MaterialDB

compass.materials.database.MaterialDB는 광학 재료 물성(optical material properties)의 중앙 레지스트리입니다. 시뮬레이션에 사용되는 모든 재료에 대해 파장 의존적 굴절률(refractive index) $(n,k)$ 및 복소 유전율(complex permittivity) $\epsilon$을 제공합니다.

Interactive Material Optical Properties

Select a material to view its refractive index (n) and extinction coefficient (k) across the visible spectrum.

Material:Silicon (Si)Silicon Dioxide (SiO2)Silicon Nitride (Si3N4)AirTungsten (W)Color Filter - RedColor Filter - GreenColor Filter - Blue

생성자

class MaterialDB:
    def __init__(self, db_path: Optional[str] = None):

매개변수:

• db_path -- CSV 재료 파일이 포함된 디렉터리 경로. 기본값은 프로젝트 루트의 materials/ 디렉터리입니다.

생성 시 MaterialDB는 자동으로 다음을 수행합니다:

1. 내장 상수 및 해석적(analytic) 재료를 등록합니다 (에어, 폴리머, 유전체)
2. 재료 디렉터리에서 테이블화된 CSV 데이터를 로드합니다 (실리콘, 텅스텐, 컬러 필터)
3. CSV 파일이 없는 경우 근사 내장 데이터로 대체합니다

조회 메서드

get_nk

def get_nk(self, name: str, wavelength: float) -> Tuple[float, float]:

주어진 파장(um 단위)에서 굴절률의 실수부와 허수부인 (n, k)를 반환합니다.

예외 발생: 재료가 등록되어 있지 않은 경우 KeyError가 발생합니다.

get_epsilon

def get_epsilon(self, name: str, wavelength: float) -> complex:

주어진 파장에서 복소 유전율 $\epsilon =(n+ik{)}^2$을 반환합니다.

get_epsilon_spectrum

def get_epsilon_spectrum(self, name: str, wavelengths: np.ndarray) -> np.ndarray:

파장 배열에 대한 복소 유전율 값의 배열을 반환합니다.

list_materials

def list_materials(self) -> List[str]:

등록된 모든 재료 이름의 정렬된 목록을 반환합니다.

has_material

def has_material(self, name: str) -> bool:

해당 재료가 데이터베이스에 존재하면 True를 반환합니다.

등록 메서드

register_constant

def register_constant(self, name: str, n: float, k: float = 0.0) -> None:

파장에 무관한 고정 굴절률을 가진 재료를 등록합니다.

db.register_constant("my_glass", n=1.52, k=0.0)

register_cauchy

def register_cauchy(self, name: str, A: float, B: float = 0.0, C: float = 0.0) -> None:

코시 분산 모델(Cauchy dispersion model)을 사용하는 재료를 등록합니다:

$$n(\lambda )=A+\frac{B}{{\lambda }^2}+\frac{C}{{\lambda }^4}$$

여기서 $\lambda$의 단위는 um입니다. 소광 계수(extinction coefficient) $k$는 0입니다 (비흡수성).

db.register_cauchy("polymer", A=1.56, B=0.004, C=0.0)

register_sellmeier

def register_sellmeier(self, name: str, B: List[float], C: List[float]) -> None:

셀마이어 분산 모델(Sellmeier dispersion model)을 사용하는 재료를 등록합니다:

$$n^2(\lambda )=1+\sum _i\frac{B_i{\lambda }^2}{{\lambda }^2-C_i}$$

db.register_sellmeier(
    "sio2",
    B=[0.6961663, 0.4079426, 0.8974794],
    C=[0.0684043**2, 0.1162414**2, 9.896161**2],
)

load_csv

def load_csv(self, name: str, filepath: str, interpolation: str = "cubic_spline") -> None:

CSV 파일에서 테이블화된 재료 데이터를 로드합니다. CSV 형식은 다음과 같습니다:

# wavelength(um), n, k
0.400, 5.381, 0.340
0.410, 5.253, 0.296
...

#으로 시작하는 줄은 주석으로 처리됩니다. 데이터는 파장 기준으로 자동 정렬됩니다. 보간(interpolation)은 3차 스플라인(cubic spline)을 사용하며 (4개 이상의 데이터 포인트 필요), 대체 방법으로 선형 보간(linear interpolation)을 사용합니다.

매개변수:

• name -- 등록할 재료 이름.
• filepath -- CSV 파일 경로.
• interpolation -- "cubic_spline" (기본값) 또는 "linear".

내장 재료

기본 재료

이름	유형	모델	일반적인 n	일반적인 k
air	상수	n=1.0, k=0.0	1.0	0.0
polymer_n1p56	코시	A=1.56, B=0.004	1.56	0.0
sio2	셀마이어	3항	1.46	0.0
si3n4	셀마이어	2항	2.0	0.0
hfo2	코시	A=1.90, B=0.02	1.90	0.0
tio2	코시	A=2.27, B=0.05	2.27	0.0
silicon	테이블화	Green 2008	3.5-5.6	0.003-3.0
tungsten	테이블화	근사값	3.4-3.7	2.7-3.4
cf_red	테이블화	로렌츠	1.55	0-0.15
cf_green	테이블화	로렌츠	1.55	0-0.12
cf_blue	테이블화	로렌츠	1.55	0-0.18

금속 (Metals)

CIS 배선, 금속 그리드, 플라즈모닉 구조에 사용되는 금속의 테이블화된 광학 상수입니다. 파장 범위: 300--1100 nm.

이름	화학식	출처	n (550nm)	k (550nm)
aluminum	Al	Rakic 1998	0.58	5.52
gold	Au	Johnson & Christy 1972	0.17	3.29
silver	Ag	Johnson & Christy 1972	0.07	4.39
copper	Cu	Johnson & Christy 1972	0.53	1.74
titanium	Ti	Johnson & Christy 1974	2.37	3.30
titanium_nitride	TiN	Patsalas 2003	1.31	2.31

유전체 (Dielectrics)

반사 방지 코팅(ARC), 패시베이션, 투명 전도체에 사용되는 유전체 박막의 테이블화된 광학 상수입니다.

이름	화학식	출처	n (550nm)	k (550nm)
silicon_nitride	Si3N4	Philipp 1973	2.02	0.0
aluminum_oxide	Al2O3	Malitson 1962	1.77	0.0
tantalum_pentoxide	Ta2O5	Bright 2012	2.11	0.0
magnesium_fluoride	MgF2	Dodge 1984	1.38	0.0
zinc_oxide	ZnO	Bond 1965	2.07	0.0
indium_tin_oxide	ITO	Konig 2014	1.95	0.0
silicon_oxynitride	SiON	근사값	1.70	0.0

폴리머 (Polymers)

마이크로렌즈, 평탄화층, 포토레지스트에 사용되는 폴리머 재료의 테이블화된 광학 상수입니다.

이름	화학식	출처	n (550nm)	k (550nm)
pmma	PMMA	Sultanova 2009	1.49	0.0
polycarbonate	PC	Sultanova 2009	1.58	0.0
polyimide	PI	Birkholz 2000	1.70	0.0
benzocyclobutene	BCB	Dow Chemical	1.54	0.0
su8	SU-8	MicroChem	1.59	0.0

반도체 (Semiconductors)

실리콘 외의 반도체 재료로, NIR 센서 및 III-V족 센서 모델링에 사용됩니다.

이름	화학식	출처	n (550nm)	k (550nm)
germanium	Ge	Aspnes 1983	4.04	0.36
gallium_arsenide	GaAs	Aspnes 1983	3.98	0.17
indium_phosphide	InP	Aspnes 1983	3.70	0.17

MaterialData

각 재료의 내부 데이터 컨테이너입니다:

@dataclass
class MaterialData:
    name: str
    mat_type: Literal["constant", "tabulated", "cauchy", "sellmeier"]
    n_const: float = 1.0
    k_const: float = 0.0
    wavelengths: Optional[np.ndarray] = None
    n_data: Optional[np.ndarray] = None
    k_data: Optional[np.ndarray] = None
    interpolation: str = "cubic_spline"
    cauchy_A: float = 1.0
    cauchy_B: float = 0.0
    cauchy_C: float = 0.0
    sellmeier_B: Optional[List[float]] = None
    sellmeier_C: Optional[List[float]] = None

MaterialData.get_nk(wavelength) -> Tuple[float, float]

적절한 분산 모델(dispersion model)을 사용하여 (n, k)를 반환합니다.

MaterialData.get_epsilon(wavelength) -> complex

$\epsilon =(n+ik{)}^2$을 반환합니다.

CSV 자동 로딩

생성 시 MaterialDB는 다음 파일명 매핑을 사용하여 재료 디렉터리에서 CSV 파일을 검색합니다:

기본 재료 (최상위 디렉터리):

재료 이름	예상 파일명
silicon	silicon_green2008.csv, silicon_palik.csv
tungsten	tungsten.csv
cf_red	color_filter_red.csv
cf_green	color_filter_green.csv
cf_blue	color_filter_blue.csv

CSV 파일이 발견되면 자동으로 로드됩니다. 그렇지 않으면 내장 근사값이 사용됩니다.

확장 재료 (분류된 하위 디렉터리):

하위 디렉터리	재료
metals/	aluminum.csv, gold.csv, silver.csv, copper.csv, titanium.csv, titanium_nitride.csv
dielectrics/	silicon_nitride.csv, aluminum_oxide.csv, tantalum_pentoxide.csv, magnesium_fluoride.csv, zinc_oxide.csv, indium_tin_oxide.csv, silicon_oxynitride.csv
polymers/	pmma.csv, polycarbonate.csv, polyimide.csv, benzocyclobutene.csv, su8.csv
semiconductors/	germanium.csv, gallium_arsenide.csv, indium_phosphide.csv

확장 재료 CSV 파일은 선택 사항입니다. 파일이 없으면 해당 재료는 등록되지 않습니다 (대체 데이터 없음).