KR100964973B1 - 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100964973B1
KR100964973B1 KR1020080015284A KR20080015284A KR100964973B1 KR 100964973 B1 KR100964973 B1 KR 100964973B1 KR 1020080015284 A KR1020080015284 A KR 1020080015284A KR 20080015284 A KR20080015284 A KR 20080015284A KR 100964973 B1 KR100964973 B1 KR 100964973B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
terahertz wave
high power
generating device
semi
electrode pattern
Prior art date
Application number
KR1020080015284A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090056764A (ko
Inventor
윤두협
강광용
이승환
백문철
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Publication of KR20090056764A publication Critical patent/KR20090056764A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100964973B1 publication Critical patent/KR100964973B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1026—Controlling the active medium by translation or rotation, e.g. to remove heat from that part of the active medium that is situated on the resonator axis
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
    • G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/23—Combinations of reflecting surfaces with refracting or diffracting devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/107—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect
    • H01S3/1075—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect for optical deflection

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

본 발명은 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자에 관한 것으로서, 이러한 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자는, 반절연성 기판과, 상기 반절연성 기판의 상부에 전극 간의 간격을 설정값 이상으로 넓힌 형태로 형성된 전압 인가를 위한 전극 패턴을 갖으며, 상기 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재가 증착되거나, 상기 전극 패턴 상부에 상기 높은 넓은 띠 간격 소재를 일렬 정렬하여 어레이 형태로 형성된 광전도 안테나를 포함하여 제조됨으로써, 상기 전극 패턴에 전압이 인가되고 상기 증착된 넓은 띠 간격 소재에 자외선 영역의 광파가 주입되면 상기 광전도 안테나를 통해 높은 세기로 테라헤르츠파를 출력할 수 있다.
테라헤르츠파 발생 소자, 고출력, 광전도 안테나, 반도체 레이저, 반절연성 기판, 박막, 나노 와이어, 나노 로드.

Description

고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법{THz-WAVE MATERIALS FOR HIGH POWER AND MANUFACTURING METHOD OF THz-WAVE MATERIALS FOR HIGH POWER}
본 발명은 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자에 관한 것으로서, 특히 근접장 전기방사법(electro-spinning)을 이용한 넓은 띠 간격(wide band-gap) 소재 기반의 고출력의 테라헤르츠(THz)파 발생 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2006-S-005-02, 과제명 : THz파 발진 변환 검출기 및 신호원].
테라헤르츠 대역(100 GHz~10 테라헤르츠)은 광파와 전파의 경계영역에 존재하며, 기술적으로 뒤늦게 개발된 54 주파수 대역으로 테라헤르츠 대역을 개척하기 위해 최신의 레이저 기술, 반도체 기술 및 고온 초전도 기술을 사용하는 새로운 전자기파 기술로 발전하였다. 이러한 테라헤르츠 전자파 펄스는 펨토 초 광 펄스에 의한 초고속 광 스위치(광전도 안테나), 반도체 표면, 양자우물 구조, 고온초전도 접합 소자 등의 여기에 의해 발생한다.
광전도 안테나는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 반절연성 갈륨비소(Semi-insulator GaAs) 기판 위에 광전도성 박막을 증착하고, 다시 그 위에 중앙 돌출 부위를 갖는 "H"자 형태의 금속 평행전송선로(전극도 겸함) 형태이다. 여기서 광전도성 박막은 피코초(ps, 1ps=10-12초) 이하의 캐리어(carrier, 운반자) 수명, 높은 캐리어 이동도, 높은 전압 내구성과 같은 조건들을 잘 만족해야 하는데, 고가의 분자선성장(MBE) 장비로 저온 성장한 갈륨비소(Low-Temperature Grown-GaAs: LT-GaAs) 박막을 주로 사용한다.
상기 금속 평행전송선로는 소형 다이폴 안테나로서 작용한다. 이러한 소자에 바이어스 전압을 가한 상태에서 시간 폭이 100 펨토초 이하인 레이저 펄스광(광파)을 사용하여 간헐적으로 여기 시키면, 광흡수에 의한 캐리어(전자와 정공)가 생성되어 순간적으로 전류가 흐르고, 이 전류의 시간 미분 값에 비례하는 테라헤르츠파(쌍극자 방사)가 발생하게 된다. 이를 수학식으로 표현하면 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112008012582819-pat00001
여기서 E는 원거리(방향)에서의 방사전기장, i(t)는 광전도 전류, P(t)는 분극을 의미한다.
상기 테라헤르츠파는 유전율이 큰 기판 표면에서 강하게 발생된다. 이렇게 발생되는 테라헤르츠파의 펄스폭은 1ps(pico-second) 이하로서, 범용인 30fs 이상의 레이저 펄스를 사용하여 광을 여기 시킬 경우, 푸리에(Fourier) 변환하여 얻게 되는 스펙트럼은 첨부된 도 2에 도시된 바와 같은 펄스 형태로, 0 ~ 수 테라헤르츠(THz)까지의 스펙트럼을 발생한다.
소형 다이폴 안테나의 간격은 통상 5 ~ 10μm로서, 수백 마이크로미터(μm)로 방사되는 테라헤르츠파의 파장에 비해 충분히 작다. 따라서 광 펄스에 의해 여기 되는 전류가 흐를 때 캐리어는 집단으로 같은 위상으로 움직인다고 볼 수 있으므로 발생되는 테라헤르츠파는 가 간섭 방사가 된다.
상기와 같은 방법으로 테라헤르츠파를 발생하는 경우, 하나의 단위 소자에서 나오는 출력은 하기 <수학식 2>와 같이 인가하는 바이어스 전압과 여기용 레이저 파워에 따라 변한다. 광전도 안테나의 경우 변환 효율이 매우 낮아서 입력되는 파워(power)에 비교하여 발생되는 테라헤르츠파의 파워가 매우 약하다. 통상적으로 Ti: Sapphire의 입력 파워가 수 ~ 수십 mW인 경우 테라헤르츠 출력은 안테나의 형태에 따라서 다소 차이가 있지만 수 μW 정도가 발생된다.
E테라헤르츠 = -Eb σs η0 /[σs η0 +[1+(εr)1/2]
여기서 Eb 는 안테나 전극에 인가한 전압, σs 는 표면 광전류도, η0 는 자유공간에서의 임피던스 값 및 E테라헤르츠는 발생된 테라헤르츠 강도이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 항복전압이 높은 넓은 띠 간격 소재를 기반으로 하여 광전도 안테나에 가해지는 전압을 증가시킴으로써 테라헤르츠파의 출력을 높이고자 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 근접장 전기방사법을 이용하여 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재를 일렬로 정렬시킨 광전도 안테나를 형성하고자 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
삭제
상기 이러한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 고출력 테라헤르츠파 발생 소자는, 반절연성 기판; 및 상기 반절연성 기판의 상부에 전압 인가를 위해 형성된 전극 패턴을 갖으며, 넓은 띠 간격 소재가 상기 전극 패턴 상부에 일렬로 정렬되어 어레이 형태로 형성된 광전도 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 고출력 테라헤르츠파 발생 소자는, 반절연성 기판; 및 상기 반절연성 기판의 상부에 전극 간의 간격을 설정값 이 상으로 넓힌 형태로 형성된 전압 인가를 위한 전극 패턴을 갖으며, 상기 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재가 증착된 광전도 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 상기 고출력 테라헤르츠파 발생 소자는, 상기 광전도 안테나를 기준으로 자외선 영역의 광파가 주입되는 반대 측에 형성되며, 상기 광전도 안테나를 통해 높은 세기로 출력되는 상기 테라헤르츠파를 모아서 외부로 고출력의 테라헤르츠파를 발생하는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 고출력 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법은, 반절연성 기판을 형성하는 단계; 상기 반절연성 기판의 상부에 전극 패턴을 형성하는 단계; 넓은 띠 간격 소재를 근접장 전기방사법을 이용하여 상기 전극 패턴 상부에 일렬로 정렬하여 광전도 안테나를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 고출력 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법은, 반절연체 기판을 형성하는 단계; 상기 반절연성 기판 상부에 전극 간 간격을 설정값 이상으로 넓힌 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재를 증착하여 광전도 안테나를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 상기 고출력 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법은, 상기 광전도 안테나를 통해 높은 세기로 출력되는 테라헤르츠파를 모아서 외부로 상기 고출력의 테라헤르츠파를 발생하기 위한 렌즈를 상기 광전도 안테나를 기준으로 자외선 영역 의 광파가 주입되는 반대 측에 형성하는 단계 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
따라서 본 발명은 항복전압이 매우 높은 넓은 띠 간격 소재를 사용하고, 패턴의 전극 간 간격(gap)을 기존의 설정값(5μm) 보다 크게 넓혀 광전도 안테나에 가해지는 인가전압을 증가시키거나, 광전도 안테나를 어레이 형태로 제조하여 광전도 안테나를 통해 출력되는 테라헤르츠파의 출력 세기를 크게 높일 수 있으므로 외부로 고출력의 테라헤르츠파를 발생할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 근접장 전기방사 장치를 통한 근접장 전기방사법을 사용하여 넓은 띠 간격 소재를 안테나 패턴 위에 일렬로 정렬하여 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자의 효율을 향상시키고, 크기를 나노 크기로 소형화시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그러면 본 발명의 실시예들에 따른 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자의 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자는 반절연성 기판(ZnO 박막) 상부에 렌즈(110), 광전도 안테나(120) 및 전원부(130)가 형성되어 제작될 수 있으며, 상기 전원부(130)로부터 상기 광전도 안테나(120)로 바이어스 전압이 인가되고, 반도체 레이저(101)에 의해 자외선 영역의 광파가 주입되면, 상기 광전도 안테나(120)에서 광을 흡수하여 높은 세기로 테라헤르츠파를 발생한다.
상기 반도체 레이저(101)는 GaN, ZnO와 같은 넓은 띠 간격 소재에 대한 펌핑 소스로 사용하기 위하여 제2고주파(SHG: Second Harmonid Generator)방식을 사용하며, 자외선 영역의 파장(290 ~ 410nm)을 가지는 반도체 레이저 다이오드이다. 이러한 반도체 레이저(101)는 시간 폭이 100 펨토초 이하인 레이저 펄스광 즉, 펌핑 소스로 사용하기 위한 광파를 상기 광전도 안테나(120)로 발생한다.
상기 렌즈(110)는 실리콘 형태의 렌즈로서, 상기 광전도 안테나(120)를 기준으로 상기 광파가 주입되는 반대 측에 형성되며, 상기 광전도 안테나(120)에 전압이 인가되고 상기 광파가 주입됨에 따라 상기 광전도 안테나를 통해 출력되는 테라헤르츠파를 모아서 외부로 고출력의 테라헤르츠파를 발생한다.
상기 광전도 안테나(120)는 상기 기판 상에 전압 인가를 위해 제조된 IDT(Inter-Digit Transmission) 형태의 전극 패턴을 갖고, 고 전압을 인가하기 위하여 상기 전극 패턴의 전극 간의 간격을 기존의 설정값(5μm) 이상, 예를 들어 10μm로 넓힌 “H"자 형태의 금속 평행전송선로 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광전도 안테나(120)는 근접장 전기 방사법을 사용하여 항복 전압이 높은 넓은 띠 간격 소재가 상기 전극 패턴 상부에 어레이 형태로 정렬되어 형성될 수 있다.
이와 같은 상기 광전도 안테나(120)는 크게 넓은 띠 간격 소재 기반의 박막을 사용하는 광전도 안테나와, 넓은 띠 간격 소재 기반의 나노 와이어 또는 나노 로드를 사용하는 광전도 안테나로 구분될 수 있다.
상기 넓은 띠 간격 소재는 상기 나노 크기를 갖는 소재인 박막 또는 나노 와이어, 나노 로드를 말하며, ZnO, In2O3 또는 SnO2의 넓은 띠 간격 산화물 소재 및 SiC, GaN 또는 다이아몬드(Diamond)의 넓은 띠 간격 반도체 소재를 사용할 수 있다. 이러한 상기 넓은 띠 간격 산화물 소재인 박막 또는 나노 와이어, 나노 로드 등의 성장을 위해서는 열적 기상 증착(Thermal CVD), 졸-겔(Sol-Gel), 펄스 레이저 증착(PLD), 스퍼터링(Sputtering) 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 넓은 띠 간격 반도체 소재인 박막, 또는 나노 와이어, 나노 로드 등의 성장을 위해서는 화학기상 증착(MOCVD) 또는 분자선 에픽텍시를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 항복전압이 높은 넓은 띠 간격 소재인 상기 박막을 사용하고, 전극 간 간격을 설정값(5μm) 보다 크게 증가시켜 전극 패턴을 형성하는 광전도 안테나를 제조할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 안테나를 박막을 이용하여 제조하기 위한 일예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 넓은 띠 간격 소재인 박막을 사용한 광전도 안테나에 대한 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 안테나를 제조하기 위해서는 반절연성 사파이어(Sapphire: Al2O3) 기판 위에 ZnO, In2O3, SnO2와 같은 넓은 띠 간격 산화물 소재(광전도성 박막)를 증착한다. 예를 들어, ZnO 박막 소재는 스퍼터링(sputtering) 장비를 사용하여 350ㅀC에서 30min 성장하여 두께 1μm 정도로 제조한다. 그런 다음 증착된 광전도성 박막 위에 전극 패턴을 갖는 단일 광전도 안테나를 제조한다. 상기 단일 광전도 안테나는 일반적인 다이폴(dipole) 안테나와는 달리 고 전압을 인가하기 위하여 전극 패턴의 전극 간의 간격을 설정값(5μm) 이상, 예를 들어 10μm로 넓힌 “H"자 형태의 금속 평행전송선 로 형태로 형성된다. 이에 따라 상기 광전도 안테나는 상기 전극 패턴에 의해 고 전압을 인가할 수 있다. 이러한 고 전압의 인가에 의해 상기 광전도 안테나는 상기 나노 크기를 갖는 소재에 상기 반도체 레이저를 통해 자외선 영역의 광파가 주입됨에 따라 광을 흡수하여 기존에 비해 높은 mW급의 테라헤르츠파를 출력한다. 이때, 렌즈는 상기 광전도 안테나에서 출력되는 테라헤르츠파를 모두 모아서 최종 외부로 발생되는 출력을 높여서 고출력의 테라헤르츠파를 발생할 수 있도록 한다.
한편, ZnO, In2O3, SnO2와 같은 넓은 띠 간격 산화물 소재인 나노 크기를 갖는 소재 즉, 나노 와이어 또는 나노 로드를 전극 패턴 상부에 일렬로 정렬함으로써 어레이 형태의 광전도 안테나를 제조할 수 있다. 이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전도 안테나를 나노 와이어를 이용하여 제조하기 위한 일예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 넓은 띠 간격 소재인 나노 와이어를 사용한 광전도 안테나에 대한 개략적인 구성도를 도시한 도면이다.
예를 들어, ZnO 나노 와이어는 열적 기상 증착(thermal CVD: Chemical Vapour Deposition) 장비를 사용하여 원료로 사용된 ZnO 파우더(power)를 아르곤(Ar) 가스를 흘리면서 700도에서 열처리한 후 상온에서 성장시킨다. 여기서 ZnO 나노 와이어의 크기는 폭이 50 ~ 80nm이고, 길이는 3 ~ 6μm이다. 따라서 ZnO 나노 와이어를 성장시킨 후, 위와 같은 방식으로 어레이 형태의 광전도 안테나를 상기 도 5에 도시된 바와 같이 제조한다.
상기 도 5에 도시된 바와 같이, 나노 와이어를 사용한 광전도 안테나는 근접장 전기방사법을 이용하여 전극 패턴 상부에 상기 나노 와이어를 일렬로 정렬하여 어레이 형태로 제조된다.
이렇게 형성된 상기 광전도 안테나의 상기 전극 패턴에 바이어스 전압이 인가되면, 상기 광전도 안테나는 상기 나노 와이어에 상기 반도체 레이저를 통해 자외선 영역의 광파가 주입됨에 따라 광을 흡수하여 각 단위 소자에서 출력되는 mW급의 테라헤르츠파를 모아서 출력한다. 이때, 렌즈는 상기 광전도 안테나에서 높은 세기로 출력되는 테라헤르츠파를 모두 모아서 최종 외부로 발생되는 출력을 높여서 고출력의 테라헤르츠파를 발생할 수 있도록 한다.
상기 근접장 전기방사법은 첨부된 도 6에 도시된 바와 같은 근접장 전기방사 장치에 의해 이루어지는데 이를 우선 설명하기로 한다.
전기방사법은 용액에 수백 ~ 수만 볼트(Volt)의 고 전압(예를 들어, 5 ~ 30kV)을 인가한 상태에서 지름 5μm ~ 200μm의 미세분사 노즐로부터 홀당 nl ~ μl/min의 속도로 하전 용액을 미량으로 토출시킴으로써, 토출 액적을 나노(nano)~마이크로(micro) 크기로 초 미립화 또는 극 미세화하여 나노 구조물을 제조하는 방식이다. 이러한 전기방사법에서 노즐을 상기 안테나의 표면에 보다 근접하게 조절하는 방식을 상기 근접장 전기방사법이라 한다.
이러한 상기 근접장 전기방사법을 이용한 상기 근접장 전기방사 장치는 분사하고자 하는 유기-무기 혼합 용액을 상기 노즐을 통해 미리 설정된 속도로 미량 토출시키는 펌프(210)와, 상기 혼합 용액을 저장하는 시린지(220)와, 높은 넓은 띠 간격 소재인 미세한 섬유 형태의 나노 와이어가 나오는 금속 재질의 노즐(230)과, 제어부(240)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에 상기 근접장 전기방사 장치는 상기 노즐(230)의 거리를 조절하는 스테핑 모터(도시되지 않음) 및 방사 속도를 조절하는 리니어 모터(도시되지 않음)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 시린지(220)와 상기 광전도 안테나(120) 표면(201) 사이에 고전압을 인가하는 고전압 전력 공급부가 연결된다.
상기 근접장 전기방사 장치는 상기 표면(201)과 상기 노즐(230) 사이의 거리를 예를 들어 5~500μm 이내로 근접하게 조절할 수 있다.
상기 노즐(230)은 상기 반절연성 기판의 일영역에 형성된 전극 패턴 상부에 항복전압이 높은 넓은 띠 간격 소재를 형성하도록 상기 유기-무기 혼합 용액을 상기 반절연성 기판에 형성된 전극 패턴 상부에 방사한다.
상기 제어부(240)는 상기 유기-무기 혼합 용액의 방사 속도를 제어하기 위해 상기 리니어 모터를 제어하고, 상기 노즐이 상기 반절연성 기판 즉, 상기 표면(201)에 근접하도록 상기 노즐 및 상기 표면(201) 사이의 거리 조절을 위해 상기 스테핑 모터를 제어한다. 또한, 상기 제어부(240)는 미리 설정된 제어값에 따라 상기 넓은 띠 간격 소재의 위치 및 형태를 제어한다.
이와 같은 근접장 전기방사 장치에서의 근접장 전기방사법을 이용한 넓은 띠 간격 소재인 나노 와이어의 정렬에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 제어부(240)는 상기 스테핑 모터를 제어하여 상기 표면(201)과 상기 노즐(230) 사이의 거리 예를 들어 500μm로 조절한다. 이후, 제어부(240)는 시린 지(220)에 주입된 상기 혼합 용액(Polymer, sol-gel 등)을 노즐(230)의 니들 부분으로 투입되도록 펌프(210)를 제어한다. 이에 따라 상기 펌프(210)의 펌핑에 의해 상기 니들의 끝단에는 조그만 형태의 작은 물방울(droplet)이 형성된다. 이때, 고전압이 인가되면, 상기 노즐(230)에서는 전하를 띤 용액 형태로 나노 와이가 방사되어 표면(201)에 달라붙는다.
상술한 바와 같은 근접장을 사용하지 않는 전기 방사법은 고전압이 인가되면, 니들에 가해진 전압에 대한 전기적 반발작용(electrostatic repulsion)에 의하여 나노 와이어가 방사와 동시에 둘둘 감기면서 표면(201)에 달라붙어 엉키게 된다. 따라서 상술한 바와 같이, 표면(201)과 노즐(230) 간의 거리를 근접하도록 예를 들어 500μm로 조절하면, 엉키지 않고 원하는 형태로 나노 와이어를 정렬할 수 있게 된다.
상기 도 5에서 어레이 형태의 전극 패턴의 중앙 전극부위는 소형 다이폴 안테나(dipole antenna)로서 작용한다. 이러한 테라헤르츠파 발생 소자에 바이어스 전압을 가한 상태에서 반도체 레이저(101)를 통해 자외선 영역의 광파를 상기 전극 패턴의 상부에 조사하여 전도성 박막 내부의 전하 이동자(charge carrier)를 여기시킨다. 그러면 테라헤르츠파 발생 소자에는 광흡수에 의한 캐리어(전자와 정공)가 생성되어 순간적으로 전류가 흐른다. 이에 따라 광전도 안테나(120)는 상기 전류의 시간 미분 값에 비례하는 테라헤르츠파(쌍극자 방사)를 발생한다. 즉, 전극 패턴에 정렬되어 있는 나노 와이어에 자외선 영역의 광파가 주입되어 상기 측정용 소자를 스캔하면서 방사되는 테라헤르츠파가 발생된다.
이와 같은 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자에서 ZnO 나노 와이어에 대한 테라헤르츠 대역에서의 굴절률 및 전기전도도 변화를 측정한 일예를 살펴보면, 첨부된 도 7에 도시된 바와 같다.
주파수에 따른 절연상수(dielectric constant)는 하기 <수학식 3>과 같다.
ε = εd + iσ /(ωεo) = (nr + ini)2;
여기서 εd는 실수부와 허수부로 이루어진 복합 유전상수 성분과 관련이 있으며, σ는 복합 전기전도 상수, nr과 ni는 각각 실수부와 허수부의 굴절률을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 나노 와이어의 어레이를 사용하여 얻은 시간 영역(Time-Domain) 및 주파수 영역(Frequency-Domain)에 대한 분광 측정 결과를 도시한 도면이다.
ZnO 나노 와이어를 통과하고 나오는 테라헤르츠 펄스 스펙트럼(spectrum)은 하기 <수학식 4>와 같다.
Eo(ω) = Ei(ω)[t12t21 exp(ikL)exp(-αL/2)/ 1 + r12r21 exp(-αL)exp(i2kL)]
여기서 koL은 ZnO가 아닌 자유 공간을 통과할 경우에 대한 위상 보정, t12t21 및 r12r21은 각각 주파수 변화에 따른 프레넬(Fresnel) 투과율 및 반사율의 변화 상 수이다. α는 전력(power) 흡수 상수이고, k는 ZnO의 파동 벡터(wave vector), L은 ZnO 나노 와이어 층의 두께이다.
Ei(ω)는 입력된 레이저 빔의 세기로서 Ei(ω) = Er(ω)exp(ikoL)의 식을 만족하고, ZnO 나노 와이어를 통과해서 나오는 테라헤르츠파의 세기는 Ei(ω)에 비교하여 상기 도 8과 같이 일정부분(30% 이상) 감소된 값을 가진다.
이와 같이 상기 도 7 및 도 8에서 실험적으로 구해진 α와 n을 각각 상기 <수학식 3> 및 상기 <수학식 4>에 대입하여 상기 복합 유전상수 및 굴절률을 구할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 코플래너(co-planar) 스트립 형태의 광전도 안테나를 도시한 도면,
도 2는 종래의 광전도 안테나를 이용한 테라헤르츠파 발생 메커니즘을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 넓은 띠 간격 소재인 박막을 사용한 광전도 안테나에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 넓은 띠 간격 소재 나노 와이어를 사용한 광전도 안테나에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면,
도 6은 발명의 실시예에 따른 근접장 전기방사 장치의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자에서 ZnO 나노 와이어에 대한 테라헤르츠 대역에서의 굴절률 및 전기전도도 변화를 측정한 일예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 나노 와이어의 어레이를 사용하여 얻은 시간 영역(Time-Domain) 및 주파수 영역(Frequency-Domain)에 대한 분광 측정 결과를 도시한 도면.

Claims (20)

  1. 반절연성 기판; 및
    상기 반절연성 기판의 상부에 전압 인가를 위해 형성된 전극 패턴을 갖으며, 넓은 띠 간격 소재가 상기 전극 패턴 상부에 일렬로 정렬되어 어레이 형태로 형성된 광전도 안테나를 포함하되,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, 산화물 소재 또는 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, 근접장 전기 방사법을 이용하여 정렬함을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 근접장 전기방사법은 상기 나노 크기를 갖는 소재를 형성하도록 유기-무기 혼합 용액을 방사하는 근접장 전기방사 장치의 노즐을 상기 반절연성 기판으로 근접시킨 후, 방사 속도를 제어하고 미리 설정된 제어값에 따라 상기 나노 크기를 갖는 소재의 위치 및 형태를 제어하여 상기 나노 크기를 갖는 소재를 일렬로 정렬하는 방식임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 근접장 전기방사법은 상기 노즐과 상기 반절연성 기판 사이의 거리를 5 ~ 500μm 이내로 조절하여 상기 노즐을 상기 반절연성 기판으로 근접시킴을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  5. 반절연성 기판; 및
    상기 반절연성 기판의 상부에 전극 간의 간격을 설정값 이상으로 넓힌 형태로 형성된 전압 인가를 위한 전극 패턴을 갖으며, 상기 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재가 증착된 광전도 안테나를 포함하되,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, 산화물 소재 또는 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 광전도 안테나를 기준으로 자외선 영역의 광파가 주입되는 반대 측에 형성되며, 상기 광전도 안테나를 통해 출력되는 상기 테라헤르츠파를 모아서 외부로 고출력의 테라헤르츠파를 발생하는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, ZnO, In2O3 또는 SnO2의 넓은 띠 간격 산화물 소재 및 SiC, GaN 또는 다이아몬드(Diamond)의 넓은 띠 간격 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 상기 산화물 소재인 경우, 열적 기상 증착(Thermal CVD), 졸-겔(Sol-Gel), 펄스 레이저 증착(PLD), 스퍼터링(Sputtering) 중 하나를 사용하여 성장되며, 상기 반도체 소재인 경우, 화학기상 증착(MOCVD) 또는 분자선 에픽텍시를 사용하여 성장됨을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 광전도 안테나는 상기 전극 패턴의 전극 간의 간격을 10μm 이상으로 넓힌 금속 평행전송선로 형성됨을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자.
  10. 반절연성 기판을 형성하는 단계;
    상기 반절연성 기판의 상부에 전극 패턴을 형성하는 단계;
    넓은 띠 간격 소재를 근접장 전기방사법을 이용하여 상기 전극 패턴 상부에 일렬로 정렬하여 광전도 안테나를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, 산화물 소재 또는 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  11. 반절연성 기판을 형성하는 단계;
    상기 반절연성 기판 상부에 전극 간 간격을 설정값 이상으로 넓힌 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴 상부에 넓은 띠 간격 소재를 증착하여 광전도 안테나를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, 산화물 소재 또는 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광전도 안테나를 통해 출력되는 테라헤르츠파를 모아서 외부로 상기 고출력의 테라헤르츠파를 발생하기 위한 렌즈를 상기 광전도 안테나를 기준으로 자외선 영역의 광파가 주입되는 반대 측에 형성하는 단계 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 나노 크기를 갖는 소재로서, ZnO, In2O3 또는 SnO2의 넓은 띠 간격 산화물 소재 및 SiC, GaN 또는 다이아몬드(Diamond)의 넓은 띠 간격 반도체 소재 중 하나임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 넓은 띠 간격 소재는 상기 산화물 소재인 경우, 열적 기상 증착(Thermal CVD), 졸-겔(Sol-Gel), 펄스 레이저 증착(PLD), 스퍼터링(Sputtering) 중 하나를 사용하여 성장되며, 상기 반도체 소재인 경우, 화학기상 증착(MOCVD) 또는 분자선 에픽텍시를 사용하여 성장됨을 특징으로 하는 근접장 전기방사법을 이용한 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 근접장 전기방사법은 상기 넓은 띠 간격 소재를 형성하도록 유기-무기 혼합 용액을 방사하는 근접장 전기방사 장치의 노즐을 상기 반절연성 기판으로 근접시킨 후, 방사 속도를 제어하고, 미리 설정된 제어값에 따라 상기 넓은 띠 간격 소재의 위치 및 형태를 제어하여 상기 넓은 띠 간격 소재를 일렬로 정렬하는 방식임을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 근접장 전기방사법은 상기 노즐과 상기 반절연성 기판 사이의 거리를 5 ~ 500μm 이내로 조절하여 상기 노즐을 상기 반절연성 기판으로 근접시킴을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전극 패턴을 형성하는 단계는, 상기 전극 패턴의 전극 간의 간격을 10μm 이상으로 넓힌 금속 평행전송선로로 형성함을 특징으로 하는 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
KR1020080015284A 2007-11-30 2008-02-20 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법 KR100964973B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20070123161 2007-11-30
KR1020070123161 2007-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090056764A KR20090056764A (ko) 2009-06-03
KR100964973B1 true KR100964973B1 (ko) 2010-06-21

Family

ID=40988106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080015284A KR100964973B1 (ko) 2007-11-30 2008-02-20 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100964973B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101191385B1 (ko) 2008-12-22 2012-10-15 한국전자통신연구원 광전도 안테나에 실리콘 볼렌즈가 일체화된 테라헤르츠파 송수신 모듈 및 그 제조 방법
US10147832B2 (en) 2016-03-03 2018-12-04 Electronics & Telecommunications Research Institute Apparatus for generating terahertz wave and method for controlling terahertz wavefront using the same

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101037629B1 (ko) * 2008-12-03 2011-05-30 한국전자통신연구원 포토믹스 모듈
KR101348660B1 (ko) * 2009-08-04 2014-01-08 한국전자통신연구원 테라헤르츠파 송수신 소자용 패키지 모듈
KR20110061827A (ko) * 2009-12-02 2011-06-10 한국전자통신연구원 다결정 갈륨비소 박막을 포함하는 광전도체 소자 및 그 제조방법
KR101273525B1 (ko) * 2009-12-11 2013-06-14 한국전자통신연구원 광전도 안테나에 볼렌즈를 형성하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법
KR20120036745A (ko) * 2010-10-08 2012-04-18 한국전자통신연구원 테라헤르츠파 발생 및 검출을 위한 집속렌즈 일체형 광전도 안테나 소자 및 그 제조방법
US8957441B2 (en) 2010-11-08 2015-02-17 Intellectual Discovery Co., Ltd. Integrated antenna device module for generating terahertz continuous wave and fabrication method thereof
KR101332918B1 (ko) * 2012-04-05 2013-11-26 재단법인대구경북과학기술원 나노 안테나장치
KR101626804B1 (ko) 2014-07-14 2016-06-09 한국해양대학교 산학협력단 테라헤르츠 대역에서 동작하는 무전압 트랜스시버
KR101677682B1 (ko) 2015-08-12 2016-11-21 한국원자력연구원 선편광 극초단 테라헤르츠 파 발생장치
US10714827B2 (en) * 2017-02-02 2020-07-14 The Boeing Company Spherical dielectric lens side-lobe suppression implemented through reducing spherical aberration
CN107860742B (zh) * 2017-11-03 2020-04-07 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种反射式太赫兹时域近场扫描显微镜
CN107963652B (zh) * 2017-12-29 2019-07-30 济南大学 一种In2O3八面体的静电纺丝合成方法
CN112379574A (zh) * 2020-11-23 2021-02-19 福建中科光芯光电科技有限公司 一种低成本的带纳米电极的太赫兹光电导天线的制作方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01200212A (ja) * 1988-02-04 1989-08-11 Canon Inc 焦点検出用の投光系
JPH02200610A (ja) * 1989-01-27 1990-08-08 Nichirei Corp アセロラエキスを含む化粧品
KR20070091135A (ko) * 2004-12-07 2007-09-07 피코메트릭스 엘엘씨 광도전 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01200212A (ja) * 1988-02-04 1989-08-11 Canon Inc 焦点検出用の投光系
JPH02200610A (ja) * 1989-01-27 1990-08-08 Nichirei Corp アセロラエキスを含む化粧品
KR20070091135A (ko) * 2004-12-07 2007-09-07 피코메트릭스 엘엘씨 광도전 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문 1(2002.12)
논문 2(2006.10)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101191385B1 (ko) 2008-12-22 2012-10-15 한국전자통신연구원 광전도 안테나에 실리콘 볼렌즈가 일체화된 테라헤르츠파 송수신 모듈 및 그 제조 방법
US10147832B2 (en) 2016-03-03 2018-12-04 Electronics & Telecommunications Research Institute Apparatus for generating terahertz wave and method for controlling terahertz wavefront using the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090056764A (ko) 2009-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100964973B1 (ko) 고출력의 테라헤르츠파 발생 소자 및 그 제조 방법
Flemban et al. A photodetector based on p-Si/n-ZnO nanotube heterojunctions with high ultraviolet responsivity
US10672933B2 (en) Hybrid metal-graphene terahertz optoelectronic system with tunable plasmonic resonance and method of fabrication
US10084102B2 (en) Plasmon-enhanced terahertz graphene-based photodetector and method of fabrication
JP6169614B2 (ja) プラズモン電極を有する光伝導装置
JP4423429B2 (ja) テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法
US7847254B2 (en) Photoconductive device
Ahmadivand et al. Hot electron generation by aluminum oligomers in plasmonic ultraviolet photodetectors
US8601607B2 (en) Generation of a frequency comb and applications thereof
DE112014004277T5 (de) Terahertz-Lichtquellenchip, Lichtquellenvorrichtung, Lichtquellenanordnung und ihr Herstellungsverfahren
US9106342B2 (en) Device and method for modulating transmission of terahertz waves
US20110127431A1 (en) PHOTOCONDUCTOR DEVICE HAVING POLYCRYSTALLINE GaAs THIN FILM AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME
Zhu et al. Photothermal-pyroelectric-plasmonic coupling for high performance and tunable band-selective photodetector
Pan et al. High-quality alloyed CdS x Se1-x whiskers as waveguides with tunable stimulated emission
DE102014100350B4 (de) Photomischer mit photonischem Kristall vom Typ mit großflächiger Anordnung zum Erzeugen und Detektieren von Breitband-Terahertz-Wellen
JP6994384B2 (ja) 金属‐金属指組み光伝導アンテナ、及び金属‐金属指組み光伝導アンテナの製造方法
US9972970B2 (en) Thermal emission source and two-dimensional photonic crystal for use in the same emission source
Zhu et al. Nanolayered Tamm plasmon-based multicolor hot electron photodetection for O-and C-band telecommunication
Scott et al. Terahertz frequency response of an In0. 53Ga0. 47As/AlAs resonant‐tunneling diode
Ito et al. Widely frequency tunable terahertz-wave emitter integrating uni-traveling-carrier photodiode and extended bowtie antenna
CA2947207C (en) A method and system for generating and transmitting terahertz
WO2002060017A1 (fr) Élément générant de la lumière térahertzienne, générateur et détecteur de lumière térahertzienne
Li et al. Highly Efficient and Ultrafast Terahertz Modulation in Perovskite Hybrid Structure
Torkaman et al. Antenna coupled GaN-based pulsed THz emitter array, enhanced with nano-slit plasmonic waveguide modes
CN217718330U (zh) 一种太赫兹强度调谐器件及太赫兹强度调谐装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee