하전된 에어로졸 프린팅을 통한 3차원 광학 메타물질 제작 및 3차원 수치해석에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 하전된 에어로졸 프린팅을 주기적인 hole pattern의 dielectric layer에 적용하여 bridge 형태의 주기적인 나노 구조체를 제작하였다. Substrate에 적용한 음전압에 따른 surface potential의 조절을 통해 서로 다른 주기 조건의 pattern에서도 동일한 bridge 형상의 나노 구조체를 제작할 수 있었다. 제작된 나노 구조체는 near-IR과 mid-IR 두 파장대에서 resonance peak을 보였다. Near-IR의 resonance는 나노 구조체의 상단부의 길이방향 localized surface plasmon resonance(LSPR)에 의해 발생하고 mid-IR의 resonance는 나노 구조체 기둥의 LSPR에 의해 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로, 편광과 NA값에 변화를 주며 측정한 반사 스펙트럼을 통해 제작된 나노 구조체가 편광과 입사각 sensing에 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한, 하전된 에어로졸 프린팅 과정을 검증하는 3차원 시뮬레이션을 개발 및 적용하였다. 구현된 시뮬레이션은 자체 개발된 3D Poisson Solver를 통한 증착 챔버 내 전기장 계산과 나노 입자에 가해지는 다양한 힘을 고려한 Langevin equation을 4th order Runge-Kutta method를 통하여 수치해석함으로써 입자의 궤적을 계산하고 공정 과정을 검증하였다. 계산된 결과는 하전된 에어로졸 프린팅 공정의 다양한 실험조건에 따른 결과를 높은 정확도로 예측하였으며 나노 입자의 유동을 수반하는 다양한 공정 예측으로 확장 가능성을 보였다.

In this thesis, bridge-type periodic nanostructures were fabricated by applying charged aerosol printing to a dielectric layer with periodic hole patterns. By adjusting the surface potential according to the negative voltage applied to the substrate, the same bridge-shaped nanostructures can be fabricated in different periodic patterns. The fabricated nanostructures showed resonance peaks in both near-IR and mid-IR wavelengths. The near-IR resonance was caused by localized surface plasmon resonance (LSPR) in the longitudinal direction of the upper part of the nanostructures, and the mid-IR resonance was caused by the LSPR of the nanostructures pillars. In addition, the possibility that the fabricated nanostructure can be used for polarization and incident angle sensing was confirmed through the measured reflectance spectrum while varying the polarization and NA values. Also, three-dimensional simulation to verify the charged aerosol printing process was developed. The simulation calculates the trajectory of the nanoparticle by calculating the electric field in the deposition chamber through the self-developed 3D Poisson Solver and the Langevin equation considering the various forces applied to the nanoparticle through the 4th order Runge-Kutta method. The calculated results predicted the results of various experimental conditions of the charged aerosol printing process with high accuracy and showed the possibility of extension to various process predictions involving the flow of nanoparticles.