KR101401769B1 - 편광각 의존형 다중 밴드 전자기파 흡수체 - Google Patents

편광각 의존형 다중 밴드 전자기파 흡수체 Download PDF

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KR101401769B1
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이영백
팜반투옹
유영준
박진우
강지훈
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

전자기파 흡수체를 제공한다. 상기 전자기파 흡수체는 매트릭스 형태로 배열된 다수 개의 단위 셀들을 구비한다. 상기 단위 셀은 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상면 상에 배치된 다수 개의 도전성 폐쇄고리들과 도전성 브릿지, 및 상기 유전체 기판의 하면 상에 배치된 도전성 판을 구비한다. 상기 도전성 폐쇄고리들은 중심을 공유하면서 크기가 서로 다르고, 상기 도전성 브릿지는 상기 도전성 폐쇄고리들을 서로 연결한다.

Description

편광각 의존형 다중 밴드 전자기파 흡수체 {Polarization Angle Dependent Multi-Band Electromagnetic Wave Absorber}
본 발명은 전자기파 흡수체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 밴드 전자기파 흡수체에 관한 것이다.
최근 전자제품은 필수적인 생활수단이 되었다고 볼 수 있다. 그러나, 이러한 전자제품으로부터 발생하는 전자기파는 인체에 좋지 않은 영향을 끼치는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 이러한 전자기파를 차단하기 위한 연구들이 진행되고 있다.
전자기파 흡수체는 전자기파를 흡수할 수 있는 재료를 사용하여 제조된다. 통상적인 전자기파 흡수체는 유전층의 앞면 상에 배치된 도전체 패턴과 뒷면 상에 배치된 접지 도전체층을 구비하는데(일 예로서, JP 공개 2008-219125호), 이러한 전자기파 흡수체는 단일 대역의 흡수 파장을 나타내는 것이 일반적이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 흡수 주파수 대역 조절이 용이한 전자기파 흡수체를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 전자기파 흡수체를 제공한다. 상기 전자기파 흡수체는 매트릭스 형태로 배열된 다수 개의 단위 셀들을 구비한다. 상기 단위 셀은 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 상면 상에 배치된 다수 개의 도전성 폐쇄고리들과 도전성 브릿지, 및 상기 유전체 기판의 하면 상에 배치된 도전성 판을 구비한다. 상기 도전성 폐쇄고리들은 중심을 공유하면서 크기가 서로 다르고, 상기 도전성 브릿지는 상기 도전성 폐쇄고리들을 서로 연결한다.
상기 도전성 폐쇄고리들은 원형일 수 있다. 상기 도전성 폐쇄고리들은 내부 도전성 폐쇄고리와 외부 도전성 폐쇄고리를 구비할 수 있다. 상기 내부 도전성 폐쇄고리는 상기 외부 도전성 폐쇄고리에 비해 큰 폭을 가질 수 있다. 상기 도전성 브릿지는 상기 내부 도전성 폐쇄고리의 양측에 대칭적으로 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 복수 개의 도전성 폐쇄고리들을 배치함으로써 다중 대역의 주파수를 흡수하는 전자기파 흡수체를 얻을 수 있다. 또한, 도전성 폐쇄고리들을 연결하는 도전성 브릿지를 형성함으로써 입사되는 전자기파의 편광각에 따라 흡수하는 주파수 대역을 선택할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 흡수체를 도시한 사시도이다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 절단선 I-I′와 II-II′를 따라 각각 취해진 단면도들이다.
도 3a와 도 3b는 각각 제조예 1 및 비교예에 따른 전자기파 흡수체들을 촬영한 사진들이다.
도 4a 및 도 4b는 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체에 5 내지 15GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 비교예에 따른 전자기파 흡수체에 5 내지 15GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 5는 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체에 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각이 60도 일 때 유도된 표면 전류를 보여주는 그림이다.
도 6은 제조예 2에 따른 전자기파 흡수체에 8 내지 20 THz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 흡수체를 도시한 사시도이고, 도 2a와 도 2b는 도 1의 절단선 I-I′와 II-II′를 따라 각각 취해진 단면도들이다.
도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, 전자기파 흡수체(200)는 유전체 기판(110)을 구비한다. 유전체 기판(110)의 상면 상에 복수 개의 도전성 패턴들(120)이 배치된다. 상기 유전체 기판(110)의 하면 상에 도전성 판(130)이 배치될 수 있다. 상기 도전성 판(130)은 상기 유전체 기판(110)의 하면의 전체면 상에 배치될 수 있다.
전자기파 흡수체(200)는 매트릭스 형태로 배열된 단위 셀(100)을 구비할 수 있다. 각 단위 셀(100)은 그의 중앙에 하나의 도전성 패턴(120)을 구비할 수 있다. 하나의 도전성 패턴(120)은 중심을 공유하면서 서로 크기가 다른 다수 개의 도전성 폐쇄고리들 즉, 동심 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)을 구비할 수 있다. 도전성 패턴(120)이 동심인 두 개의 도전성 폐쇄고리들 즉, 내부 도전성 폐쇄고리(120b)와 외부 도전성 폐쇄고리(120a)를 구비하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 3개 이상의 도전성 폐쇄고리들을 구비할 수도 있다.
이와 같이, 도전성 패턴(120)이 다수 개의 동심 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)을 구비하는 경우. 흡수하고자 하는 전자기파의 대역을 다중화시킬 수 있고, 각 도전성 폐쇄고리의 크기 조절을 통해 흡수 전자기파 대역을 조절할 수 있다. 부연하면, 서로 다른 크기를 갖는 동심 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)은 서로 다른 흡수 주파수를 나타낼 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 서로 다른 크기를 갖는 동심 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)을 배치함으로써 다중 대역의 전자기파를 흡수할 수 있다.
도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)은 원형일 수 있다. 이 경우, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)을 도전성 도넛들이라고 할 수도 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)은 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형일 수도 있다. 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)이 원형인 경우에, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 크기 즉, 외부 반지름(R1a, R1b)을 조절하여 흡수하고자 하는 전자기파의 종류, 주파수 대역, 및/또는 흡수정도를 조절할 수 있다. 또한, 동심 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 두께(t1b, t1a)와 폭(w1b, w1a)을 서로 다르게 하여 흡수하고자 하는 전자기파의 종류, 주파수 대역, 및/또는 흡수정도를 조절할 수 있다. 일 예로서, 도시된 바와 같이, 내부 폐쇠고리(121b)의 폭(w1b)이 외부 폐쇠고리(121a)의 폭(w1a)에 비해 클 수 있고, 또한 내부 폐쇠고리(121b)의 두께(t1b)는 외부 폐쇠고리(121a)의 두께(t1a)와 같을 수 있다.
도전성 패턴(120)은 다수 개의 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)을 서로 연결하는 도전성 브릿지(120c)를 구비할 수 있다. 도전성 브릿지(120c)는 다수 개 배치될 수 있으며, 대칭적으로 배치될 수 있다. 일 예로서, 도시된 바와 같이 한 쌍의 도전성 브릿지들(120c)이 내부 도전성 폐쇄고리(120b)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 도전성 브릿지(120c)는 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b) 사이의 전류전도가 가능할 정도의 폭(w1c)을 가질 수 있다.
도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)와 도전성 브릿지(120c)는 금속재질로 형성될 수 있다. 도전성 판(130) 또한 금속재질로 형성될 수 있다.
이러한 전자기파 흡수체(200)에 전자기파가 입사될 수 있다. 구체적으로, 전자기파는 도전성 패턴들(120)이 배치된 면으로 입사될 수 있다. 일 예로서, 도시된 바와 같이 k는 전자기파의 진행 방향, E는 전기장 방향, H는 자기장 방향을 나타낼 수 있다.
전자기파가 도전성 패턴들(120)이 배치된 면으로 입사되는 경우, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)끼리 그리고 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)와 도전성 판(130)은 서로 상호작용하여 특정 주파수 대역의 전자기파를 흡수할 수 있다. 구체적으로, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b), 도전성 판(130), 및 이들 사이에 배치된 유전체 기판(110)을 구비하는 전자기파 흡수체(200)로 전자기파가 진행할 때, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b) 또는 도전성 판(130)에서 발생되는 유도 전류에 의한 유도 자장이 입사되는 특정 주파수 대역의 전자기파와 공진할 수 있고, 이 공진 주파수 대역의 전자기파는 전자기파 흡수체(200)에서 흡수되어 소멸될 수 있다. 이 때, 전자기파 흡수는 주로 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)에서의 도전성 손실에 의해 발생할 수 있다. 또한, 상기 유도 자장은 입사되는 전자기파의 자기장과 반대 방향을 가져, 단위 셀(100)은 음의 투자율을 가질 수 있다. 따라서, 단위 셀(100)을 메타 원자라고 명명할 수도 있다.
또한, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b) 사이에서 이들을 연결하는 도전성 브릿지(120c)는 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)에 발생되는 유도 전류를 전도할 수 있다. 한편, 도전성 브릿지(120c)가 형성됨에 따라 입사되는 전자기파의 편광의 각도(φ)에 따라 흡수하는 주파수 대역이 달라질 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 전자기파 흡수체를 편광 필터로 사용할 수도 있다.
이러한 전자기파 흡수를 충분하게 하기 위해, 유전체 기판(110)의 두께(t-110), 유전율(ε), 및 투자율(μ)은 적절하게 조절될 수 있다. 이를 위해, 유전체 기판(110)의 재료를 설정한 후 두께를 조절할 수 있다. 일 예로서, 유전체 기판(110)의 두께(t-110)를 λ/4(λ: 입사되는 전자기파의 파장)로 설정할 수도 있다. 유전체 기판(110)은 에폭시 수지 기판 일 예로서, FR-4 기판 또는 실리콘 산화물 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 두께(t1a, t1b)는 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 면저항에 영향을 주므로, 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 두께(t1a, t1b)를 조절하여 전자기파의 흡수 정도를 조절할 수 있다. 전자기파의 흡수 정도를 더 조절하기 위해 도전성 폐쇄고리들(120a, 120b)의 저항에 영향을 주는 폭(w1a, w1b)도 조절될 수 있다. 한편, 상기 도전성 판의 두께(t-130)는 충분한 전기 도전성을 갖도록 조절될 수 있다.
도전성 폐쇄고리들(120)과 도전성 판(130)에는 외부 전원에 연결되지 않을 수 있다. 즉, 도전성 폐쇄고리들(120)과 도전성 판(130)은 플로팅되어 있을 수 있다.
한편, 단위 셀(100)의 가로 길이(a)와 세로 길이(b)는 원하는 주파수 대역을 흡수하도록 설계된 도전성 폐쇄고리들(120)을 충분히 수용할 수 있을 정도로 설정되되, 입사되는 전자기파의 파장 이하 일 예로서 입사되는 전자기파 파장의 절반 이하로 설정될 수 있다. 가로 길이(a)와 세로 길이(b)는 같을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
전자기파 흡수체 제조예 1
각 단위 셀은 한 변의 길이가 7㎜인 정사각형의 유전체 기판(FR-4 기판)을 구비하였다. 유전체 기판의 두께는 0.4㎜, 유전상수(dielectric constant)는 4.2, 그리고 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.022로 설정되었다. 유전체 기판의 상면 상에 도 1에 도시된 바와 같이 도전성 브릿지에 의해 연결된 내부 도전성 폐쇄고리와 외부 도전성 폐쇄고리를 배치하였다. 내부 도전성 폐쇄고리(도 1의 120b)의 외부 반지름(도 1의 R1b)은 2.7㎜, 폭(도 1의 w1b)은 0.85㎜였고, 두께(도 2b의 t1b)는 0.036㎜였다. 외부 도전성 폐쇄고리(도 1의 120a)의 외부 반지름(도 1의 R1a)은 3.2㎜, 폭(도 1의 w1a)은 0.2㎜였고, 두께(도 2b의 t1a)는 0.036㎜였다. 또한, 도전성 브릿지(도 1의 120c)의 폭(도 1의 w1c)은 0.2㎜였고, 두께는 0.036㎜였다. 또한, 도전성 폐쇄고리들과 도전성 브릿지는 구리 재질로 설정하였다. 유전체 기판의 하면 상에 구리 재질이고 0.036㎜의 두께를 갖는 도전성 판을 배치하였다. 이러한 단위 셀들을 평면 상에 6×5(가로×세로)개 배치하여 전자기파 흡수체를 구성하였다.
전자기파 흡수체 제조예 2
유전체 기판을 두께 0.725um, 유전상수(dielectric constant) 3.8, 그리고 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)가 0.022인 SiO2 기판으로 하고, 내부 도전성 폐쇄고리의 외부 반지름은 2㎛, 폭은 0.80㎛, 두께는 0.1㎛이었고, 외부 도전성 폐쇄고리의 외부 반지름은 2.65㎛, 폭은 0.35㎛, 두께는 0.1㎛이었으며, 도전성 브릿지의 폭은 0.35㎛, 두께는 0.1㎛로 한 것을 제외하고는 전자기파 흡수체 제조예 1과 동일한 방법으로 전자기파 흡수체를 제조하였다.
전자기파 흡수체 비교예
도전성 브릿지(도 1의 120c)를 생략한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 전자기파 흡수체를 제조하였다.
도 3a와 도 3b는 각각 제조예 1 및 비교예에 따른 전자기파 흡수체들을 촬영한 사진들이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체(도 3a)는 도전성 브릿지를 갖는 반면, 비교예에 따른 전자기파 흡수체(도 3b)는 도전성 브릿지를 갖지 않는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체에 5 내지 15GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각(도 1의 φ)에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다. 도 4c는 비교예에 따른 전자기파 흡수체에 5 내지 15GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각(도 1의 φ)에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 4a, 및 도 4b를 참조하면, 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체에 수직으로 입사하는 전자기파의 편광 회전의 변화에 따라서 흡수 주파수 영역이 변화하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 입사하는 전자기파의 편광 회전의 각도 φ가 0 일 때는 8.55 GHz, 11.78 GHz에서 거의 완전한 흡수가 나타나는 특성을 가지고 있으며, 전자기파의 편광 회전의 각도 φ가 증가함에 따라서 흡수되는 주파수와 흡수율의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 회전의 각도 φ가 60도 일때는 10 GHz에서 거의 완변한 흡수가 나타나며, 90도 일 때는 종전에 나타났던 8.55 GHz, 11.78 GHz에서의 흡수는 거의 사라지는 현상이 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 전자기파의 편광 회전의 각도 φ에 변화를 줌으로써 높은 흡수율을 나타내는 주파수 대역을 선택할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 4c를 참조하면, 비교예에 따른 전자기파 흡수체에 수직으로 입사하는 전자기파의 편광 회전이 변화하더라도 흡수 주파수 영역(8.55 GHz, 11.78 GHz)은 변화하지 않는 특성이 나타나는 것을 알 수 있다
도 5는 제조예 1에 따른 전자기파 흡수체에 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각(도 1의 φ)이 60도 일 때 유도된 표면 전류를 보여주는 그림이다.
도 5를 참조하면, 내부 및 외부 도전성 폐쇄고리들을 연결하는 도전성 브릿지가 폐쇄고리들 사이에서 유도 전류를 상호 전도하는 것을 알 수 있으며, 또한 이로 인해 조합된-모드 공명(combined-mode resonance)이 일어남을 알 수 있다.
도 6은 제조예 2에 따른 전자기파 흡수체에 8 내지 20 THz의 주파수 대역을 갖는 전자기파가 수직으로 입사할 때 편광각(도 1의 φ)에 따른 흡수 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 도 4b와 유사하게 수직으로 입사하는 전자기파의 편광 회전의 변화에 따라서 흡수 주파수 영역이 변화하는 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 입사하는 전자기파의 편광 회전의 각도 φ가 0 일 때는 11.5 THz, 18 THz에서 거의 완전한 흡수가 나타나는 특성을 가지고 있으며, 전자기파의 편광 회전의 각도 φ가 증가함에 따라서 흡수되는 주파수와 흡수율의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 회전의 각도 φ가 60도 일때는 12.5 THz에서 거의 완변한 흡수가 나타나며, 90도 일 때는 종전에 나타났던 11.5 THz, 18 THz에서의 흡수는 거의 사라지는 현상이 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 전자기파의 편광 회전의 각도 φ에 변화를 줌으로써 높은 흡수율을 나타내는 주파수 대역을 선택할 수 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 단위 셀 110: 유전체 기판
120a, 120b: 도전성 폐쇄고리 120c: 도전성 브릿지
130: 도전성 판

Claims (5)

  1. 매트릭스 형태로 배열된 다수 개의 단위 셀들을 구비하는 전자기파 흡수체에 있어서,
    상기 단위 셀은
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면 상에 배치된, 중심을 공유하면서 크기가 다른 다수 개의 도전성 폐쇄고리들과 상기 도전성 폐쇄고리들을 서로 연결하는 도전성 브릿지; 및
    상기 유전체 기판의 하면 상에 배치된 도전성 판을 포함하는 전자기파 흡수체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 폐쇄고리들은 원형인 전자기파 흡수체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 폐쇄고리들은 내부 도전성 폐쇄고리와 외부 도전성 폐쇄고리를 구비하는 전자기파 흡수체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 도전성 폐쇄고리는 상기 외부 도전성 폐쇄고리에 비해 큰 폭을 갖는 전자기파 흡수체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도전성 브릿지는 상기 내부 도전성 폐쇄고리의 양측에 대칭적으로 배치되는 전자기파 흡수체.
KR1020130069428A 2013-06-18 2013-06-18 편광각 의존형 다중 밴드 전자기파 흡수체 KR101401769B1 (ko)

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