Metaphotonic materials and systems can create unusual optical properties through the interaction between light and artificial nanostructures. Such unusual properties can allow color imaging devices over the diffraction limit level (~100,000 dpi) that cannot be simply implemented with conventional imaging technology. Although these ultra-high resolution imaging technologies have shown substantial potential for applications that handle static images, such as color filters and printing, the feasible options for dynamic imaging technology using passive metaphotonic elements have not been fully demonstrated, impeding their application in active display devices. Regarding active metaphotonics structure that can act as dynamic imaging devices, studies have been reported to produce superior color conversion performance by controlling indirect elements such as liquid crystal and polarizer. However, these technologies are also difficult to apply to ultra-fine pixels due to the limitation of the patterning process of indirect elements. Nano optical∙electro∙mechanical systems that cause direct deformation of nanostructures according to electric force and change their optical properties, reported applications such as optical switches and transducers in the radio frequency domain. However, it has not been applied in the visible region for imaging technology In this research, we introduce electrically controllable color imaging metaphotonic devices consisting of metal/insulator/metal nanodisk stacks based on the nano∙opto∙electro-mechanical system; the plasmon resonance wavelength and intensity of these stacks can be changed by structure deformation. The geometric elements of the proposed structure were optimized to cause effective spectrum modulation through opto-electro-mechanical simulation, and the proposed metaphotonic structure and driving electrode were fabricated with the precise nano-patterning process. Reflectance of the fabricated devices were measured through micro-spectrometer in response to applied voltage, confirming that reversible modulation occurs in the visible range. In conclusion, a novel metaphotonic color imaging technology applicable to high-resolution pixels is proposed.
메타포토닉스는 빛과 나노 구조로 이루어진 메타표면과의 상호작용을 통해, 기존에 관측되지 않았던 새로운 광학적 특성을 만들어 낸다. 특히, 나노 구조체를 통한 플라즈몬 공명을 통해 선택적인 투과, 반사 스펙트럼을 얻어낼 수 있고, 이를 통해 기존 기술로 구현하지 못했던 회절 한계 수준(~100,000 dpi)의 픽셀을 구현하는 연구들이 보고된 바 있다. 이러한 초 고해상도의 픽셀 구현 기술은 현재까지는 컬러 필터나 인쇄기술과 같은 정적 이미지로의 적용 가능성은 보여주었으나 고정된 형태의 나노 구조체를 활용하였기 때문에 동적 영상 기술로의 적용에는 한계가 존재한다. 메타포토닉스 구조에 기반한 동적 영상 기술과 관련 해서는 나노 구조체를 통과하는 빛의 편광을 조절하거나 나노 구조체 주변 물질의 굴절률을 조절하는 등 구조 외적인 요소들을 조절하여 가시광 영역의 스펙트럼을 효과적으로 변환한 연구들이 보고되었다. 하지만 여전히 고정된 형태의 나노 구조체에 기반한 기술들이고 편광, 굴절률과 같은 간접적인 인자를 조절하기 위해 사용된 액정 층이나 편광기 같은 외적 요소들의 패터닝 문제 때문에 고해상도 픽셀 구현에는 어려움이 있다. 전기력에 따른 나노 구조체의 직접적인 변형을 일으켜 광학적인 특성 변화를 일으키는 나노 광∙전기∙기계 시스템과 관련한 기술들의 경우에는 무선 주파수 영역에서의 빛을 조절하여 광학 스위치, 변환기로 서의 응용을 보여주었으나 영상 기술로 적용하기 위한 가시광 영역에서의 응용은 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 나노 구조체 기반의 플라즈모닉 컬러 픽셀을 영상표시장치로 동작시키기 위해 나노 광∙전기∙기계 시스템이 적용된 금속/절연체/금속 나노 디스크 적층 구조를 제안하고, 이를 통해 가시광 영역에서의 스펙트럼을 변환하고자 하였다. 제안된 구조는 전기적인 구조변형에 따른 플라즈몬 공명 파장 및 세기의 변화를 통해 가시광 영역에서 광학적인 특성변화를 끌어낼 수 있다. 광∙전기∙기계 시뮬레이션을 통해 효과적인 스펙트럼 변환을 일으킬 수 있도록 제안된 구조의 기하 요소를 최적화 하였고 이에 나노패터닝 공정을 적용하여 제안된 메타포토닉스 구조와 이를 구동하기 위한 전극 구조를 제작하였다. 제작된 소자의 반사 스펙트럼은 인가되는 전기력에 따라 현미경 분광계를 통해 측정되었고 가시광 영역에서 가역적인 조절이 일어나는 것을 확인하였다. 이를 통해 고 해상도 픽셀에 적용 가능한 새로운 형태의 메타포토닉 영상표시장치 기술을 제안한다.
