메타표면이란?

메타표면이란 빛의 파장보다 작은 초박형, 평면형의 나노 메타물질입니다. 메타표면에는 나노 구조 및 하위 파장 특성이 포함되어 있으며, 이에 따라 입사 광파의 위상, 편광 및 진폭이 변경될 수 있습니다. 메타표면은 주로 가시 광선 범위에 중점을 두고 있지만, 항공 우주 및 방위 응용 분야에서 중파 및 장파 적외선 파장을 조작하는 데도 메타표면을 사용할 수 있습니다.

메타물질이란 메타 원자로 알려진 나노 구성 요소로 이루어진 합성 재료로, 기둥 또는 원통으로 배열됩니다. 천연 재료에서는 찾을 수 없는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 메타물질은 광학, 음향 및 기타 전자기파를 조작하는 데 사용됩니다. 메타물질은 첨단 재료 및 나노포토닉스 영역에서 최근 몇 년 동안 급성장한 분야입니다.

메타렌즈(메타 광학이라고도 함)는 다양한 광학 구성 요소에서 빛을 제어하고 조작하는 데 사용되는 특수한 종류의 메타물질입니다. 기존의 광학은 훨씬 더 작은 광학 메타표면으로 대체되기 시작했습니다. 메타렌즈는 평면 광학으로, 곡률이 없는 렌즈와 기타 광학 구성 요소에 사용되고 있습니다.

메타물질 및 메타표면의 표면에 있는 원통형 또는 기둥은 다양한 파동의 동작을 조작하고 제어할 수 있습니다. 기둥은 주기적 패턴으로 배열되므로 설계에 따라 메타표면이 서로 다른 방식으로 상호 작용할 수 있습니다.

메타표면의 모양과 크기는 제각각이며, 전부 서로 다른 단위 셀 구성 요소로 이루어져 있습니다. 메타표면은 응용 분야 및 의도된 광학 속성에 따라 다양한 재료로 제작될 수 있습니다.

메타물질은 지오메트리 또는 재료 구성에 따라 기능이 달라집니다. 예를 들어 빛의 위상만 조정하는 메타물질도 있고, 빛 전파를 지원하는 메타물질도 있습니다.

메타표면은 크게 유전체 및 플라즈모닉이라는 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 모든 메타표면은 토폴로지 및 광학 속성을 추가로 사용자 정의하는 데 필요한 다양한 나노 구조를 포함할 수 있으며, 엔지니어는 이를 통해 다기능 속성을 가진 광학 장치를 만들 수 있습니다.

유전체 메타표면

유전체 메타표면은 굴절률 대비가 높은 메타표면으로, 단면이 정사각형 또는 원통형인 나노 유전체 또는 반도체 기둥이 공기로 둘러싸여 있습니다. 유전체 메타표면은 가시광선 파장과 적외선 파장에 걸친 관심 파장에서 투명한 재료를 사용하므로 플라즈모닉 메타표면보다 흡수 손실이 낮은 편입니다.

유전체 메타표면 제조에 사용되는 재료는 다음과 같습니다.

• 실리콘(Si)
• 질화 실리콘(Si₃N₄)
• 게르마늄(Ge)
• 3-5족 반도체(GaAs, GaP 등)
• 니오브산 리튬(LiNbO₃)
• 이산화 티타늄(TiO₂)
• 타이타늄산 바륨(BaTiO₃)
• 2D 재료 반도체(WS₂, GaSe 등)

플라즈모닉 메타표면

플라즈모닉 메타표면은 표면에 플라즈모닉 나노 입자 또는 플라즈모닉 나노 구조(예: 안테나)가 포함된 금속 유전체 메타표면입니다. 자유 공간 파장 또는 진공 상태에서 전자기파의 파장보다 짧은 거리에 배열됩니다. 플라즈모닉 메타표면은 플라스몬을 사용하는데, 이는 금속과 유전체(즉, 절연 재료) 경계에서 이루어지는 전자의 집단 운동을 말합니다. 표면 플라스몬은 크기가 커서 엔지니어가 감지 또는 이미징과 같은 응용 분야에서 매우 작은 단위의 빛을 제어하고 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다. 은과 금은 표면 플라스몬 거동을 지원하는 광학적 속성이 있기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 금속입니다.

플라즈모닉 메타표면은 광자 결정과 유사하며, 메타물질의 반복 패턴이 전자기파의 거동을 제어합니다. 메타물질 표면의 플라즈몬은 금속의 자유 전자들이 빛에 반응하여 함께 움직일 때 형성됩니다. 빛이 금속과 부딪히면 에너지가 흡수되면서 전자가 진동하게 됩니다. 이를 공명 거동이라고 하며, 이로 인해 전자가 광파와 결합되어 금속-유전체 계면을 따라 자립적인 방식으로 파동이 전파될 수 있습니다.

메타표면의 나노 구조

메타물질은 메타원자의 단위 셀을 정의하는 기본 반복 패턴과 함께 속성을 최적화할 수 있도록 특별히 설계된 다양한 나노 구조를 포함할 수 있습니다. 몇 가지 실제 예는 다음과 같습니다.

• 메타물질 표면의 나노미터 안테나. 구부러져 있거나 직선 형태의 작은 안테나로, 모양에 따라 균질 광학 속성을 가지게 되거나 비선형 광학 속성을 가지게 됩니다.
• 그래핀 또는 금속 필름에 작은 홈 또는 구멍(나노패턴 및 나노슬릿이라고 함)을 만들어 광학장을 변경할 수 있습니다. 이러한 특성은 빛의 거동을 제한하거나 강도를 높여 변화를 일으킵니다.
• 경우에 따라 여러 층의 나노 구조화된 메타물질을 서로 겹쳐 쌓아 반사를 줄이고 빛이 물질을 통해 더 부드럽게 흐르도록 할 수 있습니다. 이 프로세스를 임피던스 매칭이라고 합니다.

세 가지 유형의 메타 원자(삼각형, 원형 및 사각형 기둥)가 있는 메타표면 지오메트리

메타렌즈는 다양한 응용 분야와 산업 부문에 대한 관심을 받고 있습니다.

감지

메타렌즈는 초소형이고 메타물질 광학은 다기능 특성으로 인해 다양한 응용 분야에서 잘 작동할 수 있으므로 메타렌즈의 가장 크고 광범위한 응용 분야는 바로 감지 분야입니다. 

메타렌즈를 사용하는 엔지니어는 빛의 특정 파장과 편광을 선택할 수 있습니다. 메타물질을 사용하면 카메라와 스마트폰에 초박형 센서를 통합할 수 있으며, 단일 광자를 포집하여 화질을 개선하고 장치에 다기능을 추가할 수 있습니다. 또한 방위 분야의 첨단 메타표면 기반 센서는 편광을 사용하여 반사를 필터링하여 적외선과 가시광선을 모두 감지할 수 있습니다. 메탈렌즈는 초소형이므로 내시경과 같은 의료 이미징 응용 분야에서도 각광을 받고 있습니다. 이 분야에서는 의사들이 몸 속을 볼 수 있도록 소형 센서가 매우 중요한 역할을 합니다.

자동차

자동차 산업에서도 메타표면의 여러 응용 분야가 개발되고 있습니다. 감지 분야와 직접적인 관련이 있는 한 가지 사용 사례로는 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 및 자율주행 자동차에 널리 사용되는 첨단 라이다 센서 제작 분야가 있습니다. 또 다른 주요 응용 분야로는 자동차에서 빛이 더 효율적으로 투사되도록 하는 초소형 플랫 헤드램프가 있습니다.

자동차 산업은 규제가 심한 기술 분야이며 모든 장치 간에 일관된 품질을 요구하기 때문에 아직 메타표면을 광범위하게 채택하지 않았습니다(처음부터 초소형 메타표면을 만들어야 하는 제조 과정의 과제는 제외). 그러나 전문가들은 자동차 산업은 곧 급성장하게 될 것이라고 예측합니다.

이미징

다른 형태의 회절 광학과 마찬가지로 다양한 파장의 빛은 메타렌즈와 다르게 상호 작용합니다. 생성된 다양한 상호 작용을 색채 효과라고 합니다. 이 특성은 이미징 응용 분야에서 특정 색상을 필터링하는 데 유용하게 사용될 수 있습니다. 반면에, 다양한 파장에서 작동하는 광대역 이미징 응용 분야에는 강한 색수차가 바람직하지 않을 수 있습니다. 하지만 광대역 이미징 기능을 갖춘 메타렌즈 개발 분야는 활발한 연구가 진행되고 있습니다.

의료 분야에서 메타표면이 사용되는 한 가지 예로는 내시경으로 촬영한 이미지의 해상도와 선명도를 개선하는 경우가 있습니다. 메타표면은 들어오는 빛의 위상 이동을 유발하여 왜곡(단색 수차라고 함)을 줄이고 내시경의 초점 심도를 확장할 수 있습니다. 기존 카메라 시스템에 메타표면을 사용하면 카메라 내부의 다양한 편광 측정값을 단일 광학 소자로 결합할 수 있으므로 부피가 큰 구성 요소가 필요 없게 됩니다. 머신 비전 및 원격 감지 응용 분야에서 카메라에 메타표면이 사용될 가능성이 있습니다.

AR/VR

메타표면은 다른 첨단 광학 구성 요소와 함께 AR/VR 헤드셋을 개선합니다. 얇고 가볍고 평평한 특성으로 인해 헤드셋 내부에 이미지를 투사하는 데 이상적이기 때문입니다. 투사는 라이트 가이드라고도 하는 광범위한 도파관을 사용하여 이미지를 눈으로 직접 볼 수 있도록 합니다. 라이트 가이드는 광대역 통신에 사용되는 소형 광학 도파관보다 훨씬 큽니다.

부피가 큰 광학 구성 요소는 헤드셋 무게의 상당 부분을 차지합니다. AR/VR 헤드셋 설계 시 사용자에게 편안한 착용감을 제공하기 위해서는 부피를 최대한 줄여야 합니다. 무게가 추가되면 사용자의 목이 조이게 됩니다. 메타표면은 이러한 헤드셋의 무게를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

분광법

메타렌즈는 초소형이고 강력한 색채 거동을 지원하므로 분광법 응용 분야에 당연히 적합합니다. 메타표면은 식음료 산업 및 의료 분야에서 특성화 및 진단 응용 분야에 사용되는 광학 분광 기기에 사용할 수 있습니다.

분광계의 초점 소자는 광학 수차를 유발할 수 있으므로 분광계를 설계하는 엔지니어는 해상도와 장치 크기의 적절한 균형점을 찾아야 하는 경우가 많습니다. 메타표면은 얇고 평평하기 때문에 분광계의 크기를 작게 유지하면서 넓은 대역폭에서 고해상도를 유지하는 렌즈를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

메타표면은 리소그래피, 에칭 및 상향식 증착과 같은 기존 반도체 제조 방식과 동일한 기법을 사용하여 설계되었습니다. 따라서 파운드리에 사용되는 기존 제조 기법과 상당 부분 교차 호환됩니다. 그러나 크기가 작기 때문에 모든 메타표면 배치가 균일하게 고성능을 보장하려면 매우 정확한 템플릿이 필요합니다.

메타물질의 프로토타입 제작 과정은 어렵고 비용이 많이 들며 시간이 많이 소요되는 작업입니다. 각 메타물질 프로토타입은 소규모로 생산되므로 생산할 때마다 항상 경제적 이득을 얻을 수 있는 것은 아닙니다. 메타표면의 유형은 서로 큰 차이를 보이며, 메타표면이 함께 작동하도록 설계된 전자기파 간에도 큰 차이가 있습니다. 예를 들어, 메타물질은 UV(자외선) 파장과 상호 작용할 수 있다는 점에서 사람들의 관심을 끌고 있지만 광학적 손실, 즉 물질을 통과하거나 물질과 상호 작용할 때 광도가 손실되는 경향이 있습니다. 또한 이러한 유형의 메타물질은 가시광선 및 적외선 파장용으로 설계된 메타물질보다 제작하기가 어렵습니다.

메타표면 설계에 시뮬레이션 사용

메타표면을 설계하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 여러 프로토타입 반복 주기 대신 시뮬레이션을 사용하는 것입니다. 그러면 제조 전에 필요한 프로토타입의 수가 줄어듭니다.

메타표면은 얇지만 나노 수준에서 여러 가지 섬세한 특성을 포함하는 넓은 표면적을 가지고 있습니다. 따라서 솔버 알고리즘의 메모리 요구 사항을 처리하기 위해 HPC(고성능 컴퓨팅) 또는 GPU(그래픽 처리 장치) 가속화가 필요하므로 높은 계산 비용이 발생합니다.

이 하드웨어를 독립적으로 설정하는 과정은 비용이 많이 드는 작업일 수 있으므로 전문 소프트웨어 제공업체와 협력하면 보다 저렴하고 실용적인 프로세스로 만들 수 있습니다. 이미 하드웨어 리소스를 보유하고 있다면 제조 가능한 기둥 형상 컬렉션을 제공하는 메타 원자 라이브러리를 사용할 수 있으므로 엔지니어가 제조 전에 사내에서 보다 견고한 설계를 더욱 쉽게 개발할 수 있습니다.

메타표면 설계에 Ansys 솔루션 사용

 메타표면의 주요 설계 과제는 다양한 크기에 걸쳐 설계하는 것이며(즉, 나노미터 단위 셀을 센티미터 단위 광학으로 배열해야 함), 각 규모별로 서로 다른 시뮬레이션 기법이 필요합니다.

또 다른 과제는 메타렌즈가 종종 강한 색수차를 보인다는 것입니다. 즉, 메타표면은 의도된 파장에서만 작동하고 의도되지 않은 파장에서는 성능이 저하됩니다. 그러나 이 점은 일부 메타렌즈 설계에서 이점이 될 수 있습니다. 예를 들어 효율적인 광학 필터를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

또한 일부 설계에서는 엔지니어가 약한 수차 또는 무색수차를 가진 메타렌즈를 생성하여 동일한 초점에 서로 다른 파장을 가져올 수 있습니다. 다른 설계에서는 메타표면을 사용하여 하위 회절 초점을 잘 맞출 수 있습니다. 현재 액정을 사용하여 조정 가능한 메타렌즈가 개발되고 있습니다. 따라서 다양한 설계 고려 사항을 감안해야 합니다.

Synopsys와 하나가 된 Ansys는 최종 설계에 대한 결정을 내리기 전에 메타표면의 모든 파장 종속 효과를 시뮬레이션할 수 있는 첨단 전자기파 시뮬레이션(Ansys Lumerical 플랫폼) 및 레이 트레이싱 소프트웨어(Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어)를 제공합니다. 두 툴은 상호 호환되므로 Lumerical 플랫폼에서 OpticStudio 소프트웨어로 데이터를 가져와서 모든 크기 규모에 걸쳐 정보를 제공할 수 있습니다. 이렇게 하면 두 시뮬레이션 모두 동일한 메타표면 데이터를 사용할 수 있으므로 프로토타입 단계가 시작되기 전에 최대한 강력한 결과를 보장할 수 있습니다.

메타표면을 시뮬레이션할 때는 계산 비용이 많이 들기 때문에 머신러닝 알고리즘을 사용하면 계산 집약도를 줄일 수 있습니다. 각 단위 셀을 개별적으로 계산하는 대신, 학습된 메타모델을 시뮬레이션 대신 사용하면 계산 요구 사항이 줄어듭니다.

역설계에도 머신러닝이 사용되는데, 역설계란 원하는 속성이 있는 재료 구조를 먼저 식별하여 역방향으로 작동하는 프로세스를 말합니다. 재료부터 속성을 식별하는 기존 설계 방법과는 대조적입니다. 머신러닝을 통한 역설계 방식은 필요한 속성이 있는 특정 재료 구조와 지오메트리를 식별하여 시뮬레이션 비용을 절감합니다.

메타표면 응용 분야도 머신러닝으로 개선되고 있습니다. 이미징 분야에서는 캡처된 이미지를 재구성하는 데 사용할 수 있으므로 기존 굴절 광학보다 훨씬 높은 수준의 효율성과 유연성을 제공합니다.

시뮬레이션이 메타표면을 사용하여 첨단 광학 구성 요소의 설계 및 제조를 지원하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 지금 당사의 기술 팀에 문의하십시오.

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