KR100961436B1 - 임의 구조물에 부착 가능한 인쇄 방식의 전자 소자 제조방법 및 그 전자 소자 - Google Patents

임의 구조물에 부착 가능한 인쇄 방식의 전자 소자 제조방법 및 그 전자 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임의 구조물에 부착 가능한 인쇄 방식의 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자와, 임의 구조물에 부착이 가능한 인쇄 방식의 주파수 대역 선택 필름 제조 방법 및 그 주파수 대역 선택 필름에 관한 것으로, 인쇄 방식(예 : 잉크젯 방식)을 사용하여 대면적으로 제조하고 기존의 임의의 구조물에 손상을 가하거나 변형을 초래하지 않으면서 부착이 가능하도록 한 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자를 제공하고, 또한, 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 인쇄 공정(예 : 잉크젯 공정(ink-jetting process))을 사용하여 대면적으로 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 임의의 기 구조물에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 하기 위한 주파수 대역 선택 필름 제조 방법 및 그 주파수 대역 선택 필름을 을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 있어서, 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS(Frequency Selective Surface)를 인쇄하기 위한 필름의 표면을 개질하는 표면 개질 단계; 전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 인쇄하여 상기 FSS의 구조를 형성하는 인쇄 단계; 상기 FSS가 형성된 필름의 전도성을 확보하기 위하여 상기 FSS가 형성된 필름을 열처리하는 소결 단계; 상기 열처리된 필름을 기 구조물에 부착할 수 있도록 부착 기능을 부여하는 부착 기능 부여 단계; 및 상기 필름이 부착된 기 구조물의 FSS 특성을 평가하는 단계를 포함한다.
전자 소자 제조, 주파수 대역 선택 필름, FSS, 인쇄 방식, 잉크젯 방식, 부착, 대면적화

Description

임의 구조물에 부착 가능한 인쇄 방식의 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자{Fabrication method of electronic device attachable to arbitrary materials using printing process, and its electronic device}
본 발명은 임의 구조물에 부착 가능한 인쇄 방식의 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄 방식(예 : 잉크젯 방식)을 사용하여 대면적으로 제조하고 기존의 임의의 구조물에 손상을 가하거나 변형을 초래하지 않으면서 부착이 가능하도록 한, 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 임의 구조물에 부착이 가능한 인쇄 방식의 주파수 대역 선택 필름 제조 방법 및 그 주파수 대역 선택 필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS(Frequency Selective Surface, 이하 "FSS"라 함) 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 인쇄 공정(예 : 잉크젯 공정(ink-jetting process))을 사용하여 대면적으로 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 임의의 기 구조물에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 하기 위한, 주파수 대역 선택 필름 제조 방법 및 그 주파수 대역 선택 필름에 관한 것이 다.
이하의 일실시예에서는 본 발명이 인쇄 공정 중의 하나인 잉크젯 공정(ink-jetting process)을 사용하여 FSS를 필름상에 인쇄하는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.
일반적으로 FSS(Frequency Selective Surface)란 사용자가 원하는 주파수를 선택적으로 차단 또는 투과할 수 있는 인공적인 곡면 또는 평면의 3차원적 표면 구조를 의미한다. 이러한 FSS의 주파수 선택 특성은 도체 또는 개구면을 특정 형상으로 제조하고, 이를 일정한 주기를 갖도록 배열하여 달성할 수 있는 구조를 갖고 있다. 이러한 FSS 특성은 단위 셀의 형태, 크기, 주기 및 사용되는 재료의 도체나 유전체의 특성 등에 의하여 결정된다.
FSS의 활용은 사용자가 선택한 주파수 특성을 구현하기 위하여 기 구조물 표면에 단위 셀을 형성하여야 함으로, 기존에는 일반적으로 리소그래피(lithography) 공정을 이용하여 새롭게 구조물을 형성하는 방법을 이용하고 있다.
그런데, 이러한 기존의 리소그래피(lithography) 제조 공법으로는 대면적의 주파수 선택 특성을 갖는 구조물을 제조하는데 많은 비용이 소요되고 대량 생산이 어려우며 또한 대면적으로 제작하기 어려운 문제점이 존재하고, 또한 기존의 구조물을 활용할 수 없다는 문제점이 있다.
예를 들어, 아파트나 빌딩과 같은 건물이나 자동차 등에 선택적 주파수 특성 을 부과하기 위해서, 기존의 리소그래피(lithography) 방식은 유리창을 제거하거나 유리창을 유전체로 활용한 새로운 FSS 면을 별개로 제작하여야 하는 공정상의 문제점이 노출되어 있어, 이에 대한 활용이 극히 제한되고 있는 실정이다.
이처럼, 상기와 같은 종래 기술은 전술한 바와 같은 많은 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 인쇄 방식(예 : 잉크젯 방식)을 사용하여 대면적으로 제조하고 기존의 임의의 구조물에 손상을 가하거나 변형을 초래하지 않으면서 부착이 가능하도록 한, 전자 소자 제조 방법 및 그 전자 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 인쇄 공정(예 : 잉크젯 공정(ink-jetting process))을 사용하여 대면적으로 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 임의의 기 구조물에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 하기 위한, 주파수 대역 선택 필름 제조 방법 및 그 주파수 대역 선택 필름을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 전자 소자 제조 방법에 있어서, 전자 소자를 인쇄하기 위한 필름의 표면을 개질하는 표면 개질 단계; 전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 인쇄하여 상기 전자 소자의 구조를 형성하는 인쇄 단계; 상기 전자 소자가 형성된 필름의 전도성을 확보하기 위하여 상기 전자 소자가 형성된 필름을 열처리하는 소결 단계; 상기 열처리된 필름을 기 구조물에 부착할 수 있도록 부착 기능을 부여하는 부착 기능 부여 단계; 및 상기 필름이 부착된 기 구조물의 전자기적 특성을 평가하는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 있어서, 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS(Frequency Selective Surface)를 인쇄하기 위한 필름의 표면을 개질하는 표면 개질 단계; 전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 인쇄하여 상기 FSS의 구조를 형성하는 인쇄 단계; 상기 FSS가 형성된 필름의 전도성을 확보하기 위하여 상기 FSS가 형성된 필름을 열처리하는 소결 단계; 상기 열처리된 필름을 기 구조물에 부착할 수 있도록 부착 기능을 부여하는 부착 기능 부여 단계; 및 상기 필름이 부착된 기 구조물의 FSS 특성을 평가하는 단계를 포함한다.
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이처럼, 본 발명은 FSS의 제작 시 필름을 이용하여 단위 셀 및 반복 구조체를 형성하고, 이를 기존의 구조물에 부착하여 주파수 선택 특성을 구현한다.
또한, 본 발명은 FSS 필름 제작 시 대면적 제작을 위하여 인쇄 공정(예 : 잉크젯 공정(ink-jetting process))을 활용한다.
또한, 본 발명은 주파수 선택 특성을 갖는 구조물을 타 구조물과 결합하여 사용할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명은, 인쇄 방식(예 : 잉크젯 방식)을 사용하여 대면적으로 전자 소자를 제조하고 이를 기존의 임의의 구조물에 손상을 가하거나 변형을 초래하지 않으면서 부착이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 인쇄 공정(예 : 잉크젯 공정(ink-jetting process))을 사용하여 대면적으로 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 임의의 기 구조물에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 효과를 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 개념을 이용한 표면을 제조함에 있어서, 잉크젯 공정을 이용하여 대면적 필름을 제조하고 이를 사용자가 원하는 면에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 한다.
둘째, 본 발명은 기존의 구조체에 변화를 주지 않으며, 대량으로 생산할 수 있다.
셋째, 본 발명은 탈, 부착이 가능하며, 대량으로 생산되어 기존의 구조체에 활용할 수 있는 새로운 방식의 FSS 제작 방식이다.
넷째, 본 발명은 잉크젯 기술을 이용하여 대면적에 걸쳐 육각형의 단위 셀을 갖는 PI(PolyImide) 필름을 제조하여 이를 유리 등에 부착하여 FSS 특성을 구현할 수 있다.
다섯째, 본 발명은 FSS 특성을 나타내므로 기 형성된 구조물에 직접 주파수 선택 특성을 부여할 수 있다. 즉, 기존의 건물, 선박, 항공기, 차량 등에 선택적 주파수 선별, 스텔스, 안테나 등의 다양한 기능을 부여할 수 있는 필름 제작이 가능하므로 주파수 활용 및 군사적 분야 등에 다양한 활용이 가능하다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하의 본 발명에 따른 일실시예에서는 부착이 가능한 인쇄 방식의 주파수 대역 선택 필름 제조 방법과, 기존의 임의의 구조물에 탈, 부착이 가능한 필름 형태의 표면에 원하는 형태의 단위 셀을 대면적으로 대량 제작할 수 방법과, 기존 구조물의 특성에 따른 단위 셀의 구조에 대하여 설명하기로 한다. 이때, FSS에 사용되고 있는 단위 셀의 구조는 다양한 형태가 발표되어 있으며, 그 중에서 일반적으로 활용되고 있는 육각형 구조를 선택하여 본 발명의 일실시예를 설명하기로 한다.
또한, 단위 셀의 크기는 필름 형태로 제작된 후 원하는 표면에 부착되어 사용됨으로 인하여 사용하고자 하는 필름과 구조체의 전기적 특성에 따라서 변경되어야 하므로, 원하는 주파수 선택 특성에 맞추어 설계하여야 한다. 본 발명의 일실시예에서는 탈, 부착이 용이하게 적용될 수 있는 PI 필름과 적용하고자 하는 대상물(예 : 일반 건물용 유리)의 전기적 특성을 결합하여 특정 주파수에서의 주파수 선택성을 갖는 구조로 설계하였다.
그리고 필름 형태의 FSS를 제조하기 위해서는 필름의 특성상 제조되는 형상의 성형이 200℃ 이하에서 형성되어야 한다.
또한, 대면적을 대량으로 제작하기 위해서는 새로운 방식의 제작 기술의 활용이 요구된다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 인쇄 기술의 하나인 잉크젯 기술을 이용하여 FSS를 제조하였으며, 보다 상세하게는 나노미터 크기의 은 잉크(Ag ink) 입자를 PI 필름 위에 고르게 젯팅(jetting)하고, 열처리(소결)한 면을 유리 상에 부착하여 원하는 주파수 선택 특성을 얻기 위한 FSS를 제조하였다.
이러한 인쇄 기술은 종래의 포토리소그래피 공정에 비해 제조 과정이 단순하고, 재료 절감 및 친환경화, 대형화, 및 현장적용 용이성 등이 매우 우수하여 제품의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 새로운 기술로서 주목을 받고 있다. 하지만, 기존의 인쇄 기술은 그 완성도가 떨어지기 때문에, 본 발명의 일실시예에서는 잉크젯 공정을 사용하되, 다양한 조건에서 최적의 잉크젯 공정 조건을 확보하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설 명하기로 한다. 먼저, 첨부된 도면을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FSS 단위 셀 구조도 및 필름 형태 FSS와 전산모사된 전자기파 특성을 나타내는 도면이다.
즉, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 육각형 형태의 FSS 단위 셀의 구조와, 필름 형태로 제조된 FSS와, 상기 FSS를 유리 상에 부착하는 과정과, 전자기장 해석 프로그램인 CST社(http://www.cst.com)의 “CST Microwave Studio 2006B”를 이용하여 전산모사된 FSS 전자기파 특성을 나타내고 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 대한 일실시예 전체 흐름도이고, 도 2b 내지 도 2g는 본 발명에 따른 도 2a의 주파수 선택 필름 제조 방법의 각 처리 과정에 대한 일실시예 상세 설명도이다.
즉, 도 2a는 본 발명에 따른 FSS를 필름상에 구현하기 위한 전체적인 제조 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, PI 필름 세정 과정, PI 필름 표면 소수 처리 과정, 잉크 젯팅(jetting) 과정, 소결 과정을 포함하며, 그 외에도 부가적으로 부착 과정 및 특성 평가 과정 등을 포함한다.
그리고 도 2b 내지 도 2g는 본 발명에 따른 FSS를 필름상에 구현하기 위한 전체적인 제조 방법의 각 처리 과정에 대한 일실시예 상세 설명도로서, 도 2b는 PI 필름 세정 과정을 상세하게 나타내고 있고, 도 2c는 PI 필름 표면 소수 처리 과정을 상세하게 나타내고 있으며, 도 2d는 잉크 젯팅(jetting) 과정을 상세하게 나타내고 있고, 도 2e는 소결 과정을 상세하게 나타내고 있으며, 도 2f는 부착 과정을 상세하게 나타내고 있고, 도 2g는 특성 평가 과정을 상세하게 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 처리 전후의 PI(PolyImide) 필름의 접촉각 변화를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소수성 처리 전에는 PI(PolyImide) 필름의 접촉각이 75.71°이었으나, 소수성 처리 후에는 PI(PolyImide) 필름의 접촉각이 102.27°로 변화된 것을 알 수 있다.
여기서, 소수성 처리 전후에 접촉각이 커졌다는 의미는, 이후의 잉크젯 공정에서 은(Ag) 잉크와 PI 필름 간의 접촉 특성이 향상되어 은(Ag) 나노입자가 PI 필름에 잘 부착된다는 의미이며, 그에 따라 도체의 모양 및 전기전도도 등을 제어하기 용이해진다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 처리된 PI 필름 위에 분사간격(DPI)별로 제작한 단위 셀의 광학사진이다.
즉, 도 4a는 800 DPI로 제작한 단위 셀의 광학사진이고, 도 4b는 1000 DPI로 제작한 단위 셀의 광학사진이며, 도 4c는 1200 DPI로 제작한 단위 셀의 광학사진이다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 1000 DPI가 가장 안정된 패턴을 나타내고 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 표면 형상을 나타내는 도면이다.
즉, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 표면굴곡을 나타내는 3D 프로파일(profile)이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 표면굴곡을 나타내는 광학사진(x50, x200)이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 200 ℃에서 1시간 소결한 1000 DPI 단위 셀의 표면 형상을 나타내는 도면이다.
즉, 도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 200 ℃에서 1시간 소결한 1000 DPI 단위 셀의 3D 프로파일(profile)이고, 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 200 ℃에서 1시간 소결한 1000 DPI 단위 셀의 광학사진(x50, x200)이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 3D 프로파일(profile)과 광학 현미경 조직 사진을 살펴보면, 유기 용매의 휘발에 의하여 단위 셀의 두께는 3㎛ 정도로 축소되었으나 단위 셀 간의 간격 및 단락은 매우 효율적으로 조정되었다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 저항값 및 SEM 미세조직 사진이다.
즉, 도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀을 200 ℃ 소결한 후 측정한 저항값(면저항, 비저항, 측정전도도)을 나타내고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀을 200 ℃ 소결한 후 촬영한 SEM(Scanning Electron Microscopy, HITACHI社 S-4800) 사진을 보여주고 있다.
이때, 도 7a의 면저항(sheet resistance) mΩ/□는 mohm/sq로 표시된다. 여기서, sq는 □로도 표시되며, 미터법(cm2 등)이 아닌 별도의 단위로서, 무한대의 면적으로 해석되는 것이 일반적이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프이다.
즉, 도 8a는 은 잉크(Ag ink)를 1000 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1000㎛)의 수평입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이고, 도 8b는 은 잉크(Ag ink)를 1000 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1000㎛)의 수직입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이다.
도 8c 및 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 1150 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프이다.
즉, 도 8c는 은 잉크(Ag ink)를 750 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1150㎛)의 수평입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이고, 도 8d는 은 잉크(Ag ink)를 750 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1150㎛)의 수직입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이다.
도 8e 및 도 8f는 본 발명의 일실시예에 따른 1300 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프이다.
즉, 도 8e는 은 잉크(Ag ink)를 750 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1300㎛)의 수평입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이고, 도 8f는 은 잉크(Ag ink)를 750 DPI로 젯팅(jetting)한 27cm X 27cm PI 필름(단위 셀 크기 1300㎛)의 수직입사투과율(dB)을 나타내는 주파수 측정 결과 그래프이다.
이하, 전술한 도 1 내지 도 8f를 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설 명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FSS의 기본 구조를 PI 필름 위에 육각형 형태의 전기적 도체로 제작하고 이를 일반 건물용 유리에 부착하여 사용한다는 가정 하에 설계한 형태이다. 본 발명의 일실시예에서는 설계된 필름이 특정 주파수(95 GHz)에서 대역 차단(bandstop)(S21<-30dB) 특성을 갖도록 1000 ㎛의 크기를 갖는 단위 셀을 설계하였으며, 도 1에 도시된 바와 같이 특정 주파수에서 대역 차단(bandstop) 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 본 발명에서는 70에서 100 GHz의 다양한 주파수 범위에서 대역 차단(bandstop) 특성을 구현하기 위하여 1000 ㎛ 외에도 1150 ㎛, 1300 ㎛의 크기를 갖는 단위 셀을 제작하여 그 특성을 조사하였다.
그리고 PI 필름 위에 FSS의 기본 구조를 대면적으로 대량 형성하기 위해서는 재료 절감 및 친환경적인 면을 고려할 때, 인쇄 기술(인쇄 공정)의 적용이 바람직하다. 본 발명에서는 잉크젯 인쇄 방식 또는 스크린 인쇄 방식 또는 롤 트롤 인쇄 방식과 같은 인쇄 기술을 이용할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 그 중 하나의 방법인 잉크젯 인쇄 기술을 이용하여 PI 필름 위에 육각형 형태의 단위 셀을 반복적으로 형성하였다. 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 대한 전체 흐름은 도 2a에 도시된 바와 같고, 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 선택 필름 제조 방법의 각 처리 과정은 도 2b 내지 도 2g에 도시된 바와 같다.
그리고 단위 셀에 전도 특성을 부여하기 위하여 잉크젯 공정에 이용이 가능한 전도성 잉크에는 대표적으로 은(Ag) 잉크, 구리(Cu) 잉크, 및 니켈(Ni) 잉크 등 이 있지만, 알려진 바와 같이 은(Ag)이 가장 전도성이 뛰어나고 산화가 잘 되지 않는 점에 착안하여, 본 발명의 일실시예에서는 소결온도의 저하를 위하여 금속함유량 57.3 wt%인 5 nm 입자크기를 갖는 은(Ag) 잉크를 PI 필름 기판 위에 젯팅(jetting)하여 육각형 형태의 FSS 구조를 형성하였다.
그리고 제작 시 도체의 모양 및 전기전도도 등을 제어하기 위해서는 은(Ag) 잉크와 PI 필름 간의 접촉 특성이 매우 중요하며, 이러한 접촉 특성은 PI 필름의 표면 특성이 매우 중요하므로 PI 필름의 표면 개질을 위하여 PI 필름 세정 과정을 수행하고(21), 소수성을 가하기 위하여 PI 필름 표면 소수 처리 과정을 수행하여 플라즈마 표면 개질을 실시하였다(22).
즉, PI 필름에 잔존하는 불순물 및 유기용매 등을 제거하기 위한 세정 공정(21)은 O2 플라즈마(plasma)와 Ar 플라즈마 순으로 실시하였으며, 두 공정 모두 가스를 각각 가스 투입량 20 sccm, 공정 압력 100 mTorr, 공정 전력 300 W로 각각 1분씩 실행하였다(도 2b 참조). 이러한 세정 과정(21)이 끝난 후, 소수성을 가하기 위한 PI 필름 표면 소수 처리 과정(22)은 C4F8 가스를 가스 투입량 5 sccm, 공정 압력 50 mTorr, 공정 전력 100 W로 5분간 플라즈마 처리하여 실시하였다(도 2c 참조). 도 3은 플라즈마 표면 처리를 전후로 변화된 PI 필름의 접촉 특성을 관찰한 결과를 나타내며, PI 필름이 표면 처리 후에 소수성 계면으로 변화되었음을 확인할 수 있다.
다음으로, 은(Ag) 잉크를 PI 필름 상에 젯팅(jetting)하여 육각형 형태의 FSS 구조를 형성하는 잉크 젯팅(jetting) 과정(23)에 대하여 상세히 살펴보기로 한다(도 2d 참조). 본 발명의 일실시예에서 사용된 잉크젯 노즐의 직경은 20 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하의 압전(piezoelectric) 방식 노즐을 이용하였으며, 분사된 잉크 형태를 비전 시스템을 이용하여 관찰한 결과, 바람직하게는 본 발명에서 이용된 잉크(금속함유량 57.3 wt%인 5 nm 입자크기를 갖는 은(Ag) 잉크)의 경우 직경 30 ㎛의 압전 방식 노즐이 우수하여 이를 사용하여 제조하였다.
또한, 이러한 잉크 젯팅(jetting) 과정(23)에서 안정화된 잉크 형상, 접촉각, 얼라인먼트(alignment) 향상을 위하여 잉크 분사간격 및 분사속도 조건을 관찰하였다. 그 결과, 적정 분사간격은 PI 필름의 표면 처리 상태에 따라 결정되므로 700 내지 1300 DPI 범위 내에서 50 DPI 간격으로 각각 잉크 젯팅(jetting)하였으며, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 본 발명에서 분사된 잉크 입자의 센터 간(center-to-center) 간격이 25 ㎛인 1000 DPI가 가장 안정된 패턴임을 확인하였다.
그리고 분사속도 조절은 구동 주파수와 젯팅(jetting) 가속도에 의해 좌우된다. 이때, 구동 주파수는 노즐에 가해지는 주파수로서, 분사되는 잉크의 형태, 점도에 따라 최적의 드롭(drop)을 형성 시 그 값을 정해주며, 본 발명의 일실시예에서는 300 Hz를 사용하였다. 그리고 젯팅(jetting) 가속도는 헤드 자체 또는 기판을 지지하는 히트 플레이트(heat plate)의 이동 속도를 의미하며, 그 범위는 최대 1000 mm/s2까지 조절할 수 있으나, 그 값이 크면 탄착군이 제대로 형성되지 않으며 원하는 부위를 벗어나 젯팅(jetting)이 될 가능성이 크다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 500 mm/s2를 이용하였다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 조건으로 제작된 단위 셀의 표면 굴곡의 3D 프로파일(profile)을 NanoView(nanosystem事 NV-P2020)로 관찰하고, 표면 조직을 광학현미경으로 조사한 결과, 계면의 높이 차가 약 5 ㎛ 정도이고 계면의 단차가 매우 확실히 구분되며 표면의 두께도 매우 균질함을 알 수 있어, 상기 분사속도가 적절함이 확인되었다.
다음으로, 분사 PI 필름의 전도 특성을 확보하기 위해서 잉크 내의 유기용매의 제거 및 은(Ag) 나노입자 간의 치밀화를 위한 소결 과정(24)을 실시하였다(도 2e 참조). 이때, PI 필름의 변형 없이 FSS를 형성하기 위해서는 소결 시 온도 조건을 250 ℃이하로 유지하는 것이 바람직하므로, 온도에 따른 은(Ag) 잉크의 치밀도와 전기전도도를 분석하여 관찰하였다. 그 결과, 유기용매의 제거를 위하여 상온에서 24시간 건조시킨 후, 입자 간의 소결을 유도하기 위하여 고온 전기로(box furnace) 등에서 히트 레이트(heat rate) 5 ℃/min으로 200 ℃에서 1시간 소결한 후, 동일한 고온 전기로(box furnace) 등에서 노냉하였을 경우 원하는 전기전도도를 확보할 수 있었다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 조건으로 200 ℃ 1시간 열처리 후의 3D 프로파일(profile)과 광학 현미경 조직 사진을 살펴보면, 유기 용매의 휘발에 의하여 단위 셀의 두께가 3㎛ 정도로 축소되었으나 단위 셀 간의 간격 및 단락 은 매우 효율적으로 조정되고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 소결 후 은(Ag) 잉크의 전기전도도의 변화를 4 포인트 프로브(4 point probe, AIT社 CMTSR 1000N)를 이용하여 측정한 결과, 전기전도도는 6E+06이며, SEM 사진에서 관찰되듯이 공극 없이 완전 치밀화되어 입자 간의 네킹(necking) 현상이 일어나 원하는 특성을 구현하고 있음을 도 7a 및 도 7b에서 확인할 수 있다.
다음으로, 27 x 27 cm의 PI 필름을 유리기판에 접착(부착)하여(25) 전자기적 특성을 평가하였다(26)(도 2f 및 도 2g 참조). 이때, 필름과 구조물(유리기판)의 부착 방식에는 필름과 보호지 사이에 발라져 있는 접착제에 반응 액체를 분사하여 타매질과 부착하는 방법(자동차 햇빛 가리개의 부착 방법), 필름과 타매질 사이에 접착제를 삽입하여 부착하는 방법, 열압착 원리를 이용한 필름의 평면부착방법 등과 같은 공지의 방법을 사용할 수 있는데, 본 발명의 일실시예에서는 상기 여러 방법 중에서 필름과 타매질 사이에 일반 접착제를 삽입하여 부착하는 방법을 이용하여 필름에 손상을 주지 않고 얼룩이 남지 않으며 원하는 기존 구조체에 PI 필름을 접착하여 구조체를 제작하였다.
그리고 PI 필름이 접착된 유리기판을 구리(Cu)로 제작된 홀더(holder) 내에 고정시킨 후 50 cm 떨어진 곳에서 아날로그 신호 생성기(analog signal generator)에 소스 모듈(source module)을 연결한 안테나를 통해 FSS 특성을 확인하였다. 그 결과, 75 내지 110 GHz 사이 범위의 주파수를 투과시켰다. 도 8에 도시된 바와 같이, 측정된 전자기파의 결과로 가로 방향 및 세로 방향 모두 효과적으로 대역 차단(bandstop) 특성이 나타났으며, 그 감소폭은 10 dB 이상으로 효과적임을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 표면을 제조함에 있어서 대량 생산 및 저가 공정이 가능한 잉크젯 공정과 같은 인쇄 방식을 이용하여 부착이 가능한 대면적 필름을 제조하고, 이를 사용자가 원하는 면에 부착하여 해당 특성을 부과하는 주파수 대역 선택 필름을 제조하였다.
즉, 상기와 같은 필름의 제작 방법은 유리(glass) 등 기존 구조물의 면에 가공을 하지 않고 대량으로 생산할 수 있고, 손쉽게 탈, 부착이 가능하여 주파수 효율성을 손쉽게 활용할 수 있는 기술이다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 기 구조물에 부착하는 형태로 제작할 수 있으므로 공간적인 제약이나 새로운 구조체 형성 없이 주파수 선택적 필터, 스텔스, 안테나 등과 같은 다양한 소자를 대면적으로 제조하는 등에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FSS 단위 셀 구조도 및 필름 형태 FSS와 전산모사된 전자기파 특성을 나타내는 도면,
도 2a는 본 발명에 따른 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 대한 일실시예 전체 흐름도,
도 2b 내지 도 2g는 본 발명에 따른 도 2a의 주파수 선택 필름 제조 방법의 각 처리 과정에 대한 일실시예 상세 설명도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 처리 전후의 PI(PolyImide) 필름의 접촉각 변화를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 처리된 PI 필름 위에 분사간격(DPI)별로 제작한 단위 셀의 광학사진,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 표면 형상을 나타내는 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 200 ℃에서 1시간 소결한 1000 DPI 단위 셀의 표면 형상을 나타내는 도면,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 DPI로 제조된 단위 셀의 저항값 및 SEM 미세조직 사진,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 1000 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프,
도 8c 및 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 1150 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS 의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프,
도 8e 및 도 8f는 본 발명의 일실시예에 따른 1300 ㎛의 단위 셀을 갖는 FSS의 각 수평방향, 수직방향의 주파수별 투과특성 그래프이다.

Claims (24)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 주파수 대역 선택 필름 제조 방법에 있어서,
    임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS(Frequency Selective Surface, 이하 "FSS"라 함)를 인쇄하기 위한 필름의 표면을 개질하는 표면 개질 단계;
    전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 인쇄하여 상기 FSS의 구조를 형성하는 인쇄 단계;
    상기 FSS가 형성된 필름의 전도성을 확보하기 위하여 상기 FSS가 형성된 필름을 열처리하는 소결 단계;
    상기 열처리된 필름을 기 구조물에 부착할 수 있도록 부착 기능을 부여하는 부착 기능 부여 단계; 및
    상기 필름이 부착된 기 구조물의 FSS 특성을 평가하는 단계
    를 포함하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인쇄 단계는,
    잉크젯 방식을 이용하여 상기 전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 젯팅(jetting)하여 상기 FSS의 구조를 육각형 형태로 반복적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는,
    금속함유량 57.3 wt%인 5 nm 입자크기를 갖는 은(Ag) 잉크인 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 젯팅(jetting)하는 과정은,
    직경이 20 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하의 압전(piezoelectric) 방식 노즐을 이용하고, 700 내지 1300 DPI 범위 내의 분사간격으로 분사하며, 300 Hz의 구동 주파수를 사용하고, 500 mm/s2의 젯팅(jetting) 가속도를 이용한 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 표면 개질 단계는,
    상기 필름의 표면 개질을 위하여 상기 필름을 세정하는 세정 과정; 및
    소수성을 가하기 위하여 상기 세정된 필름의 표면을 소수 처리하는 소수 처리 과정
    을 포함하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 세정 과정은,
    상기 필름에 잔존하는 불순물 및 유기용매를 제거하기 위하여 O2 플라즈마(plasma)와 Ar 플라즈마 공정 순으로 세정하되, 상기 두 공정 모두 가스를 각각 가스 투입량 20 sccm, 공정 압력 100 mTorr, 공정 전력 300 W로 각각 1분씩 실행하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 소수 처리 과정은,
    소수성을 가하기 위하여 C4F8 가스를 가스 투입량 5 sccm, 공정 압력 50 mTorr, 공정 전력 100 W로 5분간 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 FSS가 형성된 필름의 전도 특성을 확보하기 위해서 상기 전도성 잉크 내의 유기용매의 제거 및 입자 간의 치밀화를 위한 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 유기용매의 제거를 위하여 상온에서 24시간 건조시킨 후, 상기 입자 간의 소결을 유도하기 위하여 고온 전기로(box furnace)에서 히트 레이트(heat rate) 5 ℃/min으로 200 ℃에서 1시간 소결한 후, 상기 고온 전기로(box furnace)에서 노냉하는 것을 특징으로 하는 주파수 대역 선택 필름 제조 방법.
  12. 상기 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 주파수 대역 선택 필름 제조 방법으로 제조된 주파수 대역 선택 필름.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 전자 소자 제조 방법에 있어서,
    전자 소자를 인쇄하기 위한 필름의 표면을 개질하는 표면 개질 단계;
    전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 인쇄하여 상기 전자 소자의 구조를 형성하는 인쇄 단계;
    상기 전자 소자가 형성된 필름의 전도성을 확보하기 위하여 상기 전자 소자가 형성된 필름을 열처리하는 소결 단계;
    상기 열처리된 필름을 기 구조물에 부착할 수 있도록 부착 기능을 부여하는 부착 기능 부여 단계; 및
    상기 필름이 부착된 기 구조물의 전자기적 특성을 평가하는 단계
    를 포함하는 전자 소자 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 인쇄 단계는,
    잉크젯 방식을 이용하여 상기 전도성 잉크를 상기 표면이 개질된 필름에 젯팅(jetting)하여 상기 전자 소자의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는,
    금속함유량 57.3 wt%인 5 nm 입자크기를 갖는 은(Ag) 잉크인 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 젯팅(jetting)하는 과정은,
    직경이 20 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하의 압전(piezoelectric) 방식 노즐을 이용하고, 700 내지 1300 DPI 범위 내의 분사간격으로 분사하며, 300 Hz의 구동 주파수를 사용하고, 500 mm/s2의 젯팅(jetting) 가속도를 이용한 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 표면 개질 단계는,
    상기 필름의 표면 개질을 위하여 상기 필름을 세정하는 세정 과정; 및
    소수성을 가하기 위하여 상기 세정된 필름의 표면을 소수 처리하는 소수 처리 과정
    을 포함하는 전자 소자 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 세정 과정은,
    상기 필름에 잔존하는 불순물 및 유기용매를 제거하기 위하여 O2 플라즈마(plasma)와 Ar 플라즈마 공정 순으로 세정하되, 상기 두 공정 모두 가스를 각각 가스 투입량 20 sccm, 공정 압력 100 mTorr, 공정 전력 300 W로 각각 1분씩 실행하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 소수 처리 과정은,
    소수성을 가하기 위하여 C4F8 가스를 가스 투입량 5 sccm, 공정 압력 50 mTorr, 공정 전력 100 W로 5분간 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 전자 소자가 형성된 필름의 전도 특성을 확보하기 위해서 상기 전도성 잉크 내의 유기용매의 제거 및 입자 간의 치밀화를 위한 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 유기용매의 제거를 위하여 상온에서 24시간 건조시킨 후, 상기 입자 간의 소결을 유도하기 위하여 고온 전기로(box furnace)에서 히트 레이트(heat rate) 5 ℃/min으로 200 ℃에서 1시간 소결한 후, 상기 고온 전기로(box furnace)에서 노냉하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 제조 방법.
  24. 상기 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항의 전자 소자 제조 방법으로 제조된 전자 소자.
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