KR102181804B1 - Bowtie Nanoantenna Array Structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노 안테나 어레이에 관한 것으로, 특히 나노 안테나 하단에 최적화된 패치 어레이를 형성하여 나노 안테나 사이에서 인가되는 필드(field) 크기와 안테나의 흡수율(absorption)을 동시에 최대로 향상시킬 수 있도록 한 보타이 나노 안테나 어레이 구조에 관한 것이다. The present invention relates to a nano-antenna array, and in particular, a bow tie capable of simultaneously maximizing a field size applied between nano-antennas and an absorption rate of an antenna by forming an optimized patch array under the nano-antenna. It relates to a nano-antenna array structure.
나노 안테나는 외부에서 입사하는 광을 수신하고, 수신된 광의 위상을 변화시켜 송신할 수 있는 안테나를 말한다. 그리고 이와 같은 나노 안테나는 서브 파장 크기 내에서 회절 제한 광을 집중시키고 입사광을 원하는 물질로 효율적으로 흡수 할 수 있는 장치로서, 광학 검출기, 표면 증감 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering), 태양 에너지 및 적외선 에너지를 이용한 하베스팅 기기 등에 사용된다.A nano-antenna refers to an antenna that can receive light incident from the outside and transmit it by changing the phase of the received light. In addition, such a nano-antenna is a device capable of concentrating diffraction-limited light within a sub-wavelength size and efficiently absorbing incident light into a desired material. Optical detector, surface-enhanced Raman scattering, solar energy, and infrared light It is used for energy harvesting equipment.
나노 안테나에서 최대 전계 향상과 흡수율은 서로 밀접한 관계가 있다. 나노 안테나에서 이러한 최대 전계 향상과 가시광선이나 적외선 같은 파장 대역의 신호를 흡수하는 비율인 흡수율 모두가 적정한 값을 가지는 것이 중요하지만, 일반적으로 이 둘은 서로 반비례하여 작용한다. 즉 최대 전계가 향상되면 흡수율이 저하되고 반대로 최대 전계가 감소하면 흡수율이 상승하는 것이다. In nano-antennas, the maximum electric field enhancement and absorption rate are closely related to each other. In the nano-antenna, it is important that both the maximum electric field enhancement and the absorption rate, which is the ratio of absorbing signals in a wavelength band such as visible light or infrared light, have an appropriate value, but in general, the two work in inverse proportion to each other. That is, when the maximum electric field increases, the absorption rate decreases, and when the maximum electric field decreases, the absorption rate increases.
종래 나노 안테나에서 전기장 세기가 급증하는 전계향상 효과를 위한 다양한 방법이 제안된 바 있다. 예를 들어, 안테나의 2개 금속 구조 사이의 평면내 커플링 (in-plane coupling between two metallic arms of the antennas), 금속성 반사기 또는 필름을 갖는 접지된 유전체 스페이서를 사용한 안테나와 안테나 이미지 사이의 비평면내 커플링(out or plane coupling between the antenna and its image using a dielectric spacer with a metallic reflector or film), 그리고 안테나 어레이를 이용한 안테나 소자간의 커플링을 활용한 구조(coupling between antenna elements using antenna array structures) 등을 들 수 있다.Various methods have been proposed for the effect of improving the electric field in which the electric field strength increases rapidly in the conventional nano-antenna. For example, in-plane coupling between two metallic arms of the antennas, in-plane coupling between the antenna and the antenna image using a grounded dielectric spacer with a metallic reflector or film. Coupling (out or plane coupling between the antenna and its image using a dielectric spacer with a metallic reflector or film), and coupling between antenna elements using antenna array structures, etc. Can be mentioned.
또한 이러한 구조들을 서로 조합하는 방안도 고려되었다. 예를 들어, 접지 스페이서와 어레이 구조를 동시에 사용하는 방안에서 상기 스페이서의 두께, 어레이 내의 안테나간 거리를 조정하여 최대 전계 효과를 달성할 수 있었다. Also, a method of combining these structures with each other was considered. For example, in a plan using the ground spacer and the array structure at the same time, the maximum electric field effect could be achieved by adjusting the thickness of the spacer and the distance between antennas in the array.
그러나 이러한 구조들은 흡수에 대한 구조가 최적화 되지 않아 흡수율이 약 70%로 제한되었다. However, these structures have not been optimized for absorption, so the absorption rate is limited to about 70%.
또 최대 전계 향상 및 흡수율을 위하여 어레이의 안테나 소자간의 최적 거리도 연구된 바 있다. 이론적으로 어레이의 안테나 소자로부터의 산란파와 각 안테나의 국부 표면 플라즈몬(LSP)이 동위상으로 결합된 특정 어레이 피치에서 발생하는 것을 알 수 있지만, 이 역시 최대 전계 향상을 달성한 반면 흡수율은 보고되지 않았다. In addition, the optimum distance between the antenna elements of the array has been studied for the maximum electric field improvement and absorption rate. Theoretically, it can be seen that the scattered waves from the antenna elements of the array and the local surface plasmon (LSP) of each antenna occur at a specific array pitch combined in phase, but this also achieved the maximum electric field improvement, but the absorption rate was not reported. .
또 나노 안테나의 경우 최대 전계 향상을 위하여 두 개의 다른 구조물 사이의 커플링을 활용하여 나노 디스크 어레이, 광결정(Photonic crystal)등의 구조를 함께 설계한 경우도 있다. 또 하이브리드 나노 입자 어레이와 결합된 보타이 안테나는 750 nm의 파장에서 103의 높은 전계 향상 값을 제공하지만 이 역시 완벽한 흡수율을 제공하지는 못했다.In addition, in the case of a nano-antenna, structures such as a nano-disk array and a photonic crystal may be designed together by utilizing the coupling between two different structures to improve the maximum electric field. In addition, the bowtie antenna combined with the hybrid nanoparticle array provides a high field enhancement value of 103 at a wavelength of 750 nm, but this also does not provide perfect absorption.
이와 같이 나노 안테나의 최대 전계 강화를 실현하기 위한 다양한 구조가 제안된 바 있지만, 상술한 바와 같이 최대 전계성능을 달성하지만, 완벽한 흡수율을 달성할 수는 없었다. As described above, various structures have been proposed for realizing the maximum electric field enhancement of the nano-antenna, but the maximum electric field performance was achieved as described above, but the perfect absorption rate could not be achieved.
물론 종래에 완벽한 흡수율을 위한 구조도 제안된 바 있다. Of course, a structure for perfect absorption has been proposed in the related art.
예를 들어 기판 내부의 자기 응답을 유도하기 위해 초박형 접지 유전체층이 사용된 적이 있다. 이 경우 금속 접지면으로 백업된 5nm 두께(λ/200)의 SiO2 기판을 보타이 안테나 배열에서 사용되면, 안테나의 국부 표면 플라즈몬(LSP)이 접지면에 결합되어 있기 때문에 1035nm 파장에서 완벽하게 흡수되는 성능을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 안테나 구조는 제한된 전계 향상을 가지게 된다. 다른 예로 ~λ/150 두께의 유전체 스페이서가 있는 금속 패치 어레이는 캐비티 내부의 유도 자기 쌍극자를 통해 들어오는 파동을 포착함으로써 거의 완벽한 흡수를 보여 주지만 이 역시 전계 값은 13의 낮은 전계 향상 값을 가진다. For example, an ultra-thin ground dielectric layer has been used to induce a magnetic response inside a substrate. In this case, if a 5nm-thick (λ/200) SiO 2 substrate backed up by a metal ground plane is used in the bow tie antenna array, the local surface plasmon (LSP) of the antenna is bonded to the ground plane, so it is completely absorbed at 1035nm wavelength. Can provide performance. However, this antenna structure has limited electric field improvement. As another example, a metal patch array with a dielectric spacer of ~λ/150 thickness shows almost perfect absorption by capturing the wave coming through the induced magnetic dipole inside the cavity, but it also has a low field enhancement value of 13.
이처럼 낮은 전계 향상은 기판이 매우 얇기 때문에 안테나와 안테나 이미지가 상쇄되기 때문이다. This low electric field improvement is because the substrate is very thin, so the antenna and antenna image are canceled out.
물론 완벽한 흡수율과 높은 전계 향상을 동시에 실현하기 위하여 접지 된 10nm 두께의 Al2O3 기판에 삼각형상의 나노 디스크를 사용하게 되면, 95 %의 높은 흡수율과 211의 전계 향상 값을 얻을 수 있다. 하지만 이 경우도 기판 두께가 매우 얇기 때문에, 결합 강도는 하부 반사기의 표면 거칠기에 의해 크게 영향을 받는 문제가 있었다. Of course, in order to realize a perfect absorption rate and high electric field improvement at the same time, if a triangular nano-disk is used on a grounded 10 nm thick Al 2 O 3 substrate, a high absorption rate of 95% and an electric field improvement value of 211 can be obtained. However, even in this case, since the substrate thickness is very thin, there is a problem that the bonding strength is greatly affected by the surface roughness of the lower reflector.
따라서 본 발명은 초박형 기판을 금속성 반사판과 사용하지 않고, 인공적인 임피던스 표면을 활용하고 IR 범위에서 보타이 나노 안테나 어레이를 집적함으로써, 최대 전계향상(High Field Enhancement)과 완벽한 흡수율(Perfect Absorption)을 동시에 달성할 수 있도록 하는 보타이 나노 안테나 어레이 구조를 제공함에 목적이 있다. Therefore, the present invention does not use an ultra-thin substrate with a metallic reflector, utilizes an artificial impedance surface, and integrates a bowtie nano-antenna array in the IR range, thereby simultaneously achieving maximum electric field enhancement (High Field Enhancement) and perfect absorption (Perfect Absorption) An object of the present invention is to provide a bow tie nano-antenna array structure.
즉 본 발명은 안테나 하단에 최적화된 금속 패치 어레이를 형성하여 나노 안테나 사이에서 인가되는 필드 크기와 안테나의 흡수율을 동시에 최대로 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.That is, according to the present invention, an optimized metal patch array is formed at the bottom of the antenna so that the field size applied between the nano-antennas and the absorption rate of the antenna can be simultaneously maximized.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속성 반사기판; 상기 금속성 반사기판 위의 유전체 기판; 및 상기 유전체 기판 위의 싱글 보타이 안테나 소자를 포함하고, 상기 금속성 반사기판은 금(Gold) 재질로 형성되고, 상기 유전체 기판은 SiO2 로 형성되며, 중심 파장은 230THz(λ=1.3㎛)으로 설계되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조를 제공한다. The present invention for achieving the above object, a metallic reflective substrate; A dielectric substrate on the metallic reflective substrate; And a single bow tie antenna element on the dielectric substrate, wherein the metallic reflective substrate is formed of gold, the dielectric substrate is formed of SiO 2 , and the center wavelength is designed to be 230 THz (λ=1.3 μm). It provides a bow tie nano-antenna array structure.
여기서, 상기 안테나 소자는, 보타이 모양으로 서로 대칭되면서 일정 간격 이격되게 배치되는 제1 암 및 제2 암을 포함하고, 상기 제1 암과 제2 암 사이는 소정 부피의 에어 갭이 형성된다. Here, the antenna element includes a first arm and a second arm that are symmetrical to each other in a bow tie shape and disposed to be spaced apart at a predetermined interval, and an air gap of a predetermined volume is formed between the first arm and the second arm.
그리고 상기 에어 갭의 부피는 20㎚(가로) × 20㎚(세로) × 10㎚(두께)이고, 상기 제1 암과 제2 암은 두께 10㎚, 각각의 길이 177.5㎚, 폭(W) 145㎚, 각도 45°로 형성되며, 상기 금속성 반사기판의 두께(Tr)는 200㎚로 형성될 수 있다.And the volume of the air gap is 20 ㎚ (width) × 20 ㎚ (length) × 10 ㎚ (thickness), the first arm and the second arm are 10 ㎚ thick, each 177.5 ㎚ length, width (W) 145 It is formed at an angle of ㎚ and 45°, and the thickness T r of the metallic reflective substrate may be formed at 200 ㎚.
그리고 상기 안테나 소자의 길이(L)가 375nm이고, 상기 유전체 기판의 두께(Ts)가 80nm일 때 230THz에서 최대 전계 향상 계수는 약 183이다.In addition, when the length L of the antenna element is 375 nm and the thickness Ts of the dielectric substrate is 80 nm, the maximum electric field enhancement coefficient at 230 THz is about 183.
여기서, 상기 유전체 기판의 두께(Ts)는 방사성능과 흡수율의 균형을 위하여 40nm 내지 225nm 사이로 형성할 수 있다. Here, the thickness Ts of the dielectric substrate may be formed between 40 nm and 225 nm in order to balance radiation performance and absorption rate.
상기 안테나를 어레이로 설계하여 안테나 소자 간 어레이 피치 값이 1000nm일 때, 230THz에서 전계 향상 계수는 223, 흡수율은 93%이다. When the antenna is designed as an array and the array pitch value between antenna elements is 1000 nm, the electric field enhancement coefficient is 223 and the absorption rate is 93% at 230 THz.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 소정 면적을 가지며 복수 개의 단위 패치가 형성된 금속성 반사기판: 상기 금속성 반사기판 상의 유전체 스페이서; 및 상기 유전체 스페이서 상면의 보타이 형상의 나노 안테나 소자를 포함하여 구성되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조를 제공한다. According to another feature of the present invention, a metallic reflective substrate having a predetermined area and having a plurality of unit patches formed thereon: a dielectric spacer on the metallic reflective substrate; And it provides a bow tie nano-antenna array structure comprising a bow tie-shaped nano-antenna element on the upper surface of the dielectric spacer.
여기서, 상기 금속성 반사기판의 크기는 1000nm × 1000nm, 상기 유전체 스페이서의 두께는 50nm, 상기 나노 안테나 소자는 230THz에서 공진 유지를 위하여 길이(L) 370nm, 폭(w) 140nm로 형성된다.Here, the size of the metallic reflective substrate is 1000 nm × 1000 nm, the thickness of the dielectric spacer is 50 nm, and the nano-antenna element has a length (L) of 370 nm and a width (w) of 140 nm to maintain resonance at 230 THz.
그리고 상기 단위 패치는 8 × 8 개가 형성되고, 각각 폭(W)이 60nm, 주기성(D)는 125nm의 크기로 형성된다.In addition, 8 × 8 unit patches are formed, each having a width W of 60 nm and a periodicity D of 125 nm.
그리고 상기 단위 패치를 가지며 반응성 임피던스 표면(RIS)이 통합되면 230THz에서 최대 전계 향상 계수 228, 흡수율은 98%을 제공하게 된다.In addition, when the unit patch is provided and the reactive impedance surface (RIS) is integrated, a maximum electric field enhancement coefficient of 228 and an absorption rate of 98% are provided at 230 THz.
이상과 같이 본 발명의 나노 안테나 어레이 구조는 안테나의 하단에 복수개의 단위 패치를 배열하고, 아울러 인공적인 임피던스 표면을 제공함으로써, 98%의 높은 흡수율 및 최대 전계 향상 계수 228를 동시에 제공할 수 있는 효과가 있다. 따라서 종래 흡수율 향상과 높은 전계 향상을 동시에 실현하기 위해 사용한 바 있는 초박형 기판을 사용하지 않아도 되기 때문에, 금속 반사기의 표면 거칠기에 의해 결합강도가 영향을 받는 문제를 방지할 수 있다.As described above, the nano-antenna array structure of the present invention arranges a plurality of unit patches at the bottom of the antenna and provides an artificial impedance surface, thereby simultaneously providing a high absorption rate of 98% and a maximum electric field enhancement coefficient of 228. There is. Therefore, since it is not necessary to use an ultra-thin substrate, which has been used to simultaneously realize improved absorption and high electric field, a problem in which the bonding strength is affected by the surface roughness of the metal reflector can be prevented.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 싱글 보타이 나노 안테나 구조를 보인 도면
도 2는 도 1의 나노 안테나 구조에서 안테나 길이(L) 및 SiO2 두께(Ts)를 변경하면서 보인 전계향상 시뮬레이션 도면 및 230THz에서의 전계 향상 계수 값을 보인 그래프
도 3은 안테나 어레이 피치와 주파수 조건에 따른 전계 향상 및 흡수율을 보인 도면들
도 4를 싱글 안테나와 어레이 안테나의 전계 분포(electric field distribution)을 보인 도면
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 패치 단위 셀을 보인 구성도
도 6은 도 5의 금속 패치 구조가 230THz에서 서로 다른 패치 주기에 따라 발생하는 반사 위상을 보인 등고선도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고 임피던스(HIS) 및 반응성 임피던스 표면(RIS)이 통합된 보타이 나노 안테나 구조의 도면
도 8은 도 7의 보타이 나노 안테나 구조에서의 전계 향상 계수 및 흡수율을 보인 그래프
도 9은 96nm와 135nm 폭을 가지는 HIS 안테나의 Ez 분포를 보인 도면
도 10은 60nm와 85nm 폭을 가지는 RIS 안테나의 Ez 분포를 보인 도면1 is a view showing a structure of a single bow tie nanoantenna according to a first embodiment of the present invention
FIG. 2 is a simulation diagram of electric field improvement shown while changing the antenna length (L) and SiO 2 thickness (Ts) in the nano-antenna structure of FIG. 1 and a graph showing the electric field improvement coefficient value at 230 THz
3 is a diagram showing an electric field improvement and absorption rate according to an antenna array pitch and frequency condition
Figure 4 is a view showing the electric field distribution (electric field distribution) of a single antenna and an array antenna
5 is a configuration diagram showing a metal patch unit cell according to another embodiment of the present invention
FIG. 6 is a contour diagram showing reflection phases of the metal patch structure of FIG. 5 according to different patch periods at 230 THz
7 is a diagram of a structure of a bow tie nanoantenna in which a high impedance (HIS) and a reactive impedance surface (RIS) are integrated according to another embodiment of the present invention
8 is a graph showing an electric field enhancement coefficient and absorption rate in the bow tie nanoantenna structure of FIG. 7
9 is a view showing the Ez distribution of HIS antennas having a width of 96 nm and 135 nm
10 is a diagram showing the Ez distribution of RIS antennas having a width of 60 nm and 85 nm
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Objects and effects of the present invention, and technical configurations for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described later in detail together with the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of users or operators.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are provided only to complete the disclosure of the present invention and to fully inform the scope of the invention to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, and the present invention is defined by the scope of the claims. It just becomes. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
본 발명은 고 임피던스 표면(HIS) 및 반응성 임피던스 표면(RIS) 개념을 나노 안테나 디자인에 적용하여 최대 전계 향상과 완벽한 흡수율을 동시에 달성할 수 있도록 하는 나노 안테나 구조와 관련된 것이다. The present invention relates to a nano-antenna structure in which the concept of a high-impedance surface (HIS) and a reactive impedance surface (RIS) is applied to a nano-antenna design to simultaneously achieve maximum electric field improvement and perfect absorption.
그리고 본 발명의 나노 안테나 구조에 따르면 228의 우수한 전계 향상 계수와 함께 230THz(λ=1.3㎛)에서 98%의 완벽한 흡수율을 제공할 수 있는 바, 이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. And according to the nano-antenna structure of the present invention, it is possible to provide a perfect absorption rate of 98% at 230 THz (λ = 1.3 μm) with an excellent electric field enhancement coefficient of 228. Hereinafter, the present invention is based on the embodiment shown in the drawings. It will be described in more detail with respect to.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 싱글 보타이 나노 안테나 구조를 보인 도면이다. 1 is a diagram showing a structure of a single bow tie nanoantenna according to a first embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이 싱글 보타이 나노 안테나 구조(10)는, 금속성 반사기판(11) 및 그 위에 유전체 기판(13)이 형성되고, 상기 유전체 기판(13) 상에 싱글 보타이 안테나 소자(15)가 설계된다. 여기서 금속성 반사기판(11)은 금(Gold) 재질로 형성되고, 유전체 기판(13)은 SiO2 기판이며, 중심 파장은 230THz(λ=1.3㎛)로 셋팅된다. As shown, in the single bow tie nano-
실시 예에서, 상기 싱글 보타이 나노 안테나 구조의 사이즈를 살펴보면, 안테나 소자(15)는 서로 마주보는 제1 암(16)과 제2 암(17)이 상호 대칭되어 보타이 형상을 가지며, 제1 암(16)과 제2 암(17)은 일정 간격의 에어 갭에 의해 이격된 상태이다. 제1 암(16)과 제2 암(17) 사이의 상기 에어 갭의 부피는 20㎚(가로) × 20㎚(세로) × 10㎚(두께)이고, 제1 암(16)과 제2 암(17)의 두께는 10㎚, 각도는 45°로 설계된다. In an embodiment, looking at the size of the single bow tie nano-antenna structure, the
그리고 상기 금속성 반사기판(11) 및 유전체 기판(13)의 크기는 모서리로부터 회절이 안테나의 공진 주파수를 변화시키지 않도록 1.3㎛의 파장 크기를 가지도록 설계된다. 또 상기 금속성 반사기판(11)의 두께(Tr)는 200㎚로서, 유전체 기판(13)의 두께(TS)보다 더 두껍게 형성된다. In addition, the sizes of the metallic
그리고 각각의 안테나 암(16, 17)의 길이는 177.5㎚이고 상기 에어 갭은 20㎚으로서, 나노 안테나(15)의 전체 세로 길이(L)는 375㎚, 폭(W)은 145㎚로 설계된다.And the length of each of the antenna arms (16, 17) is 177.5nm and the air gap is 20nm, the total length (L) of the nano-
이와 같은 싱글 보타이 나노 안테나 구조에서, 안테나 소자(15)의 길이(L)와 SiO2 기판(13)의 두께(Ts)를 변경하여 전계 향상 계수를 계산하였고, 이때 여기(excitation)의 경우, 전계강도 1V/m(E0)의 x-편광 평면파가 안테나의 상단에서 입사하고 전계 향상은 E/E0를 사용하여 계산하였다. 상기 E는 에어 갭 중심에서의 전계 강도이다. In such a single bow tie nano-antenna structure, the electric field enhancement coefficient was calculated by changing the length (L) of the
결과를 살펴보면, 도 2의 (a)는 안테나 길이(L) 및 SiO2 두께(Ts)를 변경하면서 230THz에서의 전계 향상 계수 값을 나타내는데, 이를 보면, 안테나 길이(L)가 375nm이고, SiO2 두께(Ts)가 약 80nm일 때 230THz에서 최대 전계 강화가 달성됨을 알 수 있다. 그리고 도 2의 (b)를 보면 230THz에서의 최대 전계 향상 계수는 약 183으로 나타난다.Looking at the results, Figure 2 (a) shows the electric field enhancement coefficient value at 230 THz while changing the antenna length (L) and SiO 2 thickness (Ts). Looking at this, the antenna length (L) is 375 nm, SiO 2 It can be seen that the maximum electric field enhancement is achieved at 230 THz when the thickness Ts is about 80 nm. And, referring to (b) of FIG. 2, the maximum electric field enhancement coefficient at 230 THz is about 183.
이를 보면, SiO2 두께(Ts)가 80nm, 375nm 길이의 안테나 소자에 의해 여기된 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이 금속성 반사기에서 안테나 이미지와 최적으로 결합하며, 안테나 단자에서 최대 전계는 230THz에서 실현됨을 알 수 있다. 그리고 본 실시 예에서 최대 전계 향상을 위한 SiO2의 두께는 SiO2의 유효 1/4 파장인 225nm와 방사선과 흡수율이 균형을 이룰 수 있는 40nm사이로 셋팅하는 것이 좋다. Looking at this, local surface plasmon resonance (LSPR) excited by an antenna element with a length of 80 nm and 375 nm of SiO 2 thickness (Ts) is optimally combined with the antenna image at the metallic reflector, and the maximum electric field at the antenna terminal is realized at 230 THz. Able to know. And the thickness of SiO 2 for improving the maximum electric field in this embodiment is preferably set to between 40nm in effective quarter wavelength of 225nm and the radiation absorption rate of the SiO 2 can be balanced.
다음에는 최대 전계 향상 계수를 위해 싱글 보타이 나노 안테나 구조에서, 최대 전계 향상 및 흡수율에 대한 최적의 피치 구조에 대해 살펴본다.Next, in the single bow tie nano-antenna structure for the maximum electric field enhancement coefficient, the optimum pitch structure for the maximum electric field enhancement and absorption rate will be examined.
안테나 어레이 피치와 주파수 간의 관계로서 안테나 어레이의 전계 향상 및 흡수율은 도 3에 나타냈다. 도 3의 (a) 및 (b)를 살펴보면 피치(pitch)가 증가할수록 전계 향상 계수는 적색 편이되고, 또 흡수율도 적색 편이됨을 알 수 있다. 그리고 흡수율의 적색 편이 상태에서 더 낮은 피치는 230THz 근처에서 더 높은 흡수율을 제공함을 알 수 있다. The electric field improvement and absorption rate of the antenna array as a relationship between the antenna array pitch and frequency are shown in FIG. 3. Referring to FIGS. 3A and 3B, it can be seen that as the pitch increases, the electric field enhancement coefficient shifts in red, and the absorption rate shifts in red. And it can be seen that in the state of the red shift of the absorption rate, a lower pitch provides a higher absorption rate near 230 THz.
그리고 안테나 어레이 피치가 변화할 때 전계 향상과 흡수율은 서로 반대되는 경향이 있지만, 이러한 전계 향상과 흡수율에 대하여 230THz에서 최대값을 제공할 수 있도록 어레이 피치의 최적값은 1000nm로 제공된다. 그리고 상기 안테나 어레이 피치값 1000nm은 기준방향에서 최대 방사를 위한 마이크로파 안테나 사이의 최적 어레이 거리로 사용되는 중심파장의 절반보다 더 길게 되어야 할 것이다. In addition, when the antenna array pitch changes, the electric field enhancement and absorption rate tend to be opposite to each other, but the optimum value of the array pitch is provided as 1000 nm so that the maximum value at 230 THz for the electric field enhancement and absorption rate is provided. In addition, the antenna array pitch value of 1000 nm should be longer than half of the center wavelength used as the optimum array distance between microwave antennas for maximum radiation in the reference direction.
이처럼 어레이 피치의 최적값 1000nm을 이용하여 보타이 나노안테나의 전계 향상 및 흡수율을 계산하였고, 이는 도 3의 (c) 및 (d)에 도시하였다.In this way, the electric field enhancement and absorption rate of the bowtie nanoantenna were calculated using the optimum value of the array pitch of 1000 nm, which are shown in FIGS. 3(c) and (d).
이를 보면, 230THz에서 전계 향상은 약 223, 흡수율은 약 93% 정도임을 확인하였다. 상기 전계 향상 223은 상술한 싱글 보타이 나노 안테나의 183보다 더 높다. 이는 국부 표면 플라즈몬(LSP)과 어레이 공진이 일치하기 때문이다.Looking at this, it was confirmed that the electric field improvement at 230 THz was about 223 and the absorption rate was about 93%. The electric field enhancement 223 is higher than that of the single bow tie nanoantenna 183 described above. This is because local surface plasmons (LSP) and array resonances coincide.
도 4를 참고하여 싱글 안테나와 어레이 안테나의 전계 분포(electric field distribution)에 대해 살펴본다.The electric field distribution of the single antenna and the array antenna will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 안테나 중심축을 따라 x-z 평면의 전계 분포(Ez)를 나타낸 도면으로, (a)는 1.3㎛ ×1.3㎛ 면적의 접지된 SiO2 기판을 가지는 싱글 보타이 안테나의 전계 분포이고, (b)는 1㎛ 피치로서 SiO2 기판상에 보타이 안테나 어레이의 전계 분포를 나타낸다. 상기 SiO2 기판들은 모두 80nm의 두께로 형성된다. 4 is a diagram showing the electric field distribution (Ez) in the xz plane along the central axis of the antenna, (a) is the electric field distribution of a single bow tie antenna having a grounded SiO 2 substrate with an area of 1.3 μm × 1.3 μm, and (b) is The electric field distribution of the bow tie antenna array on the SiO 2 substrate is shown as a 1 μm pitch. All of the SiO 2 substrates are formed to a thickness of 80 nm.
(a)는 보타이 안테나와 금속성 반사기 간의 더 높은 커플링을 가지는 안테나 어레이 케이스를 나타내고 있는데, 이는 안테나 어레이의 국부적 표면 플라즈몬(Localized surface plasmon)이 안테나 어레이로부터 회절 필드에 결합하기 때문이다. 또 싱글 안테나에서 가장자리 근처의 더 높은 방사현상은 (a)에서 확인할 수 있다. 따라서 안테나 어레이와 금속성 반사기로부터 더 강한 커플링과 더 적은 방사가 보타이 안테나의 에어 갭에서 더 높은 전계 향상을 초래하게 된다. (a) shows an antenna array case with a higher coupling between the bowtie antenna and the metallic reflector, because the localized surface plasmon of the antenna array is coupled to the diffraction field from the antenna array. In addition, higher radiation near the edge of a single antenna can be seen in (a). Thus, stronger coupling and less radiation from the antenna array and metallic reflector will result in a higher field enhancement in the air gap of the bow tie antenna.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 패치 단위 셀을 보인 구성도이다. 이러한 금속 패치 어레이 구조(20)는 고 임피던스(HIS) 및 반응성 임피던스 표면(RIS)를 위한 구조이고, 보타이 나노 안테나 어레이가 더 높은 전계 향상과 완벽한 흡수율을 제공할 수 있도록 하는 것이다. 5 is a block diagram showing a metal patch unit cell according to another embodiment of the present invention. This metal
도 5에서 (a)는 웨이브 포트 여기를 가지는 PEC(Perfect Electric Conductor)와 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계조건상에 위치한 금속 패치 단위 셀의 개략도, 그리고 (b)는 y-z 방향의 측면도, (c)는 x-y 방향의 평면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이 웨이브 포트의 적분 라인 방향(x방향)은 PEC 경계에 수직이고, PMC 경계에 평행하게 구성된다. In Figure 5, (a) is a schematic diagram of a metal patch unit cell located on the boundary condition of PEC (Perfect Electric Conductor) and PMC (Perfect Magnetic Conductor) having wave port excitation, and (b) is a side view in the yz direction, and (c) is It is a plan view in the xy direction. As shown in these figures, the direction of the integration line (x direction) of the wave port is perpendicular to the PEC boundary and is configured parallel to the PMC boundary.
또 금속성 반사기(21) 및 그 상부에 접지상태의 SiO2 기판(22)이 설치된다. 그리고 SiO2 기판(22) 내에 금속 패치(24)를 제공하여 인공적인 임피던스 표면을 설계한다. 금속 패치(24)를 중심으로 상방의 SiO2 기판(22a)은 금속 패치(24)와 안테나(not shown) 사이의 SiO2 스페이서로 기능하고, 반사 계수의 위상을 계산하기 위한 기준 평면이 SiO2 스페이서의 상부 표면에 설정된다. 그리고 높은 저항의 HIS와 높은 인덕턴스의 RIS를 위해 금속 패치(24)는 각각 공진 주파수에서 0°및 90°반사 위상을 제공하도록 설계된다.In addition, a
본 발명의 실시 예에 따르면 상기 금속 패치(24), SiO2 스페이서 두께(t), 금속성 반사기의 두께(T)는 각각 10nm, 50nm 및 200nm로 셋팅된다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the
또 보타이 안테나 어레이에 대한 최적 피치값(P = 1000nm)을 기준으로 싱글 보타이 안테나의 하부 1000nm × 1000nm 영역 내에 4가지 크기의 패치 주기를 제공하였다. 그리고 각 패치 주기 값(D)은 100nm, 125nm, 200nm, 250nm이고, 각 주기마다 10 × 10, 8 × 8, 5 × 5, 4 × 4 개의 금속 패치를 하나의 보타이 안테나 아래에 제공하였다. In addition, based on the optimum pitch value (P = 1000 nm) for the bow tie antenna array, four different sized patch periods were provided within the lower 1000 nm × 1000 nm region of the single bow tie antenna. And each patch period value (D) was 100nm, 125nm, 200nm, 250nm, and 10 × 10, 8 × 8, 5 × 5, 4 × 4 metal patches were provided under one bowtie antenna for each period.
이 상태에서 금속 패치 폭(W)은 각 패치 주기마다 변할 것이고, 주파수 범위에 따른 반사 위상을 계산하였다. 도 6에 각각의 상태에 따른 반사 위상을 도시하였다. 도 6은 모두 230THz 에서 서로 다른 패치 주기에 따른 반사 위상의 등고선 도를 도시한 것이고, HIS 및 RIS를 각각 표시하였다. In this state, the metal patch width (W) will change for each patch period, and the reflection phase according to the frequency range was calculated. 6 shows a reflection phase according to each state. 6 shows contour diagrams of reflection phases according to different patch periods at 230 THz, respectively, and HIS and RIS are displayed.
도 6의 (a) 내지 (d)에 대한 각각의 계산 결과는 표 1로 나타냈다. 표 1에는 하나의 주기(D)에 대하여 HIS 및 RIS에 대한 2개의 상이한 패치 폭(W), 각각에 대한 반사 위상(S11), 표면저항(R) 및 표면 리액턴스(X)가 기재되고 있다. Table 1 shows the calculation results for (a) to (d) of FIG. 6. Table 1 lists two different patch widths (W) for HIS and RIS for one period (D), reflection phase (S 11 ) for each, surface resistance (R) and surface reactance (X). .
상기 표 1를 보면, 100nm, 125nm, 200nm 및 250nm의 패치주기에서 각각 77.5 nm, 95nm, 125nm 및 135nm의 패치 폭은 230THz에서 0°반사 위상을 갖는 순수 저항 특성(HIS)을 나타내고, 45nm, 60nm, 85nm 및 95nm 패치 폭은 230THz에서 90° 반사 위상을 갖는 유도 리액턴스를 나타낸다. Looking at Table 1, the patch widths of 77.5 nm, 95 nm, 125 nm and 135 nm, respectively, in the patch periods of 100 nm, 125 nm, 200 nm and 250 nm represent pure resistance characteristics (HIS) having 0° reflection phase at 230 THz, and 45 nm, 60 nm. , 85nm and 95nm patch widths exhibit induced reactance with 90° reflection phase at 230THz.
이를 보면, 패치 주기(D)가 감소하면 HIS의 표면 저항(R)은 증가하지만, RIS 경우의 리액턴스는 약 400Ω 근처를 유지하고 있음을 알 수 있다.Looking at this, it can be seen that when the patch period (D) decreases, the surface resistance (R) of HIS increases, but the reactance in the case of RIS is maintained around 400Ω.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고 임피던스(HIS) 및 반응성 임피던스 표면(RIS)이 통합된 보타이 나노 안테나 구조(30)의 도면으로, (a)는 금속 패치 어레이와 보타이 나노 안테나의 분리 사시도, (b)는 (a)의 결합 사시도, (c)는 (b)의 평면도이다. 7 is a diagram of a
도시된 바와 같이, 1000nm × 1000nm 크기의 금속성 반사기판(32)과, 금속성 반사기판(32) 상부에 50nm 두께의 유전체 기판인 SiO2 스페이서(34), 그리고 SiO2 스페이서(34) 상면에 보타이 나노 안테나 소자(36)를 포함하여 구성된다.As shown, a metallic
실시 예에서 상기 금속성 반사기판(32)에는 RIS를 위한 8 × 8 단위패치(38)가 형성되고, 각 단위패치(38)는 폭(W)이 60nm, 주기성(D)는 125nm의 크기를 가진다. 즉 복수 개의 금속 단위 패치가 안테나 하단에 위치하는 것이다. 그리고 이러한 단위 패치는 상기한 폭과 주기성을 가져 최적화되게 설계하였다.In an embodiment, an 8×8
또 보타이 나노 안테나 소자(36)의 길이(L)은 370nm, 폭(w)은 140nm로 형성된다. 여기서, 상기 보타이 안테나 소자(36)의 길이는 375nm, 폭은 145nm이나 RIS 결합 안테나 어레이 케이스의 230THz에서 공진을 유지하기 위하여 상기와 같이 370nm, 폭(w)은 140nm로 조정되었다. 그리고 상기 보타이 안테나소자(36)은 암이 서로 대칭되게 배열되고, 그 암들 사이는 에어 갭에 의해 소정 간격 이격된 상태이다. In addition, the length L of the bow
도 8은 상기 HIS 및 RIS 패치 어레이가 결합된 보타이 안테나 구조에서의 전계 향상 계수 및 흡수율을 그래프로 도시하였다. 즉 (a)는 HIS 패치 어레이와 통합된 안테나의 전계 향상, (b)는 HIS 패치 어레이와 통합된 안테나의 흡수율, (c)는 RIS 결합된 안테나 어레이의 전계 향상, (d)는 RIS 결합된 안테나 어레이의 흡수율을 각각 나타내고 있다. 각각에 서로 다른 4개의 패치 사이즈를 나타낸다. 8 is a graph showing an electric field enhancement coefficient and absorption rate in a bow tie antenna structure in which the HIS and RIS patch arrays are combined. That is, (a) is the electric field improvement of the antenna integrated with the HIS patch array, (b) is the absorption rate of the antenna integrated with the HIS patch array, (c) is the electric field improvement of the RIS-coupled antenna array, and (d) is the RIS-coupled antenna. Each of the absorption rates of the antenna array is shown. Each of them represents four different patch sizes.
이를 보면, (c)와 같이 RIS 패치 어레이와 결합된 안테나는 230THz 에서 공명을 유지하고 있음을 알 수 있다. 반면 (a)와 같이 HIS 패치 어레이가 결합된 안테나는 표면 저항으로 인하여 최대 전계 향상값이 약 225THz 부근에서 대략 185로 제한된다. 이는 HIS 패치 어레이의 주기성이 증가함에 따라 표면 저항이 감소하므로 더 넓은 HIS 패치와 결합된 안테나 어레이가 더 높은 전계 향상 및 흡수율을 제공하는 경향이 있기 때문이다. Looking at this, it can be seen that the antenna coupled with the RIS patch array maintains resonance at 230 THz as shown in (c). On the other hand, in the antenna to which the HIS patch array is combined as shown in (a), the maximum electric field enhancement value is limited to approximately 185 around 225 THz due to surface resistance. This is because the surface resistance decreases as the periodicity of the HIS patch array increases, so antenna arrays combined with wider HIS patches tend to provide higher electric field enhancement and absorption.
그러나 (a)와 같이 더 작은 단위 셀 (W = 95 nm 및 D = 125 nm)을 갖는 HIS 패치 어레이는 가장 넓은 패치 (W = 135 nm 및 D = 250 nm)보다 높은 전계 향상 값을 나타낼 수 있다.However, HIS patch arrays with smaller unit cells (W = 95 nm and D = 125 nm) as shown in (a) can exhibit higher field enhancement values than the widest patches (W = 135 nm and D = 250 nm). .
이는 도 9에 도시한 보타이 나노 안테나의 x-z 평면에서의 전계 분포를 통해 알 수 있다. 즉, (a) 및 (b)는 225 THz에서 계산된 95nm 및 135nm 폭의 HIS 패치와 결합된 안테나 전계(Ez)의 z성분을 표시한 도면이다.This can be seen through the electric field distribution in the x-z plane of the bowtie nanoantenna shown in FIG. 9. That is, (a) and (b) are diagrams showing the z component of the antenna electric field (Ez) combined with HIS patches of 95 nm and 135 nm width calculated at 225 THz.
(a)는 LSP가 안테나와 95nm 폭 HIS 패치 사이에 한정된 상태를 보여주는데, 이를 보면 고저항 패치 어레이로부터 반사가 효과적으로 동작하고, 안테나의 에어 갭에서 더 높은 전계 향상 계수가 실현됨을 보여준다. (a) shows the state where the LSP is confined between the antenna and the 95nm wide HIS patch, which shows that the reflection from the high-resistance patch array works effectively, and a higher field enhancement factor is realized in the air gap of the antenna.
반면 (b)는 135nm 폭 HIS 패치 케이스에 대한 Ez 분포로서, 앞서 설명한 바 있는 접지된 80nm 두께의 SiO2 위에 보타이 안테나가 배열된 도 4의 (b)와 유사한 분포를 나타낸다. On the other hand, (b) is a distribution of Ez for a 135 nm wide HIS patch case, and shows a distribution similar to (b) of FIG. 4 in which a bow tie antenna is arranged on a grounded 80 nm thick SiO 2 as described above.
이처럼 한정된 전계는 주로 HIS 패치 어레이로부터의 반사가 아니라 LSP와 어레이 회절 사이의 커플링에 야기된다. 135nm 폭의 HIS 패치를 가지 보타이 안테나의 커플링 메커니즘은, HIS 패치로부터의 반사 때문에 95nm 폭의 HIS 패치의 85% 흡수율보다 높은 95%의 흡수율을 제공하게 된다. 비록 95nm 폭의 패치가 모든 HIS 경우 중 최대 필드 향상을 보여주지만, 최대 흡수율을 달성하지는 못한다. This confined electric field is mainly caused by the coupling between the LSP and the array diffraction rather than reflection from the HIS patch array. The coupling mechanism of a bowtie antenna with a 135nm wide HIS patch provides an absorption of 95%, which is higher than the 85% absorption of a 95nm wide HIS patch due to reflection from the HIS patch. Although the 95nm wide patch shows the maximum field improvement of all HIS cases, it does not achieve the maximum absorption.
따라서 HIS 패치 어레이는 안테나 어레이의 공진 주파수를 교란시키며 높은전계 향상과 완벽한 흡수율을 동시에 실현할 수가 없다. 이러한 이유로 HIS 패치는 나노 안테나 어레이에 사용되는 실용적인 인공 임피던스 표면이 아니다.Therefore, the HIS patch array disturbs the resonance frequency of the antenna array, and it cannot realize high electric field improvement and perfect absorption at the same time. For this reason, HIS patches are not practical artificial impedance surfaces used in nanoantenna arrays.
다시 도 8를 참조하면, (c)는 RIS 결합 안테나로서 230THz의 안테나 에어 갭에서 우수한 전계 향상 계수를 제공하고 있다. 특히 60nm폭의 RIS 케이스는 앞서 설명한 바 있는 접지면에 의해 지지된 80nm 두께의 SiO2에 장착된 보타이 안테나의 223보다 높은 228의 최대 전기장 향상 값을 제공한다. Referring back to FIG. 8, (c) is a RIS coupling antenna, which provides an excellent electric field enhancement coefficient at an antenna air gap of 230 THz. In particular, the 60nm wide RIS case provides a maximum electric field enhancement of 228, which is higher than the 223 of the bowtie antenna mounted on 80nm thick SiO 2 supported by the ground plane previously described.
또, 도 8의 (d)에 도시 된 바와 같이, 모든 RIS 결합 안테나의 경우 230THz에서 약 98% 이상의 거의 완벽한 흡수율이 달성됨을 알 수 있다. 이러한 흡수율은 접지된 SiO2 유전체에 장착된 보타이 안테나의 흡수율 93%보다 높음을 알 수 있다.In addition, as shown in (d) of FIG. 8, in the case of all RIS combined antennas, it can be seen that an almost perfect absorption rate of about 98% or more is achieved at 230 THz. It can be seen that this absorption rate is higher than the absorption rate of 93% of the bowtie antenna mounted on the grounded SiO 2 dielectric.
여기서 주목할 점은 모든 RIS 패치 어레이 케이스의 공진 주파수가 HIS 패치 어레이 케이스와 다르게 230THz로 유지된다는 것이다. 상기 RIS 결합된 보타이 안테나에 의해 달성되는 높은 흡수율은 니어 필드(near filed)에서 안테나 에어 갭의 커패시턴스를 보상하는 안테나 밑의 RIS의 표면 인덕턴스의 존재에 의해 설명된다. Note that the resonant frequency of all RIS patch array cases is maintained at 230 THz, unlike HIS patch array cases. The high absorption achieved by the RIS coupled bowtie antenna is explained by the presence of the surface inductance of the RIS under the antenna that compensates for the capacitance of the antenna air gap in the near filed.
예를 들어 시뮬레이션 결과 동일 크기의 안테나 부하를 가지는 병렬 플레이트 커패시터에서 230THz 지점의 커패시턴스를 계산한 결과, 계산된 커패시턴스 1.71aF는 230THz 근처의 60nm 폭 패치 어레이로부터 표면 인덕턴스 0.28pH에 의해 효율적으로 제거되었다. 상기 60nm 폭 패치 어레이로부터 유도 표면 임피던스로 인한 보상은 주변 매체의 특성 임피던스와 임피던스 매칭을 초래함으로, 거의 완벽한 흡수가 가능하였다. For example, as a result of the simulation, the capacitance at the point of 230THz was calculated in a parallel plate capacitor with the same size antenna load.As a result, the calculated capacitance of 1.71aF was efficiently removed by the surface inductance 0.28pH from the 60nm wide patch array near 230THz. Compensation due to the induced surface impedance from the 60nm wide patch array results in impedance matching with the characteristic impedance of the surrounding medium, so that almost perfect absorption was possible.
그러나 상기 60nm 폭 RIS 패치와 통합된 보타이 안테나 어레이가 가장 높은 전계 향상계수를 가짐에도 불구하고, 이 경우는 도 8의 (d)에 도시한 바와 같이 85nm 폭 RIS 패치 케이스의 6.82%와 비교하면 반치폭(full width half maximum)을 기준으로 5.3%의 낮은 흡수 대역폭을 보여준다. However, even though the bow tie antenna array integrated with the 60nm wide RIS patch has the highest electric field enhancement coefficient, this case is half width compared to 6.82% of the 85nm wide RIS patch case as shown in Fig.8(d). It shows a low absorption bandwidth of 5.3% based on (full width half maximum).
실시 예에서, 상기 RIS 결합 보타이 안테나 어레이의 전계 향상과 밴드폭과의 균형(trade-off)를 분석하기 위해, 도 10과 같이 60nm와 85nm 폭 RIS 안테나의 Ez 분포를 도시하였다. 이를 보면 (a)의 60nm 폭 RIS 패치 보타이 나노 안테나는 안테나의 중앙에서 높은 LSP 크기가 여기되며, 안테나와 반사기 간의 금속 패치 어레이에도 불구하고 LSP와 어레이 회절 간의 커플링은 방해받지 않았다. 또 95nm 및 45nm 폭을 가진 RIS 패치도 이와 유사한 전계 분포를 보였다.In an embodiment, in order to analyze the electric field improvement and the trade-off of the bandwidth of the RIS coupled bow tie antenna array, Ez distributions of the 60 nm and 85 nm wide RIS antennas are shown as shown in FIG. 10. Looking at this, the 60nm wide RIS patch bowtie nanoantenna of (a) excites a high LSP size at the center of the antenna, and the coupling between the LSP and the array diffraction was not disturbed despite the metal patch array between the antenna and the reflector. In addition, RIS patches with a width of 95nm and 45nm also showed similar electric field distribution.
그러나 85nm 폭 RIS 패치 어레이의 경우, 안테나 팁(tip)으로부터의 전계는 안테나 아래에 인접한 금속 패치와 결합하여 패치 팁에서 높은 전계가 여기된다. 그리고 금속 패치 중 하나가 안테나 에어 갭의 아래에 위치하기 때문에, 독특한 커플링이 발생하고 안테나 에어 갭에서 가장 낮은 전계 향상을 일으킨다. 하지만 패치 에지 근처의 에너지 집속(energy confinement)은 여전히 통합된 구조의 높은 흡수율에 기여하고, 85nm 폭 RIS와 결합된 안테나 어레이의 가장 넓은 흡수 대역폭을 제공한다.However, in the case of an 85nm wide RIS patch array, the electric field from the antenna tip combines with the metal patch adjacent to the bottom of the antenna, causing a high electric field to be excited at the patch tip. And since one of the metal patches is located below the antenna air gap, a unique coupling occurs and produces the lowest field enhancement in the antenna air gap. However, the energy confinement near the patch edge still contributes to the high absorption of the integrated structure, providing the widest absorption bandwidth of the antenna array combined with the 85nm wide RIS.
본 실시 예는 RIS 패치 어레이의 가장자리 근처의 높은 전계가 안테나 부하의 전계 향상 및 제한에 미치는 효과를 정량화하기 위하여 유효 볼륨(Veff)을 계산하였다. 이러한 계산 결과 60nm 폭의 RIS 패치 어레이를 가진 보타이 안테나는 6.03 × 10-4μm3의 Veff를 나타내고, 85nm 폭의 RIS 패치 어레이를 가진 보타이 안테나는 8.38 × 10-4μm3의 높은 Veff를 나타냈다. 이러한 RIS 결합 보타이 안테나 어레이로부터 상기 Veff 값은 200nm 어레이 피치를 가지는 삼격형 모양의 안테나 어레이의 값과 비교할 수 있다. 또한 상기 Veff는 다음 수학식 1과 같이 쌍 모드 이론(coupled mode theory)에 기초한 전계 향상 크기와 관련 있다. In this embodiment, the effective volume (V eff ) was calculated to quantify the effect of the high electric field near the edge of the RIS patch array on the electric field improvement and limit of the antenna load. As a result of these calculations, a bowtie antenna with a 60nm wide RIS patch array shows a V eff of 6.03 × 10 -4 μm 3 , and a bow tie antenna with an 85nm wide RIS patch array shows a high V eff of 8.38 × 10 -4 μm 3 . Showed. From the RIS-coupled bow tie antenna array, the V eff value can be compared with a value of a triangular antenna array having a 200 nm array pitch. In addition, the V eff is related to the electric field enhancement magnitude based on the coupled mode theory as shown in
여기서, 
그리고 상기 수학식 1에서 더 높은 Q 계수와 더 작은 Veff가 더 높은 전기장 향상을 이끈다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 60nm 폭 RIS 패치는 Veff가 6.03 × 10-4㎛3이고, Q 계수는 18.85이며, 이는 Veff가 8.38 × 10-4㎛3이고, Q 계수는 14.64의 85nm 폭 RIS 패치와 비교하여 더 높은 전계 향상을 초래한다.In addition, it can be seen from
또한 접지된 80nm 두께의 SiO2의 보타이 안테나 어레이의 Veff 및 Q 계수를 계산한 결과, 상기 수학식 1에 의해 6.05 × 10-4㎛3이고, Q 계수는 22.54로 계산되었다. 이를 통해 접지된 SiO2기판을 사용한 안테나 어레이와 60nm 폭 RIS 패치를 이용한 안테나 어레이와 비교하면 Veff은 비슷하고 Q 계수는 높지만 낮은 흡수율 때문에, 더 낮은 전계 향상을 가진다.In addition, as a result of calculating the V eff and Q coefficient of the grounded 80 nm thick SiO 2 bowtie antenna array, it was 6.05 × 10 -4 µm 3 by
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 최적의 표면 리액턴스를 가지는 RIS 패치 어레이와 결합된 보타이 나노 안테나 어레이는 일반적인 접지된 기판의 안테나 어레이가 달성할 수 없는 높은 전계 향상과 완벽한 흡수을의 동시 달성을 실현할 수 있음을 확인할 수 있다. 또 표면 저항이 높은 HIS 패치 어레이는 나노 안테나의 성능을 향상시키기위한 실용적인 구조가 아님을 확인할 수 있었다.According to such an embodiment of the present invention, the bowtie nanoantenna array combined with the RIS patch array having the optimum surface reactance realizes the simultaneous achievement of high electric field improvement and perfect absorption that cannot be achieved by a general grounded substrate antenna array. You can see that you can. In addition, it was confirmed that the HIS patch array with high surface resistance is not a practical structure to improve the performance of the nano-antenna.
그리고 삼각형 모양의 안테나 어레이와 비교하면, 60nm 폭 RIS 패치 어레이와 결합된 보타이 안테나 어레이는 약 8% 더 높은 전계 향상과 거의 완벽한 흡수율을 제공할 수 있을 것이다. And compared to the triangular shaped antenna array, the bowtie antenna array combined with the 60nm wide RIS patch array could provide about 8% higher electric field enhancement and near perfect absorption.
또 이와 같은 인공적인 임피던스 표면과 결합된 나노 안테나 어레이로부터의 높은 전계 향상 및 완벽한 흡수율을 동시 달성할 수 있다는 것은 IR 및 광학 검출기, 센서 및 에너지 하베스팅 기기의 효율성을 향상시킬 수 있음을 의미할 수 있다고 할 것이다.In addition, being able to simultaneously achieve high electric field enhancement and perfect absorption from the nanoantenna array coupled with such an artificial impedance surface can mean that the efficiency of IR and optical detectors, sensors and energy harvesting devices can be improved. There will be.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although described with reference to the illustrated embodiments of the present invention as described above, these are only illustrative, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, without departing from the gist and scope of the present invention, various It will be apparent that variations, modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 싱글 보타이 나노 안테나 구조
11: 금속성 반사기판
13: 유전체 기판
15: 안테나소자
16: 제1 암
17: 제2 암
30: 보타이 나노 안테나 구조
32: 금속성 반사기판
34: 유전체 기판
36: 나노 안테나 소자
38: 단위 패치10: single bow tie nano antenna structure
11: metallic reflector
13: dielectric substrate
15: antenna element
16: first arm
17: second arm
30: Bowtie nano antenna structure
32: metallic reflective substrate
34: dielectric substrate
36: nano antenna element
38: unit patch
Claims (10)
상기 금속성 반사기판 위의 유전체 기판; 및
상기 유전체 기판위의 안테나 소자를 포함하고,
상기 금속성 반사기판은 금속 재질로 형성되며,
상기 안테나 소자는, 보타이 모양으로 서로 대칭되면서 일정 간격 이격되게 배치되는 제1 암 및 제2 암을 포함하고, 상기 제1 암과 제2 암 사이는 소정 부피의 에어 갭이 형성되며,
중심 파장 230THz(λ=1.3㎛)에서 98%의 흡수율을 제공하는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. Metallic reflective substrate;
A dielectric substrate on the metallic reflective substrate; And
Comprising an antenna element on the dielectric substrate,
The metallic reflective substrate is formed of a metal material,
The antenna element includes a first arm and a second arm that are symmetrical to each other in a bow tie shape and are disposed to be spaced apart at a predetermined interval, and an air gap of a predetermined volume is formed between the first arm and the second arm,
Bowtie nano-antenna array structure that provides 98% absorption at a center wavelength of 230THz (λ=1.3㎛).
상기 금속성 반사기 상부에 유전체 기판; 및
상기 유전체 기판 내에 금속패치를 포함하고,
상기 금속패치를 중심으로 상방에 위치한 유전체 기판 부분이 상기 금속패치와 안테나 사이의 스페이서로 동작하는 금속 패치 어레이 구조를 포함하는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. A metallic reflector of a predetermined thickness;
A dielectric substrate over the metallic reflector; And
Including a metal patch in the dielectric substrate,
A bowtie nano-antenna array structure including a metal patch array structure in which a portion of a dielectric substrate positioned above the metal patch serves as a spacer between the metal patch and the antenna.
상기 에어 갭의 부피는 20㎚(가로) × 20㎚(세로) × 10㎚(두께)이고,
상기 제1 암과 제2 암은 두께 10㎚, 각각의 길이 177.5㎚, 폭(W) 145㎚, 각도 45°로 형성되며,
상기 금속성 반사기판의 두께(Tr)는 200㎚로 형성되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 1,
The volume of the air gap is 20 nm (horizontal) × 20 nm (length) × 10 nm (thickness),
The first arm and the second arm are formed with a thickness of 10 nm, a length of 177.5 nm, a width of 145 nm, and an angle of 45°,
The metal reflective substrate has a thickness (T r ) of 200 nm.
상기 안테나 소자의 길이(L)가 375nm이고, 상기 유전체 기판의 두께(Ts)가 80nm일 때, 230THz에서 최대 전계 향상 계수는 183인 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 3,
When the length (L) of the antenna element is 375 nm and the thickness (Ts) of the dielectric substrate is 80 nm, the maximum electric field enhancement coefficient at 230 THz is 183. A bow tie nano-antenna array structure.
상기 유전체 기판의 두께(Ts)는 방사성능과 흡수율의 균형을 위하여 40nm 내지 225nm 사이로 형성되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 4,
The thickness (Ts) of the dielectric substrate is formed between 40nm to 225nm to balance the radiation performance and absorption rate of the bow tie nano-antenna array structure.
상기 안테나 소자를 어레이로 설계하여, 상기 안테나 소자 간 어레이 피치 값이 1000nm일 때,
230THz에서 전계 향상 계수는 223인 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 4,
When the antenna elements are designed as an array, and the array pitch value between the antenna elements is 1000 nm,
Bowtie nano-antenna array structure with an electric field enhancement coefficient of 223 at 230THz.
상기 금속성 반사기판 상의 유전체 스페이서;
상기 유전체 스페이서 상면의 보타이 형상의 나노 안테나 소자; 및
상기 안테나 소자의 하단에 위치하며, 상기 유전체 스페이서 내에 각각 동일한 폭과 주기성을 가지며 일정 간격 이격되어 배열되는 복수 개의 단위 패치들을 포함하고,
상기 나노 안테나 소자는 230THz에서 공진을 유지하며 흡수율은 98%을 제공하는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. Metallic reflective substrate having a predetermined area:
A dielectric spacer on the metallic reflective substrate;
A bow tie-shaped nano antenna element on an upper surface of the dielectric spacer; And
A plurality of unit patches positioned at the lower end of the antenna element, each having the same width and periodicity, and arranged spaced apart from each other in the dielectric spacer,
The nano-antenna element maintains resonance at 230 THz and provides an absorption rate of 98%.
상기 금속성 반사기판의 크기는 1000nm × 1000nm이고,
상기 유전체 스페이서의 두께는 50nm이며,
상기 나노 안테나 소자는 길이(L) 370nm, 폭(w) 140nm로 형성되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 7,
The size of the metallic reflective substrate is 1000 nm × 1000 nm,
The thickness of the dielectric spacer is 50 nm,
The nano-antenna element is a bow tie nano-antenna array structure formed with a length (L) of 370 nm and a width (w) of 140 nm.
상기 단위 패치들은 8 × 8 개가 형성되고,
각각 상기 폭(W)이 60nm, 상기 주기성(D)는 125nm의 크기로 형성되는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 7,
8 × 8 unit patches are formed,
Each of the width (W) is 60nm, the periodicity (D) is formed in a size of 125nm Bowtie nano antenna array structure.
상기 단위 패치를 가지며 반응성 임피던스 표면(RIS)이 통합되면 230THz에서 최대 전계 향상 계수는 228인 것을 특징으로 하는 보타이 나노 안테나 어레이 구조. The method of claim 9,
When having the unit patch and the reactive impedance surface (RIS) is integrated, the maximum electric field enhancement coefficient at 230 THz is 228.
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