1. 개요
본 연구는 고저항 실리콘(HR-Si)을 기반으로 한 테라헤르츠(THz) 주파수 대역용 MEMS 슬롯 도파관의 설계, 시뮬레이션 및 실험적 특성 분석을 수행하였다. 해당 도파관은 강력한 전자기장 구속 효과를 제공하며, MEMS 기반 위상 조절 기능을 가능하게 한다.
2. 슬롯 도파관 설계
HR-Si 기반 도파관 구조
- 고저항 실리콘(HR-Si)(저항값 10 kΩ·cm 이상)을 사용하여 250 GHz~270 THz의 넓은 투과성을 확보함.
- 슬롯은 두 개의 실리콘 빔 사이에 위치하여 전기장의 강한 구속을 유도함.
주요 설계 변수
- 슬롯 폭 (s): 전기장의 구속 효과 결정
- 빔 폭 (w): 유효 모드 인덱스 및 손실에 영향
- 메타물질 기반 지지 구조: 구조적 안정성을 제공하며, 불필요한 전파 손실 방지
메타물질 지지 구조
슬롯 도파관을 기계적으로 지지하기 위해 실리콘 기반 메타물질을 도입하여 낮은 유효 굴절률을 유지하면서도 안정적인 신호 전송을 가능하게 함.
- 세 가지 유닛 셀 구조 비교:
- 육각형(hexagonal) - 손실 최소화 및 높은 구속력 제공
- 마름모형(rhombic) - 중간 성능
- 원형(circular) - 높은 유전율로 인해 성능 저하
3. 시뮬레이션 결과
시뮬레이션 도구
- CST Microwave Studio를 사용하여 전자기장 분석 수행
- 주요 분석 요소:
- 유효 모드 인덱스
- 전송 손실
- 필드 구속 계수(Field Confinement Factor)
시뮬레이션 결과
- 슬롯 폭 60 µm, 빔 폭 100 µm일 때, 구속 계수 0.37을 기록함.
- MEMS 기반 위상 이동 기능 구현 가능
- 슬롯 폭 조절 범위: 46.4 µm ~ 182.4 µm
- 위상 이동량: 30°/mm (슬롯 폭 40 µm일 때)
4. 실험적 특성 분석
측정 방식
- Vector Network Analyzer(VNA) WR3.4 확장 모듈 사용
- 220~330 GHz 범위에서 측정 수행
전송 손실 측정 결과
- 육각형 메타물질 슬롯 도파관 기준으로 300 GHz에서 약 0.15 dB/mm 손실 발생
- 기존 도파관과 비교했을 때 경쟁력 있는 결과를 보임.
도파관 유형 300 GHz에서 손실(dB/mm)
| HR-Si 슬롯 (육각형) | 0.15 dB/mm |
| 기존 유전체 튜브 | 0.1 – 0.3 dB/mm |
| HR-Si on Quartz | 0.168 dB/mm |
5. 결론
본 연구를 통해 MEMS 기반 슬롯 도파관의 테라헤르츠 대역 활용 가능성을 입증하였다.
주요 성과
✅ 강한 필드 구속력을 통해 높은 신호 전송 효율 확보
✅ 낮은 전송 손실 (0.15 dB/mm @ 300 GHz)
✅ MEMS 액추에이터를 통한 위상 조절 기능 구현 가능
향후 연구 방향
- 330 GHz 이상의 주파수 대역 확장
- 구조적 안정성 향상
- MEMS 기반 가변 슬롯 도파관의 성능 최적화
이 연구는 테라헤르츠 통신 및 센서 응용 분야에서 중요한 기초 기술을 제공할 것으로 기대된다.