초보자를 위한 광학 입문
빛은 모든 이미지 센서의 원재료입니다. COMPASS가 픽셀을 어떻게 시뮬레이션하는지 이해하려면, 빛이 어떻게 행동하는지 -- 어떻게 이동하고, 휘어지고, 반사되고, 흡수되는지를 이해해야 합니다. 이 페이지는 필수 광학 개념을 처음부터 소개합니다. 물리학 배경 지식이 없어도 됩니다. 본문에는 수식이 전혀 등장하지 않습니다. (수학이 궁금하시다면 선택적 "수학적 표현" 섹션을 펼쳐보세요.)
이 페이지를 다 읽으면, COMPASS 솔버가 자동으로 계산해주는 물리 현상들을 이해하게 됩니다.
빛이란 무엇인가?
빛은 물리학에서 가장 많이 연구되었으면서도 가장 신비로운 존재 중 하나입니다. 빛은 이중적인 성질을 가집니다:
- 파동(wave)으로서: 빛은 전자기장의 물결입니다. 호수 표면의 수면파와 비슷합니다. 파장(파동 마루 사이의 거리), 주파수(마루가 얼마나 빨리 도착하는지)를 가지며, 다른 파동과 간섭할 수 있습니다.
- 입자(particle)로서: 빛은 **광자(photon)**라는 불연속적인 에너지 묶음으로도 옵니다. 각 광자는 파장에 관련된 특정 에너지를 가집니다. 광자가 이미지 센서 픽셀의 실리콘에 흡수되면 전자(electron) 하나를 자유롭게 만듭니다 -- 이것이 디지털 사진의 기본 사건입니다.
시뮬레이션 목적으로는 주로 파동 관점을 사용합니다. COMPASS의 전자기 솔버(RCWA와 FDTD)는 빛을 전자기파로 기술하는 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)을 풉니다. 파동 관점은 현대 픽셀의 서브마이크로미터 스케일에서 중요한 회절, 간섭, 그리고 모든 현상을 자연스럽게 포착합니다.
이렇게 생각하면 됩니다: 빛이 열린 공간을 이동할 때는 광선(진행 방향을 가리키는 화살표)으로 생각할 수 있습니다. 하지만 빛이 파장과 비슷한 크기의 구조 -- 작은 픽셀 내부의 층과 구조물처럼 -- 를 만나면 광선 관점은 더 이상 유효하지 않고, 빛을 파동으로 다루어야 합니다. COMPASS가 이 파동 물리를 대신 처리해 줍니다.
파장(Wavelength)과 색(Color)
빛 파동의 가장 중요한 특성은 파장(wavelength) -- 한 파동 마루에서 다음 마루까지의 거리입니다. 파장은 모든 것을 결정합니다: 어떤 색으로 보이는지, 빛이 실리콘에 얼마나 깊이 침투하는지, 그리고 픽셀 내 나노미터 스케일 구조와 어떻게 상호작용하는지.
가시광선 스펙트럼(Visible Spectrum)
인간의 눈은 대략 380 nm에서 780 nm (나노미터) 사이의 파장을 가진 빛을 볼 수 있습니다. 이 범위 내에서:
| 색상 | 대략적인 파장 |
|---|---|
| 보라(Violet) | 380 -- 450 nm |
| 파랑(Blue) | 450 -- 495 nm |
| 초록(Green) | 495 -- 570 nm |
| 노랑(Yellow) | 570 -- 590 nm |
| 주황(Orange) | 590 -- 620 nm |
| 빨강(Red) | 620 -- 780 nm |
빠른 참고용: 파랑은 약 450 nm, 초록은 약 550 nm, 빨강은 약 650 nm. 이 세 가지는 베이어 패턴 이미지 센서의 컬러 필터와 일치하므로 특히 중요합니다.
가시광선 너머: 근적외선(Near-Infrared)
실리콘 이미지 센서는 실제로 인간 눈이 볼 수 없는 범위의 빛, 약 1100 nm(근적외선)까지 감지할 수 있습니다. 이는 야간 카메라, 깊이 감지(스마트폰의 얼굴 인식 기능은 근적외선 사용), 산업 검사 등에 유용합니다. COMPASS는 이 전체 범위의 파장을 시뮬레이션할 수 있습니다.
단위: 나노미터(nm)와 마이크로미터(um)
파장과 픽셀 구조의 물리적 치수에 두 가지 단위가 사용됩니다:
- 나노미터(nm): 1 nm = 10억분의 1 미터. 파장과 매우 얇은 층에 사용됩니다.
- 마이크로미터(um): 1 um = 100만분의 1 미터 = 1000 nm. 픽셀 피치와 층 두께에 사용됩니다.
COMPASS는 모든 길이에 대해 내부적으로 마이크로미터를 사용합니다. 따라서 550 nm의 파장은 설정 파일에서 0.55 um으로 입력됩니다.
스케일 감각을 위해: 사람 머리카락은 약 70 um 너비입니다. 현대 스마트폰 픽셀은 약 0.7 um 너비로 -- 머리카락 두께의 100분의 1입니다. 그리고 초록빛의 파장(0.55 um)은 픽셀 자체보다 훨씬 작지 않습니다. 이것이 바로 파동 광학 시뮬레이션이 필요한 이유입니다.
Wavelength, Silicon Absorption & Pixel Response
Drag the marker along the spectrum to explore how wavelength affects silicon absorption depth, optical properties, and pixel performance.
α = 4πk / λ | Absorption depth = 1/α = λ / (4πk)굴절률(Refractive Index, n): 빛이 휘어지는 이유
빛이 한 물질에서 다른 물질로 이동할 때 -- 예를 들어, 공기에서 유리로 -- 두 가지 일이 일어납니다: 빛이 느려지고 방향이 바뀝니다(휘어집니다). 물질에서 빛이 얼마나 느려지는지를 나타내는 속성을 **굴절률(refractive index)**이라고 하며, 문자 n으로 표현합니다.
직관적 이해
진공(빈 공간)에서 빛은 최대 속도 -- 약 초속 30만 킬로미터 -- 로 이동합니다. 빛이 유리나 물 같은 물질에 들어가면, 물질의 원자와 상호작용하여 효과적으로 느려집니다. 굴절률은 그 정도를 알려줍니다:
- 공기: n = 1.0 (빛이 사실상 최대 속도로 이동)
- 물: n = 1.33 (빛이 진공 속도의 약 75%로 이동)
- 유리: n = 1.5 (빛이 진공 속도의 약 67%로 이동)
- 실리콘: 초록빛 파장에서 n = 4.0 (빛이 진공 속도의 단 25%로 이동!)
굴절률이 높을수록 빛은 그 물질에서 더 느리게 이동합니다.
왜 중요한가
굴절률은 픽셀 시뮬레이션에서 가장 중요한 물질 속성이라 할 수 있습니다:
- 계면에서의 반사(reflection): 빛이 굴절률이 다른 두 물질의 경계에 부딪히면 일부 빛이 반사됩니다. n의 차이가 클수록 반사가 강합니다. 공기-실리콘 계면(n = 1에서 n = 4)은 빛을 많이 반사합니다 -- 이것이 반사 방지 코팅(anti-reflection coating)이 필수적인 이유입니다.
- 굴절(refraction, 꺾임): 빛은 서로 다른 n 값을 가진 물질의 계면을 지날 때 방향이 바뀝니다. 이것이 마이크로렌즈가 빛을 집중시키는 원리입니다 -- 높은 n 물질의 곡면이 빛을 픽셀 중심으로 휘어지게 합니다.
- 간섭 효과(interference effects): 굴절률은 빛이 각 층을 통과하는 속도를 결정하고, 이는 다시 파동의 위상(phase)을 결정합니다. 층 간의 위상 차이가 보강 간섭 또는 소멸 간섭을 일으키므로, 층 두께가 매우 중요해집니다.
수학적 표현 (Math Detail)
굴절률 n은 진공에서의 광속 대 물질에서의 광속의 비율로 정의됩니다:
n = c / v
여기서 c는 진공에서의 광속, v는 물질에서의 광속입니다.
빛이 계면을 통과할 때, 스넬의 법칙(Snell's law)이 각도를 관계짓습니다:
n1 * sin(theta1) = n2 * sin(theta2)
프레넬 방정식(Fresnel equations)은 굴절률과 입사각의 함수로 계면에서 반사되는 빛과 투과되는 빛의 비율을 제공합니다.
굴절률은 파장에 따라 변한다
중요한 사항: 대부분의 물질의 굴절률은 고정된 숫자가 아닙니다. 파장에 따라 변합니다. 이 현상을 **분산(dispersion)**이라고 합니다 -- 프리즘이 백색광을 무지개로 분리하는 이유입니다.
실리콘의 경우, 짧은(파란) 파장에서 굴절률이 높고, 긴(빨간) 파장에서 낮습니다. COMPASS는 내장 재료 데이터베이스에서 각 시뮬레이션 파장에 맞는 올바른 n 값을 조회하여 이를 반영합니다.
흡수(Absorption, k): 물질이 빛을 삼키는 방법
지금까지 빛이 느려지고 휘어지는 것에 대해 이야기했습니다. 하지만 일부 물질은 빛을 **흡수(absorb)**하기도 합니다 -- 빛의 에너지를 다른 형태(일반적으로 열이나, 광검출기의 경우 전류)로 변환합니다.
흡수는 k라는 두 번째 숫자로 기술되며, 소광계수(extinction coefficient) 또는 **굴절률의 허수부(imaginary part of the refractive index)**라고 합니다. n과 k를 합쳐 복소 굴절률(complex refractive index): n + ik를 형성합니다.
이미지 센서에서 흡수가 중요한 이유
실리콘은 가시광선을 흡수합니다 -- 그리고 이것은 좋은 일입니다! 흡수는 실리콘 광검출기가 작동하는 바로 그 메커니즘입니다. 광자가 실리콘에 흡수되면, 그 에너지를 전자에 전달하여 전자를 자유롭게 합니다. 픽셀이 이 자유 전자를 모으는 것이 빛이 전기 신호가 되는 과정입니다.
하지만 흡수는 모든 색상에 대해 동일하지 않습니다:
| 파장 | 색상 | 실리콘에서의 흡수 깊이 |
|---|---|---|
| 450 nm | 파랑(Blue) | ~0.2 um |
| 550 nm | 초록(Green) | ~1.5 um |
| 650 nm | 빨강(Red) | ~3.0 um |
| 850 nm | 근적외선(Near-IR) | ~15 um |
**흡수 깊이(absorption depth)**는 빛이 대부분(약 63%) 흡수되기까지 실리콘에서 이동해야 하는 거리입니다. 파란빛은 매우 빠르게 -- 실리콘의 처음 0.2 um 내에서 -- 흡수됩니다. 빨간빛은 훨씬 깊이 침투하여 약 3 um이 필요합니다. 근적외선은 더 멀리 이동할 수 있습니다.
이것이 픽셀 설계에 대한 큰 함의를 가집니다:
- 실리콘 두께가 중요합니다: 실리콘 층이 2 um 두께에 불과하다면, 파랑과 초록 빛은 거의 전부 포착하지만 빨간 빛의 상당 부분을 놓치게 됩니다.
- BSI 방향이 중요합니다: BSI 센서에서 빛은 실리콘 상단에서 들어옵니다. 파란 광자는 상단 표면 근처(컬러 필터 가까이)에서 흡수되고, 빨간 광자는 더 깊이에서 흡수됩니다. 이는 전하 수집 효율에 영향을 미칩니다.
- 크로스토크는 파장에 따라 다릅니다: 실리콘 깊이 침투하는 빨간빛은 수집되기 전에 옆으로 이동하여 이웃 픽셀로 들어갈 수 있어, 크로스토크를 유발합니다.
수학적 표현 (Math Detail)
흡수 계수 alpha는 소광계수 k와 다음과 같은 관계입니다:
alpha = 4 * pi * k / lambda
여기서 lambda는 자유 공간 파장입니다. 빛의 세기는 침투하면서 지수적으로 감소합니다:
I(z) = I_0 * exp(-alpha * z)
흡수 깊이 d = 1/alpha는 세기가 초기값의 1/e (약 37%)로 떨어지는 거리입니다.
COMPASS에서 복소 유전율(complex permittivity)은 다음과 같습니다:
epsilon = (n + ik)^2
이것이 모든 EM 솔버가 내부적으로 사용하는 형태입니다.
반사(Reflection)와 굴절(Refraction)
빛이 두 물질의 경계에 부딪히면, **반사(reflected)**되는 부분과 **투과(transmitted)**되어 계속 진행하는 (방향이 바뀔 수 있는) 부분으로 나뉩니다. 이 분할을 이해하는 것이 픽셀 설계에 필수적입니다.
굴절: 계면에서 빛이 휘어진다
빛이 낮은 n 물질(공기 등)에서 높은 n 물질(유리나 실리콘 등)로 지나갈 때, 표면에 대한 수직 방향으로 휘어집니다. 높은 n에서 낮은 n으로 갈 때는 수직에서 멀어지는 방향으로 휘어집니다. 이 휘어짐을 **굴절(refraction)**이라고 합니다.
굴절은 렌즈가 작동하는 원리입니다 -- 각 픽셀 위의 마이크로렌즈(microlens)를 포함하여. 높은 n 물질의 곡면이 빛의 경로를 휘어지게 하여 초점(focal point)으로 모이게 합니다. 픽셀에서 마이크로렌즈는 들어오는 빛을 포토다이오드 중심으로 휘어지게 하여, 광자를 검출될 수 있는 곳으로 집중시킵니다.
수학적 표현 (Math Detail)
스넬의 굴절 법칙(Snell's law of refraction):
n1 * sin(theta1) = n2 * sin(theta2)
여기서 n1과 n2는 두 매질의 굴절률, theta1과 theta2는 표면 법선에서 측정한 빛의 각도입니다.
반사: 빛이 되돌아온다
모든 계면에서 빛의 일부분이 반사됩니다. 얼마나 반사되는지는 두 물질 간의 굴절률 차이와 입사각에 따라 달라집니다.
몇 가지 예를 봅시다:
- 공기에서 유리로 (n=1에서 n=1.5): 수직 입사 시 빛의 약 4%가 반사됩니다. 창문에서 희미한 반사가 보이는 이유입니다.
- 공기에서 실리콘으로 (n=1에서 n=4): 빛의 약 36%가 반사됩니다! 이는 매우 큰 손실입니다.
- 유리에서 실리콘으로 (n=1.5에서 n=4): 약 18%가 반사됩니다. 여전히 상당하지만, 공기-실리콘보다는 낫습니다.
이것이 이미지 센서 픽셀에 **반사 방지 코팅(anti-reflection coating)**을 사용하는 이유입니다 -- 낮은 n의 산화물과 높은 n의 실리콘 사이에 중간 n의 물질로 이루어진 얇은 층을 놓습니다. 이 코팅의 두께와 굴절률을 신중하게 선택함으로써, 엔지니어들은 반사를 극적으로 줄이고 더 많은 빛을 포토다이오드로 보낼 수 있습니다.
수학적 표현 (Math Detail)
수직 입사 시(빛이 표면에 직각으로 부딪힐 때), 프레넬 방정식(Fresnel equations)에서의 반사율은 다음으로 간단해집니다:
R = ((n1 - n2) / (n1 + n2))^2
공기(n1=1)에서 실리콘(n2=4)으로: R = (3/5)^2 = 0.36, 즉 36%.
비수직 입사의 경우, 완전한 프레넬 방정식을 사용해야 하며, 반사율은 빛의 편광(s편광 vs p편광)에 따라 달라집니다.
Interactive Fresnel Calculator
Explore how reflection and transmission depend on refractive indices and incidence angle.
간섭(Interference): 파동이 합쳐지거나 상쇄될 때
간섭(interference)은 이미지 센서 광학에서 가장 중요한 파동 현상이라 할 수 있습니다. 두 개 이상의 빛 파동이 겹쳐질 때 발생합니다. 그 결과는 파동의 마루가 어떻게 정렬되느냐에 달려 있습니다:
- 보강 간섭(constructive interference): 두 파동의 마루가 일치하면, 합쳐져 더 강한 파동을 만듭니다. 결과는 더 밝은 빛입니다.
- 소멸 간섭(destructive interference): 한 파동의 마루가 다른 파동의 골과 일치하면, 서로 상쇄됩니다. 결과는 더 어두운 빛 -- 또는 빛이 전혀 없는 상태입니다.
박막 간섭: 일상적인 예
이름을 몰랐더라도 간섭을 본 적이 있을 것입니다:
- 비눗방울이 소용돌이치는 무지개 색을 보여주는 것은, 얇은 비누막의 앞면과 뒷면에서 반사된 빛이 간섭하기 때문입니다. 막의 두께에 따라 어떤 색이 보강 간섭하여(밝게 보이고) 어떤 색이 소멸 간섭하는지(어둡게 보이는지) 결정됩니다.
- 물 위의 기름도 같은 이유로 무지개 무늬를 만듭니다.
- 안경의 반사 방지 코팅이 약간 보라색이나 초록색으로 보이는 것 -- 이는 코팅에 의해 완벽하게 상쇄되지 않은 파장의 잔여 색상입니다.
픽셀에서 간섭이 중요한 이유
픽셀 내부에서 빛은 실리콘에 도달하기 전에 여러 얇은 층(마이크로렌즈, 컬러 필터, 산화물 층, 반사 방지 코팅)을 통과합니다. 매 계면에서 일부 빛이 반사됩니다. 이 반사된 파동들은 층 사이를 오가며, 서로 그리고 입사파와 간섭합니다.
그 결과, 포토다이오드에 도달하는 빛의 양이 각 층의 두께에 민감하게 의존합니다. 산화물 층을 단 10 nm(픽셀 전체 높이의 0.1%) 변경해도 특정 파장에서의 QE가 눈에 띄게 달라질 수 있습니다.
이것이 정밀한 시뮬레이션이 중요한 이유입니다. 직관만으로는 이러한 간섭 효과를 예측할 수 없습니다 -- 완전한 파동 방정식을 풀어야 하며, RCWA와 FDTD 솔버가 바로 그 일을 합니다.
보강 간섭과 소멸 간섭 조건
간섭이 보강인지 소멸인지는 광학 경로 길이(optical path length) -- 층의 물리적 두께에 굴절률을 곱한 값 -- 에 따라 결정됩니다. 광학 경로 길이가 파장의 정수배와 같으면 보강 간섭(더 많은 빛)이 일어나는 경향이 있습니다. 파장의 반정수배와 같으면 소멸 간섭(더 적은 빛)이 일어납니다.
이것이 반사 방지 코팅이 작동하는 원리입니다: 광학 두께가 정확히 1/4 파장인 코팅은 상단 표면의 반사와 하단 표면의 반사가 소멸 간섭하도록 합니다. 반사가 상쇄되어 더 많은 빛이 투과됩니다.
수학적 표현 (Math Detail)
두께 d, 굴절률 n인 박막에서, 상단과 하단 표면에서 반사된 빛 사이의 광학 경로 차이는:
delta = 2 * n * d
보강 간섭은 delta = m * lambda (m은 정수)일 때 발생합니다. 소멸 간섭은 delta = (m + 1/2) * lambda일 때 발생합니다.
1/4 파장 반사 방지 코팅의 경우:
n_coating * d = lambda / 4
코팅의 최적 굴절률은:
n_coating = sqrt(n1 * n2)
여기서 n1과 n2는 양쪽 물질의 굴절률입니다.
회절(Diffraction): 빛이 모서리를 돌아서 휘어진다
일상생활에서 빛은 직선으로 이동하는 것처럼 보입니다. 하지만 빛이 파장과 비슷한 크기의 장애물이나 개구(aperture)를 만나면, 퍼져 나가고 가장자리를 돌아 휘어집니다. 이를 **회절(diffraction)**이라고 합니다.
작은 픽셀에서 회절이 중요한 이유
0.7 um 너비의 픽셀에 초록빛(0.55 um 파장)이 비춰지면, 픽셀 개구는 약 1.3 파장 너비에 불과합니다. 이 스케일에서 회절은 상당합니다:
- 마이크로렌즈 집광이 제한됩니다: 이 크기의 마이크로렌즈는 빛을 날카로운 점으로 집중시킬 수 없습니다. 회절 한계는 집중된 스폿(spot)이 픽셀 자체와 비슷한 크기가 된다는 것을 의미합니다.
- 빛이 이웃으로 퍼집니다: 회절된 빛은 픽셀 경계를 존중하지 않습니다. 마이크로렌즈가 자신의 픽셀을 위해 완벽하게 설계되었다 해도, 일부 빛은 불가피하게 인접 픽셀로 퍼집니다.
- 컬러 필터에도 회절 효과가 있습니다: 컬러 필터 패치의 유한한 크기는 그 분광 응답이 완벽하게 날카롭지 않다는 것을 의미합니다.
광선 추적(ray-tracing) 모델(기하 광학)은 회절을 완전히 무시합니다. 구조가 파장보다 훨씬 클 때는 이것이 허용되지만, 현대의 서브마이크로미터 픽셀에서는 회절을 무시하면 상당히 잘못된 예측을 하게 됩니다. COMPASS의 풀파동(full-wave) 솔버는 회절 효과를 자연스럽게 포함합니다.
에너지 보존(Energy Conservation): 빛은 어디로 가는가?
광학에서 가장 기본적인 원리 중 하나는 **에너지 보존(energy conservation)**입니다. 빛이 구조물에 부딪히면, 그 에너지의 전부가 설명되어야 합니다. 빛은 세 곳으로만 갈 수 있습니다:
- 반사(Reflected, R): 광원 방향으로 되돌아감.
- 투과(Transmitted, T): 구조물을 통과하여 계속 진행.
- 흡수(Absorbed, A): 구조물 내에서 다른 형태의 에너지(열 또는 전류)로 변환.
에너지 보존 규칙은 간단합니다:
R + T + A = 1
이는 반사된 빛의 비율, 투과된 비율, 흡수된 비율을 모두 합하면 항상 100%가 되어야 한다는 뜻입니다.
이미지 센서 픽셀의 맥락에서:
- R은 상단 표면과 내부 계면에서의 반사로 손실된 빛입니다. 이것을 가능한 한 작게 하고 싶습니다.
- 실리콘에서의 A는 유용한 부분입니다 -- 신호를 생성하는 빛입니다. 이것을 가능한 한 크게 하고 싶습니다. 이것이 본질적으로 양자 효율(quantum efficiency)입니다.
- 다른 층에서의 A (금속, 의도된 대역 외의 컬러 필터 흡수)는 기생 손실(parasitic loss)입니다. 이것을 작게 하고 싶습니다.
- T는 실리콘을 완전히 통과하여 흡수되지 않은 빛입니다. 매우 얇은 실리콘이나 긴 파장(근적외선)에서 상당할 수 있습니다.
COMPASS는 진단 도구로 에너지 보존을 검사합니다. R + T + A가 1에서 1% 이상 차이가 나면, 시뮬레이션의 잠재적 수치 문제를 표시합니다. 이는 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 확인하는 방법 중 하나입니다.
수학적 표현 (Math Detail)
주어진 파장과 입사각에서의 평면파(plane wave)에 대한 에너지 보존 관계식:
R + T + A = 1
여기서 R은 총 반사율(입사 전력 중 반사된 비율), T는 총 투과율(입사 전력 중 투과된 비율), A는 총 흡수율(입사 전력 중 흡수된 비율)입니다.
COMPASS에서 흡수율은 층별로 분해할 수 있습니다:
A_total = A_silicon + A_metal + A_color_filter + A_other
양자 효율 QE는 A_silicon과 밀접하게 관련되지만, 실리콘 내부의 전하 수집 효율도 고려합니다.
편광(Polarization): 진동의 방향
빛은 **횡파(transverse wave)**입니다. 즉, 전자기장이 빛의 진행 방향에 수직으로 진동합니다. 이 진동의 방향을 **편광(polarization)**이라고 합니다.
시뮬레이션 목적으로 두 가지 중요한 편광 상태가 있습니다:
- s편광 (TE, transverse electric): 전기장이 픽셀 표면과 평행하게 진동합니다.
- p편광 (TM, transverse magnetic): 전기장이 빛의 진행 방향과 표면 법선을 포함하는 면에서 진동합니다.
이것이 왜 중요한가? 계면에서 반사되는 빛의 양이 편광에 따라 다릅니다. 비수직 입사(비스듬히 부딪히는 빛) 시, s편광과 p편광은 다르게 반사됩니다. 일반적인 조건의 이미지 센서에서 입사광은 비편광(unpolarized) (두 편광의 무작위 혼합)이므로, COMPASS는 기본적으로 두 편광 상태를 평균합니다.
모든 것을 종합하면: COMPASS와의 연결
이 페이지의 모든 개념이 COMPASS가 시뮬레이션하는 것에 직접 대응됩니다:
| 광학 개념 | COMPASS에서의 활용 |
|---|---|
| 파장(wavelength) | QE 스펙트럼 계산을 위해 파장에 걸쳐 시뮬레이션 스윕(sweep) |
| 굴절률(refractive index, n) | 재료 데이터베이스가 모든 물질의 n(lambda)을 제공 |
| 흡수(absorption, k) | 재료 데이터베이스가 k(lambda)를 제공; 실리콘 흡수가 QE를 생성 |
| 반사(reflection) | 모든 계면에서 계산됨; 반사 방지 설계로 최소화 |
| 굴절(refraction) | 마이크로렌즈 집광과 층을 통한 빛의 휘어짐 |
| 간섭(interference) | RCWA 및 FDTD 솔버가 자동으로 포착 |
| 회절(diffraction) | 풀파동 솔버에 자연스럽게 포함 |
| 에너지 보존(energy conservation) | R + T + A = 1을 시뮬레이션 진단으로 검사 |
| 편광(polarization) | 사용자가 TE, TM, 또는 비편광(평균) 선택 |
풀 전자기 솔버를 사용하는 것의 장점은 이러한 각 효과를 수동으로 고려할 필요가 없다는 것입니다. 픽셀 구조와 재료를 정의하면, 솔버가 모든 파동 물리를 동시에 처리합니다. COMPASS는 문제를 설정하고 결과를 해석하기 쉽게 만들어 줍니다.
다음 단계
이러한 광학 기초를 갖추었으니, 더 깊이 들어갈 준비가 되었습니다:
- CMOS 이미지 센서란? -- 아직 읽지 않았다면, 이미지 센서와 픽셀의 큰 그림을 위해 여기서 시작하세요.
- 빛의 기초 (이론) -- 완전한 수학적 전개가 포함된 전자기파 이론의 더 상세한 다룸.
- 박막 광학 -- 간섭과 반사 방지 코팅 설계에 대한 심층 분석.
- 양자 효율 -- 광자-전자 변환과 QE 계산의 물리.
- 첫 번째 시뮬레이션 -- 배운 것을 적용하여 실제 COMPASS 시뮬레이션을 실행해 봅니다.
- 재료 데이터베이스 가이드 -- COMPASS가 모든 물질의 굴절률 데이터를 어떻게 저장하고 조회하는지.
이 페이지는 광학에 대한 사전 배경 지식이 없는 독자를 위해 작성된 COMPASS 소개 시리즈의 일부입니다. 모든 기술 용어는 등장할 때 소개됩니다. 선택적 "수학적 표현" 섹션은 수식을 원하는 독자를 위해 제공됩니다.