이중 고손실 공진기 설계로 350-1200nm에서 97% 이상 태양광 흡수 달성

초록

해수 담수화, 결빙 방지 및 기타 재생 에너지 응용을 위해 태양 복사의 효율적인 광대역 흡수가 요구된다. 우리는 몇 층 흡수체의 대역폭을 넓히기 위해 두 개의 고손실 공진을 중첩시키는 아이디어를 제안한다. 이 흡수체는 유전체/금속/유전체/금속 층으로 구성된다. 시뮬레이션과 실험 모두에서 이 구조가 350-1200nm 파장 범위에서 97% 이상의 평균 흡수 효율을 보임을 확인했다. 90% 이상의 흡수 대역폭은 최대 1000nm(410-1410nm)에 달하며, 이는 이전 MIM 평면 흡수체(≤750nm)보다 크다. 특히 350-1000nm에서 평균 흡수가 65° 입사각까지 90% 이상 유지되며, 75°에서도 80% 이상 유지된다. 각도 둔감성 성능이 이전 몇 층 태양 흡수체보다 훨씬 우수하다. 유연한 1D 비귀금속 메타표면 흡수체가 단일 증착 단계로 제작된다. P = 1.2 kW/m² 할로겐 램프 조명 하에서 유연한 메타표면은 실온 대비 표면 온도를 25.1K 상승시킨다. 추가 실험으로 열 국소화가 축적된 얼음을 빠르게 녹임을 입증했다. 우리 조명 강도(P = 1.2 kW/m²)는 금/TiO₂ 입자 메타표면 기반 이전 태양 결빙 방지 연구(P = 2.4 kW/m²)의 절반에 불과해, 우리 메타표면이 실용 응용에 더 유리함을 보여준다. 연구 결과는 기계적 유연성, 비귀금속의 저비용, 대면적 제작이 가능한 광대역 메타표면 흡수기로의 효과적 경로를 제시하며, 태양열 활용 응용에 유망하다.

서론

높고 광범위한 흡수를 가진 광학 흡수체는 오랫동안 주요 과학적, 기술적 목표였다[1-9]. 열광전지[10-15], 증기 생성[16, 17], 광검출[18] 등 많은 응용 분야에서 필요하다. 최근 인공적으로 구조화된 서브파장 단위 셀의 2D 배열로 만든 광학 메타물질/메타표면 흡수체가 널리 연구되고 개발되었다[1, 2]. 조밀하게 패킹된 나노와이어[19], 나노튜브[15], 테이퍼 그루브[20-22], 피라미드 설계[23, 24] 등이 있다. 이러한 나노구조 대부분이 전자빔 리소그래피(EBL)[20], 집속 이온빔(FIB) 밀링[23], 나노임프린트 리소그래피[22], 리소그래피 기술[24] 등 복잡한 제작 공정을 요구하여 대규모 확장이 어렵다[25-37].

이러한 문제를 해결하기 위해 리소그래피 없는 평면 설계를 기반으로 한 1D 메타표면이 최근 집중적으로 연구되고 있다[1, 5, 8, 25-27]. 최근 과학자들은 단일 귀금속 층, 절연체-금속(IM), 금속-절연체-금속(MIM) 구조 등 몇 층 구성의 흡수 능력을 입증했다[1, 8, 25-27, 38-47]. 이는 흡수된 열의 국소적 축적에 유리하다. 첫째, 귀금속(Au, Ag 등) 기반 단순 평면 구성의 경우 흡수 대역폭(A > 90%)이 500nm 미만인데, 흡수가 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 효과 메커니즘만으로 발생하기 때문이다[1-8]. 이러한 SPP 효과 기반 흡수체는 운동량 매칭 조건으로 인해 본질적으로 각도 의존적 특성을 보인다[1-8]. 또한 IM 또는 MIM 평면 구성에서 귀금속을 사용한 흡수체도 파브리-페로(FP) 공진을 이용해 제안되고 시연되었다. 그러나 이러한 평면 흡수체(Ge/Au[48], Ag/Si/Ag[49] 등)는 단일 FP 공진만 활용하므로 흡수 대역폭(A > 80%)이 일반적으로 300nm 미만이다. 또한 위 흡수체 대부분에서 귀금속 재료 비용이 비싸다[1-8, 48, 50]. 최근 여러 그룹이 비귀금속(Mo, Cr 등) 기반 MIM 평면 나노구조로 광학 흡수체를 시연했다[50, 51]. 단일 페브리-페로(FP) 공진 기반 Mo/Al₂O₃/Mo 흡수체는 400-900nm에서 90% 이상 흡수를 보였다[50]. Cr/Al₂O₃/Cr 흡수체는 단일 FP 공진으로 400-1150nm에서 90% 이상 흡수를 보였다[51]. 보고된 대부분의 몇 층 평면 흡수체에서 가시-근적외선 파장 대역의 대역폭 Δλ_BW(A > 90%)은 750nm 미만이다. 한편 단일 공진 기반 MIM 평면 나노구조의 경우, TE 편광 입사 시 400-1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 40° 이상의 입사각에서 90% 미만으로 떨어진다. 이러한 각도 의존적 스펙트럼 특성은 실용적 적용을 어렵게 만드는 심각한 단점이다. 따라서 전방향성, 광대역, 고효율 흡수를 달성하는 몇 층 비귀금속 1D 메타표면 설계와 구현은 실용 응용을 위해 도전적이지만 필수적이다.

여기서 우리는 두 개의 고손실 공진기를 중첩시켜 흡수체의 대역폭(Δλ_BW)을 넓히는 몇 층 비귀금속 1D 메타표면을 제안하고 실험적으로 시연한다. 이 메타표면은 두꺼운 금속 필름 위의 절연체/금속(고손실)/절연체 얇은 층으로 구성되며, 두 개의 고손실 공진기를 포함한다. 두 고손실 공진기의 중첩으로 인해 제안된 메타표면의 평균 흡수 효율은 400-1200nm 파장에서 97% 이상이다. 흡수 대역폭(A > 90%)은 최대 1000nm(410-1410nm)에 달하며, 이는 이전 MIM 평면 흡수체(Δλ_BW = 750nm[51])보다 크다[1-8, 48, 50]. 또한 0-65°의 넓은 입사각 범위에서 350-1000nm 파장의 평균 흡수가 모두 90%를 초과한다. 이는 TE 편광 입사 시 400-1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 40° 이상의 입사각에서 90% 미만으로 떨어지는 이전 MIM 평면 흡수체[1-8, 48, 50]보다 실용 응용에 더 유리하다. 메타표면은 유리 기판과 유연한 PET 기판 모두에서 전자빔 증착 단일 단계로 제작된다. 측정된 비귀금속 메타표면의 흡수 스펙트럼은 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다. 효율적인 광 흡수와 초박막 흡수층(두께 = 10nm)에서의 광열 에너지 변환 덕분에, 비귀금속 메타표면은 할로겐 광원(P = 1.2 kW/m²) 조명 시 온도 상승(ΔT_e = 25.1K)을 보인다. 증가된 온도(ΔT_e = 25.1K)는 최근 보고된 금 입자 메타표면 기반 태양 흡수체(ΔT_e = 12°C, P = 2.4 kW/m²)[48]와 금/니켈 플라즈모닉 메타표면(ΔT_e = 8°C, P = 1.2 kW/m²)[49]보다 높다. 실용 응용을 위해 메타표면이 할로겐 광원(P = 1.2 kW/m²) 하에서 얼음을 제거할 수 있음을 시연했다. 이는 금/TiO₂ 입자 메타표면을 사용한 이전 태양 결빙 방지 연구(P = 2.4 kW/m²)[48]보다 더 효율적이다. 우리 1D 몇 층 메타표면의 리소그래피 없는 제작은 확장이 용이하여 실용 광열 응용에 광범위한 사용을 촉진한다.

설계 및 방법

설계된 1D 몇 층 메타표면은 그림 1a와 같이 두꺼운 금속 필름 위의 절연체/금속(고손실)/절연체 얇은 층으로 구성된다. 상단 세 얇은 층의 두께는 각각 h₁, h_m, h₂이다. 입사광은 IM 평면 나노구조에서 유전체-공기 계면과 유전체-금속 계면 사이에서 앞뒤로 반사되어 공진기를 형성한다(그림 1b, 공진기 1). 공진기 1의 길이는 h₁이다. 마찬가지로 금속(고손실)/절연체/금속(고손실) 평면 나노구조도 공진기이다[49-51](그림 1c의 공진기 2), 공진기 2의 길이는 h₂이다. 두 공진기의 공진 조건은 다음과 같다:

$$2\left( {\frac{2\pi }{{{\lambda_{{\text{res}}}}}}} \right){n_i}{t_i} + {\emptyset_b} + {\emptyset_t} = 2\pi m \quad (1)$$

여기서 λ_res는 공진 파장이다. n_i와 t_i는 각각 절연체 층의 굴절률과 두께이다. m은 공진 모드 차수를 결정하는 정수이다. Φ_b와 Φ_t는 두 반사에서 얻은 위상 변화이다. 식 (1)에 따라 t_i를 증가시키면 공진 파장 λ_res가 레드 시프트한다. 또한 절연체 층 두께(t_i) 증가에 따라 공진 모드 수가 증가한다. 두 공진기의 흡수를 증가시키고 동작 대역폭(Δλ_BW)을 넓히기 위해 상단과 하단 금속 층 모두에 고손실 금속 재료를 사용한다. 자연계에는 Ti, W, Ni 등 많은 고손실 물질이 있으며, 이들은 저렴하다. 여기서는 Ti를 고손실 금속(두 번째 및 네 번째 층)으로 선택한다. 첫 번째와 세 번째 층으로는 MgF₂ 층을 선택한다. SiO₂, TiO₂, 폴리머 등 유사한 유전체도 유전체 층으로 사용할 수 있다.

그림 1a 구조가 두 공진기를 가짐을 증명하기 위해, 그림 1b, c의 IM 및 MIM 평면 구조의 흡수 스펙트럼을 시뮬레이션하여 도시했다. 메타표면의 흡수는 A = 1 - R - T 공식으로 계산할 수 있다. 2차원 유한차분 시간영역(FDTD) 방법을 사용하여 제안된 구조를 시뮬레이션했다. 음의 z 방향으로 입사하는 수직 입사광을 사용하며, 편광은 x 방향이다. 메쉬 크기는 1nm로 설정한다. x 및 y 방향에 주기적 경계 조건을 적용한다. 모델의 상단과 하단 경계에는 완벽하게 매칭된 층(PML)을 구현한다. 유전체와 금속 재료의 유전율 값에는 [53]의 실험 데이터를 사용한다. 실험에서는 설계된 메타표면을 전자빔 증착기로 제작한다. 메타표면의 광학 투과율(T)과 반사율(R) 스펙트럼은 Shimadzu UV3600 분광광도계로 측정한다.

시뮬레이션 결과 및 논의

그림 1b의 IM 구조에서 MgF₂/Ti 평면 구조를 MgF₂ 기판 위에 놓고, Ti 층 두께(h_m)를 10nm로 설정한다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 유전체 층 두께 증가에 따라 MgF₂/Ti 층 구조의 공진 모드 수가 점차 증가하며, 이는 식 (1)과 잘 일치한다. 이는 그림 1b의 MgF₂/Ti 층 구조가 공진기임을 나타낸다[48]. 또한 하위 공진 모드(더 작은 유전체 층 두께에 해당)가 더 큰 대역폭(Δλ_BW)을 가짐을 알 수 있다. 그림 1c의 MIM 구조에서 상단 Ti 층 두께(h₂)를 10nm로 설계하고, 하단 Ag는 투과광을 차단하기 위해 무한대로 설정한다. 마찬가지로 명백한 공진 거동이 관찰되며, 저차 공진 모드가 더 큰 대역폭(Δλ_BW)을 가짐을 그림 2b에서 확인할 수 있다.

광대역 흡수 스펙트럼을 얻기 위해, 두 공진기 1과 2 모두 두 유전체(위상 매칭) 층의 두께(h₁ = 105nm, h₂ = 95nm)를 적절히 선택하여 최저차 공진 모드에서 동작하게 한다. 유전체-공기 계면과 유전체-금속 계면의 반사율이 상대적으로 낮기 때문에 기본 공진 모드는 높은 광학 손실을 가진다. 그림 2c는 350-1500nm 가시광 및 근적외선 파장 범위에서 메타표면의 흡수(빨간 실선) 시뮬레이션 결과를 보여준다. 두 공진기의 존재로 인해 더 짧은 파장(약 470nm)과 더 긴 파장(약 790nm)에서 두 개의 흡수 피크가 나타난다(그림 2c). 이 두 공진 피크는 두 공진기의 상호작용으로 인해 고립된 공진기의 공진 피크에서 약간 벗어난다. 공진기의 중첩으로 인해 1D 몇 층 메타표면은 350-1200nm 파장에서 97% 이상의 평균 흡수 효율을 가진다. 흡수 대역폭(A > 90%)인 Δλ_BW = 1000nm는 이전 IM 및 MIM 구조 기반 태양 흡수체(Δλ_BW ≤ 750nm)보다 크다[1-8].

1D 메타표면 흡수체의 물리적 메커니즘을 추가로 검증하기 위해 두 흡수 피크에서의 전력 소산 밀도 분포 맵을 계산하여 그림 2d에 도시했다. 예상대로 입사광은 주로 얇은 흡수(고손실 금속) 층에서 흡수된다. 또한 제안된 구조 설계의 효과성과 보편성을 입증하기 위해 다른 고손실 금속을 사용한 메타표면의 성능도 시뮬레이션했다. 예를 들어, 다른 금속(W, Ni, Cr)을 사용한 비귀금속 메타표면의 흡수, 투과, 반사 시뮬레이션 결과는 추가 파일 1: Fig. S1에 도시되어 있다. 시뮬레이션에서 첫 번째와 세 번째 층 재료는 MgF₂이다. W를 사용한 메타표면도 350-1000nm 파장에서 97% 이상의 평균 흡수를 보인다.

흡수층 두께가 다른 메타표면의 흡수 스펙트럼을 계산하여 그림 3a에서 논의한다. 메타표면 흡수체는 얇은 흡수층 두께의 넓은 범위(6nm < d_m < 16nm)에서 400-1200nm 파장의 평균 흡수를 90% 이상 유지한다. 이 결과는 얇은 흡수층 두께의 넓은 범위에서 높은 흡수 성능을 달성할 수 있음을 나타내며, 편리한 제작에 유리하다. 그러나 단일 공진기만 사용하는 이전 연구에서는 효율적인 흡수를 위해 임계 결합 조건을 달성하기 위해 얇은 흡수층 두께의 고정밀도가 요구된다.

각도와 편광 의존성도 광학 흡수체 평가의 중요한 기준이므로, TE(횡전기)와 TM(횡자기) 모드 모두에서 다양한 입사각에 따른 흡수 스펙트럼을 추가로 계산하여 그림 3b, c에 도시했다. 350-1000nm 파장 범위의 평균 흡수도 계산하여 그림 3d에 도시했다. 350-1000nm 파장에서 평균 흡수가 65° 입사각까지 90% 이상 유지됨을 명확히 볼 수 있다. 평균 흡수는 입사각 증가에 따라 약간 감소하며, TE 및 TM 편광 모두에서 75° 입사각까지 80%까지 유지된다. 이전 단일 공진기 기반 몇 층 평면 나노구조의 경우, 400-1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 TE 편광 입사 시 40° 이상의 입사각에서 90% 미만으로 떨어진다[1-8, 48, 50]. 이 결과는 우리 메타표면이 이전 몇 층 평면 흡수체[1-8]보다 최고의 각도 독립성 성능을 가짐을 보여준다. 그 이유는 대부분의 이전 몇 층 평면 흡수체가 단일 흡수 메커니즘만 기반으로 하는 반면, 우리 흡수체는 두 고손실 공진기의 중첩에 기반하기 때문이다. 시뮬레이션된 흡수 스펙트럼을 바탕으로 태양-열 변환 효율 η를 다음과 같이 계산한다[52]:

$$\Delta = {E_{\upalpha }} - {E_R} = \frac{{C \times \smallint {\text{d}}\lambda {\upalpha }\left( \lambda \right){E_{{\text{solar}}}}\left( \lambda \right) - \smallint {\text{d}}\lambda \alpha \left( \lambda \right){E_{\text{B}}}\left( \lambda \right)}}{{C \times \smallint {\text{d}}\lambda {E_{{\text{solar}}}}\left( \lambda \right)}} \quad (2)$$

여기서 E_α는 총 태양 흡수율, E_R은 열복사 손실, E_solar는 스펙트럼 태양 조사량, E_B(λ, T_A)는 온도 T_A에서의 흑체 복사, C는 보통 1-1000 정도인 집광 계수이다[52]. 계산 결과는 그림 3e의 실선으로 표시된다. 흡수체는 TE 편광 입사각 θ ≤ 60°에서 0.9 이상의 높은 η_{solar thermal}을 보인다(그림 3e). 동시에 TM 편광 입사각 θ ≤ 55°에서 η ≥ 0.9를 유지한다(그림 3e). 이 성능은 이전 태양 흡수체[52]보다 우수하다. Ref. [52]의 다양한 입사각에 따른 η를 그림 3e의 점선으로 표시했다. TM 편광에서 우리 흡수체의 η는 [52]의 흡수체보다 약 20% 높다. 이 결과는 우리 메타표면의 광 흡수가 광대역일 뿐만 아니라 광각도임을 보여준다.

실험 결과 및 논의

제안된 1D 메타표면 흡수체를 검증하기 위해 전자빔 증착기만 사용하여 설계된 메타표면을 제작했다. 하단 Ti 층(150nm), MgF₂ 스페이서(95nm), 얇은 흡수 Ti 층(10nm), MgF₂ 층(105nm)을 유리 기판 위에 증착했다. 제작된 흡수체 사진은 그림 4a에 도시되어 있으며, 샘플이 모두 검은색임을 관찰할 수 있다. 다음으로 Shimadzu UV3600 분광광도계에 구면 적분기(ISR-3100)를 부착하여 350-1500nm 파장에서 메타표면의 광학 투과율(T)과 반사율(R) 스펙트럼을 측정했다. 흡수(A)는 A = 1-R-T로 계산한다. 그림 2c의 시뮬레이션 결과와 그림 4b의 실험 결과가 잘 일치하는 광대역 흡수 스펙트럼과 두 흡수 피크를 명확히 볼 수 있다. 실험 결과의 평균 흡수는 350-1200nm 파장에서 97% 이상이다. 흡수 대역폭(Δλ_BW, A > 90%)은 최대 1030nm(350nm-1380nm)에 달하며, 이는 이전에 보고된 IM 및 MIM 평면 흡수체(Δλ_BW = 750nm[51])보다 크다[2-17].

또한 메타표면 구조를 유연한(PE, 폴리에틸렌) 기판 위에 증착했으며, 그림 4c는 제작된 유연한 샘플 이미지로 역시 검은색이다. 유연한 샘플의 광학 특성도 측정하여 그림 4d에 도시했으며, 350-1100nm 파장에서 95% 이상의 평균 흡수를 얻었다. 그림 4b, d의 짧은 파장에서 약간의 흡수 차이는 증착 공정에서 금속/유전체 두께의 고정밀도 보장이 다소 어렵기 때문이다. 그림 4e에 비편광광 하에서 다양한 입사각에 따른 흡수 스펙트럼을 측정하여 도시했으며, 실험 결과 우리 흡수체가 입사각에 둔감함을 보여주며 시뮬레이션 결과와 일치한다. 0°-70° 다양한 입사각에서 350-1000nm 파장의 측정된 평균 흡수율도 그림 4f에 도시했다. 측정된 평균 흡수는 350nm-1000nm 파장에서 65° 입사각까지 90% 이상 유지되며, 이는 그림 3d의 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다. 참고로 이전 단일 공진기 기반 몇 층 평면 나노구조의 경우, 400-1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 TE 편광 입사 시 40° 이상의 입사각에서 90% 미만으로 떨어진다[1-8, 48, 50].

우리 메타표면의 광열 응용 잠재력을 추가로 평가하기 위해 발열 특성도 특성화했다. 광대역 할로겐 광원을 사용하고, XINTEST-HT18 적외선 온도계로 메타표면 샘플의 온도 상승을 기록했다. 할로겐 광원의 출력은 XINBAO-SM206 광도계로 측정했다. 그림 5a에서 생성된 열이 메타표면 샘플 주변에 고도로 국소화됨을 명확히 볼 수 있다. 유연한 메타표면은 P = 1.2 kW/m² 할로겐 광원에서 실온 대비 표면 온도를 25.1K 상승시켰다. 표면 온도 상승은 최근 보고된 금 입자 메타표면 기반 태양 흡수체(A = 83%, ΔT_e = 12°C, P = 2.4 kW/m²)[54]와 금/니켈 플라즈모닉 메타표면(ΔT_e = 8°C, P = 1kW/m²)[55]보다 높다. 또한 그림 5b, c는 메타표면과 유리 샘플 위의 얼어붙은 물방울의 대표적인 이미지 시퀀스를 보여준다. 먼저 단일 물방울을 메타표면과 유리 표면에 증착하고 얼린다. 그런 다음 할로겐 램프 광(P ≈ 1.2 kW/m²)으로 메타표면 또는 유리에 부착된 얼어붙은 물방울 표면을 조명한다. 메타표면 샘플에서는 40초 후 물방울이 미끄러지기 시작하여 약 75초 내에 완전히 제거된다. 반면 동일한 조명 하에서 유리의 얼어붙은 물방울에는 변화가 없다. 우리 연구의 입사광 조명 강도(P = 1.2 kW/m²)는 금/TiO₂ 입자 메타표면 기반 이전 태양 결빙 방지 연구(P = 2.4 kW/m²)[54]의 절반에 불과하여, 우리 메타표면이 실용 응용에 더 유리함을 나타낸다.

결론

요약하자면, 유전체/금속/유전체/금속 층으로 구성된 1D 비귀금속 메타표면 기반 광대역 흡수기를 달성하기 위한 효율적인 설계 전략을 제안했다. 두 고손실 공진기의 중첩 덕분에 350-1200nm 파장에서 97% 이상의 평균 흡수를 달성했다. 90% 이상의 흡수 대역폭은 최대 1000nm(410-1410nm)에 달하며, 이는 이전 MIM 평면 흡수체(≤750nm)[1, 5, 8, 25-27]보다 크다. 메타표면은 간단한 전자빔 증착법으로 제작되어 대면적 응용 가능성을 제공한다. 시뮬레이션과 실험 결과 우리 흡수체의 광대역 흡수가 350-1000nm 파장에서 65° 입사각까지 90% 이상 유지됨을 보였다. 이전 몇 층 평면 흡수체의 경우, 400-1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 TE 편광 입사 시 40° 이상의 입사각에서 90% 미만으로 떨어진다[1-8, 48, 50]. 또한 유연한 기판에 메타표면을 증착하여 유연성도 입증했다. 유연한 메타표면은 P = 1.2 kW/m² 할로겐 램프 하에서 실온 대비 표면 온도를 25.1K 상승시켰다. 실용 응용을 위해 P = 1.2 kW/m² 할로겐 램프 하에서 유연한 메타표면의 결빙 방지 능력을 조사했다. 광대역 고효율 흡수를 가진 이 1D 메타표면은 태양 에너지 구동 결빙 방지 분야에 잠재적 응용 가능성이 있다.

데이터 및 자료 가용성

현재 연구 동안 생성 및/또는 분석된 데이터셋은 합리적인 요청 시 해당 저자로부터 제공받을 수 있다.

약어

BW:

대역폭

FDTD:

유한차분 시간영역

IM:

절연체-금속

MIM:

금속-절연체-금속