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Epsilon-Near-Zero-Indium Tin Oxide 기반의 편광에 둔감한 표면 플라즈몬 편광 전기 흡수 변조기

초록

통신 파장에서 작동하는 CMOS 호환 플라즈몬 변조기는 다양한 온칩 애플리케이션에 중요합니다. 금속-유전체 인터페이스에서 여기된 횡방향 자기(TM) 모드의 조작에 의존하여 이전의 대부분의 시연은 특정 분극 상태에 대해서만 응답하도록 설계되었습니다. 이 경우 편광에 민감한 변조기가 임의의 편광 상태를 갖는 광섬유에 통합될 때 높은 편광 의존 손실을 초래할 것입니다. 여기에서 우리는 실리콘 도파관을 감싸는 금속 산화물 ITO(Indium Tin Oxide)를 활용한 플라즈몬 변조기를 제안하고 ITO의 전기 흡수를 전계 유도로 조정하여 수직 및 수평 편광 유도광 모두에 대한 광 변조 능력을 조사합니다. 캐리어 주입. ITO/산화물 경계면에 전자가 축적된 전기적으로 바이어스된 변조기는 가이딩 라이트의 편광 상태에 따라 경계면의 상단 또는 측면 부분에서 ENZ(엡실론-니어-제로) 모드가 여기되도록 합니다. ENZ 모드의 높은 국부적 특성으로 인해 장치의 "OFF" 상태에서 효율적인 전기 흡수를 달성할 수 있으므로 제안된 변조기에서 두 편광 모두에 대해 큰 소광비(ER)가 발생합니다. 또한, 편광에 둔감한 변조는 두 개의 서로 다른 적층 방향에서 산화물의 두께를 적절하게 조정하여 수직 및 수평 편광 모드에서 작동하는 장치의 ER 값을 일치시킴으로써 실현됩니다. 최적화된 기하학적 구성의 경우 두 편광 모드의 ER 값 간의 차이, 즉 0.01dB/μm만큼 작은 ΔER이 입증되었으며 74% 이상의 결합 효율과 동시에 1.55μm 제안된 플라즈몬 결합 변조기는 무작위 편광 상태를 갖는 광섬유의 빛을 안내하고 처리하는 데 잠재적으로 응용할 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

광자 집적 회로(PIC)는 지난 수십 년 동안 광통신, 감지 및 이미징 분야의 응용 프로그램 개발과 함께 괄목할 만한 발전을 이루었습니다[1, 2]. 현재, 첨단 PIC를 생산하기 위해 광소자(photonic device)의 다운스케일 및 전력 소모 감소에 상당한 관심을 기울이고 있다. Si 포토닉스는 미래의 고속 온/오프 칩 광 상호 연결을 위한 유망한 솔루션으로 간주됩니다. 일반적인 Si 도파관 변조기는 재료의 굴절 또는 흡수 속성을 전기적으로 변경하여 장치를 통한 빛의 투과를 변조합니다. Si의 약한 플라즈마 분산 효과와 Si 도파관의 회절 한계로 인해 Si MZI 변조기는 ~ 10 3 의 큰 공간을 차지합니다. –10 4 μm 2 . 높은 Q 공진을 갖는 링 변조기는 일반적으로 ~ 10 2 의 더 작은 설치 공간을 갖습니다. –10 3 μm 2 그러나 더 낮은 광 대역폭과 온도 변화에 더 민감한 경향이 있습니다. 플라즈모닉스는 회절 한계를 넘어 광학 장치를 소형화하는 접근 방식을 제공합니다[3]. 대안적으로, 활성 물질로 Si를 사용하는 완전히 CMOS 호환 슬롯 변조기 또는 플라즈몬 변조기가 최근에 입증되었으며[4, 5], 변조기에서 광 필드의 높은 국소화가 달성될 수 있습니다. 그러나 Si 기반 플라즈몬 변조기의 성능은 Si 층(도파관/구조)에서 작은 자유 캐리어 분산 효과로 인해 여전히 제한적입니다.

최근 ITO(인듐 주석 산화물), 알루미늄 아연 산화물, 갈륨 아연 산화물과 같은 투명 전도체 산화물(TCO)은 전기적으로 조정 가능한 유전율로 인해 통합 전기 흡수(EA) 변조기를 위한 매력적인 활성 물질로 떠오르고 있습니다. ,7,8,9,10]. 인가된 전압 바이어스 하에서 캐리어 축적이 형성되는 Si 기반 전계 효과 MOS 장치와 유사, 캐리어 밀도(N ITO ) 바이어스가 적용된 ITO/유전체 인터페이스에서 조정할 수 있습니다. 실수부가 Δn =0.092이고 허수부가 Δk =0.27인 ITO 축적층의 굴절률의 명백한 변화는 1310nm의 자유 공간 파장에서 실험적으로 보고되었습니다[10]. 재료는 특정 N에서 거의 0으로 조정됩니다. ITO ENZ(epsilon-near-zero) 상태라고 하며, 가이드 모드의 강한 구속으로 인해 최대 흡수 손실을 보입니다[11]. MOS 커패시터 구조를 형성하고 광학 필드와 활물질 층 사이의 중첩을 향상시키기 위해 ITO에서 가이드 모드를 강력하게 제한하기 위해 슬롯 도파관[9, 12] 및 하이브리드 플라즈몬 도파관[10]이 이전에 채택되었습니다. 및 유전층. 하이브리드 플라즈몬 변조기를 포함하는 기존의 플라즈몬 변조기는 표면 전하의 생성이 금속-유전체 계면에 수직인 전계를 필요로 하기 때문에 횡방향 자기(TM) 모드만을 지원하고 강한 광장 구속을 갖는 슬롯 도파관은 횡전계(TM) 모드만을 지원합니다. TE) 모드는 굴절률이 낮은 슬롯 영역에서 사용됩니다. 광섬유 통신 응용 프로그램의 경우 광섬유에서 나오는 빛은 일반적으로 임의의 편광 상태를 가지며 결과적으로 신호 대 잡음비는 편광에 민감한 광 변조기에 결합될 때 저하됩니다. 편광 의존 손실은 플라즈몬 및 슬롯 ITO 도파관의 경우 매우 높을 수 있습니다. 따라서 polarization rotator[13,14,15]와 같은 편광 다이버시티 시스템이 회로에 통합되어야 합니다. 그러나 일반적으로 서커스에서는 결합 손실이 크다. 따라서 편광 의존성이 낮은 일부 ITO 기반 플라즈몬 변조기를 고려해야 합니다. TiN/HfO2 스택이 있는 소형 EA 변조기 스트립 도파관에 증착된 /ITO/Cu는 TE 및 TM 모드를 모두 지원하지만[11], TE와 TM의 소광비 간의 차이는 0.9dB/um에 도달하여 변조 효율의 4%를 초래합니다. 따라서 최소 ΔER로 두 가지 편광 모드를 모두 지원하는 플라즈몬 변조기가 편광에 둔감한 하위 파장 광 유도 및 처리를 실현하는 데 필요합니다.

이 논문에서는 Au/SiO2로 피복된 실리콘 도파관의 모드 특성과 광 변조 /ITO 다층은 수치 시뮬레이션으로 조사되었습니다. 두 편광 모두 Au/SiO2에서 고농축 플라즈몬 모드가 지원되었습니다. /ITO/Si 스택은 실리콘 코어의 상단 또는 측벽에 있습니다. ITO 층의 캐리어 분산 효과는 스택에 의해 형성된 MOS 커패시터 구조에 의해 조정되는 변조에 사용되었습니다. 이러한 하위 파장 도파관에서 캐리어 축적 및 모드 필드 분포를 조정하면 1.43dB/μm 이상의 변조 소광비가 0.01dB/μm 미만의 ΔER(두 편파 모드의 소광비 간의 차이)으로 달성될 수 있습니다. 이 결과는 광자 집적 회로에서 편광 종속 손실을 줄이는 데 유망합니다.

방법

본 논문에서는 제안하는 변조기의 활물질로 ITO를 적용하였다. 고속 플라즈몬 스위칭을 달성하기 위한 유망한 접근 방식으로 자유 캐리어 축적 효과가 제안되었습니다. 이전 연구에서 ITO의 굴절률은 MOS 커패시터 구조의 ITO/유전체 인터페이스에서 전하 캐리어 축적을 통해 크게 변경될 수 있음이 확인되었습니다[6, 16]. ITO의 유전율은 Drude 모드에 의해 다음과 같이 처리될 수 있습니다.

$$ \varepsilon ={\varepsilon}_{\infty }-\frac{N_{ITO}{e}^2}{\varepsilon_0{m}^{\ast }}\bullet \frac{1}{\omega ^2+ i\omega\Gamma} $$ (1)

여기서 ε 고주파 유전율, Г 전자 감쇠 계수, ω 는 빛의 각주파수, N ITO ITO 물질의 전자 농도, m *는 유효 질량, e 는 전자 전하이고 ε 0 여유 공간의 유전율입니다. 축적된 전자의 농도는 ITO/유전체 인터페이스에서 최대화되고 인터페이스로부터의 거리가 증가함에 따라 빠르게 감소하는 것으로 나타났습니다[11]. 그림 1은 계산된 실수부(ε 1 ) 및 허수부(ε 2 ) 특정 N에서 파장의 함수로서의 ITO의 유전율 ITO . N에 따르면 ITO =6.0 × 10 20 cm − 3 , ε 1 1.55μm에서 0에 접근합니다. 물리적으로 이것은 유전 반응을 나타내는 물질과 입사광에 대한 금속 반응 사이의 전이를 나타냅니다. 이 유전율 포인트를 ENZ 포인트라고 합니다. ENZ 재료는 광학 필드와 흡수층에서 매우 큰 향상 중첩을 초래합니다. 한편, 캐리어 농도의 증가는 또한 상응하는 ε 증가를 유도합니다 2 , 이는 캐리어 축적층의 흡수 손실을 증가시킵니다. 나중에 다양한 ITO EA 변조기에 대한 광 변조 성능을 비교할 것입니다.

<그림>

계산된 실수부(ε 1 ) 및 허수부(ε 2 ) 다른 평균 전자 농도 N를 갖는 파장의 함수로서의 ITO의 유전율 ITO . 파장의 ENZ 포인트는 ε에서 정의됩니다. 1 0과 교차

TE 및 TM 가이드 모드를 모두 지원하고 변조하는 플라즈몬 변조기를 설계하려면 x 방향과 다른 방향은 y 방향. 이 경우, 수직 및 수평 방향의 하이브리드 플라즈몬 도파로로 구성된 플라즈몬 도파로가 제안된다. 그림 2와 같이 제안하는 변조기는 폭이 W인 Si 코어로 구성됩니다. 높이 H , D 두께의 투명 전도성 ITO 층 ITO , SiO2 측벽 너비가 W인 중간 레이어 p 높이 H p 및 100nm 두께(광 투과 깊이보다 훨씬 더 두꺼운) Au 클래딩 층. Si 도파관은 전자빔 리소그래피 및 DRIE(심도 반응성 이온 에칭)로 제조할 수 있으므로 얇은 ITO 및 SiO2 잘 개발된 펄스 레이저 증착(PLD) 방법과 PECVD 방법을 사용하여 도파관에 층별로 등각으로 증착할 수 있습니다. 제안된 변조기는 CMOS 백엔드와 호환됩니다. HSPP 파는 SiO2 사이의 낮은 굴절률 층을 따라 여기됩니다. 및 삽입 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 ITO 층. 이 두 가지 유형의 플라즈몬 도파관의 상당히 다른 모드 특성으로 인해 광 변조는 본질적으로 다르지만 모드 필드 분포와 활성층의 위치를 ​​최적화하여 편광 독립적으로 설계할 수 있습니다.

<사진>

3D 보기 및 b 스트라이프 유전체 도파관과 통합된 제안된 EA 플라즈몬 변조기의 단면

FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법은 전파 속성을 수치적으로 모델링하는 데 사용됩니다. 최소 공간 크기가 0.2nm인 균일하지 않은 메시가 사용됩니다. PML(Perfectly Matched Layer) 경계는 모든 경계에서 후방 반사 없이 필드를 감쇠하는 데 사용됩니다. 기기는 1.55μm의 파장에서 작동하도록 설계되었습니다. 실리콘과 실리콘 이산화물의 굴절률은 각각 3.48과 1.44이며, Au 클래딩의 유전 상수는 1.55μm에서 - 116.62 + 11.46i로 가정됩니다[17]. 이 장치에서 금속/절연체/실리콘(MIS) 도파관은 회절 한계를 넘어 도파관에서 낮은 손실과 강한 광학적 구속과 같은 우수한 전파 특성을 가지고 있습니다. 전체 클래딩 실리콘 플라즈몬 도파관에 대한 우리의 이전 작업은 이러한 유형의 도파관이 두 편파의 모드 전파를 지원할 수 있고 전파 상수의 매우 낮은 차이를 갖는다는 것을 보여줍니다[18].

결과 및 토론

ITO 층의 평균 전자 농도로 정의되는 NITO 변화에 의해 유도된 하이브리드 플라즈몬 도파관의 이러한 변화를 이해하기 위해 전계 분포 E xE y EA 변조기의 경우 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3a, b, N ITO =1.6 × 10 19 cm −3 , E x TE 모드의 2개의 측벽은 SiO2로 제한됩니다. 레이어 및 E y TM 모드의 는 SiO2 상단에 국한됩니다. 빛의 회절 한계보다 훨씬 낮은 강한 광학적 구속과 "ON" 상태로 정의되는 상대적으로 낮은 광 전파 손실[18, 19]의 조합을 제공하는 레이어입니다. 그림 3c, d와 같이 MOS 커패시터 구조에 전압을 인가하면 캐리어 축적층이 SiO2에서 유도됩니다. /ITO 인터페이스, N ITO =5.6 × 10 20 cm −3 . 캐리어 밀도의 증가로 인해 두 캐리어 축적층의 유전율의 실수부가 감소하며 이는 SiO2보다 낮습니다. 레이어에서 광학 필드는 캐리어 축적 레이어로 밀려날 것입니다. 한편, 두 캐리어 축적층의 유전율 허수부가 N ITO 증가할수록 광전파 손실은 캐리어 축적층의 흡수 손실이 증가함에 따라 증가하며 ENZ 지점, 즉 "OFF" 상태에서 최대에 도달합니다.

<그림>

전기장 프로필 E xE y a에 대한 변조기 –b "켜짐" 상태, N ITO =1.6 × 10 19 cm −3 , 및 cd "꺼짐" 상태, N ITO =5.6× 10 20 cm −3 , 각각. c TE 모드용입니다. 그리고 d TM 모드용입니다. 삽입물은 "OFF" 상태에 대한 ITO 층의 확대된 전기장 밀도를 보여줍니다. =310nm, H =340nm, H p =20nm, W p =25nm

광 변조기의 경우 ER 및 IL(삽입 손실)이 가장 중요한 두 가지 성능 매개변수입니다. 우리는 정의합니다

$$ \mathrm{ER}=\frac{P_{\mathrm{out}}\left({V}_b={V}_{\mathrm{OFF}}\right)}{P_{\mathrm{out} }\left({V}_b={V}_{\mathrm{ON}}\right)} $$ (2) $$ \mathrm{IL}=\frac{P_{\mathrm{in}}-{ P}_{\mathrm{out}}\left({V}_b={V}_{\mathrm{ON}}\right)}{P_{\mathrm{in}}} $$ (3)

여기서 P ( 안에 )는 장치의 출력(입력)에서의 광 전력이고 V b "ON" 상태에서 인가된 전압(V 켜기 ) 및 "OFF" 상태(V 꺼짐 ). 또한, 광전파 손실(α )은 α로 정의됩니다. =4πκ/λ , λ 는 작동 파장 및 κ 하이브리드 플라즈몬 모드의 복소수 유효 지수의 허수 부분입니다. 계산에 따르면 α 주로 캐리어 축적 층의 광 흡수에 의존합니다. 하이브리드 플라즈몬 도파관의 광학 필드는 대부분 저유전율 층(SiO2 및 ITO 층); 따라서 전파 손실은 SiO2의 변화에 ​​따라 변합니다. 층. SiO2의 영향을 조사하기 위해 변조 성능에 대한 층 치수, SiO2의 함수로서의 ER 및 ΔER 그림 4와 같이 레이어가 논의되었습니다. 그림 4에 따르면 TE 모드의 ER은 W가 증가함에 따라 점차적으로 감소합니다. p 가이드 모드와 캐리어 축적 층 사이의 겹침으로 인해 감소되어 캐리어 축적 층에서 작은 흡수로 이어집니다. ΔER은 W일 때 최소값에 도달합니다. p H보다 약간 두껍습니다. p , 직사각형 단면의 Si 코어와 두 측벽의 광학적 흡수로 인한 것입니다.

<그림>

EA 변조기의 ER 및 ΔER 대 W p H에서 p =20 및 30nm

그림 5는 N이 다른 EA 변조기의 파장 함수로 ER 및 ΔER을 보여줍니다. ITO . EA 변조기의 ER 및 ΔER은 파장이 증가함에 따라 증가하여 특정 파장에서 최대값에 도달하고, ER은 파장이 증가함에 따라 감소하고, ΔER은 감소한 다음 파장이 증가함에 따라 특정 파장에서 최소값에 도달함을 알 수 있다. 아니 ITO 최대 ER은 ENZ 지점 근처에 있고 N ITO 최대 ER의 경우 ENZ 지점에 있습니다(예:N). ITO =6.0× 10 20 cm − 3 , 두 모드의 최대 ER은 1.50μm의 파장에서 1.65 및 1.56dB/μm이고 최소 ΔER은 1.55μm의 파장에서 0.009dB/μm이며, 이는 우리의 동작 파장입니다. EA 애플리케이션의 경우 최대 α 에 도달하면 "OFF" 상태로 정의할 수 있으며 α일 때의 조건 훨씬 작으면 "ON" 상태로 정의할 수 있습니다. 또한 EA 편파에 둔감한 변조기의 경우 최소 ΔER에 도달하는 조건에 많은 주의를 기울여야 합니다.

<그림>

a가 있는 EA 변조기의 파장 함수로서의 ER 및 ΔER 아니 ITO =5.6 × 10 20 cm −3 그리고 b 아니 ITO =6.0 × 10 20 cm −3

하나는 N ITO 캐리어 축적 층에서 다양한 인가 전압에 따라 변화하여 흡수 및 전기장 분포의 변화를 초래합니다. EA 변조 성능에 대한 캐리어 축적 계층의 영향을 이해하기 위해 제안 변조기의 ER과 ΔER을 동작 파장에서 계산하였다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 EA 변조기의 ER 및 ΔER은 N에 따라 증가합니다. ITO 증가, 특정 N에서 최대값에 도달 ITO , 그리고 N으로 감소 ITO 더욱 증가하고 있습니다. TE 및 TM 모드의 최대 ER은 각각 1.62 및 1.59dB/μm입니다. ΔER은 N이 증가함에 따라 먼저 증가합니다. ITO 최대에 도달한 후 감소합니다. ENZ 지점에서 두 모드의 ER이 최대에 가깝고 ΔER이 0.01dB/μm 미만임을 알 수 있습니다.

<그림>

N의 함수로서의 ER 및 ΔER ITO EA 변조기의 경우. =340nm, W =310nm, H p =20nm, W p =25nm, D ITO =10nm, H =100nm

장치 성능을 입증하기 위해 14μm 길이의 EA 변조기에 대해 3D-FDTD 시뮬레이션이 수행되었습니다. TE 및 TM 편광이 모두 있는 1.55μm 빛이 Si 입력 도파관으로 시작된 다음 변조기를 통해 전파되고 마지막으로 출력 Si 도파관에 결합됩니다. 그림 7a, b는 y에 따른 횡전계 분포를 보여줍니다. - "ON" 상태 및 "OFF" 상태에서 Si 도파관의 중심에서 절단. 그림 7c, d는 x를 따른 횡방향 자기장 분포를 보여줍니다. - "ON" 상태 및 "OFF" 상태에서 Si 도파관의 중심에서 절단. "OFF" 상태의 경우 0.009dB/μm의 우수한 ΔER로 인해 TE 및 TM 모드 출력의 조명이 14μm 길이의 변조 길이로 균형을 이룹니다.

<그림>

E의 필드 분포 x TE 모드의 경우 abE y d y를 따라 TM 모드의 경우 -컷 및 x -Si 도파관의 중심에서 절단. c "ON" 상태입니다. 그리고 d "OFF" 상태입니다. =340nm, W =310nm, H p =20nm, W p =25nm, D ITO =10nm, H =100nm

PIC에서 사용하는 HSPP 변조기 설계의 경우 Si 도파관 너비 W (높이 H = =340nm)가 최적화되었습니다. TE 및 TM 모드가 모두 지원되는 범위 내에서 도파관 너비를 변경하여 결합 유효(CE)를 계산합니다. 그림 7에서 두 도파관의 모드 불일치로 인해 결합 인터페이스에서 일부 반사광이 관찰되어 결합 손실이 발생합니다. 더 큰 n을 갖는 Si 스트라이프 도파관 사이의 모드 불일치 에프 플라즈몬 결합 도파로가 커져 결합 효율이 감소합니다. 그림 8은 플라즈몬 결합 도파관(H p =20nm 및 W p =25nm) 및 TE 및 TM 모드 모두에 대한 폭의 함수로서의 Si 도파관. W ΔCE(두 편파 모드의 결합 효율 차이)가 증가하면 입력 Si 도파관의 특정 폭에서 최소값에 도달한 다음 입력 Si 도파로 폭의 상승 조수와 함께 증가합니다. 결과적으로 최소 ΔCE는 5.63%("ON" 상태) 및 6.38%("OFF" 상태)입니다. 따라서 커플링 효율은 "ON" 상태에서 TE 모드의 경우 80.46%, TM 모드의 경우 74.83%로 거의 편광에 둔감합니다.

<그림>

"ON" 상태 및 "OFF" 상태에서 TE 및 TM 모드 모두에 대한 폭의 함수로서 플라즈몬 결합 도파관과 Si 도파관 사이의 CE. =340nm, W =310nm, H p =20nm, W p =25nm, D ITO =10nm, H =100nm

결론

요약하면, 우리는 EA 편파에 둔감한 플라즈몬 도파관 변조기를 제시했습니다. 도파관 구조는 x 그리고 y 이중 편광 모드가 존재하는 방향. 하이브리드 플라즈몬 도파관은 도핑된 Si 전극이 금속 전극보다 낮은 전압에서 바이어스될 때 유전체-ITO 인터페이스에서 캐리어 축적이 발생하는 MOS 커패시터를 형성합니다. 광 변조는 캐리어 밀도를 조정하여 조사됩니다. 시뮬레이션을 통해 1.55μm의 파장에서 0.009dB/μm의 최소 ΔER이 입증되었습니다. 이 ΔER은 우리가 알고 있는 기록상 가장 낮습니다. 또한, 두 편파 모두에 대해 74% 이상의 결합 효율은 급전 실리콘 도파관을 사용하여 얻을 수 있습니다. 이러한 ITO EA 플라즈몬 도파관 변조기는 초소형 광자 통합을 위한 중요한 빌딩 블록이 될 수 있습니다. 향후 작업에서는 제작의 용이성을 위해 더 큰 허용오차를 갖는 비대칭 코팅의 기하학적 최적화를 고려해야 합니다.


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