평행금속판 도파로를 이용한 테라헤르츠 파의 전파 특성 연구

Abstract

테라헤르츠(이하, THz) 파는 전자기파 스펙트럼 영역에서 마이크로웨이브 영역과 적외선 영역의 사이로, 일반적으로 0.1~10THz (파장:3mm~30μm)에 해당하는 파를 말하며, 적외선이 가지는 직진성과 마이크로웨이브가 가지는 투과성을 동시에 가지는 독특한 특성을 가지는 영역대의 전자기파이다. 따라서, 비금속성을 띄는 대부분의 물질의(옷, 나무, 플라스틱, 종이 등) 투과가 가능하여 이와 같은 재질로 내부에 숨겨져 있는 물질의 확인이 가능하며(이미징), 인체와 같은 바이오 물질의 경우, 기존에 사용되어 오던 X-ray에(106THz=4.13keV) 비하여 에너지가(1THz=4.13meV) 현저히 낮기 때문에 물질의 원자나 분자를 이온화 시키지 않는 비파괴 특성을 가진다. 또한, 많은 물질의 분자들이 THz 영역에서 공진 특성을 가지고 있어 물질의 연구(분광학)에도 많이 사용되고 있다. 게다가, 앞으로 기존의 무선 통신 및 정보 처리 등에 있어 더 넓은 대역폭과 더 빠른 속도를 필요로 함에 따라 THz 파가 사용되게 될 것이다. 이렇듯, 앞으로 그 응용은 기존의 다른 영역의 기술과 결합하여 계속해서 확대 되게 될 것이다.

최근, THz 파의 단일 횡전자계(TEM) 모드의 전파가 가능한 평행금속판도파로의 특성을 이용하여, 분광학(spectroscopy), 포토닉 도파로(photonic waveguide), 이미징, 필터, 센서 등의 여러 분야에서 활발한 응용이 진행되고 있다. 이 중에서 THz 파의 다양한 응용 및 집적 회로의 구현 등, 모든 시스템에 기본적으로 필요한 수동 소자, 즉 여러 기능의 필터 개발은 반드시 필요하다. 이에 본 저자는 스펙트럼 영역에서 강한 차단 영역, 즉 밴드 갭의 형성이 가능한 포토닉 결정 구조를 평행금속판도파로 구조와 결합하여 다양한 기초 연구 및 그 응용 연구를 실시하였다.

먼저, (Chapter II) 평행금속판도파로의 기본 단일, 다중 모드 전파 특성에 관한 기초 연구를 이론 및 실험을 통하여 실시하였으며, (Chapter III) 이 중, 저주파 영역을 차단하는 스펙트럼 전파 특성을 가진 TE1 모드를 이용하여 THz 고주파 대역 통과 필터를 구현하였다. 그리고, (Chapter IV) 파장 이하의 좁은 공간에 THz 파를 집속, 전파가 가능한 평행금속판도파로의 특성을 이용하여 THz 파가 평행금속판도파로로부터 빠져 나오는 출구 근처에(THz 표면파) 슬릿 배열의 포토닉 결정 구조를 위치시켜, THz 표면파와 포토닉 결정 구조 간의 강한 Bragg 반사 현상과 이에 대한 각 슬릿의 반사 계수를 성공적으로 측정하였다. (Chapter V) 그리고, 기존까지 자유 공간을 전파하는 THz 파를 파장 이하의 평행금속판도파로 갭 사이로 결합시키기 위해 준광학 기법인 실리콘 렌즈가 사용되었다. 하지만, 이는 실리콘 렌즈의 높은 굴절률(n=3.417)에 따른 반사 손실이 두 실리콘 렌즈의 의해 약 50%가 발생하며 또한, 실리콘 내부 전반사로 인하여 시간 영역에서 긴 측정을 불가능하게 만드는 다중 반사 신호가 측정된다. 따라서, 실리콘 렌즈를 경사각 3o를 가지는 경사진 도파로 구조로 대체하여 기존 실리콘 렌즈의 사용에 비해 약 2배 이상의 결합 효율 향상 및 내부 전반사를 제거하였다.

(Chapter VI) 이 장에서는 Chapter V에서 연구 된 포토닉 결정 구조, 즉 슬릿 배열을 평행금속판도파로 내의 갭 중앙에 위치시켜, 집속된 THz 파와 슬릿 배열 간의 여러 강한 밴드 갭을 구현하였고, 발생한 여러 밴드 갭에 대한 그 형성 메카니즘을 C언어를 이용하여 직접 구현한 Finite-Difference Time-Domain 시뮬레이션을 이용하여 완벽히 분석하였다. (Chapter VII) 그리고, photonic band anti-crossing 모델을 이용하여 앞서 형성된 밴드 갭 중, 평행금속판과 슬릿 사이의 간격에 따라 밴드 갭의 위치가 변화는 현상을 다른 접근에서 분석하였으며, (Chapter VIII) Chapter VI에서 형성된 밴드 갭 내에 결함 구조의 슬릿 배열을 이용, 강한 결함 모드를 발생시켜 이에 대한 연구를 실시하였다. (Chapter IX) 그리고, 앞서 분석한 밴드 갭 형성 메카니즘의 이해를 바탕으로, 저주파, 특정 주파수 대역 통과 필터 및 특정 주파수 가변 차단 필터를 개발하였고, 이를 미량의 가스 검출이 가능한 센서로의 적용을 실시하였다.

(Chapter X) Chatper VI에서 연구된 슬릿 배열과 유사한 홈(groove) 배열을 평행금속판도파로의 갭 중앙이 아닌 한쪽 금속판 내에 구조화하여 앞서 슬릿 배열의 경우보다 더 많은 여러 밴드 갭의 구현 및 그 형성 메카니즘을 분석하였다. (Chapter XI) 그리고, 앞서 Chapter X에서의 여러 밴드 갭을 이용하여 여러 필터 및 미량의 가스 및 유동 액체 센서로의 응용을 실시하였다.

(Chapter XII) 이 장에서는 새로운 형태의 평행금속판도파로를 제안한다. 기존의 두껍고 평평한 평행금속판 구조에서 30 μm의 얇은 금속판에 슬릿 배열을 가공하여 도파로의 내외부가 슬릿을 통하여 연결이 되도록 하였다. 따라서, 도파로 내부를 전파해 나가던 THz 파가 전자기파의 회절 현상으로 인하여 공기 슬릿 배열을 통하여 도파로 내에서 외부로 빠져나가게 되는 반면, 도파로의 공기 갭의 두 배에 해당하는 길이의 파장에서 강한 투과 공진 현상이 일어나게 되어, 마치 특정 밴드 패스 필터의 특성을 가지게 되었다. 이는 횡전자계 모드를 이용한 저주파 차단은 처음이며, 공기 갭의 조절에 의하여 특정 밴드의 주파수 가변이 가능하다. 또한, 외부로 드러나는 특이한 구조로 인하여 앞으로 다양한 응용의 가능성이 기대된다.