We present a design of metamaterial absorber and analyze mechanism of the proposed structures. Metamaterials can achieve the exotic relative electric permittivity and magnetic permeability which does not exist in nature. Thus, we focus on tuning the permittivity and permeability of metamaterials by varying the geometrical parameters and materials consisting the unit cell. High loss terms and impedance matching condition determined by permittivity and permeability of metamaterials should be attained for high absorption. For simultaneously satisfying the high loss terms such as imaginary part of permittivity and permeability and impedance matching condition, two kinds of the metamaterials were studied in microwave regime for increasing both permittivity and permeability. First, overlap capacitor structures for enhancement of permittivity by dipole enhancement. Second, 3-dimensional LC resonator structures for enhancement of permeability by magnetic resonances and this is determined by the equivalent circuit model. Transmission and reflection of these meteamaterials were calculated by the finite difference time domain (FDTD) method and the effective properties of the proposed structure were retrieved from the results by the transfer matrix method.
Additionally, we also studied about absorption properties in visible regime through the metallic nano ring structure. In this structure, absorption at specific wavelength explained by plasmon response was observed. Here, absorption properties of the proposed structures were analyzed by the hybridization modes of plasmon responses calculated from FDTD method.
물질에 입사된 전자기파의 파장보다 작은 크기의 구조의 메타아톰으로 이루어진 메타물질은 고 굴절률이나 음의 굴절률과 같은 자연계에는 존재하지 않는 전자기적인 성질을 가지게 된다. 메타물질의 거시적 유효 유전율과 투자율은 구조의 설계에 따라서 제어가 가능하며, 이러한 특성을 이용한 슈퍼 렌즈, 투명 망토와 관련된 연구가 많이 진행되었다. 하지만, 상대적으로 유효 특성의 허수부와 관련된 물질의 흡수 특성에 대한 연구는 진행되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 유효 특성의 허수부에 집중하여 물질의 흡수 특성을 극대화 시키는 연구를 진행하였다.
기가 헤르츠 영역에서의 흡수체는 스텔스 기능과 같은 국방소재의 용도로 사용이 되며 이에 사용되는 재료로써 철이나 탄소 나노 튜브의 합성재료가 있다. 또한, 수백 나노미터의 파장에 해당되는 가시광 영역에서도 특정 파장의 빛을 흡수하는 흡수체인 피그먼트는 디스플레이에 필요한 색 필터로 사용되고 있다. 하지만 흡수체로 사용되는 기존의 재료들은 화학적으로 불안정하거나 질량이 크고 두께가 두꺼운 문제 등 본질 적인 문제를 안고 있기 때문에 이를 대체할 수 있는 새로운 재료가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 재료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 전자기 특성을 가지는 메타물질을 구현 하고자 한다.
먼저, 기가헤르츠 영역에서 높은 흡수특성을 가지는 구조체를 구현하기 위하여 유효 유전율의 허수부가 큰 메타물질을 설계하였으며, 쌍극자의 극대화를 통한 유효 유전율의 극대화를 유도 하였다. 이를 위해 우리는 금속판이 엇갈리게 적층 된 구조를 제안하였으며 엇갈린 위와 아래 금속판이 서로 겹쳐진 면적, 윗판 과 아랫 판 사이의 간격의 비와 같은 기하학적 변수에 의해서 유전율의 극대화 정도가 결정 되었다. 이 결과를 수치적으로 계산하였으며 유한차분시간영역 전산모사를 통해 확인하였다. 금속판의 엇갈린 면적을 변화 시키며 극대화 된 유전율을 도출해 본 결과, 구조를 이루고 있는 유전체의 유전율에 대비하여 수십 배에서 20000 배에 해당하는 증폭을 확인할 수 있었으며, 20000 배에 해당하는 단위 구조체의 경우 침투 깊이가 기존대비 백분의 일 수준으로 줄어든 것을 수치적으로 확인하였다. 이는 기존의 물질에 비해서 100배에 해당하는 물질내부의 손실 설명해준다. 하지만, 이상적인 흡수체를 구현하기 위해서는 임피던스 정합 조건을 만족해야만 한다. 그렇지 않을 경우 물질 표면에서의 반사가 매우 커서 물질내부로 투과하는 전자기파가 감소하게 되고 전체 흡수량은 줄어들게 된다. 따라서, 유효 유전율의 증가와 함께 투자율의 증가가 필요하며 본 연구에서는 자기공진을 이용한 투자율의 증폭을 유도하였다. 이를 위해 3차원 LC 공진 구조를 설계하였으며 기하학적 변수에 따른 유효 투자율의 변화를 계산하였다. 그 결과, 공진 주파수에서는 자기 공진에 의해서 단위 구조체 내부에 자속 밀도의 증가를 확인할 수 있었고 그로 인한 투자율의 증폭을 확인하였다. 특히, 물질의 흡수와 관련 있는 허수부의 값이 17배 증가하였다. 또한, 이 구조체를 등가 회로 모델을 통해서 분석하였으며 이를 기반으로 메타 물질의 흡수 특성을 계산하였다. 그 결과, 파장 대비 1/400 의 일에 해당하는 50 마이크로미터 두께에서 60% 이상의 흡수를 가지는 구조를 구현 하였으며 이는 기존에 연구된 구조체에 비해서 수십 분의 일에서 수분의 일에 해당하는 두께를 가지는 구조이다. 우리는 두 가지 메타 물질을 설계함으로써 기하학적 변수에 따라 유효 유전율과 투자율을 제어하는 것이 가능하다는 것을 전산모사를 통해 확인하였고 이 때의 각각의 흡수 특성을 확인하였으며 이를 기반으로 완전 흡수체 구현의 가능성을 확인하였다.
다음으로, 가시광 영역에서는 특정 파장을 흡수하는 메타물질로써 금속 나노 튜브 구조를 설계하였다. 이 구조에 나타나는 흡수 특성을 공진 모드의 분석을 통해 물리적으로 해석하였으며 전산모사를 통해서 국소 표면 플라즈몬 공진 현상과 같은 다양한 공진모드의 발생을 확인하였다. 이를 기반으로 하여 기하학적 변수인 튜브의 내경과 외경 그리고 높이뿐 아니라 구조를 이루고 있는 금속과 유전체의 광학 특성을 변화 시킴에 따른 공진 주파수를 예측 및 확인하였다. 그 결과, 화학적으로 안정하며 하나의 금속 만으로도 가시광 전체 영역을 아우르는 색필터를 구현할 수 있었다. 이 때 흡수가 존재하는 공진 파장 이외의 파장에서는 80% 이상의 높은 투과율을 보이는 색 필터로써, 기존 메타물질 색필터의 투과도보다 30~50%정도 높은 투과율을 보이는 색필터의 구현이 가능하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 것과 같이 세가지 구조를 제안 함으로써 기가헤르츠에서 영역에서 높은 흡수특성을 가지는 물질과 가시광 영역에서 선택적인 흡수 특성을 가지는 구조를 제안 및 설계하였으며 이를 국방소재의 재료나 디스플레이 등의 재료로써 사용한다며 화학적 안정성과 구조적인 크기에 대해서 큰 장점이 있을 것이라 판단된다.
