KR102176113B1 - 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치 - Google Patents
테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치는, 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및 상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅을 포함하고, 상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
Description
아래의 실시예들은 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두께에 따른 유전체막을 감지하기 위해 THz 영역에서 GMR의 TE 모드를 활용하는 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에는 마이크로파와 광학 영역 사이에 속하는 테라헤르츠(terahertz, THz)파가 활발하게 연구되고 있다. 특히, 마이크로파와 광학 필드의 많은 과학적 발전과 응용이 THz 영역에 적용되었다. THz파의 파장은 마이크로파보다 짧고 광파보다 길기 때문에, THz파는 마이크로파에 사용되는 구조보다 작고 광학에 사용되는 구조보다 큰 장치를 만드는 장점이 있다. 그 결과, 필터 제작 과정이 마이크로파와 광학 영역에서 사용되는 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터보다 훨씬 간단하고 쉽기 때문에 THz 디바이스 크기의 장점은 THz GMR 필터에 적용할 수 있다. GMR 현상의 적용은 컬러 필터, 밴드패스 필터, 편광기, 바이오센서와 같이 마이크로파 및 광학 영역에서 광범위하게 채택되었다. 최근에는 GMR 현상을 이용한 THz 연구가 보고되기 시작하였다.
THz 영역에서 유전체막 특성을 연구하기 위해 공진을 사용하는 것은 주로 메타소재(metamaterial)와 평행판 도파관(parallel-plate waveguides, PPWG)을 사용하여 수행되었다. 이러한 장치를 사용할 때 공진의 크기와 위상 변화는 필름의 전기적 및 광학적 특성에 따라 달라진다. 공진 변화는 THz 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS) 측정에 의한 크기 및 위상 변화보다 더 민감하다. 그러나 PPWG는 두 도파관 사이의 좁은 공극(수십 미크론 또는 수백 미크론 간격)에서 필름을 배치해야 하기 때문에 필름을 설치하기가 어렵다. 또한 흡수로 인해 필름의 길이에도 한계가 있다.
또한, 메타소재는 필름 두께를 측정하는 데 사용되어 왔다. 유전체 기판에서 분리된 금속선 사이에 형성된 THz 필드는 금속 물질의 표면에 코팅된 유전체막에 의해 영향을 받는다. 따라서 공진 주파수 이동을 검출하여 필름 두께를 측정할 수 있다. 이 방법은 두께가 100nm에서 16μm인 것과 같이 매우 얇은 유전체막에 매우 효과적이다. 그러나 필름 두께가 16μm보다 두껍다면 THz 필드가 필름 내에 완전히 분포되지 않는다. 이 때문에 필름이 16μm보다 두꺼울 때는 메타소재를 적용할 수 없다.
기존의 테라헤르츠 분광법은 THz파가 유전필름을 통과할 때 발생되는 위상차 및 펄스의 크기 변화에 의해 유전필름의 특성을 분석하였다. 하지만, 필름의 두께가 얇고 굴절률이 작을 경우 위상 및 크기 변화가 미미하여 정확한 분석이 어렵다.
L. Rayleigh, "On the dynamical theory of gratings," Royal Soc. 79(532), 399-416 (1907).
S. S. Wang and R. Magnusson, "Theory and applications of guided-mode resonance filters," Appl. Opt. 32(14), 2606-2613 (1993).
J. H. Barton, R. C. Rumpf, R. W. Smith, C. L. Kozikowski, and P. A. Zellner, "All-dielectric frequency selective surfaces with few number of periods," Progress In Electromagnetics Research B 41, 269-283 (2012).
실시예들은 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 두께에 따른 유전체막을 감지하기 위해 THz 영역에서 GMR의 TE 모드를 활용하는 기술을 제공한다.
실시예들은 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 유전필름과 결합된 그레이팅에 의해 회절된 파에 의해 발생되는 공진을 분석하여 유전필름의 특성을 확인할 수 있는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치는, 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및 상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅을 포함하고, 상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
상기 슬래브 도파관은, 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 테프론(Teflon) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 그레이팅은, 그레이팅(grating, 격자) 구조로 이루어지며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 단층 그레이팅인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 상기 그레이팅에 의해 회절된 파는 상기 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 상기 공진을 분석하여 측정하고자 하는 상기 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
상기 슬래브 도파관 및 상기 그레이팅은 공극 없이 정전기에 의해 결합될 수 있다.
상기 그레이팅과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 상기 유도공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성할 수 있다.
필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정할 수 있다.
상기 GMR 필터의 투과율 또는 반사율을 통해 상기 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
다른 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법은, 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및 상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 슬래브 도파관은, 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 테프론(Teflon) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 그레이팅은, 그레이팅(grating, 격자) 구조로 이루어지며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 단층 그레이팅인 것을 특징으로 할 수 있다
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는, 상기 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 상기 그레이팅에 의해 회절된 파는 상기 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 상기 공진을 분석하여 측정하고자 하는 상기 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
상기 GMR 필터를 구현하는 단계는, 상기 슬래브 도파관 및 상기 그레이팅은 공극 없이 정전기에 의해 결합될 수 있다.
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는, 상기 그레이팅과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 상기 유도공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성할 수 있다.
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는, 필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정할 수 있다.
실시예들에 따르면 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 유전필름과 결합된 그레이팅에 의해 회절된 파에 의해 발생되는 공진을 분석하여 유전필름의 특성을 확인함으로써 공진 주파수 및 크기 변화로 유전필름의 특성을 정확히 측정할 수 있는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 매우 얇은 유전필름의 특성도 비교적 정확히 측정할 수 있다. 즉, 수 또는 수십 마이크로미터의 두께를 가진 유전필름의 측정이 가능하다. 하지만 측정하고자 하는 유전체 필름이 다른 물질 위에 코팅된 형태의 경우 유도공진 현상이 발생하지 않아 측정이 불가능하다. 따라서 독립된 한 층으로 이루어진 유전체 필름의 경우 기존 방법보다 많은 장점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 GMR 필터를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 PET 그레이팅의 구조에서 석영, PET, Teflon으로 만든 슬래브 도파관에 대한 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 석영 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션 투과율 및 TE 모드 공진의 전계 분포를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 그레이팅에 따른 투과율 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 석영, PET, Teflon TE 모드의 시뮬레이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 다른 필름 두께의 공진 주파수 측정 및 공진 깊이 측정을 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 GMR 필터의 투과율을 기존의 PET 그레이팅 없는 유전체 박막의 투과율과 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션에 따른 반사율을 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 이상적인 GMR FDTD 및 제작 오차를 고려한 GMR FDTD를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 PET 그레이팅의 구조에서 석영, PET, Teflon으로 만든 슬래브 도파관에 대한 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 석영 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션 투과율 및 TE 모드 공진의 전계 분포를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 그레이팅에 따른 투과율 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 석영, PET, Teflon TE 모드의 시뮬레이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 다른 필름 두께의 공진 주파수 측정 및 공진 깊이 측정을 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 GMR 필터의 투과율을 기존의 PET 그레이팅 없는 유전체 박막의 투과율과 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션에 따른 반사율을 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 이상적인 GMR FDTD 및 제작 오차를 고려한 GMR FDTD를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 그레이팅(grating, 격자) 구조로 된 필름을 측정하고자 하는 유전필름과 결합하여 유도공진용 필터를 구성할 수 있다. 이러한 유도공진용 필터에 테라헤르츠를 입사시키면 그레이팅에 의해 회절된 파는 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되는데, 이러한 공진을 분석하여 측정하고자 하는 유전필름의 특성을 알 수 있다.
본 실시예에서는 도파 모드 공진(GMR) 필터는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만든 단층 그레이팅(격자)과 석영, PET, 테프론(Teflon)으로 만든 슬래브 도파관(유전체막)을 결합하여 구현할 수 있다. 두께가 0 ~ 500μm인 필름에 대해 테라헤르츠(THz) GMR을 측정하고 시뮬레이션 하였다. 두께가 증가하면서 TE0,1, TE1,1, TE2,1, TE3,1 등의 TE(Transverse-Electric) 모드가 순차적으로 나타났다. GMR의 크기와 빈도는 필름의 흡수와 두께에 따라 달라지기 때문에, 필름의 두께를 감지하기 위해 GMR을 적용하였다. GMR 필터가 측정되었을 때, 필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz-TDS)을 사용하여 필름만 측정했을 때보다 훨씬 민감했다.
도 1은 일 실시예에 따른 GMR 필터를 개략적으로 나타내는 도면이다.
보다 구체적으로, 도 1의 (a)는 GMR 필터를 만들기 위한 단층 그레이팅과 유전체 필름(슬래브 도파관)의 조합에 대한 개략도를 나타내며, 그레이팅과 같은 방향으로 편광된 THz 빔은 GMR 필터에 입사하여 TE 모드 공진을 형성한다. 도 1의 (b)는 결합된 GMR 필터의 단면을 나타내며, 그레이팅은 75 μm의 두께(D1), 510 μm의 주기(Λ) 및 32 %의 충전 계수(F × Λ)를 갖는다. 이 때 측정에 사용된 그레이팅은 PET로 만들어질 수 있다.
본 실시예에서는 두께에 따른 유전체막을 감지하기 위해 THz 영역에서 GMR의 TE 모드를 활용하는 새로운 방법을 연구했다. GMR 필터는 그레이팅 계층(120)과 슬래브 도파관(110)으로 구성된다. 여기에서는 측정해야 할 유전체막인 슬래브 도파관(110)을 PET로 만든 단층 그레이팅(120)을 분리하여 공진 특성을 연구하였다. PPWG와 메타소재를 사용하는 방법과는 달리, 이 방법을 사용하여 그레이팅(120) 필름을 쉽게 교체할 수 있다. 또한 두꺼운 필름의 경우 측정 가능한 필름 두께를 수백 마이크로미터까지 확장할 수 있는 더 높은 TE 모드가 발생한다. 필름 두께의 변화에 따른 공진 주파수의 변화는 Finite-Differency-Frequency-Domain(FDFD) 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것으로 확인되었다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치(100)는 슬래브 도파관(110) 및 그레이팅(120)을 포함하여 이루어질 수 있다.
슬래브 도파관(110)은 측정 대상인 유전필름으로 이루어질 수 있다. 슬래브 도파관(110)은 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 테프론(Teflon) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
그레이팅(120)은 슬래브 도파관(110)과 결합하여 유도공진용 GMR 필터를 구현할 수 있다. 그레이팅(120)은 그레이팅(grating, 격자) 구조로 이루어지며, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 단층 그레이팅으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 그레이팅 구조는 가로 또는 세로로 배열되는 구조일 수 있다.
여기서, 슬래브 도파관(110) 및 그레이팅(120)는 공극 없이 정전기에 의해 결합됨으로써 GMR 필터를 구현할 수 있다. 이와 같이, GMR 필터는 슬래브 도파관(110)의 일측에 그레이팅(120)을 결합하여 구현될 수 있으며, 실시예에 따라 슬래브 도파관(110)의 양측에 그레이팅(120)을 결합시킬 수도 있다.
GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 유전필름의 특성을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 그레이팅(120)에 의해 회절된 파는 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 공진을 분석하여 측정하고자 하는 유전필름의 특성을 확인할 수 있다. 특히, GMR 필터의 투과율 또는 반사율을 통해 유전필름의 특성을 확인할 수 있다.
그레이팅(120)과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 유도공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성할 수 있다. 또한, 필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법은, 측정 대상인 유전 필름으로 이루어지는 슬래브 도파관(110)에 그레이팅(120)을 결합하여 유도 공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계(S110), 및 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 유전 필름의 특성을 확인하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법은 앞에서 설명한 일 실시예에 따른 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치(100)와 그 구성이 중복되어 간략히 설명하기로 한다.
여기서, GMR 필터를 구현하는 단계는, 슬래브 도파관(110) 및 그레이팅(120)는 공극 없이 정전기에 의해 결합될 수 있다.
유전 필름의 특성을 확인하는 단계는, GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 그레이팅(120)에 의해 회절된 파는 유전 필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 공진을 분석하여 측정하고자 하는 유전 필름의 특성을 확인할 수 있다. 또한, 그레이팅(120)과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 유도 공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성할 수 있다. 그리고, 필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정할 수 있다.
아래에서 GMR 필터 설계 및 이론에 대해 보다 상세히 설명한다.
THz-TDS 설정을 활용하여 두 개의 포물면 거울(parabolic mirror) 사이에 위치한 GMR 필터를 측정했는데, 여기서 THz 빔 직경은 2.5cm이다. 투과된 THz 펄스는 주파수 영역에서 공진 깊이를 충분히 형성하기 위하여 160 ps까지 0.133 ps 분해능(20μm 단계로 측정)을 측정한다. 시간 영역에서 영 채우기(zero padding) 후 스펙트럼 분해능은 최대 0.5GHz까지 증가한다. 긴 스캐닝과 얇은 유전체막 때문에 측정된 데이터에는 여러 개의 반사가 있다. 그러나 필름의 굴절률이 매우 작기 때문에, Fabry-Perot 효과는 제한적이다. 공진 깊이를 계산하기 위해 Fabry-Perot 효과가 없는 GMR 효과만을 고려하였다.
석영으로 만들어진 GMR 필터는 굴절률이 낮고 흡수계수가 낮기 때문에 THz 영역에서 작동할 때 많은 장점을 가지고 있으며, 또한 수백 미크론의 얇은 두께와 표면에 홈을 가지고 생산될 수 있다. 그러나 석영 표면에 홈을 만드는 데 필요한 식각 공정 중 홈의 내부 모서리가 둥글게 되어 예상 공진 주파수의 주파수 이동을 초래했다. 또한 도파관 재료의 슬래브 두께를 변경하거나 굴절률을 변경하는 것은 매우 어렵다. 본 실시예에서는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만든 단층 그레이팅(120)과 슬래브 도파관(110)(얇은 유전체막)을 독립적인 물체로 설계하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 재료와 두께가 서로 다른 슬래브 도파관(110)을 단층 그레이팅(120)과 결합하여 THz 영역에서 작동하는 GMR 필터를 만들 수 있다. 여기서, 그레이팅(120)과 슬래브 도파관(110)은 얇은 유전 물질이기 때문에 가능하다. 75 μm 그레이팅 계층(120)과 유전 슬래브 도파관(110)은 접착제나 압력 없이 정전기에 의해 잘 결합될 수 있다. 따라서 스펙트럼의 공극으로 인한 Fabry-Perot 진동이 없기 때문에 그레이팅 계층(120)과 필름 사이에는 공극이 없다. 또한, 굴절률이 다른 필름을 그레이팅 계층(120)에 부착하여 대체하는 것도 쉽다.
여기에서는 석영, PET, Teflon 등 세 가지 슬래브 도파관(110) 재료를 사용하여 THz 영역에서 굴절률이 1.75인 단층 PET 그레이팅(120)을 결합하여 GMR 필터를 제작하였다. 펨토(10-15)초 레이저 가공법(L2k 회사에서 준비)을 사용하면 만들기 쉽기 때문에 본 실시예에서는 PET 그레이팅(120) 샘플만 고려한다. 그레이팅(120)과 동일한 방향으로 편광된 THz 빔이 GMR 필터에서 입사하는 경우, TE 모드 공진도는 슬래브 도파관(110)의 두께에 따라 형성될 수 있다. 공진 주파수와 크기(깊이)는 슬래브 도파관(110)의 두께, 굴절률 및 흡수로 인해 변화한다.
GMR 현상이 발생하기 위해서는, 입사되는 THz 빔이 필터의 표면에 있는 그레이팅(120)으로 인해 동시에 슬래브 도파관(110)에 의해 유도되어야 한다. 유도 조건은 도파 모드의 유효 유전 상수가 입사 매체(공기)의 유전 상수보다 크고 필터의 평균 유전 상수보다 작아야 한다는 것이다. 결과적으로 GMR의 회절 및 유도 조건을 만족하는 방정식은 비특허문헌 1 내지 3에 의해 주어지며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
여기서, 
는 GMR 필터의 평균 유전 상수, 
는 입사 물질의 유전 상수, m은 굴절된 THz 빔과 c, F, Λ의 굴절 순서에 의해 결정되는 m번째 회절 모드로서, 각각 빛, 주파수, 그리고 그레이팅(120) 주기의 속도이다. THz 빔이 GMR 필터 표면에 수직으로 입사하고(θinc=0) 첫 번째 회절 모드만 고려하는 경우 [식 1]의 방정식은 다음 식과 같이 간단해진다.
[식 2]
아래에서는 시뮬레이션 및 측정에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 PET 그레이팅의 구조에서 석영, PET, Teflon으로 만든 슬래브 도파관에 대한 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명한 PET 그레이팅의 구조에서 두께에 따라 석영, PET, Teflon으로 만든 슬래브 도파관에 대한 영역을 나타낸다. 즉, 석영, PET, Teflon의 필름 두께(슬래브 도파로)에 따른 공진 영역을 나타낸다. 고주파 경계는 입사 물질(
)의 유전 상수가 공기로 고정되기 때문에 모든 재료에 대해 0.588THz로 고정된다. GMR 필터의 평균 유전 상수(
)는 그레이팅 및 슬래브 도파관 유전 상수의 평균값이다. 따라서 그레이팅 두께와 굴절률을 고정하는 경우 저주파 경계는 슬래브 도파관의 두께와 굴절률에 따라 달라진다. 슬래브 도파관이 두껍고 굴절 지수가 높을수록 평균 유전 상수가 커진다. 석영, PET, Teflon의 굴절률은 각각 0.4 THz에서 1.95, 1.75, 1.4이다. 석영, PET, Teflon의 공진 주파수 대역은 각각 0.317 ~ 0.588THz, 0.349 ~ 0.588THz, 0.426 ~ 0.588THz이다. 한편, 슬래브 도파관(D2 = 0)이 없이 그레이팅만 존재할 경우 공진 주파수 대역은 0.473 ~ 0.588 THz로 고정된다.
도 3은 일 실시예에 따른 석영 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션 투과율 및 TE 모드 공진의 전계 분포를 나타낸다.
도 3의 (a)는 도 1과 같이 PET 그레이팅에서 석영(슬래브 도파관) 두께가 500μm로 증가할 때 0.552THz의 주파수에서 TE 모드의 투과율에 대한 FDFD 시뮬레이션 결과를 보여준다. 석영의 두께 값이 0, 167, 333, 500μm이면 TE0,1, TE1,1, TE2,1 및 TE3,1 모드의 공진이 나타나며, 여기서 첫 번째 및 두 번째 첨자는 각각 도파 모드의 필드 분포와 회절 모드의 수를 나타낸다. 슬래브 도파관의 두께가 증가하면 고차 모드가 나타난다.
도 3의 (b) 내지 (e)는 각 TE 모드 공진의 전계 분포를 나타내며, (b) TE0,1 모드, (c) TE1,1 모드, (d) TE2,1 모드 및 (e) TE3,1 모드이다. 여기서 검은 색 점선은 두 개의 단위 셀이 표시된 구조의 윤곽이다.
TE0,1은 도 3(b)와 같이 그레이팅 필름에 반파(half wave) 필드가 분포되어 있다. 공진 THz 필드는 그레이팅을 따라 전파되기 때문에 이 주파수에서 강한 공진이 일어난다. 슬래브 도파관의 두께가 두꺼워지면 도 3(c) 내지 도 3(e)와 같이 GMR 필터에서 고차 모드 필드가 순차적으로 발생한다. 따라서 슬래브 도파관의 두께가 증가하면 도 2와 같이 공기의 유전 상수로 인한 공진 상한인 0.588THz까지 공진 주파수도 증가(파장은 감소)한다.
다시 말하면, GMR 필터에 입사되는 THz 파는 그레이팅과 유전필름에 분포되어 전파되기 때문에 해당 주파수에서 강한 공진이 일어난다. 이렇게 발생된 공진은 그레이팅 필름의 두께, 굴절률 및 구조에 따른다. 또한 측정하고자 하는 유전필름의 굴절률 및 두께에 따라 공진이 발생된다. 따라서 측정하고자 하는 유전필름의 굴절률 또는 두께를 측정한 공진 주파수와 공진의 크기를 분석하여 결정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 그레이팅에 따른 투과율 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 두께 (D1)의 값이 75㎛이고, 굴절률이 1.75이고, 충전율이 32 % 인 단층 그레이팅만을 사용하여 투과율 특성을 측정하였다. 도 4 (a)는 다른 그레이팅 두께에 대한 시뮬레이션의 2D 이미지이고, 도 4(b)는 3 개의 다른 그레이팅 두께에 대한 측정된 투과율이며, 도 4(c)는 다른 굴절률에 대한 시뮬레이션의 2 차원 이미지이고, 도 4(d)는 다른 충전 계수에 대한 시뮬레이션의 2 차원 이미지이다. 여기서 수직 색상 막대는 전기장의 강도를 나타낸다.
도 4(a)는 슬래브 도파관 없이 다른 그레이팅 두께의 TE0,1 모드의 투과율 영상을 제공한다. 녹색 점선은 공진 영역의 상, 하한 한계를 나타낸다. 하한 한계를 결정하는 평균 유전 상수는 그레이팅 패턴과 면적이 변하지 않기 때문에 그레이팅 두께의 변화에 따라 변하지 않는다. 시뮬레이션된 공진은 한계 사이에 존재한다. 그레이팅 두께가 얇으면 공진 폭이 좁아지고 Q-인자(좁은 공진)가 높아진다. 도 4(b)와 같이 100, 75 및 50μm의 그레이팅 두께에 대해 공진도를 측정하였다. THz 빔은 필터에 완벽하게 수직이 아니기 때문에, 각 주요 공진에서 작은 사이드 로브 공진이 일어났다. GMR 필터에 의한 Fabry-Perot 효과로 인하여 측정된 투과율의 기준선이 1에 근접하지 않는다. 100, 75 및 50μm 그레이팅 두께에 대한 공진 주파수는 각각 0536, 0.550 및 0.565 THz로 도 4(a)에 녹색 점으로 표시된다.
시뮬레이션과 측정된 공진 주파수는 매우 잘 일치했다. PET 그레이팅의 흡수를 무시한 시뮬레이션과 달리, 이 실험에서 Q-인자가 클수록 흡수로 인한 공진 깊이의 손실이 더 크다는 것을 발견했다. 따라서 두께 50μm의 Q-인자가 100μm의 Q-인자보다 크기 때문에 두께 50μm에 대한 공진 깊이는100μm의 공진 깊이에 비해 낮다. 도 4(c)와 4(d)는 굴절률과 충진율(filling factor)의 변화에 따른 투과율을 보여준다. 녹색 점선은 공진이 존재할 수 있는 영역의 상, 하한 한계를 나타낸다. 굴절률과 충진율이 증가하면 평균 유전 상수도 증가한다. 따라서 도 4(c)와 4(d)와 같이 하한은 일정하지 않다. 시뮬레이션에 따르면 Q-인자가 높은 GMR은 공기일 때의 주파수 한계치인 0.588 THz에 가깝게 형성된다. 단, 도 4(b)와 같이 재료 흡수로 인하여 공진 깊이 측정값이 떨어진다.
도 5는 일 실시예에 따른 석영, PET, Teflon TE 모드의 시뮬레이션 영상을 나타내는 도면이다.
도 3(a)에서 볼 수 있듯이 필름(슬래브 도파관)의 두께가 증가하면 더 높은 TE 모드가 순차적으로 발생한다. 0.3 THz에서 0.7 THz로 필름이 0에서 500μm로 증가하면 도 5(a), 5(c), 5(e)는 각각 석영, PET, Teflon TE 모드의 시뮬레이션 영상을 보여준다. 이 필름의 굴절률이 Teflon에 비해 석영처럼 높아질수록 존재하는 TE 모드가 더 높다. 메타소재와 달리, 두꺼운 필름을 사용할 때 고차 모드는 쉽게 발생할 수 있다. 얇은 필름의 TE0,1 모드의 공진 주파수 변화는 평균 유전 상수가 얇은 필름 두께의 변화에 민감하기 때문에 두꺼운 필름보다 크다. 더욱이 유전체막이 두꺼우면 고차 모드의 공진 주파수 변화는 저차 모드의 공진 주파수 변화보다 크다. 따라서 얇은 유전체막 센싱과 두꺼운 유전체막 센싱에 각각 저차 고차 모드를 적용할 수 있다.
도 5(b), 5(d), 5(f)는 각각 석영, PET, Teflon에 대하여 다른 필름 두께에 대한 GMR의 측정값을 보여준다. 측정된 공진 피크는 시뮬레이션 영상에 녹색 점으로 표시된다. 서로 다른 필름 두께에 대한 공진 주파수 이동은 모든 TE 모드에서 잘 일치한다. 두꺼운 필름의 경우 모드 순서가 최고차 모드보다 줄어들면 공진의 크기는 지속적으로 감소하였다. 예를 들어, 석영의 경우 456μm 두께에서 TE3,1, TE2,1, TE1,1, TE0,1 모드의 공진 투과율은 각각 0.36, 0.57, 0.80, 0.90이다. Teflon의 경우 500μm 두께에서 TE2,1, TE1,1, TE0,1 모드에 대한 공진 투과율은 각각 0.11, 0.28 및 0.72이다. 석영의 굴절률이 Teflon보다 높기 때문에, 재료 흡수 손실이 Teflon보다 크다.
도 6은 일 실시예에 따른 다른 필름 두께의 공진 주파수 측정 및 공진 깊이 측정을 나타내는 도면이다.
도 6(a)를 참조하면, 필름 두께가 다른 TE0,1 모드의 공진 주파수 측정(슬래브 도파관)을 나타내고, 여기서 점과 점선은 각각 측정된 데이터와 시뮬레이션 피팅을 나타낸다. 도 6 (b)는 필름 두께가 다른 TE0,1 모드의 공진 깊이 측정을 나타내며, 여기서 점은 측정된 데이터를 나타낸다.
도 6(a)는 필름 두께가 다른 TE0,1 모드의 측정된 공진 주파수를 보여준다. 도 5와 같이 얇은 필름의 공진 기울기가 두꺼운 필름의 공진 기울기보다 크기 때문에 두께 변화에 따른 공진 주파수 이동은 얇은 필름의 경우 매우 민감하다. 예를 들어, PET 필름 두께가 각각 25 μm에서 50 μm으로, 475 μm에서 500 μm로 변화할 때 주파수 이동은 42.1GHz와 1.4GHz이 다. 이 경우 얇은 필름은 두꺼운 필름보다 주파수 이동에 28.6배 더 민감하다. 더욱이 50μm 두께의 Teflon 필름과 50μm 두께의 PET 필름의 공진 주파수는 각각 518GHz와 481GHz로 36GHz의 차이를 보인다. 두 필름은 두께가 같지만 굴절률이 달라 공진 주파수가 다르다. 두께가 두꺼워지면 주파수 차이가 커진다.
공진 주파수 이동과 마찬가지로 공진 깊이의 변화도 도 6(b)와 같이 필름 두께에 민감하다. 예를 들어 25 μm 두께 PET 필름의 공진 깊이는 각각 73.5, 58.4%로 15.1% 차이가 난다. 단, 공진 깊이 차이는 PET와 Teflon 필름 두께가 각각 0~500μm에서 87.4와 69.9%이다. 따라서 이러한 결과는 Q-인자가 클수록 흡수로 인한 공진 깊이의 손실이 더 크다는 것을 입증한다. Q-인자에 더해 재료 흡수 손실은 공진 깊이를 결정하는 중요한 요인이다. Teflon, 석영, PET의 흡수 손실은 각각 1THz에서 0.6~2cm-1, 4.2cm-1,15.2~20cm-1이다. 재료 흡수 손실이 작을수록 공진 깊이는 커진다. 석영, PET, Teflon의 필름 두께가 같다면 도 6(b)와 같이 공진 깊이는 Teflon, 석영, PET 순서로 더 크다. 이렇게 공진 깊이를 줄이면 유전체막 두께를 민감하게 감지할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 GMR 필터의 투과율을 기존의 PET 그레이팅 없는 유전체 박막의 투과율과 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 기존의 PET 그레이팅 없는 유전체 박막의 투과율을 나타내고, 0.5 THz 근처의 위상차를 보여준다. 여기서 기준(검은 선)은 필름이 없는 측정을 나타낸다. 도 7 (b)는 PET 그레이팅 및 유전체 박막으로 구성된 GMR 필터의 투과율을 나타낸다. 여기에서는 기존의 THz-TDS에 사용되는 유전필름의 투과율과 도 7과 같이 일 실시예에서 제안된 샘플인 GMR 필터만을 비교하였다. 투과율은 0.5THz 근처에서 두께가 25~50μm인 PET 필름(사례 I)과 두께가 50μm인 PET와 Teflon 필름(사례 II)을 비교했다. 유전체막만 사용할 때 두 개의 THz 펄스의 시간 차이는 각각 사례 I과 II에 대해 0.14와 0.06 ps(5μm 단계로 측정)였다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 사례 I과 II의 위상 차이는 각각 0.9와 0.7 위상 변화에 불과했다. 또한, 도 7(a)와 같이 두 사례 I과 II의 투과율 차이는 각각 4.1과 5.1%이다. 재료의 두께가 얇고 굴절률이 낮기 때문에 시간과 위상 차이는 매우 작다. 단, GMR 필터를 이용한 공진 측정은 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 사례 I과 II의 경우 각각 34.5와 35.9GHz의 주파수 차이를 나타내고, 사례 I과 II의 경우 각각 13.5와 21.8%의 공진 깊이 차이를 보여준다. 이는 필름만 측정하는 경우보다 사례 I과 II의 경우 3.3배, 7.1배 더 민감하다. 이 비교에서 두께 측정의 경우, 유전체막보다 GMR 필터를 사용하는 것이 더 민감하다.
한편, 동일한 필름에 대하여 측정된 공진 주파수 편차는 ± 0.5GHz였고, PET 필름의 1μm 두께 차이로 인한 시뮬레이션 공진 주파수 이동은 1.4GHz였다. 따라서 GMR 필터 방법의 측정 가능한 최소 필름 두께는 1μm 미만이다. GMR 필터 방법은 스펙트럼에서 Q-인자 공진을 사용하기 때문에 두께에 대한 민감도는 필름만 사용하는 THz-TDS 방법보다 훨씬 높다. 또한 필름이 두껍고 더 고차 모드를 사용할 경우, 공진 깊이와 두께 변동에 따른 주파수 변화가 더 커진다.
한편, 앞에서 설명한 투과뿐만 아니라 반사 또한 동일하게 실험하여 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 두께에 따른 TE 모드의 시뮬레이션에 따른 반사율을 나타내는 도면이다.
도 8(a), (b) 및 (c)는 각각 Teflon, PET 및 석영의 필름 두께 0, 5, 10, 50, 100 μm에 따른 반사율을 나타내며, 도 8(d)는 각각 Teflon, PET 및 석영의 필름 두께 50um에 따른 반사율을 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 이상적인 GMR FDTD 및 제작 오차를 고려한 GMR FDTD를 나타낸다.
실시예들에 따르면 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 유전필름과 결합된 그레이팅에 의해 회절된 파에 의해 발생되는 공진을 분석하여 유전필름의 특성을 확인함으로써 공진 주파수 및 크기 변화로 유전필름의 특성을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 매우 얇은 유전필름의 특성도 비교적 정확히 측정할 수 있다. 즉, 수 또는 수십 마이크로미터의 두께를 가진 유전필름의 측정이 가능하다. 하지만 측정하고자 하는 유전체 필름이 다른 물질 위에 코팅된 형태의 경우 유도공진 현상이 발생하지 않아 측정이 불가능하다. 따라서 독립된 한 층으로 이루어진 유전체 필름의 경우 기존 방법보다 많은 장점이 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 슬래브 도파관은,
석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 테프론(Teflon) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 삭제
- 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 그레이팅은,
그레이팅(grating, 격자) 구조로 이루어지며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 단층 그레이팅인 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 상기 그레이팅에 의해 회절된 파는 상기 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 상기 공진을 분석하여 측정하고자 하는 상기 유전필름의 특성을 확인하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 슬래브 도파관 및 상기 그레이팅은 공극 없이 정전기에 의해 결합되는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 그레이팅과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 상기 유도공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관; 및
상기 슬래브 도파관과 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 그레이팅
을 포함하고,
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하며,
상기 GMR 필터의 투과율 또는 반사율을 통해 상기 유전필름의 특성을 확인하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 장치. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 슬래브 도파관은,
석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 테프론(Teflon) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법. - 삭제
- 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 그레이팅은,
그레이팅(grating, 격자) 구조로 이루어지며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 단층 그레이팅인 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는,
상기 GMR 필터에 THz를 입사시킴에 따라 상기 그레이팅에 의해 회절된 파는 상기 유전필름을 따라 전파되어 주파수 영역에서 강한 공진이 발생되어, 상기 공진을 분석하여 측정하고자 하는 상기 유전필름의 특성을 확인하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 GMR 필터를 구현하는 단계는,
상기 슬래브 도파관 및 상기 그레이팅은 공극 없이 정전기에 의해 결합되는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는,
상기 그레이팅과 같은 방향으로 편광된 THz 파는 상기 유도공진용 GMR 필터에 입사하여 TE(Transverse-Electric) 모드 공진을 형성하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법. - 측정 대상인 유전필름으로 이루어지는 슬래브 도파관에 그레이팅을 결합하여 유도공진용 도파 모드 공진(Guided-Mode Resonance, GMR) 필터를 구현하는 단계; 및
상기 GMR 필터에 테라헤르츠(terahertz, THz)를 입사시켜 발생되는 공진을 분석하여 상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계
를 포함하고,
상기 유전필름의 특성을 확인하는 단계는,
필름 두께에 따른 공진 깊이와 빈도 변화는 시간 도메인 분광법(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용하여 측정하는 것
을 특징으로 하는, 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020190121410A KR102176113B1 (ko) | 2019-10-01 | 2019-10-01 | 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020190121410A KR102176113B1 (ko) | 2019-10-01 | 2019-10-01 | 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR102176113B1 true KR102176113B1 (ko) | 2020-11-09 |
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| KR1020190121410A KR102176113B1 (ko) | 2019-10-01 | 2019-10-01 | 테라헤르츠 유도공진을 이용한 유전필름 검출 방법 및 장치 |
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| KR (1) | KR102176113B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160087828A (ko) * | 2013-11-15 | 2016-07-22 | 피코메트릭스 엘엘씨 | 테라헤르츠 방사선을 이용한 시트 유전체 샘플의 적어도 한 개의 특성을 결정하는 시스템 |
| KR101920870B1 (ko) * | 2017-09-15 | 2018-11-21 | 한국과학기술연구원 | 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법 |
| KR20190018331A (ko) * | 2017-08-14 | 2019-02-22 | 한국식품연구원 | 큐 값 조절이 가능한 도파모드 공진 소자, 제조 방법 및 제조 장치 |
| KR101977289B1 (ko) * | 2018-10-19 | 2019-05-10 | 국방과학연구소 | 정전하의 충전을 방지하는 기능을 갖는 전자기파 필터 구조물 |
-
2019
- 2019-10-01 KR KR1020190121410A patent/KR102176113B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
| J. H. Barton, R. C. Rumpf, R. W. Smith, C. L. Kozikowski, and P. A. Zellner, "All-dielectric frequency selective surfaces with few number of periods," Progress In Electromagnetics Research B 41, 269-283 (2012). |
| L. Rayleigh, "On the dynamical theory of gratings," Royal Soc. 79(532), 399-416 (1907). |
| S. S. Wang and R. Magnusson, "Theory and applications of guided-mode resonance filters," Appl. Opt. 32(14), 2606-2613 (1993). |
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