WO2023096302A1 - 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기 - Google Patents

유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기 Download PDF

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WO2023096302A1
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metasurface
structures
universal
dynamic light
free path
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신종화
김현희
장태용
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a free-path dynamic light condensation distribution generator including a universal metasurface capable of controlling an optical path.
  • Microfluidic channels are used in many industries, such as pharmaceutical/bio, medical, point-of-care device manufacturing, etc.
  • Conventionally since physical solid structures are mainly used as microfluidic channels, the structure can be easily changed once created. However, it is difficult to implement a 3D path, and most of them are limited to topological structures with two-dimensional connectivity.
  • the use of an optical tractor based on optical force enables a tractor differentiated from the conventional microfluidic channel.
  • optical forces are suitable for manipulating and controlling mesoscopic systems characterized by length scales in the range of tens of nanometers to hundreds of micrometers, force scales in the range of femtonewtons to nanonewtons, and time scales in the range of microseconds or longer.
  • Research on optical tweezers and optical tractors has been conducted in various fields. However, since these optical tractors still have the disadvantage of not being able to transport particles over a long distance and in a complicated path, even if the optical tractor is applied to a microfluidic channel, the implementation of a 3D path is limited, as in conventional microfluidic channels.
  • Patent Document Republic of Korea Patent Publication No. 10-2021-0080431
  • the present invention provides a free path dynamic light focusing distribution generator including a universal metasurface capable of forming and adjusting a free light path including 3D.
  • a first aspect of the present application is a free path dynamic light focusing distribution generator including a polarization control unit, a universal metasurface, and an image transfer unit, wherein polarized light incident through the polarization control unit passes through the universal metasurface to obtain a desired electric field intensity.
  • a free path dynamic light condensing distribution generator is provided in which a distribution is formed and the electric field intensity distribution is transmitted to a desired location through the image transfer unit.
  • a second aspect of the present invention provides a microfluidic chip, including the free path dynamic light focusing distribution generator according to the first aspect, wherein the electric field intensity distribution transmitted to a desired location forms a free path opto-fluidic channel.
  • the free path dynamic light convergence distribution generator is variable in that it can change the path of a free path optical fluid channel formed by replacing only the metasurface.
  • the polarization control unit such as a half-wave plate is placed in front of the metasurface to adjust the incident polarization, thereby moving the position of the maximum beam intensity (light focusing distribution) to move the particles in a desired direction, so the system has a simple feature.
  • the microfluidic chip to which the free-path dynamic light convergence distribution generator according to embodiments of the present application is applied uses a universal metasurface that can function independently according to different incident polarization states, It is a microfluidic channel device that allows particles of any size to move in an arbitrary three-dimensional path inside a fluid without a structure acting as a physical passage.
  • the present invention can change the network configuration of the fluid channel through real-time control of the incident light or change the movement speed of particles. It has the advantage of being able to control differently depending on the zone or to change various functions such as splitter, circulator, and accumulator in real time.
  • the microfluidic chip of the present application can be implemented without a physical structure inside a fluid, and shows the possibility of being used in various industrial fields where the behavior of particles must be controlled in a complex and fine manner with spatial efficiency. Representatively, it can be applied to the pharmaceutical industry that requires fine drug manufacturing technology.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the implementation of a free path dynamic light convergence distribution generator and a microfluidic chip using the same, according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing independent electric field intensity distributions formed passing through a universal metasurface according to two incident polarizations perpendicular to each other, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph (a) showing a change in the polarization of an incident beam from x-polarized light to polarization forming a specific angle with the x-axis over time, and the distribution of electric field strength accordingly It is a graph (b) showing the movement along the path.
  • FIG. 5 is a schematic diagram (a) showing that a desired light path (electric field intensity distribution) is formed in front of the universal metasurface in one embodiment of the present application and a diagram showing the result of simulating the image formed according to the z-axis position (b, c).
  • FIG. 6 is a simulation result showing field intensity patterns (a, b) formed at a position of 480 nm from the universal metasurface in one embodiment of the present application: the circle shape is out of focus (out of focus). out of focus, so it looks blurry.
  • FIG. 7 is a simulation result showing field intensity patterns (a, b) formed at a position of 720 nm from the universal metasurface in one embodiment of the present application: the line shape is out of focus (out of focus). out of focus, so it looks blurry.
  • FIG. 8 is a diagram showing the shapes of structures in the first layer structure group of the universal metasurface and their control factors according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the shapes of structures in the first layer structure group and the second layer structure group of the universal metasurface and their control factors in one embodiment of the present application.
  • FIG. 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape of a structure in a first layer structure group (a) and a second layer structure group (b) of a universal metasurface according to an embodiment of the present application. am.
  • FIG. 11 is a diagram showing a first layer metasurface of a universal metasurface and an arrangement of structures according to its enlargement according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a second layer metasurface of a universal metasurface and an arrangement of structures according to its enlargement according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a free path dynamic light convergence distribution generator and an apparatus for generating an image using the same, according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing independent electric field intensity distributions formed passing through a universal metasurface according to incident circular polarization according to an embodiment of the present disclosure.
  • 15 is a schematic diagram showing independent electric field intensity distributions formed passing through a universal metasurface according to incident linear polarization according to an embodiment of the present disclosure.
  • step of or “step of” as used throughout this specification does not mean “step for”.
  • a first aspect of the present application is a free path dynamic light focusing distribution generator including a polarization control unit, a universal metasurface, and an image transfer unit, wherein polarized light incident through the polarization control unit passes through the universal metasurface to obtain a desired electric field intensity.
  • a free path dynamic light condensing distribution generator is provided in which a distribution is formed and the electric field intensity distribution is transmitted to a desired position through the image transfer unit.
  • the universal metasurface may form independent electric field intensity distributions for two incident polarizations perpendicular to each other.
  • the universal metasurface may implement a dynamic light focusing distribution that appears as a dynamic electric field intensity distribution by continuously adjusting the orientation of incident polarized light.
  • a schematic design of the present free path dynamic light condensation distribution generator can be confirmed.
  • incident light having linear polarization passes through a half-wave plate for controlling alignment of linear polarization
  • the incident light has linear polarization whose alignment is controlled.
  • the incident light having linearly polarized light whose alignment is controlled passes through a properly designed universal metasurface (a two-layer metasurface) to form a designed electric field intensity distribution.
  • the metasurface is designed to have a light focusing distribution in which the maximum intensity of the electric field is located along the target free light path.
  • an appropriate optical system including a lens or the like, it is possible to transfer the light path through the metasurface so that the formed light path is focused on a desired position in the microfluidic chip.
  • green and blue arrows inside the microfluidic chip indicate the moving paths of different microparticles, respectively, and yellow circles indicate positions of the maximum intensity of an electric field periodically present along an optical path. The blue path and the green path do not intersect.
  • the optical path it is possible to move different types of microparticles in a desired direction along the optical path in a physically disconnected microfluidic channel so that the moving paths of different types of microparticles do not cross each other.
  • the maximum electric field intensity distribution is formed on the optical path and at the same time, it must be designed to be staggered from the case of the x-polarized beam.
  • the electric field intensity distribution can be implemented so that the waist (maximum intensity) of the beam is located at the position where the particle is desired to be trapped by using the universal metasurface.
  • a properly designed two-layer metasurface is used, independent arbitrary intensity distributions for two mutually orthogonal polarizations can be implemented. Therefore, in a of FIG. 2, when a two-layer metasurface is irradiated with an x-polarized beam, the microparticles in the fluid tend to gather at the position of maximum intensity (yellow circle) on the light path. Similarly, in the case of b of FIG. 2 using the y-polarized beam, the microparticles in the fluid will try to gather at the point of maximum intensity (yellow circle) on the optical path alternately positioned with the case of a of FIG. 2 .
  • the polarization control unit may include a polarizing plate and/or a phase retardation plate. Specifically, the orientation of incident polarization may be adjusted through the polarization control unit, and a dynamic light focusing distribution appearing as a dynamic electric field intensity distribution may be generated through continuous adjustment.
  • the incident light has x-polarized light (a), linear polarized light having an angle of 45 degrees with the x-axis (b), and y-polarized light (c), in each case, the maximum The electric field intensity distribution can be confirmed.
  • the position of the maximum electric field strength on the optical path is at the midpoint between the distribution of a (x-polarized incident beam) in FIG. 3 and the distribution of c (y-polarized incident beam) in FIG.
  • the present free path dynamic light convergence distribution generator can operate as a light conveyor.
  • the incident polarization may include linear polarization, circular polarization, or elliptical polarization.
  • the formation of the dynamic electric field intensity distribution may be performed through polarization control that changes polarization alignment in the polarization control unit.
  • the change in the dynamic electric field intensity distribution is a change in the configuration of the universal metasurface, a distance between the universal metasurface and the polarization control unit, and a distance between the universal metasurface and the image transfer unit. It may be performed by adjusting one or more.
  • the polarization of the incident light may be changed from x-polarized light to polarized light forming a specific angle with the x-axis according to time.
  • the complex intensity is a cosine form along an arbitrary one-dimensional light path
  • the complex intensity is a sine form (pi/2 phase difference ) to design the phase distribution.
  • the x-axis component of the electric field is cos( ⁇ t)
  • the y-axis component is sin( ⁇ t)
  • the complex intensity on the image plane is It can be expressed as a linear sum of the intensity multiplied by the target phase distribution curve along each path.
  • the distribution of the electric field intensity over time gradually moves along the light path. That is, the location of the maximum intensity on the optical path moves in parallel.
  • incident polarization may be gradually changed over time using a half-wave plate.
  • the particles inside the fluid are trapped at the position of the electric field's maximum intensity, and when the polarization state of the electric field changes over time, the particles move along an arbitrary designed path, thereby acting as an optical tractor. This can be implemented.
  • the optical path designed through the universal metasurface is formed and confirmed through simulation.
  • x-polarized light incident through the polarization control unit forms an optical path through the universal metasurface (Fig. 5a) and observes it through an image camera according to the position of the z-axis.
  • the angular shape can be confirmed.
  • the line shape is clearly visible, but the circle shape is out of focus, so it can be confirmed that it looks blurry.
  • the field intensity pattern formed at the z-axis 720 ⁇ m from the universal metasurface is clearly visible in the circle shape, but blurry because the line shape is out of focus. (a and b in FIG. 7).
  • the universal metasurface may be a dual-layer metasurface, including a first-layer metasurface and a second-layer metasurface.
  • the metasurface of the first layer is formed on a substrate, includes a first host material and a plurality of first structures, and the metasurface of the second layer is the metasurface of the first layer. and may include a plurality of second structures, and the first and second plurality of structures may be arranged independently and spaced apart from each other.
  • the substrate may be a glass substrate, and each of the first and second plurality of structures may include silicon, but is not limited thereto.
  • the first host material supports the plurality of first structures and may include SU-8 (epoxy-based photoresist), but is not limited to use as long as it is a transparent dielectric.
  • a transparent material may have a lower refractive index than that of the plurality of first structures.
  • each of the plurality of first structures and the plurality of second structures may have a shape of a rectangular parallelepiped, an elliptical column, a semi-ellipsoid, or a lying semi-cylindrical column.
  • each of the plurality of first structures and the plurality of second structures includes selected from the group consisting of metals, metal mixtures, alloys, inorganic materials, organic/inorganic hybrid materials, and combinations thereof.
  • the inorganic material may include one selected from among oxides, nitrides, semiconductors having a bandgap greater than that of visible light, and dielectric materials, but may not be limited thereto.
  • the oxide may include one selected from SiO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , ITO, TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , and SnO 3 , and the nitride may be Si 3 N 4 or It may include nitrides of transition metals, but may not be limited thereto.
  • the first host material may include a gaseous material, a liquid material, or a solid material.
  • the gaseous material may include air, nitrogen, or an inert gas, and the inert gas may specifically include argon gas, but may not be limited thereto.
  • the solid material may be a low refractive index dielectric material such as SiO 2 , MgF 2 , or NaF, or poly(methyl methacrylate) [poly(methyl methacrylate)], polystyrene, polycarbonate, and the like. It may include an organic material or a material including pores such as expandable polystyrene, but may not be limited thereto.
  • the first plurality of structures include two or more first layer structure groups, each of the first layer structure groups includes structures having different shapes from each other, and the second plurality of structure groups
  • the structure may include two or more groups of second layer structures, and each group of second layer structures may include structures having the same shape.
  • the first plurality of structures and the second plurality of structures are in the shape of an elliptical column, and the length of the long axis, the length of the short axis and the horizontal of the structures in the first layer structure group are rotated At least one of the angles ⁇ 1 may be adjusted, and at least one of the length of the major axis, the length of the minor axis, and the angle ⁇ 2 rotated with respect to the horizontal of the structures in the second layer structure group may be adjusted.
  • the structure of the first layer and the structure of the second layer may be the same as or different from each other.
  • the first layer has a length of a major axis and a length of a minor axis. and the rotated angle of the major axis with respect to the horizontal ( ⁇ 1 ).
  • the lengths of the major axis and the minor axis are fixed, and the metasurface can be adjusted by a factor of the rotated angle of the major axis with respect to the horizontal ( ⁇ 1 ).
  • the structure of the first layer may include two groups having different lengths of major and minor axes and different rotated angles.
  • the metasurface configured as shown in FIG. 9 can realize the formation of independent electric field intensity distributions for incident polarizations perpendicular to each other, by adjusting a total of 8 control factors.
  • the universal metasurface of the present invention can create an elliptical nanopost array by patterning each layer of the two-layer metasurface through two E-beam lithography processes. Therefore, since a universal metasurface can be formed through a patterning process through two lithography processes, the universal metasurface of the present application has a minimum line width (about 80 nm) of a metasurface that is less than that of a commercially available DRAM semiconductor (about 20 nm). ), and considering that only two patterning is required unlike semiconductor devices that require dozens of patterning, mass production is sufficiently recognized.
  • the image transfer unit may include an objective lens and a convex lens.
  • the image transfer unit may use a general optical system, and a commercially available microscope may be used.
  • the free path dynamic light focusing distribution generator may include an optical tractor or an optical tweezer.
  • the free path dynamic light focusing distribution generator may include an optical tractor or an optical tweezer.
  • using a universal metasurface it is possible to create a 3D hologram with phase, polarization, and intensity all adjusted.
  • independent 3D holograms can be created according to two incident polarizations that are orthogonal to each other.
  • FIG. 13 is an optical measurement setup in which an image can be obtained from a fabricated sample by adjusting incident polarization and metasurface position.
  • incident polarization states are right-circular polarization (RCP) and left-circular polarization (LCP) polarization, respectively
  • an image such as a hologram can be formed by measuring an image by adjusting the position of the metasurface. This is like a video that can be displayed by scanning a 3D image in the z direction in front of the metasurface.
  • the present application shows spiral images and KAIST characters in RCP and left-circular polarization (LCP) incident beam polarizations, respectively, by using the principle of a universal metasurface that can independently control polarization, intensity, and phase in two polarizations perpendicular to each other. It can be implemented by designing a universal metasurface that can be implemented (FIG. 14).
  • the free path dynamic light convergence distribution generator of the present invention can implement completely different field profiles independently in RCP and LCP, and polarizations of x- and y-polarized incident light (FIGS. 14 and 15).
  • a second aspect of the present invention provides a microfluidic chip, including the free path dynamic light focusing distribution generator according to the first aspect, wherein the electric field intensity distribution transmitted to a desired location forms a free path opto-fluidic channel.
  • incident polarization as dynamic polarization (when the orientation of polarized light is continuously adjusted) in the free path dynamic light focusing distribution generator
  • the electric field intensity distribution on the light path formed through the metasurface is a dynamic electric field intensity distribution. (moving condensing distribution).
  • the dynamic electric field intensity distribution (light focusing distribution) may serve as an optofluidic channel.
  • the microfluidic chip may include any disconnected fluid channels, and the free path optical fluid channels may connect the arbitrary disconnected fluid channels.
  • a free path optical fluidic channel having an arbitrary path is formed in the empty space between the junctions at both ends of the physically disconnected channel of the microfluidic chip. Particles can be moved from one broken junction to another.
  • conventional microfluidic channels are only capable of two-dimensional paths, cross-propagation is difficult (difficulty in cross-propagation due to encounters between paths), the present invention forms 3-dimensional arbitrary paths and moves particles through a free-path dynamic light convergence distribution generator. By doing so, cross-transfer between channels and fine adjustment may be possible.
  • microfluidic chip of the present disclosure can be applied to various industrial fields because an arbitrarily formed microfluidic channel can be integrated with a microactuator capable of driving and controlling the system.
  • a microactuator capable of driving and controlling the system.
  • the microfluidic chip by applying the microfluidic chip to a lab-on-a-chip system that can integrate various analyzes performed in a laboratory into a single chip using only a small amount of fluid, advantages such as cost efficiency, parallelization, and increased diagnostic speed and sensitivity can be obtained. there is.
  • microfluidic chips are used in various fields such as medicine, drug manufacturing, cell biology, etc., and the present invention overcomes the limitations of existing microfluidic channels to obtain path variability and high degree of freedom, thereby solving problems in the above industrial fields. can be used to solve

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Abstract

본원은, 광 경로 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에 관한 것이다.

Description

유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기
본원은, 광 경로 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에 관한 것이다.
마이크로 유체 채널은 여러 산업 분야, 예를 들어 제약/바이오, 의료, 현장진단기기 제조 등에 사용되고 있는 것으로, 종래에는 물리적 솔리드 구조체가 주로 마이크로 유체 채널로 이용되기 때문에 한 번 만들어지면 쉽게 그 구조를 바꿀 수 없고 3D 경로 구현이 어려워 대부분 2차원적 연결성을 가지는 위상기하적 구조로 한정되는 단점이 있다. 광학적 힘을 기반으로 하는 광트랙터(optical tractor)를 이용하면 상기 종래의 마이크로 유체 채널과 차별성이 있는 트랙터를 가능하게 할 수 있다. 광학적 힘은 수십 나노미터~수백 마이크로미터 범위의 길이 스케일, 펨토뉴턴~나노뉴턴 범위의 힘 스케일 및 마이크로초 이상의 시간 스케일을 특징으로 하는 메조스코픽 시스템을 조작 및 제어하는 데 적합하므로 이러한 광학적 힘을 이용한 광집게와 광트랙터에 관한 연구가 다방면으로 행해져 왔다. 하지만 아직까지 이러한 광트랙터는 입자를 먼 거리, 복잡한 경로로 운반할 수 없다는 단점이 있으므로, 광트랙터를 마이크로 유체 채널에 적용하더라도 기존의 마이크로 유체 채널과 마찬가지로 3D 경로의 구현은 제한적이라는 한계가 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌) 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0080431호
본원은, 상기 문제점을 해결하기 위해, 3D를 비롯한 자유 광 경로 형성과 조절이 가능한 유니버셜 메타표면을 포함하는 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서, 상기 편광제어부를 통과한 입사되는 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 전기장 세기 분포가 형성되고, 상기 상 전달부를 통해 상기전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고, 목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는, 마이크로 유체 칩을 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는, 메타표면만 교체하면 형성되는 자유경로 광 유체 채널의 경로를 바꿀 수 있는 점에서 가변적이고, 특히 3차원의 자유경로가 가능한 광트랙터를 구현할 수 있다. 또한 메타표면 앞에서 반파장판 등의 편광제어부를 위치시켜서 입사 편광을 조절함으로써 최대 빔 세기 위치(광집속 분포)를 이동시킴으로써 입자를 원하는 방향으로 이동시킬 수 있으므로 시스템이 단순한 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기가 적용된 마이크로 유체 칩은, 서로 다른 입사 편광 상태에 따라 독립적인 기능을 할 수 있는 유니버셜 메타표면을 이용하는 것으로, 서브 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 사이즈를 갖는 입자를 물리적 통로 역할을 하는 구조체 없이 유체 내부에서 3차원의 임의의 경로로 이동시킬 수 있게 하는 마이크로 유체 채널 장치이다. 또한 기존 마이크로 유체 채널은 한 번 제작을 하면 그 연결 구조가 고정되고 이에 따라 그 기능도 고정되어 있는 반면, 본원은 입사광의 실시간 제어를 통해 유체 채널의 네트워크 구성 자체를 바꾸거나, 입자의 이동 속도를 구역에 따라 다르게 제어하거나, 스플리터(splitter), 서큘레이터(circulator), 어큐뮬레이터(accumulator) 등 다양한 기능을 실시간으로 바꿀 수 있는 장점을 가진다. 따라서, 본원의 마이크로 유체 칩은 유체 내부에서 물리적 구조체 없이도 구현가능한 것으로 공간적 효율을 갖고 입자의 거동을 복잡하고 미세하게 제어해야 하는 여러 산업분야에 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. 대표적으로 미세한 약물 제조 기술이 필요한 제약산업 등에 적용될 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기와 이를 이용한 마이크로 유체 칩의 구현을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 두 가지 서로 수직인 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 각각 x 편광(a), x축과 45도의 각도를 갖는 선형 편광(b), y 편광(c)을 가지는 입사 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포를 나타내는 그림이다. 이에 따라, 입사 편광이 동적 편광(편광의 배향이 연속적으로 조절될 때)일 때, 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포가 동적 전기장 세기 분포(이동하는 광집속 분포)가 된다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사빔의 편광을 시간에 따라 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로의 변화를 나타내는 그래프(a)와 이에 따른 전기장 세기의 분포가 점차 광 경로를 따라 이동하게 됨을 나타내는 그래프(b)이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면 앞에 목적하는 광 경로(전기장 세기 분포)가 형성되는 것을 나타내는 개략도(a)와 z축 위치에 따른 형성되는 이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그림(b, c)이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면으로부터 480 nm 위치에 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴(a, b)을 나타내는 시뮬레이션 결과이다: 원(circle) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보임.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면으로부터 720 nm 위치에 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴(a, b)을 나타내는 시뮬레이션 결과이다: 선(line) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보임.
도 8은, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 9는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹과 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 형상과 이들의 조절 인자를 나타내는 그림이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 구조체 그룹(a)과 제 2 층 구조체 그룹(b)에서의 구조체 형상을 나타내는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 1 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 12는, 본원의 일 구현예에 있어서, 유니버셜 메타표면의 제 2 층 메타표면과 이의 확대에 따른 구조체 배열을 나타내는 그림이다.
도 13은, 본원의 일 구현예에 있어서, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기와 이를 이용한 이미지 생성을 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 14는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 원형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
도 15는, 본원의 일 구현예에 있어서, 입사되는 선형 편광에 따라 유니버셜 메타표면을 통과하여 형성되는 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
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.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
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.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서, 상기 편광제어부를 통과한 입사되는 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 전기장 세기 분포가 형성되고, 상기 상 전달부를 통해 상기 전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 서로 수직인 두 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 세기 분포를 형성하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 편광의 배향을 연속적으로 조절함에 따라 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포를 구현하는 것일 수 있다.
도 1을 참조하면 본원 자유경로 동적 광집속 분포 생성기의 개략적이 설계를 확인할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광을 갖는 입사광이 선형 편광 배향의 제어를 위한 반파장판을 지나면 입사광은 배향이 조절된 선형 편광을 갖는다. 다음으로 배향이 조절된 선형 편광을 갖는 입사광은 적절히 설계된 유니버셜 메타표면(두 층 메타표면)을 지나 설계된 전기장 세기 분포를 형성한다. 이는 목표로 하는 자유 광 경로를 따라 전기장의 최대 세기가 위치하는 광 집속 분포를 갖도록 메타표면이 설계되는 것이다. 또한, 렌즈 등을 포함하는 적절한 광학 시스템을 이용하여, 메타표면을 지나 형성된 광 경로를 마이크로 유체 칩 안의 원하는 위치에 맺히도록 광 경로 상을 전달할 수 있다. 도 1에서 마이크로 유체 칩 내부의 초록색과 파란색 화살표는 각각 서로 다른 마이크로 입자의 이동 경로를 의미하고, 노란 원은 광 경로를 따라 주기적으로 존재하는 전기장의 최대 세기 위치를 의미한다. 파란색 경로와 초록색 경로는 서로 만나지 않는다. 광 경로를 이용하면 물리적으로 끊어진 마이크로 유체 채널에서 광 경로를 따라 서로 다른 종류의 마이크로 입자의 이동 경로가 서로 교차하지 않도록 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 2를 참조하면 두 입사 편광에 대하여 독립적인 전기장 세기 분포의 형성을 확인할 수 있다. 도 2의 a와 같이, x편광 빔이 메타표면에 입사될 때 임의의 목표 광 경로를 따라 최대 전기장 세기가 주기적으로 위치하도록 설계할 수 있다. 또한, y편광 빔이 입사될 때는 그 목표 광 경로 상에서 최대 전기장 세기 위치가 도 2의 a 분포에 독립적인 전혀 다른 전기장 세기 분포가 형성될 수 있다 (도 2의 b). 이때 도 2의 b에서 볼 수 있듯이, 광 조절기 구현을 위해서는 y편광 빔을 조사하였을 때 최대 전기장 세기 분포가 광 경로 상에서 형성됨과 동시에 x편광 빔의 경우와 엇갈리도록 설계해야 한다.
한편, 입자는 빔이 가장 강하게 집속된 위치에 트래핑 되므로 유니버셜 메타표면을 이용하면 입자를 트래핑하고 싶은 위치에 빔의 허리(최대 세기)가 위치하도록 전기장 세기 분포를 구현할 수 있다. 또한, 적절히 설계된 하나의 두 층 메타표면을 이용하면 서로 직교성을 갖는 두 편광에 대하여 독립적인 임의의 세기 분포를 구현할 수 있다. 따라서 도 2의 a에서, 하나의 두 층 메타표면에 x편광 빔을 조사하였을 때는 유체 내의 마이크로 입자들이 광 경로 상의 최대 세기 위치(노란 원)에 모이려고 할 것이다. 마찬가지로, y편광 빔을 사용한 도 2의 b의 경우에도, 유체 내의 마이크로 입자들이 도 2의 a의 경우와 교대로 위치하는 광 경로 상의 최대 세기 지점(노란 원)에 모이려고 할 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 편광제어부는 편광판 및/또는 위상지연판을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 편광제어부를 통해 입사되는 편광의 배향이 조절될 수 있으며, 연속적인 조절을 통해 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포가 생성될 수 있다.
도 3을 참조하면 입사광이 x편광(a), x축과 45도의 각도를 갖는 선형 편광(b), y 편광을 가질 때(c), 각각의 경우에 메타표면을 지나 생성된 광 경로 상에서 최대 전기장 세기 분포를 확인할 수 있다. 도 3의 b의 45도 입사빔 편광의 경우 광 경로 상에서 최대 전기장 세기의 위치는 도 3의 a(x편광 입사빔)의 분포와 도 3의 c(y편광 입사빔)의 분포의 중간 지점에 위치하는 것이 수학적으로 증명될 수 있다. 즉, 시간에 따라 입사빔의 편광을 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로 변화시킴에 따라 최대 세기 지점이 광 경로를 따라 서서히 이동한다. 따라서 마이크로 입자들이 유체 내부에 존재하고, 두 층 메타표면을 이용하여 유체 내부에 광 경로 상을 형성시킨다면, 입사빔의 선형 편광의 배향을 서서히 연속적으로 변화시킴으로써 동적 전기장 세기 분포가 나타나므로 (이동하는 광집속 분포), 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광 컨베이어로서 작동할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 입사되는 편광은 선형 편광(linear polarization), 원형 편광(circular polarization) 또는 타원형 편광(elliptical polarization)을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 동적 전기장 세기 분포의 형성은, 상기 편광제어부에서의 편광 배향을 변화시키는 편광 조절을 통해 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 동적 전기장 세기 분포의 변경은, 상기 유니버셜 메타표면의 구성 변경, 상기 유니버셜 메타표면과 상기 편광제어부 사이의 거리 및 상기 유니버셜 메타표면과 상기 상 전달부 사이의 거리 중 하나 이상을 조절함으로써 수행되는 것일 수 있다.
도 4의 a와 같이, 입사광의 편광을 시간에 따라 x편광에서 x축과 특정한 각도를 이루는 편광으로 변화시킬 수 있다. 상이 맺히는 초점 위치에서의 선형 x편광의 가우시안 빔을 조사하였을 때 복소 세기가 임의의 1차원 광 경로를 따라 cosine 형태, 선형 y 편광의 가우시안 빔을 조사하였을 때는 복소 세기가 sine 형태(pi/2 위상차)를 그리도록 위상 분포를 설계한다. 입사 빔의 편광과 x축 사이의 각도가 Ωt일 때 전기장의 x축 방향 성분은 cos(Ωt)이고, y축 방향 성분은 sin(Ωt)이고, 이미지 면에서의 복소 세기는 각각의 축 성분의 세기에 각각의 경로에 따른 목표 위상 분포 곡선을 곱하여 선형 합하여 나타낼 수 있다. 이 경우 도 4의 b에서와 같이, 시간에 따른 전기장 세기의 분포가 점차 광 경로를 따라 이동하게 됨을 확인할 수 있다. 즉, 광 경로 상의 최대 세기 위치가 평행이동 한다. 일 예로 반파장판를 이용하여 시간에 따라서 서서히 입사 편광을 변화시킬 수 있다. 메타표면을 투과한 입사광이 유체에 조사되면 유체 내부의 입자가 전기장의 최대 세기 위치에 트래핑 되고, 전기장의 편광 상태가 시간에 따라 변화하면 입자가 임의의 설계된 경로를 따라 움직이므로 이로써 광학 트랙터로서의 작동이 구현될 수 있다.
도 5 내지 7을 참조하면, 유니버셜 메타표면을 통해 설계된 광 경로의 형성과 이의 시뮬레이션을 통한 확인을 알 수 있다. 구체적으로, 편광제어부를 통해 입사되는 x편광이 유니버셜 메타표면을 통해 광 경로를 형성(도 5의 a)하고 이를 z축의 위치에 따라 이미지 카메라를 통해 관찰하는 시뮬레이션을 통해 각 형성된 모양을 확인할 수 있다 (도 5의 b 및 c). 유니버셜 메타표면으로부터 z축 480 μm에서 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴은 선(line) 형태는 뚜렷하게 보이나, 원(circle) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보이는 것을 확인할 수 있다(도 6의 a 및 b). 또한, 유니버셜 메타표면으로부터 z축 720 μm에서 형성되는 전기장 세기(field intensity) 패턴은 원(circle) 형태는 뚜렷하게 보이나, 선(line) 형태는 아웃포커스(out of focus) 상태이기 때문에 흐리게 보이는 것을 확인할 수 있다(도 7의 a 및 b).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유니버셜 메타표면은 이중층의 메타표면으로서, 제 1 층의 메타표면과 제 2 층의 메타표면을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 층의 메타표면은 기판에 형성되며, 제 1 호스트 물질 및 제 1 복수의 구조체를 포함하고, 상기 제 2 층의 메타표면은 상기 제 1 층의 메타표면 상에 형성되고, 제 2 복수의 구조체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 독립적으로 서로 이격하여 배열되는 것일 수 있다. 상기 기판은 유리(glass) 기판일 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 실리콘을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 호스트 물질은 상기 제 1 복수의 구조체를 지지하는 것으로서, SU-8(에폭시계 포토레지스트)를 포함하는 것일 수 있으며, 투명한 유전체이면 사용에 제한되지는 않는다. 또한, 투명한 물질로 상기 제 1 복수의 구조체에 비해 굴절률이 작은 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 직육면체, 타원기둥, 반타원체, 또는 누워있는 반원기둥의 형상인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 금속, 금속 혼합물, 합금, 무기물, 유/무기물 하이브리드 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물은, 산화물, 질화물, 가시광선보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체, 및 유전체 물질 중에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 산화물은 SiO2, ZnO, Al2O3, ITO, TiO2, ZrO2, HfO2, 및 SnO3 중에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 질화물은 Si3N4 또는 전이금속의 질화물들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 호스트 물질은 기상 물질, 액상 물질, 또는 고상 물질을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기상 물질은 공기, 질소, 또는 불활성 기체를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 불활성 기체는 구체적으로 아르곤 기체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 고상 물질은 SiO2, MgF2, NaF와 같은 저굴절률 유전체 물질, 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)[poly(methyl methacrylate)], 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 유기물, 또는 발포성 폴리스티렌 등의 기공을 포함하는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체는 둘 이상의 제 1 층 구조체 그룹을 포함하고, 상기 각각의 제 1 층 구조체 그룹은 서로 상이한 형상의 구조체를 포함하는 것이고, 상기 제 2 복수의 구조체는 둘 이상의 제 2 층 구조체 그룹을 포함하고, 상기 각각의 제 2 층 구조체 그룹은 동일한 형상의 구조체를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체는 타원기둥 형상이고, 상기 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ1) 중에서 하나 이상이 조절되고, 상기 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ2) 중에서 하나 이상이 조절되는 것일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1 층의 구조체와 제 2 층의 구조체는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 예를 들어 타원형의 구조체가 사용될 경우에는 제 1 층은 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 장축의 회전된 각도(θ1), 제 2 층은 장축과 단축의 길이가 고정되고 수평에 대해 장축의 회전된 각도(θ1)의 인자로 메타표면이 조절될 수 있다. 예를 들어 도 9와 같이, 제 1 층의 구조체는 장축과 단축의 길이가 상이하고 회전된 각도가 상이한 두개의 그룹을 포함할 수 있으며, 이때 조절인자는 두개의 그룹과 장축과 단축의 길이, 회전된 각도를 모두 고려하면 6개가 된다. 또한 제 2 층의 구조체는 장축과 단축의 길이가 동일하고 회전된 각도만 상이한 두개의 그룹을 포함할 경우에는 조절인자는 2개가 된다. 따라서 도 9와 같이 구성된 메타표면은 총 8개의 조절인자를 조절함으로써 목적하는 서로 수직인 입사 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 세기 분포의 형성을 구현할 수 있다.
도 10 내지 13을 참조하면, 도 9와 같이 설계된 유니버셜 메타표면의 실제 제작 사진을 확인할 수 있다. 본원의 유니버셜 메타표면은 두 번의 E-빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 통하여 두 층 메타표면의 각 층을 패터닝하여 타원형 나노포스트(elliptical nanopost) 배열을 만들 수 있다. 따라서, 두 번의 리소그래피를 통한 패터닝 과정을 통해 유니버셜 메타표면을 형성할 수 있는 바, 본원의 유니버셜 메타표면은 메타표면의 최소 선폭(약 80 nm)이 상용화된 D램 반도체의 최소 선폭(약 20 nm)보다 훨씬 큰 수준이며, 수십 번의 패터닝이 필요한 반도체 소자와는 달리 단 두 번의 패터닝만 필요함을 감안할 때 충분히 양산성이 인정되는 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상 전달부는 대물렌즈 및 볼록 렌즈를 포함하는 것일 수 있다. 상기 상 전달부는 일반적인 광학 시스템을 이용할 수 있는 것으로, 상용화된 현미경이 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광트랙터(optical tractor) 또는 광집게(optical tweezer)를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 유니버셜 메타표면을 이용하면 위상, 편광, 세기가 모두 조절된 3D 홀로그램을 만들 수 있다. 특히, 서로 직교성을 갖는 두 입사 편광에 따라 독립적인 3D 홀로그램을 만들 수 있다.
도 13 내지 15를 참조하여 설명하면, 도 13은 입사 편광과 메타표면 위치를 조절하여, 제작된 샘플로부터 이미지를 얻을 수 있는 광 측정 셋업이다. 입사되는 편광 상태가 각각 RCP(right-circular polarization)와 LCP(left-circular polarization)편광일 때, 메타표면의 위치를 조절함에 따라 이미지를 측정하여 홀로그램과 같은 이미지를 형성할 수 있다. 이는 메타표면 앞에 맺힌 3차원 이미지를 z방향으로 스캔하여 보여줄 수 있는 동영상과 같다. 즉, 본원은 서로 수직인 두 편광에서 독립적으로 편광, 세기, 위상을 조절할 수 있는 유니버설 메타 표면의 원리를 이용하여 RCP와 LCP(left-circular polarization) 입사빔 편광에서 각각 나선 이미지와 KAIST 문자를 보일 수 있는 유니버설 메타표면을 디자인하여 구현할 수 있다 (도 14). 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 RCP와 LCP 및 x편광과 y편광의 입사광 편광에서 독립적으로 전혀 다른 필드 프로파일(field profile)을 구현할 수 있다 (도 14 및 도 15).
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고, 목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는, 마이크로 유체 칩을 제공한다. 구체적으로, 상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기에서 입사 편광을 동적 편광(편광의 배향이 연속적으로 조절될 때)으로 설계함으로써, 메타표면을 통과하여 형성되는 광 경로 상의 전기장 세기 분포가 동적 전기장 세기 분포(이동하는 집광 분포)가 될 수 있다. 상기 동적 전기장 세기 분포(광집속 분포)는 광 유체 채널로서의 역할을 할 수 있다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 마이크로 유체 칩은 임의의 단절된 유체 채널을 포함하고, 상기 자유경로 광 유체 채널이 상기 임의의 단절된 유체 채널을 연결하는 것일 수 있다.
도 1의 최우측 그림과 같이, 본원의 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 이용해 마이크로 유체 칩의 물리적으로 끊어진 채널의 양 끝 접합부 사이의 빈 공간에 임의의 경로를 갖는 자유경로 광 유체 채널을 형성함으로써 입자를 단절된 한 접합부에서 다른 접합부로 이동시킬 수 있다. 종래의 마이크로 유체 채널은 2차원 경로만 가능하여 교차 전달이 어려웠던 반면(경로 간의 만남 때문에 교차 전달이 어려움), 본원은 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 통해 3차원 임의의 경로를 형성하고 입자를 이동시킴으로써 채널 간의 교차 전달과 미세한 조정을 가능할 수 있다.
본원의 마이크로 유체 칩은, 임의로 형성될 수 있는 마이크로 유체 채널이 시스템을 구동시키고 제어할 수 있는 마이크로 액추에이터와 함께 통합될 수 있으므로 다양한 산업 분야에 응용될 수 있다. 특히 마이크로 유체 칩을 실험실에서 수행되는 다양한 분석들을 소량의 유체만을 이용하는 하나의 단일 칩에 통합할 수 있는 랩온어칩 시스템에 응용함으로써, 비용 효율성, 병렬화, 진단 속도 및 감도 증가 등의 장점을 얻을 수 있다. 또한 마이크로 유체 칩은 의학, 약물 제조, 세포생물학 등의 여러 분야에 사용되고 있는데, 본원은 기존의 마이크로 유체 채널의 한계를 극복하여 경로의 가변성 및 높은 자유도를 얻을 수 있으므로, 상기 산업 분야에서 있었던 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 편광제어부, 유니버셜 메타표면 및 상 전달부를 포함하는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기로서,
    상기 편광제어부를 통과한 입사되는 동적 편광이 상기 유니버셜 메타표면을 통과하여 목적하는 임의의 동적 전기장 세기 분포가 형성되고,
    상기 상 전달부를 통해 상기 동적 전기장 세기 분포가 목적하는 위치로 전달되는,
    자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 서로 수직인 두 편광에 대하여 서로 독립적인 전기장 분포를 형성하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유니버셜 메타표면은 입사되는 편광의 배향을 연속적으로 조절함에 따라 동적 전기장 세기 분포로서 나타나는 동적 광집속 분포를 구현하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광제어부는 편광판 및/또는 위상지연판을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유니버셜 메타표면은 이중층의 메타표면으로서, 제 1 층의 메타표면과 제 2 층의 메타표면을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 메타표면은 기판에 형성되며, 제 1 호스트 물질 및 제 1 복수의 구조체를 포함하고,
    상기 제 2 층의 메타표면은 상기 제 1 층의 메타표면 상에 형성되고, 제 2 복수의 구조체를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 복수의 구조체는 각각 독립적으로 서로 이격하여 배열되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체 각각은 직육면체, 타원기둥, 반타원체, 또는 누워있는 반원기둥의 형상인 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 구조체는 둘 이상의 제 1 층 구조체 그룹을 포함하고,
    상기 각각의 제 1 층 구조체 그룹은 서로 상이한 형상의 구조체를 포함하는 것이고,
    상기 제 2 복수의 구조체는 둘 이상의 제 2 층 구조체 그룹을 포함하고,
    상기 각각의 제 2 층 구조체 그룹은 동일한 형상의 구조체를 포함하는 것인,
    자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 구조체 및 상기 제 2 복수의 구조체는 타원기둥 형상이고,
    상기 제 1 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ1) 중에서 하나 이상이 조절되고,
    상기 제 2 층 구조체 그룹에서의 구조체의 장축의 길이, 단축의 길이 및 수평에 대해 회전된 각도(θ2) 중에서 하나 이상이 조절되는, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사되는 편광은 선형 편광(linear polarization), 원형 편광(circular polarization) 또는 타원형 편광(elliptical polarization)을 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 동적 전기장 세기 분포의 형성은, 상기 편광제어부에서의 편광 배향을 변화시키는 편광 조절을 통해 수행되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 동적 전기장 세기 분포의 변경은, 상기 유니버셜 메타표면의 구성 변경, 상기 유니버셜 메타표면과 상기 편광제어부 사이의 거리 및 상기 유니버셜 메타표면과 상기 상 전달부 사이의 거리 중 하나 이상을 조절함으로써 수행되는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 상 전달부는 대물렌즈 및 볼록 렌즈를 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유경로 동적 광집속 분포 생성기는 광트랙터(optical tractor) 또는 광집게(optical tweezer)를 포함하는 것인, 자유경로 동적 광집속 분포 생성기.
  15. 제 1 항에 따른 자유경로 동적 광집속 분포 생성기를 포함하고,
    목적하는 위치로 전달된 전기장 세기 분포가 자유경로 광 유체 채널을 형성하는,
    마이크로 유체 칩.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로 유체 칩은 임의의 단절된 유체 채널을 포함하고,
    상기 자유경로 광 유체 채널이 상기 임의의 단절된 유체 채널을 연결하는 것인, 마이크로 유체 칩.
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