서브파장 금 나노격자가 액정을 직접 침윤하면서 발생하는 배향 이상 및 효율 손실 문제를 해결하기 위해, 서브파장 특성 크기를 갖는 공간 광 변조기는 공정 간결성과 성능 우위를 모두 갖춘 최적화된 고정 방안이 시급히 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 새로운 고정 방안을 제안한다: 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA)를 금 나노격자를 제조하는 포토레지스트로 사용하고, 동시에 홈 내부 충전 및 액정 셀 상판 기판의 고정 재료로 사용하여 공정 단순화와 균일한 배향을 동시에 달성하고, 침윤 문제를 회피한다. 서브파장 금 나노격자와 액정면이 직접 접촉할 때의 고정 규칙을 밝히고, 직접 침윤 방식의 성능 한계를 명확히 하기 위해, 우선 액정을 금 나노격자 표면에 직접 고정하는 방안을 채택하여, 직교 편광 현미경 실험을 통해 서브파장 금 나노격자가 액정에 침윤될 때 액정 분자의 배향을 연구하였다. 금 나노격자에 대응하는 하부 기판 배향이 격자선과 평행하고 수직인 두 그룹의 액정 셀을 실험 제작한 결과, 서브파장 금 나노격자 시료 내 액정 분자가 격자선을 따라 배향되어 시료 내 액정 분자가 왜곡된 배열을 이룸을 관찰하였다. 이러한 배열은 고전적인 위상 변조기 기술의 선호하는 평행 고정 모드가 아니며, 격자 공진과 공명하는 금 나노격자 표면의 표면 플라스몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polaritons, SPP)의 편광 방향과 직교하여 금 나노격자 공진이 액정 변조 변화를 효과적으로 감지하지 못해 동적 변조를 달성하지 못한다. 상기 실험 관측된 계면 배향 특성을 바탕으로 TechWiz 3D 소프트웨어를 이용해 금 나노격자 홈 내부를 각각 PMMA와 액정으로 채운 상태에서 전기 인가 시 금 나노격자 하부 표면 액정 지향 벡터의 변화를 시뮬레이션하고, 금 나노격자 하부 표면 액정 유효 굴절률의 변화를 산출하였다. 얻어진 유효 굴절률 데이터를 FDTD Solutions 소프트웨어에 적용하여 금 나노격자 홈 내 PMMA 및 액정 충전 두 가지 방안의 반사 위상 변조량과 반사율 특성을 비교하였다. 시뮬레이션 결과 PMMA 충전 방안이 액정 충전 대비 0~2π의 완전한 위상 변조 범위와 우수한 반사율 특성을 구현할 수 있음을 보였다. 본 연구는 PMMA 평탄화층이 액정 동적 제어를 위한 광학 초표면 소자에 적합한 기술적 방안임을 제시한다.

서브파장 금 나노격자; 위상 변조; 액정 셀 고정; 액정 유효 굴절률; PMMA 평탄화층