Controlling the Reflection of Electromagnetic Waves through Periodic Structures

Abstract

Controlling the transmission, reflection, and absorption of electromagnetic radiation by periodic structures has been studied by many groups. Especially, by changing the period, height, and width of the unit cell of the structure, fundamental properties of the electromagnetic wave, such as phase and amplitude can be controlled. In this thesis, we suggest two types of periodic structures; reflective color pixels working in the visible range and metamaterial perfect absorbers in the microwave range. In chapter 1, we introduced reflective color pixels. Under bright-field mode observation, it is clear that the contrast between the pixels and background decreases as the intensity of the light source increases. Furthermore, the fabrication steps for realizing the pixels are complicated. To overcome these problems, we designed a new type of color pixel, composed of nanogratings, and fabricated by a one step lithography process. The simplicity of the fabrication helps to raise the efficiency of the production. Moreover, we generated vivid colors from the pixels displaying high contrast compared to the background. The colors are created when the long axis of the nanogratings was rotated by 45 degrees relative to linearly polarized light and observed through a polarizer orthogonal to the incident one. Due to the cross-polarization relationship between incident and reflected lights, light cancels in the background but remains vivid in the nanogratings. The colors can be controlled through the periodicity of the nanogratings. We show that Wood-Rayleigh anomalies and surface plasmon polaritons contribute to phase retardation between s and p polarized light exiting the nanogratings, resulting in color when observed through a cross-polarized polarizer. We believe these results open up opportunities for manufacturing low-cost and bright color pixels that overcome the disadvantages posed by conventional reflection type color pixels. In chapter 2, we design a perfectly absorbing metamaterial using simple interference theory. The conventional metamaterial absorber usually faces two main limitations; the size of the unit cell is restricted to more than 1/4 of the resonant wavelength. To this end, we introduced a negative cross resonator below the conventional positive cross resonator and confirmed by FDTD simulation the enhanced absorption and lower resonant frequency compared to those of conventional designs. The suggested structure was very thin, and the size of the unit cell was smaller than 1/10 of the resonant wavelength resulting in the flexibility of the metamaterial. Additionally, because we used a cross-shaped design, the metamaterial is polarization-independent. These properties open up exciting possibilities in various fields requiring electromagnetic shielding, such as autonomous vehicle, IoT, electronics, etc. To interpret the role of the negative cross resonator, we conducted s-parameter calculations to obtain the transmission and reflection coefficients of each interface and used those values to successfully predict the reflection and transmission of the overall structure through simple interference theory.;물질의 구조적인 변화를 통해 전자기장을 제어하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히나 주기적 특성을 지닌 구조체의 경우 단위 구조물의 주기, 높이, 폭 등에 변화를 주면 전자파의 투과, 반사 및 흡수를 조절할 수 있다. 본 논문에서는 가시광 영역 내 전자기장의 위상을 이동시켜 색깔을 구현하는 반사형 컬러 픽셀과 마이크로파 완전 흡수 메타소재 필름에 대해서 연구하였다. 1장에서는 grating내 위상 지연을 이용한 반사형 컬러 픽셀을 소개한다. 선행 연구된 반사형 컬러 픽셀들의 경우 광원의 광량을 증가시키면 픽셀뿐만 아니라 픽셀의 주변 배경 또한 밝아지기 때문에 픽셀과 배경 사이 대조(Contrast)가 작고, 여러 단계의 증착과 리소그래피 등의 복잡한 공정을 통해야만 제작할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 본 연구는 기존 반사형 컬러 픽셀들이 가지는 한계점을 극복하기 위해 진행되었다. 제시된 컬러 픽셀의 경우 구리 기판 위 수백 나노미터의 Photoresist(PMMA)를 깐 후, 리소그래피 공정을 통해 Nanograting을 만드는 간단한 공정을 통해 제작되었다. 한 번의 리소그래피 공정만을 거치기 때문에 생산 효율을 높일 수 있다. 또한 가장 중요한 점은 픽셀과 배경 간 강한 대조를 구현할 수 있다. 픽셀과 배경 간의 강한 대조는 입사되는 빛과 반사되는 빛의 편광방향이 수직관계를 이루는 동시에 grating의 긴 축의 각도가 입사 혹은 반사되는 빛의 편광 방향과 45도 관계에 있을 때 나타난다. 반면 입사 및 반사되는 빛의 편광방향이 수직관계이기 때문에 배경 부분은 빛이 차단되고, 이에 따라 grating으로부터 생성되는 픽셀의 색이 선명히 보인다. 이 픽셀은 grating의 주기에 따라 다양한 색을 나타내며, 픽셀의 색은 Wood-Rayleigh anomalies와 Surface Plasmonic Polaritons의 생성이 grating내에서 빛의 위상을 이동시킴으로써 나타난다. 따라서 본 연구에서 제시한 컬러 픽셀은 기존의 반사형 컬러 픽셀의 단점을 극복한 저비용의 강한 대조를 가지는 컬러 픽셀 제작의 가능성을 제시할 수 있다. 2장에서는 메타소재를 이용하여 전자파를 제어하는 연구를 수행한 결과를 소개한다. 선행 보고된 특정 주파수 완전 흡수를 목적으로 한 메타 소재는 그 단위 크기를 주로 공명이 일어나는 파장의 4분의 1 수준보다 작게 줄이는 데 한계가 있고, 여러 개의 메타소재를 적층시킨 스택(stack) 구조의 경우 두껍다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 Finite Difference Time Domain (FDTD) 전산 모사를 통해 기존에 제시된 십자가 모양의Resonator (Positive Cross Resonator) 배열 메타소재에 단순히 역구조의 십자가 모양 Resonator (Negative Cross Resonator) 층을 도입함으로써 더 낮은 주파수에서 흡수 성능이 향상되었음을 이론적으로 제시하였다. 본 디자인은 굉장히 얇고 Resonator의 크기를 공명이 일어나는 파장의 10분의 1로 줄여 유연성을 가진다. PC 폭 조절에 따른 이론적인 흡수 정도를 비교할 때 PC 혹은 NC Resonator로만 구성된 구조보다 PC-NC 샌드위치 구조의 흡수 강도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. NC의 역할은 계면의 반사 및 투과계수를 이용하여 간단한 간섭이론으로 규명할 수 있다. 전 편광 방향에 구애받지 않도록 내부 대칭성을 가진 십자가 도형을 중심으로 설계하였기에 전자파 차폐를 필요로 하는 다양한 자재에 메타소재 흡수체를 접목해 그 활용 범위를 보다 확대할 수 있을 것으로 전망한다.