[논문]테라헤르츠 영역에서 금으로 구성된 주기적인 소형 개구의 투과 현상

류성준; 박종언; 이준용; 추호성

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.2.77

테라헤르츠 영역에서 금으로 구성된 주기적인 소형 개구의 투과 현상
Transmission Characteristics of Periodic Au Slits at Terahertz Regimes 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.2, 2018년, pp.77 - 82

류성준 (홍익대학교 전자전기공학과) , 박종언 (홍익대학교 메타물질전자소자연구센터) , 이준용 (홍익대학교 컴퓨터공학부) , 추호성 (홍익대학교 전자전기공학과)

초록
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테라헤르츠 영역에서 MIM(Metal - Insulator - Metal) 도파관이 주기적으로 배열되어 있는 경우, 도파관 두께의 변화에 따른 전자파의 투과 특성은 널리 연구되지 않았다. 본 논문에서는 금속이 금으로 구성된 주기 구조의 경우 MIM 도파관에 수직으로 입사하는 수평 편파에 의한 전자파의 투과 특성을 다양한 테라헤르츠 주파수 영역에서 확인하고, 그 결과를 분석하고자 한다. 또한 완전 도체의 경우와 비교해 봄으로써 그 차이점을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electromagnetic wave transmission through periodic metal-insulator-metal(MIM) waveguides as a function of plate thickness has not been extensively studied at various terahertz frequencies. In this paper, we investigate the transmittances through gold MIM slits when a normally incident wave with parallel polarization is considered at several terahertz frequencies. In addition, the results are compared to the case of a perfect electric conductor, and the differences are discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 완전 도체 혹은 테라헤르츠 영역에서 유전 특성을 고려한 금의 주기구조로 구성된 소형 개구에서 투과 특성을 고찰하였다. 이를 위해 테라헤르츠 주파수에 따른 금의 물질특성을 반영하는 것뿐만 아니라, 소형 개구 사이의 거리, 금속의 두께 등을 변화시키며 투과 특성의 변화를 확인하였다.
본 논문에서는 테라헤르츠 주파수가 변함에 따른 금의주기적인 소형 개구에 대한 투과 특성을 MIM 도파관의 두께가 변함에 따라 살펴보았으며, 그 결과를 완전도체의 경우와 비교해 분석해 보았다. 완전 도체의 경우는 투과율의 첨둣값이 0.

가설 설정

. 기존소형 개구의 전자파 투과 특성을 관찰하기 위해서 일반적으로 개구가 완전도체로 이루어져 있을 때를 가정하고 전자파 특성을 계산하였다. 하지만 테라헤르츠 주파수에서는 마이크로파 영역에서와 같이 완전 도체의 물질 특성을 그대로 적용할 수 없기 때문에 기존의 해석 방법을 활용하여 전자파 특성을 계산하기에 어려움이 따른다.
2차원 소형 개구는 주기 p를 갖고, y-축 방향으로 무한하게 존재하며, 소형 개구의 너비는 2g, 금속의 너비는 2d, 진행 방향으로 두께는 t이다. 왼쪽 자유 공간으로부터 소형 개구에 입사하는 입사파는 수평 편파 모드로 수직으로 입사하는 경우만 가정하였으며, 오른쪽 자유 공간으로 소형 개구를 통과하는 투과파를 입사파 전력밀도로 나누어 투과율을 계산한다.

제안 방법

본 논문에서는 완전 도체 혹은 테라헤르츠 영역에서 유전 특성을 고려한 금의 주기구조로 구성된 소형 개구에서 투과 특성을 고찰하였다. 이를 위해 테라헤르츠 주파수에 따른 금의 물질특성을 반영하는 것뿐만 아니라, 소형 개구 사이의 거리, 금속의 두께 등을 변화시키며 투과 특성의 변화를 확인하였다. 도출된 개구특성은 광학영역에서 분배기, 스플리터, 스위치, 모드 변환기 등의 금속 도파관 특성 분석에 적용이 가능할 것으로 사료된다^[7].

데이터처리

그림 5는 모드 정합법을 이용하여 도출된 투과특성에 대한 정확도를 검증하기 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS사의 HFSS와 Altair사의 FEKO 시뮬레이션을 이용하여 비교한 결과를 보여준다. MIM 도파관의 주기 p가 0.

성능/효과

그림 5는 모드 정합법을 이용하여 도출된 투과특성에 대한 정확도를 검증하기 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS사의 HFSS와 Altair사의 FEKO 시뮬레이션을 이용하여 비교한 결과를 보여준다. MIM 도파관의 주기 p가 0.5λ₀, 개구의 간격 2g가 0.1λ₀일 때 금속의 두께에 따른 투과율을 계산하였으며, 도출된 3개의 결과가 매우 유사함을 확인하였다.
본 논문에서는 테라헤르츠 주파수가 변함에 따른 금의주기적인 소형 개구에 대한 투과 특성을 MIM 도파관의 두께가 변함에 따라 살펴보았으며, 그 결과를 완전도체의 경우와 비교해 분석해 보았다. 완전 도체의 경우는 투과율의 첨둣값이 0.5λ₀의 주기로 일정하게 손실 없이 나타남을 확인할 수 있었지만, 테라헤르츠에서 실제 금속의경우는 0.5λ₀보다 작은 간격으로 투과량의 첨둣값이 나타났으며, MIM 도파관의 두께가 두꺼워짐에 따라 전체적인 투과량의 크기가 줄어듦을 확인할 수 있었다. 이와같은 분석은 각 주파수 및 구조에서 첫 번째 모드의 정규화된 전파 상수와 자기장의 필드 패턴을 비교해 봄으로써 확인이 가능하다.

후속연구

이를 위해 테라헤르츠 주파수에 따른 금의 물질특성을 반영하는 것뿐만 아니라, 소형 개구 사이의 거리, 금속의 두께 등을 변화시키며 투과 특성의 변화를 확인하였다. 도출된 개구특성은 광학영역에서 분배기, 스플리터, 스위치, 모드 변환기 등의 금속 도파관 특성 분석에 적용이 가능할 것으로 사료된다^[7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 개구의 전자파 특성을 계산하기 위한 방법은?	따라서 테라헤르츠 주파수 대역에서 실제 금속의 물질 특성을 고려하여 소형 개구의 전자파 특성을 계산하는 방법이 소개되었다[2],[3]. 개구 투과 현상을 해석하기 위한 수치해석 방법은 비교적 다양하지만[4],[5], 모드정합법[2],[3]을사용하면 모드별 필드 관찰을 통해 전자파의 전송 원리를 이해하기가 용이하다.
	기존소형 개구의 전자파 투과 특성을 관찰하기 위해 가정한 것은 무엇인가?	단일 또는 주기구조로 구성된 소형 개구에서 전자파투과 특성에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다[1]. 기존소형 개구의 전자파 투과 특성을 관찰하기 위해서 일반적으로 개구가 완전도체로 이루어져 있을 때를 가정하고 전자파 특성을 계산하였다. 하지만 테라헤르츠 주파수에서는 마이크로파 영역에서와 같이 완전 도체의 물질 특성을 그대로 적용할 수 없기 때문에 기존의 해석 방법을 활용하여 전자파 특성을 계산하기에 어려움이 따른다.
	테라헤르츠 주파수에서 기존 해석방법을 적용하여 전자파 특성을 계산하기 어려운 이유는 무엇인가?	기존소형 개구의 전자파 투과 특성을 관찰하기 위해서 일반적으로 개구가 완전도체로 이루어져 있을 때를 가정하고 전자파 특성을 계산하였다. 하지만 테라헤르츠 주파수에서는 마이크로파 영역에서와 같이 완전 도체의 물질 특성을 그대로 적용할 수 없기 때문에 기존의 해석 방법을 활용하여 전자파 특성을 계산하기에 어려움이 따른다. 따라서 테라헤르츠 주파수 대역에서 실제 금속의 물질 특성을 고려하여 소형 개구의 전자파 특성을 계산하는 방법이 소개되었다[2],[3].

참고문헌 (9)

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10.3788/COL20090704.0302 G. Veronis, Z. Yu, S. E. Kocabas, D. A. B. Miller, M. L. Brongersma, and S. Fan, “Metal-dielectric-metal plasmonic waveguide devices for manipulating light at the nanoscale,” Chinese Optics Letters, vol. 7, no. 4, pp. 302-308, 2009.

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B. Friedman, Principles and Techniques of Applied Mathematics, New York, Dover, 1990.

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