Photonics – Korean

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SiO2 material fitting 관련 질문

    • M19045
      Subscriber

      OLED의 유리기판 위에 반사율이 최소가 되는 Moths-eye 구조를 올려 광추출효율을 높이기 위한 시뮬레이션을 진행하고자 합니다.

      이를 위해가시광영역에서의 Moths-eye 구조의 반사율이 최소가 되는 조건을 찾기위해 먼저 SiO2 기판 위에 Moths- eye 구조(원뿔형)를 올렸을 때 , 반사율이 감소하는 것을 확인하기위한 시뮬레이션을 진행하고 있습니다.

      결과적으로 SiO2 기판의 반사율이 3~3.4%가 나오는 것을 확인하였고 기판 위에 Moths-eye 구조를 올렸을 때 , 반사율이 0%가 나오는 것을 확인하였습니다.

      이는 광학적으로 문제가 있다고 판단하여 프레넬 방정식을 통해 SiO2 기판의 반사율을 계산하였을 때, 가시광 영역에서의 기판의 반사율은 약 3.5~3.7% 임을 확인하였습니다.

      프레넬 방정식으로 계산한 이론값과 시뮬레이션의 결과가 맞지 않는 것을 확인하였고 이는 시뮬레이션 내부에서 material fitting이 제대로 이루어 지지 않은것으로 판단하였습니다.

      material fitting 과정에서 아래와 같이 Re part는 Material data와 FDTD model 의 값이 fitting 되지만 Im part는 ftting 되지 않습니다.

    • Shin-Sung Kim
      Ansys Employee
      Imaginary permittivity 의 fitting 에 문제가 있는듯 보이지만, y 축의 scale 을 보면 10^-9 입니다. 이는 거의 '0' 에 가까운 것으로 이정도의 permittivity 변화는 시뮬레이션 결과에 전혀 영향을 주지 않습니다. 결론적으로, imaginary part 의 fitting 은 아주 잘 된 것입니다. scale 을 키워서보면 거의 material data 와 일치한다고 해석을 할 수 있습니다.
    • M19045
      Subscriber
      (1)그럼 이론값(프레넬 방정식)으로 얻은 SiO2 기판의 반사율과 시뮬레이션 상의 반사율이 다르게 나오는 이유가 궁금합니다.

      image.png


      또한, (2) 위의 Simulation and memory report 내용처럼 표시된 부분은 신경을 쓰지 않아도 되는건가요?
    • M19045
      Subscriber
      SiO2 Û©░ÝîÉý£äýùÉ SiO2 기판위에 planewave를 놓고 기판에 평행한 2개의 polarization 으로 평균 반사율을 측정하였는데 이론값( 프레넬 방정식 )으로 얻은 결과 값과 시뮬레이션으로 얻은 결과값이 왜 다른지 알 수 있을까요?

      시뮬레이션 조건을 잘못 설정한것인지 확인 부탁드립니다.
    • Shin-Sung Kim
      Ansys Employee
      Q1. 그럼 이론값(프레넬 방정식)으로 얻은 SiO2 기판의 반사율과 시뮬레이션 상의 반사율이 다르게 나오는 이유가 궁금합니다.

      A1. 이는 시뮬레이션의 기본 설정이 제대로 되지 않았기 때문에 발생하는 문제일 수 있습니다. 다음의 페이지를 참고하여 시뮬레이션 설정을 확인해 보시고, 아울러 convergence test 를 한 결과와 이론치를 비교해 보시기 바랍니다.

      https://forum.ansys.com/discussion/24201/ansys-insight-key-fdtd-simulation-settings

      https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034915833-Convergence-testing-process-for-FDTD-simulations

      Q2. 위의 Simulation and memory report 내용처럼 표시된 부분은 신경을 쓰지 않아도 되는건가요?

      A2. 이는 warning 에 나와 있는 그대로, fitting 에 사용하는 raw data 가 시뮬레이션에 사용하는 source의 wavelength range 보다 작다는 것으로, 실험 data 가 이 영역을 다 포함할 수 있는 것이 있다면 그것을 바탕으로 fitting 을 하면 됩니다. 그렇지 않다면, warning 을 무시하고 있는 데이타 영역 내에서 fitting 을 하는 수 밖에 없습니다.
    • Shin-Sung Kim
      Ansys Employee
      Convergence 관련한 문제는 다음의 페이지를 참고하여 진행을 해보시고, 문제가 해결되지 않으면 다시 알려주시기 바랍니다.
      https://forum.ansys.com/discussion/25753
    • M19045
      Subscriber
      https://forum.ansys.com/discussion/24201/ansys-insight-key-fdtd-simulation-settings 을 참고하여 시뮬레이션을 진행해보았습니다.

      (1) Mesh size :Mesh accuracy 를 1~8로 설정하여 sweep을 돌렸을 때, 4 부터 원하는 결과값이 나오는 것을 확인할 수 있었고 이를 Mesh accuracy에 적용하였습니다.

      (2) Mesh order : SiO2 기판 하나만 있기에 Mesh order에는 문제가 없는것으로 판단했습니다.

      (3) Material fit : 지난번과 마찬가지로 fitting한 결과값을 적용하여 진행했습니다.

      (4) Simulation time : 시뮬레이션 결과중에 FDTD status 가 1이 되는 경우가 없어 문제가 없음을 확인했습니다.

      (5) Simulation span : 시뮬레이션 영역에는 문제가 없는것으로 판단했습니다.

      (6) Boundary conditions : 무한히 긴 기판의 반사율을 측정하는 것으로 Periodic 으로 설정한것에 문제가 없다고 판단했습니다.

      (7) Source span : 시뮬레이션 영역보다 큰 span 으로 설정해 주었습니다.

      시뮬레이션을 진행했을 때, 가시광 영역에서 아래의 그림과 같은 데이터가 나오는 것을 확인하려고 하는데

      image.png


      위의 simulation setting을 고려하여 시뮬레이션을 진행했을 때,
      image.png


      파장이 변함에 따라 mesh accuracy 에 따른 mesh 크기가 달라지기 때문에 피크가 생기는것으로 생각하여 반사율을 측정하고자 하는 모니터에 mesh 영역을 따로 설정해주어 시뮬레이션을 진행하면 아래의 그림 과 같은 결과가 나옵니다.

      image.png


      simulation setting에 어떤 문제가 있는지 궁금합니다.
    • Shin-Sung Kim
      Ansys Employee
      현재 측정하고자하는 reflection 값은 아주 작기때문에, 보다 정확한 결과를 얻기 위해서는 다음 설정을 수정할 필요가 있습니다.

      1. PML 의 layer 수를 늘려서 PML 에서 반사되는 것을 더욱 줄일 필요가 있습니다.

      2. auto-shutoff level 을 기본값인 1e-5 보다 작게 1e-7 정도까지 줄여보시기 바랍니다.

      3. 아주 작은 값의 reflection 값을 측정할 때, monitor 를 source 의 뒤쪽에 두면 미세한 backward source injection error 때문에 정확도가 떨어집니다. 이 경우에는 monitor 를 source 앞에 두고 reflection 값을 구하는 것이 좋습니다.

    • M19045
      Subscriber
      시뮬레이션 타임을 8000 fs 로 설정하고 Boundary conditions을 아래와 같이 설정하였습니다.

      image.png


      또한 auto-shutoff level을 1e-9까지 줄여서 시뮬레이션을 진행했는데 아래와 같이 반사율 스펙트럼이 튀는 경우가 개선되지 않습니다.

      image.png

      반사율 측정 모니터를 source 앞에 두고 측정을 진행했을 때도 마찬가지의 경우입니다.

      반사율 스펙트럼이 튀는 것을 개선할 수 있는 방법이 있는지 궁금합니다.
    • Shin-Sung Kim
      Ansys Employee
      위에서 언급한 Tips for accurately measuring reflection in an FDTD simulation 페이지에서 usr_reflection_angled.fsp 파일을 다운받아 open 한 후, 다음의 스크립트를 실행해 보시기 바랍니다. 원래 사용하신 시뮬레이션의 설정과 비교를 하면 어떤 부분이 수정되어야 할 지를 알 수 있을 것입니다. Planar 한 면에 수직으로 입사를 할 경우, 'steep angle' pml profile 보다는 'standard' 를 사용하는 것이 좋습니다.

      https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034382674-PML-boundary-conditions-in-FDTD-and-MODE

       
      setnamed("source",{"wavelength start":0.3e-6,"angle theta":0});
      setnamed("T",{"override global monitor settings":true,"frequency points":50});
      setnamed("FDTD",{"pml profile":1,"pml layers":24});
      
      mymaterial = copymaterial("SiO2 (Glass) - Palik");
      setmaterial(mymaterial, "tolerance",0.001);
      setnamed("rectangle","material",mymaterial);
      
      run;
      
      f=getdata("T","f");
      R = 1 - transmission("T");
      plot(c/f*1e6,R,"Wavelength(um)","Reflection","","linewidth=2");
      legend("");
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