 나노 구조체(NS) 복수개가 구비되는 경우 각 나노 구조체(NS)에서 일어나는 위상 지연 정도를 적절히 설정하여 다양한 광학 기능을 달성할 수 있다.
나노 구조체(NS)들은 입사광의 위상을 위치에 따라 소정의 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 배열될 수 있다. 각 위치에서의 형상 치수는 메타 광학 소자(100)가 구현하고자 하는 광학적 성능에 따라 정해진다. 예를 들어, 나노 구조체(NS)의 위치(r)를 메타 광학 소자(100)의 중심으로부터 반지름 방향으로의 거리로 정의할 때, 그 위치에 있는 나노 구조체(NS)의 직경은 D(r)로 표시될 수 있다. 실시예의 메타 광학 소자(100)는 볼록 렌즈의 기능을 수행, 즉, 양의 굴절력을 가지며 광을 포커싱할 수 있도록 치수, 배열이 정해진 것을 예시적으로 보이고 있다. 도면을 참조하면, 중심에서 반경 방향으로 갈수록 D의 값은 작아지고 있으며, 예시된 규칙이 반경 방향으로 반복될 수 있다. 반복되는 주기는 일정하지 않고 변할 수 있다. 나노구조 어레이(NSA)의 배열 형태는 주기적(periodic) 또는 유사 주기적(quasi-periodic)일 수 있다.
메타 광학 소자(100)가 구현하는 볼록 렌즈의 기능의 정도, 즉, 굴절력이나 초점 거리는 나노 구조체(NS)의 위치(r)에 따른 D(r)에 적용되는 수치에 의해 조절되는 것이므로, 곡률로 굴절력을 조절하는 기존 렌즈와 비교할 때, 굴절력의 증가에 따른 부피 증가가 수반되지 않는다.
메타 광학 소자(100)에 채용되는 나노 구조체(NS)들의 형상 치수는 구현할 광학 성능에 따라 정해지며, 또한, 본 실시예에서는 각 형상 치수의 효과를 세부적으로 분석하여, 위상 결함을 나타내지 않는 수치로 치환한 값을 나노 구조체(NS)에 적용하고 있다. 이를 위한 상세한 방법은 도 3 내지 도 12를 참조한 설계 방법의 설명에서 후술할 것이다.
나노 구조체(NS)는 유전체 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 나노 구조체(NS)는 예를 들어, SiO2, SiC, TiOx, SiNx, ITO, Si, a-Si, p-Si, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물 등 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 나노 구조체(NS)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률보다 큰 값을 갖는다.
지지층(SU)은 나노 구조체(NS)의 굴절률보다 낮은 값을 가지는 재질을 포함하며, 이외에 특별히 제한되지 않는다. 지지층(SU)은 예를 들어, 투명한 성질을 가지는 재질일 수 있다. 예를 들어, 글래스(glass), 산화실리콘(SiO2), 또는 PMMA, PDMS와 같은 폴리머 재질이 지지층(SU)에 사용될 수 있다. 또는, 입사광의 파장에 따라서 실리콘(Si)도 지지층(SU)의 재질로 사용될 수 있다.
지지층(SU)은 또한, 입사광을 반사시키는 반사층을 포함할 수도 있으며, 또는, 광을 생성하는 발광 소자를 포함할 수도 있으며, 또는, 부가적인 광학 기능을 수행하는 광학 소자을 포함할 수도 있다.
나노 구조체(NS)가 지지층(SU)으로부터 돌출된 두께, t는 다음 조건을 만족할 수 있다.
λ/(2nswg) < t < λ
여기서 λ는 메타 광학 소자(100)의 동작 파장이며, nswg는 나노 구조체(NS)의 굴절률이다.
도면에서 복수의 나노 구조체(NS)의 두께는 모두 동일하게 도시되었지만, 이는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 나노 구조체(NS)의 두께는 서브 파장의 두께를 갖는 범위에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(NS)의 두께 분포가 계단형 분포를 가질 수도 있다.
복수의 나노 구조체(NS)에 의한 입사광의 위상 변화 범위는 0도 내지 360도의 범위를 커버할 수 있다.
이하, 실시예에 따른 메타 광학 소자를 설계하는 과정을 도 3 내지 도 12를 참조하여 예시적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)의 설계 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
먼저, 메타 광학 소자(100)가 구현할 기능에 메타 광학 소자에 채용될 나노 구조체(NS)의 배열과 형상 치수에 대한 설계데이터를 설정한다(S10).
이 단계는 나노 구조체(NS)의 형상을 정한 후, 형상 치수 중 하나를 선택하여 배열될 위치에 따라 알맞은 형상 치수를 정하는 과정일 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(NS)의 형상을 원기둥 형상으로 정하고, 위치에 따른 직경 분포를 정하는 방법을 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 나노 구조체(NS)의 형상을 다각기둥 형상으로 하고, 다각형 한 변의 길이 또는 대각선 길이에 대한 위치별 분포를 정하는 방법을 사용할 수도 있다. 또는 나노 구조체(NS)의 두께에 대한 위치별 분포를 정하는 방법을 사용할 수도 있다.
도 4는 볼록 렌즈 기능을 수행하도록 나노 구조체(NS)의 배열, 형상을 정한 설계 데이터를 예시적으로 보인 평면도이고, 도 5는 도 4의 평면도를 나노 구조체(NS)의 위치(r)에 따른 나노 구조체(NS) 직경(diameter)으로 나타낸 그래프이다. 도 5의 그래프에서 위치(r)은 도 4의 평면도에서 정의되는 반지름 방향이다.
다음, 상기와 같이 정해진 형상 치수의 변화에 대한 위상 변화 그래프를 획득한다.(S20) 위상 변화 그래프를 얻기 위해, 전산 모사 등의 방법을 사용할 수 있다. 상기 위상 변화 그래프는 위상 결함 영역을 설정하고자 하는 것이므로, 상기 설계데이터에 포함된 수치 범위 내를 가능한 세분화하여 이에 대한 위상 변화를 분석한다.
도 6은 나노 구조체(NS)의 직경(diameter)에 따른 위상 변화, 반사율, 투과율을 전산 모사하여 보인 그래프이다. 그래프에서 위상 변화는 정규화된 값(normalized value)으로 나타내기 위해 위상/(2π)로 도시하고 있다. 전산모사에 사용된 광의 파장은 1.55μm이다.
그래프를 참조하면, 약 410nm에서 460nm의 범위에서 투과율이 급감하고 반사율이 급등하며 위상변화가 급격히 일어나는 볼 수 있다. 이 영역에서 위상 변화의 기울기는 부호가 두 번 바뀐 후, 다음 영역에서는 이 영역 이전에서와 같은 같은 부호의 기울기를 나타낸다. 이 영역은 투과율, 반사율의 변화 양태로 보아, 공명(resonance) 내지 유사 공명(quasi-resonance)을 일으키는 치수를 포함하는 영역으로 해석될 수 있다.
상기 설명에서, S10 단계와 S20 단계가 표시된 순서대로 진행되는 것으로 예시하여 설명하였지만, 이러한 순서에 한정되지 않는다. 예를 들어, 메타 광학 소자에 채용할 나노 구조체의 형상이 정해지면, 나노 구조체의 구체적인 배열과 크기에 대한 설계 데이터가 설정되기 전에, 즉, S10의 단계가 완료되기 전에, S20의 단계가 수행될 수 있다. 또는, S20의 단계는 S10 단계 전에 미리 수행될 수도 있다. 다양한 나노 구조체 형상, 예를 들어, 원기둥, 다각기둥 등과 같은 형상에 대해, 각 형상 치수를 변화시키며 위상 변화 그래프를 미리 획득하고, 다음, S10의 단계에서 설계데이터를 설정할 수 있다. S10의 단계와 S20의 단계는 동시에 수행될 수도 있다.
다음, 위상 변화 그래프로부터 위상 결함 영역을 설정한다(S30).
도 7a는 위상 변화 그래프로부터 위상 결함 영역을 설정한 것을 보인 그래프이다. 이 때, 도 6에서 나타난 위상 결함 영역을 더 세분해서 데이터를 구한 것이다.
그래프를 참조하면, 위상 변화는 점진적으로 커지다가 급격히 증가하여 극대점에 이른 후 급격히 감소하여 극소점을 형성하고 다시 급격히 증가한 다음 증가율이 점진적으로 감소하는 형태가 된다. 이를 기울기의 부호 측면에서 살펴보면, 양의 부호, 음의 부호, 양의 부호로 변경된다.
이를 고려하여, 위상 결함 영역(PDR)은 위상 변화 그래프에서 기울기의 부호가 바뀌는 영역을 포함하는 소정의 폭으로 정할 수 있으며, 상기 소정의 폭은 위상 변화가 다른 영역에 비해 상대적으로 급격한 영역을 포함할 수 있는 정도로 정할 수 있다.
위상 결함 영역(PDR)은 다음 범위로 정의될 수 있다.
PDMIN < PDR < PDMAX
PDMIN, PDMAX는 위상 결함 영역의 하한, 상한으로 위상 결함 영역에 포함되지 않으면서 이에 인접한 값의 형상 치수가 될 수 있다. 다시 말하면, 위상 결함 영역에 가까운 정상값이 될 수 있다. 따라서, 이 값은 다음 단계(S40)에서, 설계데이터에 포함된 위상 결함 수치를 치환하는 치환값이 될 수 있다.
위상 결함 영역(PDR)의 왼쪽 영역, 즉, 위상 결함 영역(PDR)의 형상 치수보다 작은 값은 갖는 영역을 제1 정상영역(SR1), 위상 결함 영역(PDR)의 오른쪽 영역, 즉, 위상 결함 영역(PDR)의 형상 치수보다 큰 값을 갖는 영역을 제2 정상영역(SR2)이라 할 때, 위상 변화 그래프 상에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 두 점(A, B)을 연결한 직선의 기울기가 제1 정상영역(SR1)에서의 위상 변화 그래프, 제2 정상영역(SR2)에서의 위상 변화 그래프와의 관계에서 소정의 요건을 만족하도록, PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 제1 정상영역(SR1)과 제2 정상영역(SR2)이 완만하게 이어지도록 PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다. 이러한 예로서, 위상 변화 그래프 상에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 두 점(A, B)을 연결한 직선의 기울기의 부호, 제1 정상영역(SR1)에서의 그래프 기울기 평균의 부호 및 제2 정상영역(SR2)에서의 그래프 기울기 평균의 부호가 일치하도록, PDMIN, PDMAX의 값이 정해질 수 있다.
다른 예로서, 위상 결함 영역은 위상 변화 그래프에서 기울기의 부호가 바뀌는 영역을 포함하는 소정의 폭으로 정할 수 있으며, 이 때 소정의 폭을 결정하는 PDMIN, PDMAX 사이에서의 위상 기울기 값이 PDMIN 과 PDMAX 에서의 각각의 위상 기울기 값들 사이에 위치하도록 결정할 수 있다.
즉, 도 7c 또는 도 7d와 같은 위상 변화 그래프에서, PDMIN, PDMAX에 대응하는 위상값을 PH1, PH2라고 할 때, PDMAX, PDMIN은 다음 조건을 만족하도록 정해질 수 있다.
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또는, 위상 결함 영역의 소정의 폭을 결정하는 PDMIN, PDMAX 사이의 기울기 값이 PDMIN이나 PDMAX 에서의 기울기 값 중 어느 하나와 동일 또는 유사하도록 결정할 수 있다.
또한, 다른 예로, 위상 변화 그래프 상에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 두 점(A, B)을 연결한 직선의 기울기는 제1 정상영역(SR1)에서의 그래프 기울기 평균과 제2 정상영역(SR2)에서의 그래프 기울기 평균 사이의 값을 갖도록, PDMIN, PDMAX의 값이 정해질 수 있다.
PDMIN, PDMAX를 정하는 방법은 상기 예시한 설명들에 한정되지 않는다. 위상 변화가 급격한 영역을 위상 결함 영역으로 정의할 수 있는 다른 변형된 방법으로 PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다. 예를 들어, 상술한 기울기 평균을 정하는 영역을 제1 정상영역(SR1), 제2 정상영역(SR1) 전체가 아니라, 위상 결함 영역(PDR)의 폭과 같은 폭으로 하여 해당 영역에서 상기 기울기 평균을 정할 수 있다. 기울기 평균값들을 비교하여, PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 두 점을 연결한 직선의 기울기가 상기 해당 영역들에서의 기울기 사이의 값이 되도록 PDMIN, PDMAX를 정할 수 있다.
위상 결함 영역이 설정되면, 설계데이터에 포함된 위상 결함 수치를 이에 인접한 정상값으로 치환한다(S40).
예를 들어, 초기 설계값에 관한 도 5에 표시된 직경(diameter) 수치와 도 6의 그래프에 표시된 위상 결함 영역에 포함된 직경 수치를 비교하면, 설계데이터는 위상 결함 영역에 포함된, 대략 440nm의 수치를 포함하는 것을 알 수 있다. 이 값은 위상 변화 그래프상의 급격한 변화를 일으키는 수치이므로, 이 수치는 사용하지 않으며, 이에 인접한 정상값으로 치환한다. 위상 결함 영역(PDR)에 가까운 정상값으로서, 위상 결함 영역(PDR) 설정에 사용된 PDMIN 또는 PDMAX 중 어느 한 값을 사용할 수 있다. 이 수치는 위상 결함 영역(PDR)에 가장 가까운 정상값으로 볼 수 있다.
도 8은 도 5의 그래프에서 도 7a의 그래프에 포함된 위상 결함 수치를 정상값으로 치환한 것을 보인 그래프이고, 도 9는 도 5의 그래프에서 도 7a의 그래프에 포함된 위상 결함 수치를 정상값으로 치환한 다른 예를 보인 그래프이다.
도 8을 참조하면, 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치, PD는 PDMAX로 치환되고 있으며, 도 9를 참조하면, 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치, PD는 PDMIN으로 치환되고 있다.
도 8 및 도 9에서는 설계데이터 중 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치가 하나인 것을 예시하고 있으나, 설계데이터 중 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치는 복수개일 수 있다.
도 10 내지 도 12는 위상 결함 영역에 포함된 수치가 복수개일 때 이를 정상값으로 치환하는 예들을 보인다.
도 10 내지 도 12는 위상 결함 영역(PDR) 및 이에 인접한 정상 영역의 일부만을 확대하여 보이고 있으며, 도 8, 도 9와 마찬가지로, 가로 방향이 도 4의 평면도에서 정의되는 반지름 방향을 나타내고, 세로 방향으로는 나노 구조체(NS)의 직경(diameter)을 표시하고 있다.
도 10을 참조하면, 설계데이터 중 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치, PD1, PD2, PD3는 모두, 하나의 정상값을 선택하여 같은 값으로 치환될 수 있다. PD1, PD2, PD3는 모두 PDMIN으로 치환될 수 있다.
도 11을 참조하면, 설계데이터 중 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치, PD1, PD2, PD3는 모두, 하나의 정상값을 선택하여 같은 값으로 치환될 수 있다. PD1, PD2, PD3는 모두 PDMAX로 치환될 수 있다. 이처럼 PD1, PD2, PD3는 각각, 가장 가까이 인접한 정상값으로 치환될 수 있다.
도 12를 참조하면, 설계데이터 중 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치, PD1, PD2, PD3는 서로 다른 정상값으로 치환될 수 있다. 예를 들어, PD1은 PDMIN으로, PD2, PD3는 모두 PDMAX로 치환될 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)의 나노 구조체(NS)의 직경으로 채용된 값들에 대한 위상 변화, 투과율, 반사율을 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 위상 결함 영역(PDR)에 포함된 수치는 메타 광학 소자(100)의 나노 구조체(NS) 직경으로 사용되지 않고, 정상영역의 값인 PDMIN 또는 PDMAX로 치환되었으므로, 도 6의 그래프에서 나타난 바와 같은, 위상 결함 수치에 의해 발생하던 위상 변화의 급격한 증가나 감소, 투과율이나 반사율이 급등, 급감하는 현상은 나타나지 않는다. 이는 위상 결함을 일으키는 형상 수치 또는 입사광에 대한 공명(resonance) 내지 유사 공명(quasi-resonance)을 일으키는 수치가 배제된 결과이다. 위상 변화의 기울기는 점진적으로 증가하다가 감소하는 형태이며, 메타 광학 소자(100)에 적용된 형상 치수에 대한 전 영역에서 기울기 부호의 변화는 일어나지 않고 일정하다. 또한, 위상 변화의 범위는 0에서 1까지 커버되고 있으며, 즉, 0도에서 360도의 위상 변화를 고르게 포함하고 있다.
도 14는 실시예에 따른 메타 광학 소자(100)에 의해 포커싱된 광의 전기장 성분의 크기 분포를 비교예와 비교하여 보인 그래프이다.
비교예는 위상 결함 수치를 배제하지 않고 메타 광학 소자에 적용한 것으로, 즉, 도 5와 같은 초기 설계값을 이용하여 나노 구조체의 위치별 직경을 적용한 경우이다.
실시예의 경우, 비교예의 경우보다 포커싱된 중심 위치에서의 전기장의 세기가 높게 나타나고 있으며, 이는 결함 수치가 제거되어 보다 양호한 광학 성능을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자(101)의 단위 구성을 보인 단면도이다.
메타 광학 소자(101)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에 형성되고, 지지층(SU)과 다른 굴절률을 가지며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS), 나노 구조체(NS) 표면을 쉘(shell) 형태로 덮으며, 나노 구조체(NS)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 커버층(10)을 포함한다. 커버층(10)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률과 같을 수 있다. 커버층(10)은 지지층(SU)과 같은 재질로 형성될 수도 있다.
도 16은 도 15의 메타 광학 소자(101)에 채용되는 나노 구조체(NS)의 직경에 따른 위상 변화를 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 위상 변화, 투과율, 반사율이 급격하게 변하는 위상 결함 영역(PDR)의 나타나며, 이 영역의 위치는 커버층(10)이 구비되지 않은 경우에 대한 도 6의 그래프와는 차이가 있다. 위상 결함 영역(PDR)은 나노 구조체(NS) 직경이 작은 구간으로 쉬프트되어 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 메타 광학 소자(102)의 단위 구성을 보인 단면도이다.
메타 광학 소자(102)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에 형성되고, 지지층(SU)과 다른 굴절률을 가지며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS), 나노 구조체(NS)를 전체적으로 덮으며 나노 구조체(NS)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 커버층(12)을 포함한다. 커버층(12)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률과 같을 수 있다.
도 18은 도 17의 메타 광학 소자(102)에 채용되는 나노 구조체(NS)의 직경에 따른 위상 변화를 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 위상 변화, 투과율, 반사율이 급격하게 변하는 위상 결함 영역(PDR)의 나타나며, 이 영역의 위치는 커버층(10)(12)이 구비되지 않은 경우에 대한 도 6의 그래프, 쉘 형태의 커버층(10)이 구비된 경우에 대한 도 16의 그래프와 차이가 있다. 위상 결함 영역(PDR)은 나노 구조체(NS) 직경이 작은 구간으로 쉬프트되어 있다.
이와 같이, 커버층(10)(12)의 추가 구비나 그 형태에 따라 위상 결함 영역(PDR)의 범위나 위치는 달라지며, 메타 광학 소자를 통해 구현하고자 하는 광학 성능에 따라 위상 결함 영역(PDR)의 변화를 반영할 수 있다.
이하, 다양한 실시예들에 따른 메타 광학 소자의 단위 구성을 살펴보기로 한다.
도 19를 참조하면, 메타 광학 소자(103)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상의 복수의 나노 구조체(NS) 사이의 영역에 나노 구조체(NS)와 같은 두께로 형성되며, 나노 구조체(NS)와 다른 굴절률을 가지는 커버층(14)을 포함한다. 커버층(14)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률과 같을 수 있다. 커버층(14)은 지지층(SU)과 같은 재질로 형성될 수도 있다.
도 20을 참조하면, 메타 광학 소자(104)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에 형성되고, 지지층(SU)과 다른 굴절률을 가지며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조체(NS), 나노 구조체(NS)를 전체적으로 덮으며 나노 구조체(NS)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 커버층(12), 커버층(12) 상에 형성된 상부 유전체층(20)을 포함한다. 커버층(12)의 굴절률은 지지층(SU)과 같은 수 있다. 상부 유전체층(20)은 커버층(12)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다.
도 21을 참조하면, 메타 광학 소자(105)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상의 복수의 나노 구조체(NS) 사이의 영역에 나노 구조체(NS)와 같은 두께로 형성되며, 나노 구조체(NS)와 다른 굴절률을 가지는 커버층(14), 커버층(14) 상에 위치하며, 커버층(14)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층(22)을 포함한다. 커버층(14)은 지지층(SU)과 같은 굴절률을 가질 수 있다. 상부 유전체층(22)은 커버층(14)과 다른 굴절률을 갖는다.
도 22를 참조하면, 메타 광학 소자(102)에 구비된 나노 구조체(NS)는 이전 실시예에서의 나노 구조체(NS)와 역상의 형태를 가지는 점에서 차이가 있다. 즉, 나노 구조체(NS)는 지지층(SU) 상에 형성되고 지지층(SU)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 나노구조 형성층(30)에 음각 영역(GR)이 형성된 형태를 갖는다. 음각 영역(GR)은 서브 파장의 형상 치수를 갖는 원기둥, 다각기둥 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 23을 참조하면, 메타 광학 소자(107)는 도 22의 메타 광학 소자(106)에 하부 유전체층(40)이 더 구비된 형태이다. 즉, 메타 광학 소자(107)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에 위치하는 나노구조 형성층(30)과 이에 음각 영역(GR)을 형성한 형태로 이루어진 나노 구조체(NS), 나노 구조체(NS)와 지지층(SU) 사이에 형성된 하부 유전체층(40)을 포함한다. 하부 유전체층(40)의 굴절률은 나노구조 형성층(30)과 다른 굴절률을 가지며, 또한, 지지층(SU)과 다른 굴절률을 갖는다.
도 24를 참조하면, 메타 광학 소자(108)는 도 23의 메타 광학 소자(108)에 상부 유전체층(24)이 더 구비된 형태를 갖는다. 메타 광학 소자(108)는 지지층(SU), 지지층(SU), 지지층(SU) 상에 위치하는 나노구조 형성층(30), 나노구조 형성층(30)에 음각 영역(GR)을 형성한 형태로 이루어진 나노 구조체(NS), 나노 구조체(NS)와 지지층(SU) 사이에 형성된 하부 유전체층(40), 나노구조 형성층(30) 상부에 형성된 상부 유전체층(24)을 포함한다. 하부 유전체층(40)의 굴절률은 나노구조 형성층(30)과 다른 굴절률을 가지며, 또한, 지지층(SU)과 다른 굴절률을 갖는다. 상부 유전체층(24)은 나노구조 형성층(30)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다.
도 25를 참조하면, 메타 광학 소자(109)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에, 지지층(SU)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 물질로 형성된 나노구조 형성층(30), 나노구조 형성층(30)에 음각 영역(GR)을 형성한 형태로 이루어진 나노 구조체(NS), 음각 영역(GR)의 내부를 채우며 나노구조 형성층(30)의 상부로 연장된 커버층(16)을 포함한다. 커버층(16)은 나노구조 형성층(30)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 커버층(16)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률과 같을 수 있다.
도 26을 참조하면, 메타 광학 소자(110)는 지지층(SU), 지지층(SU) 상에, 지지층(SU)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 물질로 형성된 나노구조 형성층(30)을 음각한 음각 영역(GR)을 형성한 형태로 이루어진 나노 구조체(NS), 음각 영역(GR)의 내부를 채우며 나노구조 형성층(30)의 상부로 연장된 커버층(16), 커버층(16) 상에 형성된 상부 유전체층(26)을 포함한다.
커버층(16)은 나노구조 형성층(30)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 상부 유전체층(26)은 커버층(16)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 커버층(16)의 굴절률은 지지층(SU)의 굴절률과 같을 수 있다.
도 15, 도 17, 도 19 내지 도 26에서 설명한 단위 구성에 적용된, 나노 구조체를 둘러싸는 커버층, 나노 구조체 상, 하부에 배치된 상부 유전체층, 하부 유전체층 들의 조합은 예시된 조합에 한정되지 않으며, 다른 조합도 가능하다.
도 27 및 도 28은 다른 실시예들에 따른 메타 광학 소자의 나노 구조체 배열을 보인 단면도들이다.
도 27을 참조하면, 메타 광학 소자(111)는 지지층(SU)과 지지층(SU) 상에 형성된 다수의 나노 구조체(NS)가 배열되어 이루어진 나노구조 어레이(NSA)를 포함한다. 나노 구조체(NS)들은 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 배열될 수 있으며, 본 실시예에서, 메타 광학 소자(111)는 오목 렌즈의 기능을 수행, 즉, 음의 굴절력을 가져 입사광을 발산(diverge)시키도록 치수, 배열이 정해진 것을 예시적으로 보이고 있다. 나노 구조체(NS)의 위치(r)를 메타 광학 소자(111)의 중심으로부터 반지름 방향으로의 거리로 정의할 때, 그 위치에 있는 나노 구조체(NS)의 직경 D(r)은 메타 광학 소자(111)가 오목 렌즈로 동작하도록 구체적인 값이 정해질 수 있다. 중심에서 반경방향으로 갈수록 D의 값은 커지고 있으며, 예시된 규칙이 반경 방향으로 반복될 수 있다. 반복되는 주기는 일정하지 않고 변할 수 있다.
도 28을 참조하면, 메타 광학 소자(112)는 지지층(SU)과 지지층(SU) 상에 형성된 다수의 나노 구조체(NS)가 배열되어 이루어진 나노구조 어레이(NSA)를 포함한다. 나노 구조체(NS)들은 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 배열될 수 있으며, 본 실시예에서, 메타 광학 소자(112)는 광편향기의 기능을 수행할 수 있도록 치수, 배열이 정해진 것을 예시적으로 보이고 있다.
도 27 및 도 28에서의 메타 광학 소자(111)(112)의 단위 구성 형태는 도 1의 메타 광학 소자(100)의 단위 구성과 동일한 것으로 예시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 도 15, 도 17, 도 19 내지 도 26에서 설명한 단위 구성이 채용될 수도 있다.
상술한 설명에서, 메타 광학 소자(100)(111)(112)는 각각 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 광편향기의 기능을 하는 것을 예시하였고, 이외에도, 다양한 기능을 하도록 나노구조체 형상, 배열, 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 광을 여러 방향으로 나누어 굴절시키는 광분배기의 역할을 할 수 있고, 또는, 반사층을 추가 구비하여, 평판 형태를 가지는 볼록 거울, 오목 거울로 기능할 수도 있다.
또한, 동일한 평판 형태를 가지면서도 각기 다른 굴절력을 가지는 복수의 메타 광학 소자를 구현할 수 있으므로 이들을 활용하여 다양한 광학계, 예를 들어, 현미경 광학계나 망원경 광학계를 소형으로 구현할 수 있다.
도 29는 실시예에 따른 메타 광학 소자를 채용한 광학 소자의 개략적인 구성을 보인 사시도이다.
광학 소자(1000)는 발광소자(1200)와, 발광소자(1200) 상에 위치한 메타 광학 소자(1500)를 포함한다. 발광 소자(1200)는 게인층(1230)과 이득층(1230) 양측에 배치된 반사층(1210)(1250)을 포함하는 VECSEL(vertical-external-cavity surface-emitting laser)과 같은 레이저 소자일 수 있다. 반사층(1210)(1250)은 DBR(distributed Bragg reflector)일 수 있다.
메타 광학 소자(1500)는 발광 소자(1200)의 출사면 상에 배치되어, 발광 소자(1200)로부터 생성, 출사되는 광을 포커싱, 발산, 정형, 또는 편향시킬 수 있다. 메타 광학 소자(1500)는 전술한 메타 광학 소자(100~112)가 채용될 수 있고, 구현한 광 기능에 맞게 나노구조체(NS)의 형상, 크기 및 배열 위치가 정해질 수 있다.
도 30a 내지 도 30d는 도 29의 광학 소자(1000)에 채용될 수 있는 메타 광학 소자의 나노 구조체 배열의 다양한 예들을 보이는 평면도이다.
도 30a은 볼록 렌즈의 역할을 하도록 나노구조 어레이가 정해진 것을 보이며, 도 30b는 오목 렌즈의 역할을 하도록 나노구조 어레이가 정해진 것을 보인다.
도 30c는 도 30d는 각각 포커싱 및 발산을 위한 규칙이 가로 방향으로 적용되어, 빔을 선형으로 정형(shaping)하여 출사시키도록 나노구조 어레이가 정해진 것을 보인다.
메타 광학 소자(1500)가 발광 소자(1200)에 적용된 것을 예시하였으나, 이외에도, 다양한 광학 소자, 예를 들어, 편광자(polarizer), 편광 소거 모듈(polarization cleanup module), 광학 필터(optical filter), 센서(sensor), 디스플레이 소자(display device)등에 적용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
SU.. 지지층
NS.. 나노 구조체
10, 12, 14, 16.. 커버층
20, 22, 24, 26.. 상부 유전체층
30..나노구조 형성층
40..하부 유전체층
100~112, 1500.. 메타 광학 소자
1000.. 광학 소자
1200.. 발광 소자

Claims (28)

  1. 메타 광학 소자를 설계하는 방법에 있어서,
    상기 메타 광학 소자가 구현할 기능에 알맞게, 상기 메타 광학 소자에 채용될 나노 구조체의 배열과 형상 치수에 대한 설계데이터를 설정하는 단계;
    상기 형상 치수의 변화에 대한 위상 변화 그래프를 획득하는 단계;
    상기 위상 변화 그래프로부터 위상 결함 영역을 설정하는 단계;
    상기 설계데이터에 포함된 형상 치수 중 상기 위상 결함 영역에 포함되는 수치(위상 결함 수치)를, 위상 결함 영역에 포함되지 않으면서 상기 위상 결함 영역에 인접한 수치(치환값)로 치환하는 단계;를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 결함 영역을 설정하는 단계는
    상기 위상 변화 그래프에서 기울기의 부호가 바뀌는 영역을 포함하는 소정 폭으로 상기 위상 결함 영역을 설정하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 위상 결함 영역(PDR: Phase Defect Regon)에 포함되는 상기 형상 치수의 범위가 PDMIN < PDR < PDMAX 와 같이 정의되고, 상기 위상 변화 그래프에서 상기 위상 결함 영역을 기준으로 왼쪽 영역을 제1 정상영역, 오른쪽 영역을 제2 정상영역이라고 할 때,
    상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기의 부호, 상기 제1 정상영역에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기 평균의 부호, 제2 정상영역에서의 상기 위상 변환 그래프의 기울기 평균의 부호는 서로 같은, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기는 PDMIN 에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기와 PDMAX에서의 상기 위상 변화 그래프의 기울기 사이의 값을 갖는, 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 위상 변화 그래프에서 PDMIN, PDMAX에 각각 대응하는 상기 위상 변화의 두 점을 연결한 직선의 기울기는 상기 제1 정상영역에서의 상기 위상 변화 그래프 기울기 평균과 제2 정상영역에서의 상기 위상 변환 그래프의 기울기 평균 사이의 값을 갖는, 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 치환값을 PDMIN 또는 PDMAX로 하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상 결함 수치가 복수개일 때,
    상기 복수의 위상 결함 수치가 치환될 복수의 치환값은 상기 PDMIN, PDMAX 중 어느 하나를 선택하여, 모두 같은 값으로 설정하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 위상 결함 수치가 복수개일 때,
    상기 복수의 위상 결함 수치 중 상대적으로 PDMIN에 가까운 하나 이상에 대한 치환값은 PDMIN으로 설정하고, 나머지에 대한 치환값은 PDMAX로 설정하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 사용하여 설계된 메타 광학 소자.
  10. 지지층;
    상기 지지층 상에 마련되고, 입사광의 위상을 위치에 따라 소정 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 배열되며, 상기 형상 치수의 값들은 상기 입사광의 파장보다 작은, 복수의 나노 구조체;를 포함하며,
    상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들에 대한 상기 입사광의 위상 변화를 나타낸 그래프는 기울기의 부호가 일정한, 메타 광학 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들은,
    상기 형상 치수에 대한 상기 입사광의 위상 변화 그래프에서 추출한 위상 결함 영역에 포함되는 값이 배제된, 메타 광학 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체 각각의 상기 형상 치수의 값들은,
    상기 입사광에 대해 공명(resonance) 내지 유사 공명(quasi-resonance)을 일으키는 수치가 배제된, 메타 광학 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체는 원기둥 또는 다각 기둥 형상을 가지며,
    상기 형상 치수는 원기둥 단면 원의 직경 또는 다각 기둥 단면의 다각형 의 어느 한 변의 길이인, 메타 광학 소자.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 나노 구조체가 상기 지지층으로부터 돌출된 두께, t는 다음 조건을 만족하는, 메타 광학 소자.
    λ/(2nswg) < t < λ
    여기서 λ는 상기 입사광의 파장이며, nswg는 상기 나노 구조체의 굴절률이다.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체에 의한 입사광의 위상 변화 범위는 0도 내지 360도의 범위에 이르는, 메타 광학 소자.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체는 유전체 또는 반도체 물질로 이루어진, 메타 광학 소자.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체의 굴절률은 상기 지지층의 굴절률보다 큰, 메타 광학 소자.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체 각각의 표면을 쉘(shell) 형태로 덮으며, 상기 나노 구조체의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 커버층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체를 전체적으로 덮거나, 상기 지지층 상의 상기 복수의 나노 구조체 사이의 영역에 상기 나노 구조체와 같은 두께로 형성되며, 상기 나노 구조체와 다른 굴절률을 가지는 커버층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 커버층의 굴절률은 상기 지지층의 굴절률과 같은, 메타 광학 소자.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 지지층과 상기 나노구조체 사이에 위치한 하부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  23. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체는
    상기 지지층 상에, 상기 지지층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 물질로 형성된 나노구조 형성층을 음각한 형태로 이루어진, 메타 광학 소자.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 지지층과 상기 나노구조체 사이에 위치한 하부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 나노구조 형성층의 음각 영역을 채우며 상기 나노구조 형성층 상부로 연장 형성된 커버층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 커버층 상에 위치하며, 상기 커버층의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 상부 유전체층;을 더 포함하는, 메타 광학 소자.
  28. 제10항의 메타 광학 소자를 포함하는 광학 소자.
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