The research of bioinspired photonic structures has revealed a variety of optical devices, and it has been used in many areas due to the optimized design. These photonic structures are limited in vision or structural color. The bioluminescence photonic structures are expected to take high performance in industrial market such as display and illumination. However, these structures have not been studied a lot. In this work, cuticle nanostructures on a firefly light organ are discovered, and optical functions of cuticle nanostructures are investigated by using multi-scale numerical analysis.
The structural and optical properties of firefly light organ are investigated. The structure properties are separately measured in surface and cross-section. The main tool is scanning electron microscope (SEM) and the other tools are microtome, microscope, and image processing. The geometrical parameters such as width, length, height, orientation, and periods of patterns are 200nm, $1.2\mum$, 100nm, 80-100 degrees range, and 250-260nm, respectively. A spectroscope is used for measuring the spectrum. The peak values are 563nm and 569nm in males and females, respectively. The mean value is 566nm.
The multi-scale numerical analysis combines the ray tracing and finite differential time domain (FDTD) methods to analyze the optical functions of cuticle nanostructures on a firefly light organ. The FDTD method solves sub-micron analysis and the ray tracing method calculates large scale analysis. The combination of these two methods is useful for the analysis of the nanostructures on a large curved surface due to weaknesses complement. The multi-scale optical simulation is an appropriate method for the analysis of cuticle nanostructures on a firefly light organ.
Wide angle illumination and high extraction efficiency are the expected effects of the cuticle nanostructures on a firefly light organ. The two assumptions are based on the grating structure effects. The multi-scale numerical analysis is used for the verification of two assumptions. The grating parameters are width, height, and period. The width and height are fixed, and the variable parameter is grating period. In the case of illumination angle, illumination angle decreases in the sub-wavelength scale of grating periods, and peak angular intensity is increased. Due to the absence of forward diffraction in sub-wavelength periods, the illumination angle is consistent, which means that the cuticle nanostructures have no effect on a wide angle illumination. In the case of extraction efficiency, the 260nm grating period is optimized value for high extraction efficiency over the critical angle range. The extraction efficiency is about 45 times more than that of a dome lens. Due to diffraction effect on the nanopatterned lens, light is out coupled on the curved surfaced. It means that the cuticle nanostructures on a firefly light organ are formed for high extraction efficiency.
In conclusion, this work demonstrates the optical functions of cuticle nanostructures on a firefly light organ using multi-scale numerical analysis. The cuticle nanostructures are optimized structures for high extraction efficiency.
자연에서 발견되는 극미세/미세 구조를 연구하고, 이를 이용한 기술은 많은 분야에서 사용되고 있다. 특히 자연 구조물의 광학적 성질에 대한 연구가 관심을 끌고 있다. 자연 구조물의 단순한 광학해석뿐만 아니라 미세구조물을 모사하여 최적화된 설계 조건을 얻으려는 노력이 많이 이루어지고 있다. 하지만 이러한 연구는 대부분 수광이나 구조색 등의 분야로 한정 되어 있다. 발광생물체 구조의 경우, 조명 및 디스플레이 분야 등에 적용될 가능성이 높음에도 불구하고 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 대표적 발광생물체인 반딧불이의 발광기관 외피층에 존재하는 미세구조를 발견하였고, 멀티스케일 광학 수치 해석을 이용하여 미세구조의 광학적 역할을 규명하였다.
먼저 반딧불이 발광기관의 구조적 및 광학적 특성을 분석하였다. 구조적 특성은 표면과 단면 측정을 통해 알아내었고, 전자현미경을 주로 사용하였다. 그 외에도 마이크로톰과 광학현미경, 영상 처리 등을 활용하였다. 단면과 표면 측정 자료를 바탕으로 구조적 특성을 정리할 수 있었다. 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 미세구조의 너비는 200nm, 길이는 $1.2\mum$, 높이는 100nm, 방향은 80-100도 범위, 간격은 250-260nm로 형성되어 있음을 알아내었다. 분광기를 이용하여 반딧불이의 분광 특성을 측정하였다. 분광 특성에서 최고 광 세기를 나타내는 파장 값이 수컷은 563nm, 암컷은 569nm로 각각 나타났다. 그 평균값인 566nm를 반딧불이 파장의 대표값으로 활용할 것이다.
반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노패턴, 즉 대면적 곡면 위에 형성된 나노패턴의 광학적 역할 규명을 위하여 광선 추적법과 유한차분 시간영역법을 결합한 멀티스케일 광학 수치 해석을 활용하였다. 광선 추적법은 대면적 해석에 적합한 반면, 유한차분 시간영역법은 대면적 해석을 위해서는 많은 계산 시간이 필요하다. 하지만 마이크로 단위 이하의 구조물에 대한 해석이 불가능한 한계점이 있고, 유한차분 시간영역법은 그러한 미세구조물에 대한 해석이 가능하다. 이 두 가지 해석법을 결합하여 서로 가지고 있는 한계점들을 보완함으로 인해 대면적 곡면 위에 형성된 나노패턴의 해석이 가능한 것이고, 이는 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노패턴의 광학적 역할 규명에 적합한 방법으로 활용될 수 있다.
반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노패턴의 광학적 역할은 크게 두 가지로 생각할 수 있는데, 광방출각 형성과 광추출효율 향상이다. 이 두 가지는 회절 격자 구조의 현상을 바탕으로 한 가정이다. 멀티스케일 광학 수치 해석을 이용하여 두 가지 가정이 옳은지 검증하였다. 나노패턴의 구조적 변수는 너비와 높이, 간격이 있겠는데 패턴의 너비와 높이는 고정하고 간격을 변수로 활용하였다. 방출각의 경우, 파장 크기 이하의 간격을 형성하면 방출각은 감소하고, 최대 광세기는 증가하였다. 그 이유는 파장 크기 이하의 간격에서는 순방향 회절이 일어나지 않아 방출각에 영향을 주지 못하기 때문이다. 이는 외피층의 나노패턴이 광방출각 형성에 영향을 주지 못한다는 것을 의미한다. 광추출효율의 경우, 패턴의 간격을 조절하면서 광추출효율의 변화를 보았는데 260nm의 패턴 간격이 임계각 이상의 범위에서 최적화된 광추출효율을 보였다. 패턴이 없는 렌즈의 경우보다 260nm 간격의 패턴이 존재할 때 45배의 광추출효율 향상을 보였다. 이는 곡면에서 임계각 이상의 빛이 입사되면 패턴이 없는 경우 전반사가 일어나지만, 나노패턴이 형성되어 있으면 회절현상으로 인해 빛이 빠져 나와서 광추출효율이 향상되는 것이다. 이는 외피층에 형성된 나노패턴의 광학적 역할이 광추출효율 향상임을 의미한다.
본 연구에서는 멀티스케일 광학 수치 해석을 이용하여 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노패턴의 광학적 역할을 규명하였다. 외피층에 형성된 나노패턴의 구조적 특성과 반딧불의 분광 특성을 분석하고, 광선 추적법과 유한차분 시간영역법을 결합한 멀티스케일 광학 수치 해석을 이용하여 두 가지 큰 가정인 광방출각 형성과 광추출효율 향상에 대한 검증을 하였다. 외피층에 형성된 나노패턴은 광방출각 형성에는 영향을 주지 않았지만, 광추출효율 향상에 최적화된 구조임을 밝혔다. 외피층에 형성된 나노패턴은 차후 광추출효율을 향상시키는 무반사 렌즈에 활용될 수 있을 것이라 기대되고, 광방출각 형성 렌즈도 멀티스케일 광학 수치 해석을 이용한 최적화된 설계를 바탕으로 제작하고자 한다.
