Optics trend

2023년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.

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2023 한국광학회에서 포스터 발표를 하고왔다.

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석사 2년차 마지막을 장식하는 학회었다. 그 동안 보고, 듣고, 공부한 내용이 누적되어서 이전에 학회에 갔을때보다 보이는것이 많았다.

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정말 값진 경험이었다고 생각되어 메모해두는게 좋을 것 같다.

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아래는 한국 광학회를 보며 느낀 내 주관적인 optics의 trend이며, youtube의 과꾸로님의 영상의 내용 또한 담겨있다.

https://www.youtube.com/watch?v=RLgAXbaAB7w&t=368s

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Metamaterial은 자연계에 존재하지 않는 물질이라는 뜻으로 해석할 수 있다.

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공통적인 개념으로 Metamaterial은 임의적으로 형성된 나노 사이즈의 물질이 주기적인 구조를 보인다.

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이러한 주기적인 나노 격자 구조들은 빛의 진행경로에 영향을준다.

가장 첫번째로 1910년도에 제안된 Bragg mirror등이 있다,

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1. Bragg mirror은 굴절률이 서로 다른 두 매질을 번갈아가며 적층된 구조로 파장과 비례하는 두께와 주기적인 구조를 가진다.

high n 물질에서 low n 물질로 입사하게되면 빛이 전반사가 유발되는데 이러한 원리와도 연관지을 수 있으며, 각 매질이 파장과 비례하는 두께를 가지고 있으므로 반사되는 빛은 서로 보강간섭이 이루어져 높은 성능을 가진 반사경으로도 사용된다.

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2. Photonic crystal은 매질의 결정들이 빈 공간을 주기적으로 가지고 있어 High n과 low n의 반복으로 마치 bragg mirror처럼 빛의 진행방향을 바꿀 수 있다. 주요한 특성으로 band gap이 있다고 하는데 이 부분은 나중에 더 알아보면 좋을 듯 하다.

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3. Surface plasmon

안테나는 특정 대역의 주파수를 가진 전파를 조절한다. 빛은 전자기파의 일종이므로 안테나가 아주 작은 나노 격자 크기를 가진다면 가시광선 대역의 빛을 조절할 수 있게된다. plasmon resonance이라 하는 플라즈몬 공명으로 빛이 plasmon surface에 입사되게되면, 금소 표면을 따라 빛이

꿈틀대는 현상을 볼 수 있다. 이 또한 빛의 진행경로에 영향을 줄 수 있다.

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4. Metamaterial

John Pendry께서 제안한 음의 굴절률을 가진 물질과 clocking을 대표적으로 말할 수 있다. 주기적인 나노 구조의 반복은 굴절률을 음의 굴절률로 만들 수 있어 특정 물질을 피해서 빛을 진행시킬 수 있다. 이는 곧 빛을 원하는대로 조절하여 해리포터에나 나올법한 투명망토를 만들 수 있다는것이다.

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5. Metamaterial for phase delay

그리고 2011년에 하버드 대학의 카파소 교수님께서 metamaterial을 이용해 위상 지연을 유발하여 마치 굴절이 일어나는것과 같은 효과를 주어 원하는 방향으로 빛을 진행시키는 실험을 sicence에 발표 했다.

ㅣ V L 등의 나노 격자구조의 모양에 따라 위상 지연에 차이가 생겼으며 호이겐스 원리로 생각해 볼 때, 위상이 지연되어 나오는 파동들의 포락선을 연결하게되면 굴절된 빛의 파면이 나오게 된다.

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6. Metamaterial composed of dielectric

2011년의 카파소 교수님의 논문은 금속 물질을 사용했다. 금속은 빛을 흡수 및 반사하기 때문에 자연스레 입사광의 손실을 유발하게 된다. 2016년의 논문에서는 금속 대신 유전체를 사용해 위상 지연을 통한 굴절을 이용해 metalens를 만들었다.

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+@ 이미지센서와 metamaterial(metalens)

https://www.sony.net/

모바일 CIS는 고질적인 광학적 문제 2가지가 있다.

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첫번째로는 Camera bump이다.

카툭튀라고도 불리는데 CIS size는 커지고 광각렌즈, 수차제거등 광학 성능을 높이려다보니 어느덧 module lens는 9개 이상을 사용하고 있다.

하지만 모바일폰은 제한된 두께를 가지고 있기 때문에 불가피한 camera bump가 발생한다.

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두번째로는 회절 한계이다.

pixel size가 고해상도를 위해 나날이 작아지고 있다. Samsung의 이번의 갤럭시 23울트라에는 2억화소 0.56um를 가진 픽셀을 사용했는데 이미 회절 한계로 인한 spot size보다 작은 사이즈를 가진다. 따라서 pixel에 빛이 제대로 들어가지 못하고 microlens 또한 제 역할하지 못한다.

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이에 대한 대안으로 metalens가 해결책이 될 수 있으며, 삼성 등 많은 기업과 연구실에서 지속적인 연구가 이루어지고 있는 실정이다.