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.

대화형 재료 광학 특성

재료를 선택하여 가시광선 영역에서의 굴절률(n)과 소광 계수(k)를 확인하세요.

재료: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 흡수 경계에서 overshoot가 없는 형상 보존 3차 보간(PCHIP)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).