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메타물질 전용 초고속 오픈소스 시뮬레이션 ‘MAXIM’ 무료 배포

박영재 기자 | 기사입력 2021/04/28 [10:03]

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 윤관호 박사(현 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학과 조교수)연구팀이 메타물질 설계에 최적화된 시뮬레이션 프로그램을 개발 및 온라인을 통해 무료로 배포했다고 28일 밝혔다.

 

▲ 노준석 (교신저자), 윤관호(제1저자, 현 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학과 조교수) (C) 포항공대


이번 연구성과는 가격이 비싸고 계산 안정성이 낮은 기존의 상용 전자기파 시뮬레이션 소프트웨어의 한계를 극복하는 것으로, 수리물리 및 컴퓨터공학 분야 세계적인 학술지 컴퓨터 피직스 커뮤니케이션즈(Computer Physics Communications) 온라인판에 소프트웨어 패키지와 함께 소개됐다.

 

메타물질이란 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질로 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 이런 특성 때문에 메타물질을 이용해 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학 기기를 구현하기 위한 연구가 전 세계적인 관심을 받고 있다.

 

사람의 눈에 보이는 가시광선에서 작동하는 메타물질의 경우 1마이크로미터 이하 수백 나노미터 크기의 구조체(이하 ‘나노구조체’)의 규칙적인 배열을 통해 제작된다. 이런 메타물질을 설계하기 위해서는 원하는 광특성에 대응하는 개별 나노구조체의 형상을 계산해야 하지만, 이에 대한 수학적인 해가 아직 밝혀지지 않았기 때문에 메타물질 연구 분야에서는 이에 대한 근사적인 해를 구할 수 있는 수치해석 프로그램을 사용하여 메타물질을 설계하고 있다.

 

이제까지 메타물질 설계에는 주로 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)에 기반한 상용 전자기파 시뮬레이션 프로그램이 사용되고 있으며, 이는 메타물질뿐만 아니라 여러 가지 전자기 관련 시뮬레이션에 광범위하게 사용할 수 있는 범용 프로그램이다. 그러나 FDTD 기반의 프로그램을 메타물질 설계에 사용할 경우 계산 시간이 오래 걸리고 계산 안정성이 낮아 결과의 신뢰도가 떨어지며 메타물질 설계를 위해서는 복잡한 후처리 계산이 요구된다는 한계가 있다. 또한 이러한 프로그램은 상용 소프트웨어로써 가격(라이선스 비용)이 비싸기 때문에 재정적인 여유가 없는 연구자는 사용이 어렵다.

 

이에 연구팀은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)를 통해 메타물질 설계에 최적화된 오픈소스 전자기 시뮬레이션 프로그램 'MAXIM'을 개발했다. RCWA는 주기적으로 배열된 나노구조체의 광특성 계산에 특화된 계산 방법으로써 계산 속도가 빠르고 계산 안정성이 높기 때문에 기존 FDTD 프로그램(Lumerical)의 한계를 극복할 수 있다. 또한 MAXIM은 메타물질 설계에 필요한 결과 값을 자동으로 계산하여 제공하기 때문에 복잡한 후처리 계산 없이 메타물질 설계에 필요한 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

 

연구팀은 여러 가지 메타물질의 광특성을 MAXIM과 상용 FDTD 프로그램으로 계산하여 비교했다. 그 결과 일반적인 메타물질에 대한 두 프로그램의 계산 결과 차이는 1% 이내로, MAXIM을 통한 계산 결과의 높은 신뢰도를 검증했다.

 

뿐만 아니라, 연구팀은 메타물질 연구를 위해 이를 온라인상에 무료로 배포해 누구나 이용할 수 있도록 공유했다.

 

MAXIM은 윈도우 상에서 일반적인 프로그램과 같이 아이콘을 더블클릭함으로써 실행할 수 있고 시뮬레이션 환경을 한눈에 관찰할 수 있는 직관적인 GUI를 가지고 있기 때문에 누구든 쉽게 사용이 가능하다.

 

노준석 교수는 "MAXIM은 오픈소스 소프트웨어임에도 불구하고 상용 소프트웨어에 상응하는 수준의 GUI와 계산 정확성을 제공하기 때문에 프로그래밍에 대한 지식이 없는 일반인도 쉽게 사용이 가능하여 접근성이 매우 높다"고 소개했다.

 

또한, "MAXIM은 파이썬으로 제작되어 LGPL(Lesser General Public License) 라이센스를 통해 무료로 배포되기 때문에 재정적인 어려움이 있는 연구자들도 자유롭게 사용할 수 있어 메타물질 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 말했다.

 

현재 개발되어 배포된 MAXIM은 메타물질 연구에는 바로 활용될 수 있으며, 연구팀은 앞으로도 MAXIM에서 계산 가능한 경계조건을 다양화하고 인공지능 기반의 최적화 및 병렬계산 등 최신 알고리즘을 적용하여 메타물질뿐만 아니라 광범위한 전자기 시뮬레이션이 가능한 범용 전자기 시뮬레이션 프로그램으로 개발해 나갈 계획이다.

 

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, RLRC 지역선도연구센터 사업, 교육부BK21 Four(4단계 두뇌한국21) 사업의 지원을 받아서 수행됐다.

 

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 

Free distribution of “MAXIM,” an ultra-high-speed open source simulation for metamaterials


POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) has developed a simulation program optimized for metamaterial design and is free online by Prof. Junseok Noh and Dr. Kwanho Yoon (currently Assistant Professor, Department of Production System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology). It was announced on the 28th that it was distributed as.

 

This research achievement overcomes the limitations of conventional commercial electromagnetic wave simulation software, which is expensive and has low computational stability, and was introduced along with the software package in the online edition of Computer Physics Communications, a world-renowned academic journal in the field of mathematical physics and computer engineering.

 

Metamaterials are new materials made of artificial atoms that mimic atoms existing in nature, and can freely control various optical properties such as sound refraction and ultra-high refraction that existing materials cannot provide. Because of these characteristics, research to implement new optical devices such as ultra-thin planar lenses, high-resolution holograms, and invisibility cloaks using metamaterials is attracting worldwide attention.

 

In the case of metamaterials operating in visible light visible to the human eye, they are manufactured through regular arrangement of structures (hereinafter referred to as “nanostructures”) with a size of several hundred nanometers less than 1 micrometer. In order to design such metamaterials, the shape of individual nanostructures corresponding to the desired optical properties must be calculated, but since the mathematical solution for this has not yet been revealed, the field of metamaterial research can obtain an approximate solution for this numerical analysis. I am designing metamaterials using a program.

 

Up to now, a commercial electromagnetic wave simulation program based mainly on the Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) has been used for metamaterial design, which is a general-purpose program that can be widely used not only for metamaterials but also for various electromagnetic-related simulations. However, when the FDTD-based program is used for metamaterial design, it takes a long time to calculate, the reliability of the result is low due to low calculation stability, and there is a limitation in that a complex post-processing calculation is required for metamaterial design. Also, because these programs are commercial software and are expensive (license costs), it is difficult for researchers who do not have financial margins to use them.

 

Accordingly, the research team developed'MAXIM', an open source electromagnetic simulation program optimized for metamaterial design through RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis). RCWA is a calculation method specialized in calculating the optical properties of periodically arranged nanostructures. Because of its fast calculation speed and high calculation stability, it can overcome the limitations of the existing FDTD program (Lumerical). In addition, MAXIM automatically calculates and provides the result values required for metamaterial design, so it has the advantage of obtaining the data required for metamaterial design without complicated post-processing calculations.

 

The research team compared the optical properties of various metamaterials by calculating them with MAXIM and a commercial FDTD program. As a result, the difference in the calculation results of the two programs for general metamaterials was within 1%, verifying the high reliability of the calculation results through MAXIM.

 

In addition, the research team distributed it online for free for metamaterial research and shared it so that anyone can use it.

 

MAXIM can be executed by double-clicking an icon like a general program on Windows, and it has an intuitive GUI that allows you to observe the simulation environment at a glance, so anyone can use it easily.

 

Prof. Joon-Seok Noh introduced, "Even though MAXIM is an open source software, it provides a GUI and computational accuracy equivalent to that of commercial software, so it can be easily used by the general public without any programming knowledge, so it is very accessible."

 

In addition, "MAXIM is made in Python and distributed free of charge through the LGPL (Lesser General Public License) license, so researchers with financial difficulties can freely use it, so it is expected that it will greatly contribute to the development of the metamaterial field. "He said.

 

The currently developed and distributed MAXIM can be directly used for metamaterial research, and the research team will continue to diversify the boundary conditions that can be calculated in MAXIM, and apply the latest algorithms such as artificial intelligence-based optimization and parallel calculations to provide not only metamaterials, but also a wide range of electromagnetics. It plans to develop into a general-purpose electromagnetic simulation program that can be simulated.

 

On the other hand, this research was carried out with the support of the Ministry of Science, ICT and Communication, the Korea Research Foundation's Mid-sized Researcher Support Project, the Global Frontier Project, the Future Material Discovery Project, the RLRC Regional Leading Research Center Project, and the Ministry of Education BK21 Four (Phase 4 Brain Korea 21) project. .


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