超器件以及导引光的方法技术领域
与示范性实施方式一致的装置涉及超器件(meta device)。
背景技术
超材料(meta material)是包括人造超结构(meta structure)的材料，该超结构
被图案化为具有比波长小的大小和尺寸。包括在超材料中的每个超结构具有响应于施加到
超材料的电磁波或声波的特定特性。
超材料可以被设计和制造为具有相对于电磁波或声波的有效折射系数和有效材
料系数，该有效折射系数和有效材料系数不存在于自然界中。例如，超材料可以产生新的现
象，诸如亚波长聚焦、负折射等。
发明内容
一个或多个示范性实施方式可以提供一种包括超材料的超器件。
其它的示范性方面将在随后的描述中被部分地阐述并将部分地从该描述变得明
显，或者可以通过实施给出的示范性实施方式而掌握。
根据示范性实施方式的一个方面，一种超器件包括：彼此间隔开的多个电极；覆盖
多个电极的绝缘层；超材料，包括彼此间隔开的多个超结构；以及有源层，设置在绝缘层和
超材料之间并具有根据施加到所述多个电极和所述有源层的电信号而变化的电荷密度。
多个超结构的每个可以交叠多个电极中的一个。
多个电极中的至少一个可以交叠多个超结构中的至少两个。
多个电极中的相邻电极之间的区域可以由绝缘层填充。
有源层的与多个电极中的一个电极的位置相对应的区域的电荷密度可以在施加
电信号到多个电极中的所述一个电极时改变。
预定大小的电压可以施加到有源层，并且与所述预定大小不同的大小的电压可以
施加到多个电极。
有源层可以接地。
多个电极的每个可以与多个电极中的其它电极电隔离，使得电压可以独立地施加
到多个电极的每个。
不同的电压可以施加到多个电极中的至少两个。
不同的电压可以施加到多个电极中的两个相邻的电极。
电压可以施加到多个电极，使得从超器件反射的光被导引到预定点。
反射光被导引到的预定点可以根据施加到多个电极的电压而改变。
超器件还可以包括电路基板，该电路基板配置为施加电压到多个电极。
电路基板可以接触多个电极。
多个超结构的每个的长度可以小于超器件的操作波长。
多个电极的空间间隔的尺寸可以小于多个超结构的空间间隔的尺寸。
有源层可以根据电荷密度引起反射光的相位偏移(phase shift)。
绝缘层可以为第一绝缘层，并且超器件还可以包括在有源层和超材料之间的第二
绝缘层。
第二绝缘层可以包括金属化合物和硅化合物中的至少一种。
第二绝缘层可以包括Al2O3、HfO、ZrO、HfSiO、SiOx、SiNx和SiON中的至少一种。
有源层可以包括铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、镓锌氧
化物(GZO)和镓铟锌氧化物(GIZO)中的至少一种。
绝缘层可以包括金属化合物和硅化合物中的至少一种。
绝缘层可以包括Al2O3、HfO、ZrO、HfSiO、SiOx、SiNx和SiON中的至少一种。
多个电极可以具有相同的形状和尺寸。
多个电极可以被一维地或二维地布置。
多个超结构的每个的长度可以小于操作波长。
根据另一个示范性实施方式的方面，一种超器件包括：多个超结构，彼此间隔开并
配置为反射入射光的至少一部分；和控制器，包括彼此间隔开的多个电极并配置为利用施
加到多个电极的电压来控制反射光的相位偏移。
多个电极可以与多个超结构分开，并且多个电极的每个可以交叠多个超结构中的
一个。
多个电极中的至少一个可以交叠多个超结构中的至少两个。
控制器还可以包括覆盖多个电极的绝缘层和设置在绝缘层上的有源层，该有源层
具有根据施加到所述多个电极和所述有源层的电信号而变化的电荷密度。
预定大小的电压可以施加到有源层，并且与所述预定大小不同的大小的电压可以
施加到多个电极。
绝缘层可以为第一绝缘层，并且控制器还可以包括在有源层和多个超结构之间的
第二绝缘层。
根据示范性实施方式的一个方面，一种导引光的方法可以包括：提供超器件，所述
超器件包括多个电极、覆盖所述多个电极的绝缘层、多个超结构、以及设置在所述绝缘层和
所述多个超结构之间的有源层；使光入射在所述多个超结构上；施加第一大小的电压到所
述有源层，并施加与所述第一大小不同的第二大小的电压到所述多个电极，从而改变所述
有源层的电荷密度；以及从所述多个超结构反射光。
附图说明
从以下结合附图对示范性实施方式的描述，这些和/或其它的示范性方面和优点
将变得明显并更易于理解，附图中：
图1是根据示范性实施方式的超器件的方框图；
图2是图1的超器件的示意性结构的局部透视图；
图3是图1的超器件的截面图；
图4是示出图3的超器件作为光束导引器件操作的概念图；
图5是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图；
图6是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图；
图7是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图；
图8是示出相对于施加到根据示范性实施方式的图7的超器件的单元的电压测量
反射光的强度随共振波长变化的结果的图形；
图9是示出相对于施加到根据示范性实施方式的图7的超器件的单元的光的波长
测量反射光的相位的结果的图形；
图10是根据比较例的超器件的截面图；以及
图11是示出相对于施加到超器件的电压的电荷密度的变化的图形。
具体实施方式
现在将详细参照附图中示出的示范性实施方式，附图中相同的附图标记始终表示
相同的元件。在这点上，本发明的示范性实施方式可以具有不同的形式，而不应被解释为限
于这里阐述的描述。因此，下面通过参照附图仅描述了示范性实施方式以说明各方面。诸如
“…中的至少一个”的术语，当在一列元件之后时，修饰整个列表的元件，而不修改该列表的
个别元件。
尽管这里所用的术语是当前被广泛使用并考虑到实施方式中的功能而选择的一
般术语，但是术语的含义可以根据本领域普通技术人员的意图、实践或新技术的出现而变
化。此外，某些特定的术语可以由申请人随机地选择，在此情况下，术语的含义可以被具体
地限定在示范性实施方式的描述中。因此，术语不应由其简单的名称限定，而且基于其含义
和示范性实施方式的描述的上下文。
这里所用的术语“包括”或“包含”不应被解释为必须包括这里公开的所有的元件
或步骤，而应当被解释为不包括其元件或步骤中的一些，或者应当被解释为还包括额外的
元件或步骤。
在下面的描述中，诸如“在…之上”或“在…上”的术语不仅可以包括“以接触的方
式直接在…上/在…下/在…左边/在…右边”的含义，而且包括“以非接触方式在…上/在…
下/在…左边/在…右边”的含义。在下文，在参照附图的同时详细描述示范性实施方式，这
仅是了说明而不是限制。
图1是根据示范性实施方式的超器件的方框图，图2是图1的超器件的示意性结构
的局部透视图，图3是图1的超器件的截面图。参照图1至图3，超器件100可以包括超材料以
及不是超材料的材料或层。例如，超器件100可以包括：超材料10，包括彼此间隔开以反射入
射光的多个超结构110；和控制器20，包括彼此间隔开的多个电极120并根据施加到该多个
电极120的电压实现反射光的相位偏移。
多个超结构110可以布置为网格形式。图2示出多个超结构110被二维地布置。然
而，示范性实施方式不限于该图示。多个超结构110也可以一维地布置在单行中。
超器件100可以为图案化的材料。超结构110可以具有根据期望的操作波长而确定
的尺寸或形状。每个超结构110可以具有柱形状，并且其横截面可以具有任意的各种形状，
诸如多边形形状(诸如四边形形状、三角形形状等)、圆形形状、椭圆形形状和十字形状等。
尽管图2的超结构110被示出为具有十字形状的横截面形状，但是示范性实施方式不限于此
示例。超结构110的尺寸(例如超结构110的厚度或长度)可以小于操作波长。例如，超结构
110的最大长度可以等于或小于操作波长的约1/3。超结构110之间的间隔可以小于操作波
长。
每个超结构110相对于操作波长的光具有折射系数。包括在根据示范性实施方式
的超器件100中的超结构110反射入射在其上的光中的至少一些。反射光可以为与操作波长
相同的波长的光。
超结构110可以由导电材料形成，例如具有高电导率的金属材料。金属材料可以包
括Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、白金(Pt)、金
(Au)等中的至少一种，或者可以包括包含这些材料中的任一种的合金。超结构110可以由金
属纳米特殊分布薄膜(诸如Au、Ag等)、碳纳米结构(诸如碳纳米管(CNT)、石墨烯等)以及导
电高聚物(诸如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚吡咯(PPy)、聚(3-己基噻吩)(P3HT)
等)形成。
控制器20控制从超材料10反射的光的相位偏移。控制器20可以包括：彼此间隔开
的多个电极120；第一绝缘层130，覆盖多个电极120；以及有源层140，设置在第一绝缘层130
上并具有根据施加到所述多个电极120和该有源层140的电信号而变化的电荷密度。控制器
20还可以包括向多个电极120施加电信号的电路基板150。
多个电极120彼此间隔开成一维阵列或二维阵列(例如，为网格形式)。多个超结构
110的每个可以交叠多个电极120中的一个。例如，多个超结构110可以一一对应地分别交叠
多个电极120。在图3中，多个超结构110一一对应地分别交叠多个电极120。然而，示范性实
施方式不限于此结构。多个电极120中的至少一个可以交叠多个超结构110中的至少两个。
电容器可以由电极120和与其对应的超结构110之间的空间形成。电极120、与其对应的超结
构110以及第一绝缘层130的设置在电极120和对应的超结构110之间的区域和有源层140的
设置在电极120和对应的超结构110之间的区域可以形成单元C。根据示范性实施方式的超
器件100以逐个单元为基础(ona cell by cell basis)使光的相位偏移。
多个电极120的每个可以包括导电材料。例如，多个电极120的每个可以包括金属
(诸如Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、白金(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、
金(Au)或其合金)、金属纳米特殊分布薄膜(诸如Au、Ag等)、碳纳米结构(诸如碳纳米管
(CNT)、石墨烯等)、以及导电高聚物(诸如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚吡咯(PPy)、
聚(3-己基噻吩)(P3HT)等)。多个电极120可以包括相同的材料或者不同的材料。
多个电极120的每个可以具有柱形状，并且其横截面可以具有各种形状中的任一
种，诸如多边形形状(像四边形形状、三角形形状等)、圆形形状、椭圆形形状等。多个电极
120可以具有相同的形状或者不同的形状。电极120的横截面可以大于超结构110的横截面。
在此情况下，每个电极120可以交叠一个或多个超结构110。为了超器件100的小型化的目
的，电极120的厚度可以小于电极120的截面尺寸，但是示范性实施方式不限于此示例。多个
电极120可以具有相同的形状或不同的形状。
多个电极120之间的间隔可以等于或小于多个超结构110之间的间隔。电压可以施
加到多个电极120。多个电极120可以起到反射入射光的反射镜功能。
第一绝缘层130覆盖多个电极120，并可以延伸到多个电极120中的相邻的电极之
间的空间中。第一绝缘层130可以包括金属化合物，诸如Al2O3、HfO、ZrO、HfSiO等。第一绝缘
层130可以包括硅化合物，诸如SiOx、SiNx、SiON等。根据期望的操作波长可以采用不同类型
的绝缘材料用于第一绝缘层130。第一绝缘层130的在相邻的电极之间延伸的部分可以防止
多个电极120之间的电短路。第一绝缘层130可以具有电介质特性，使得下面描述的有源层
140的电荷密度的变化可以根据施加的电信号引起。
有源层140可以包括具有根据施加到有源层140和多个电极120的电信号(例如电
场)而变化的电荷密度的材料，并可以用作电极。有源层140可以包括例如铟锡氧化物(ITO)
或基于ZnO的氧化物(诸如铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、镓锌氧化物(GZO)、镓铟锌
氧化物(GIZO)等)、以及过渡金属氮化物诸如TiN、ZrN、HfN、TaN等。
电压可以施加到有源层140，并且大小与施加到有源层140的电压不同的电压可以
施加到多个电极120。例如，有源层140可以接地，并且不同大小的电压可以独立地施加到多
个电极120。
电路基板150接触多个电极120，并可以包括用于施加电压的一个或多个电路，例
如特定用途集成电路(ASIC)。因此，电路基板150直接施加电压到电极120，简化了控制器20
的结构。
电路基板150施加不同的电压到多个电极120中的至少两个。例如，电路基板150可
以施加不同的电压到多个电极120当中的两个相邻的电极。
参照图3，电荷密度在有源层140的与电极120的位置相对应的区域142中变化。其
中电荷密度在有源层140中变化的区域142可以为有源层140中的与第一绝缘层130相邻的
区域。由于有源层140的电荷密度通过电极120改变，所以电极120可以为栅极电极并且电极
120设置在有源层140下面，使得超器件100可以具有底栅极结构。
如图3所示，在向多个电极120当中的第一电极121施加第一电压时，第一电荷密度
可以形成在有源层140的与第一电极121的位置相对应的区域中，并且在向多个电极120当
中的第二电极122施加第二电压时，第二电荷密度可以形成在有源层140的与第二电极122
的位置相对应的区域中。电荷密度的变化引起超结构110和电极120之间的共振特性的变
化，并且变化的共振特性引起从超结构110反射的光的相位偏移，使得反射光的相位偏移也
改变。
由于电路基板150独立地施加电压到多个电极120，所以从超材料10反射的光可以
被导引到预定点。该预定点可以根据施加到多个电极120的电压而变化。例如，通过对超器
件100中包括的单个单元C中发生的相位偏移给出适当的规则性，从超器件100反射的光可
以被导引到预定点。因此，多个电极120可以被二维地布置，并且预定点的范围可以被一维
地或二维地控制，使得超器件100可以作为光束导引器件操作。
图4是示出其中图3的超器件100能够作为光束导引器件操作的示例的概念图。参
照图4，在多个单元C中，不同的电压可以施加到每个单元C。
当相邻的单元C以如图4所示的这样的方式控制以具有阶梯式的相位偏移分布时，
反射光相对于连接相位偏移值的直线垂直地导引。这是以光学相控阵(optical phased
array)的方式的光束导引，并且通过调整光学相控阵的相位偏移规则，入射光的导引方向
可以被各种各样地调整。
尽管以上已经描述了示例(其中反射光被导引在一个方向上)，但是反射光可以对
于不同的区域被导引在不同的方向上，因此实现光束整形效果。例如，超器件100可以包括
多个区域，每个区域具有多个单元，并且光束可以通过不同的多个区域而被导引在不同的
方向上，因此实现期望形状的光束整形。
图5是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图。将图5与图3比较，图5的超
器件100A还可以包括在超结构110和有源层140之间的第二绝缘层160。由于有源层140用作
电极，所以如果超结构110设置为与有源层140接触，则共振特性会由于超结构110之间的电
荷运动而劣化。为了防止电荷在超结构110之间运动，图5的超器件100A还可以包括在超材
料10和有源层140之间的第二绝缘层160。
第二绝缘层160可以包括金属化合物诸如Al2O3、HfO、ZrO、HfSiO等以及硅化合物诸
如SiOx、SiNx、SiON等。第二绝缘层160的绝缘材料的类型可以根据期望的操作波长而不同。
图6是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图。如图6所示，超器件100B可
以包括在有源层140中的凹槽132。凹槽132可以在有源层140的与相邻的超结构110之间的
区域相对应的区域中。凹槽132可以用与第二绝缘层160的材料相同的材料填充。
共振发生在电极120和与其对应的超结构110之间，并且共振也会发生在电极120
和与其相邻的超结构110之间，因此，凹槽132可以防止电极120和与其相邻的超结构110之
间的共振。凹槽132的长度可以小于超结构110之间的间隔。然而，示范性实施方式不限于此
示例。凹槽132的尺寸也可以大于超结构110之间的间隔。
图7是根据另一个示范性实施方式的超器件的截面图。将图7与图3比较，在图7的
超器件100C中，多个超结构110可以对应于一个电极120。也就是，单元C可以包括一个电极
120和多个超结构110。包括在单元C中的多个超结构110可以被一维地或二维地布置。尽管
图7中示出由一个层物理地形成的电极是一个电极120，但是示范性实施方式不限于此图
示。通过向彼此间隔开设置的多个子电极施加相同大小的电压，多个子电极可以用作单个
电极。因而，在超器件100中，多个超结构110布置为对应于单个电极120，从而导引更大量的
光。
图8是示出相对于施加到根据示范性实施方式的图7的超器件的单元的电压测量
反射光的强度随共振波长变化的结果的图形，图9是示出相对于施加到根据示范性实施方
式的图7所示的超器件的单元的光的波长测量反射光的相位的结果的图形。在此示范性实
施方式中，第一绝缘层130包括Al2O3，第二绝缘层160包括SiO2，有源层140包括ITO。第一绝
缘层130的厚度可以为约10nm，第二绝缘层160的厚度可以为约3nm，有源层140的厚度可以
为约5nm。超结构110和电极120包括Au，并且超结构110的水平尺寸和垂直尺寸可以分别为
约200nm和约140nm。超结构110的厚度为约50nm，并且超结构110之间的间隔为约400nm。由
图8可见，当不同的电压施加到电极120时，共振波长改变。这证明反射光的相位可以根据施
加的电压而改变。由图8和9还可见，反射光的相位可以根据施加到电极120的电压的大小而
改变。
图10是根据比较例的超器件的截面图。图10的超器件200可以包括基板250、电极
220、有源层240、绝缘层230和超结构210，它们以这样的次序顺序地设置。为了改变有源层
240的电荷密度，电压被施加到超结构210，并且电极220接地。在此情况下，超结构210用作
栅极电极，并且电极220设置在有源层240下面，使得图10的超器件200可以具有顶栅极结
构。
采用图10的超器件200，光可以被导引。然而，为了导引光，不同的电压需要施加到
图10的超器件200的超结构210中的至少两个。如果图10的基板250是用于施加电压的电路
基板，则需要提供分开的电极以从基板250施加电压到每个超结构210。然而，提供分开电极
所需的加工是困难的。例如，当分开的电极通过在绝缘层230、有源层240和电极220中形成
通路而提供时，对于超器件100的加工变得复杂并且产率降低。因此，与具有顶栅极结构的
超器件200相比，具有底栅极结构的超器件100提供更容易的加工和更高的产率。
通过施加相同的电压到超结构并在分开电极之后使用超结构下面的电极以解决
顶栅极结构的前述问题，可以避免采用通路的加工。然而，为了向超结构施加相同的电压，
超结构需要连接到彼此，并且在此情况下，光束不能被导引在连接超结构的方向上，在二维
光束导引上施加限制。
而且，具有底栅极结构的超器件100可以在性能上优于具有顶栅极结构的超器件
200。图11是示出相对于施加到超器件的电压的电荷密度的变化的图形。在图11中，底栅极
结构表示图3的超器件100，顶栅极结构表示图10的超器件200。由图11可见，底栅极结构的
有源层中的电荷密度更灵敏地对施加的电压起反应。因此，预期具有底栅极结构的超器件
100可以比具有顶栅极结构的超器件200更容易地控制反射光的相位偏移，因为电荷密度的
变化△n与相位偏移成正比。
本领域普通技术人员将理解，本公开可以以修改的形式实施，而没有脱离本公开
的实质特性。因此，所公开的示范性实施方式应当仅以描述性的含义来考虑，而不是为了限
制的目的。因此，本公开的范围不受本公开的具体描述限定，而是由权利要求书限定，并且
在该范围内的所有差异将被解释为包括在本公开中。
本申请要求于2015年12月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-
0175345号以及于2016年8月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-
0104492号的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。