KR101490654B1

KR101490654B1 - 메타물질 흡수체

Info

Publication number: KR101490654B1
Application number: KR20140064949A
Authority: KR
Inventors: 임성준
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2015-02-09

Abstract

본 발명은 메타물질 흡수체에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체는 유전체 기판; 상기 절연체 기판 상에 배열되는 전도성 패턴을 갖는 복수의 단위셀; 및 상기 단위셀 패턴 상에 이격되어 구비되는 미세유로;를 포함한다.
본 발명에 따르면 특정 유체를 수용하는 미세유로를 구비하는 메타물질 흡수체를 이용함으로써 다양한 유체를 이용하여 흡수가능한 동작 주파수 대역을 변경할 수 있으며, 특정 유체가 미세유로에 유입된 상태에서 전파의 흡수/반사 특성을 측정함으로써 해당 유체의 특성을 파악하는 것이 가능하다.

Description

메타물질 흡수체{Metamaterial absorber}

본 발명은 메타물질 흡수체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메타물질 흡수체의 전파 반사특성을 이용하여 유체의 특성을 파악하거나 유체의 변이 등을 파악하는 새로운 분야의 기술에 관한 것이다.

인체에 근접하거나 인체를 중심으로 하는 RF 무선통신은 최근 무선 인체 네트워크(Wireless Body Area Network, 이하 WBAN이라 함)에 대한 관심의 증가로 인해 그 중요도가 커지고 있다. 이러한 RF 무선통신은 몸에 심거나(implant) 착용할 수 있는(wearable) 장치를 인체에 탑재하여 인체를 하나의 노드로 형성한 WBAN 뿐만 아니라 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network) 및 무선 사설망(Wireless Personal Area Network)등과 결합하여 다양한 응용 분야로 확장될 수 있다. 응용 분야로는 의료 서비스, 스마트 홈, 개인 엔터테인먼트, RFID, 우주탐사 및 군사적 목적 등이 있다. 현재 상용화되고 있는 기술의 예로는 손목 부착형 핸드폰 단말기 및 MP3와 결합된 조깅 모니터 등이 있다.

이와 같이 인체와 결합된 시스템에서 사용되는 RF 무선통신 장치는 소형이며 무게가 가벼운 평면형 구조를 가지고, 인체 또는 의료 및 모자 등에 용이하게 부착하기 위해 가요성 기판 위에 제작된 평면형 구조의 안테나가 가장 바람직하다.

이러한 평면형 구조의 안테나는 인체주변에 접촉을 하게 되면 주파수가 변한다든지 성능이 매우 안 좋아지는 특성이 있다. 따라서, 손목 부착형 핸드폰 단말기, MP3와 결합된 조깅 모니터 등에 필수적으로 장착되는 평면형 구조의 안테나를 인체에 근접한 위치에서도 제대로 작동시키기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한 이로 인하여 플렉서블한 특성을 갖는 안테나 기술 등이 요구되고 있다.

한편, 종래에는 버랙터 다이오드를 이용하며 메타물질 흡수체의 동작 주파수를 가변하였으며, 이러한 방식은 바이어스 회로와 DC전력을 요구하기 때문에 비교적 비용이 많이 소요되고 장치의 규모가 커지는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 안출되었으며, 또한 이러한 메타물질흡수체를 특정 유체의 특성 판단 및 인체의 질병 진단에 이용 가능하도록 활용하기 위하여 본 발명을 개시한다.

본 발명은 유체를 이용하여 흡수가능한 동작 주파수 대역의 변경이 가능한 메타물질 흡수체를 제공한다.

또한 본 발명은 주파수별 흡수/반사 특성을 측정하여 특정 유체의 특성 및 변이를 파악할 수 있는 메타물질 흡수체를 제공한다.

또한 본 발명은 경제적이면서도 플렉서블한 메타물질 흡수체를 제공한다.

본 발명에 따른 메타물질 흡수체는 유전체 기판; 상기 절연체 기판 상에 배열되는 전도성 패턴을 갖는 복수의 단위셀; 및 상기 단위셀 패턴 상에 이격되어 구비되는 미세유로;를 포함한다.

또한 상기 각 단위셀은 상기 복수의 단위셀 배열의 행 또는 열 방향으로 일정 길이를 갖는 용량성 패턴를 포함하고, 상기 용량성 패턴은 인접하는 단위셀의 용량성 패턴과 일정 간격 이격될 수 있다

또한 상기 미세유로는, 상기 인접하는 한 쌍의 용량성 패턴들 상에 위치하고, 상기 미세유로의 타 부분에 비하여 증가된 폭을 갖는 채널부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 채널부의 폭은 0.18mm 내지 0.22mm의 범위에서 결정될 수 있다.

또한 상기 유전체 기판은 종이 재질로 형성될 수 있다.

또한 상기 각 단위셀에 형성되는 전도성 패턴은 프린터에 의하여 상기 유전체 기판 상에 프린팅될 수 있다.

또한 상기 전도성 패턴은 전도성 잉크에 의하여 인쇄될 수 있다.

또한 상기 전도성 잉크는 은(Ag)을 포함할 수 있다.

또한 상기 미세유로에 유체를 공급하는 유체 공급부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 유체 공급부는 복수의 유체 중 어느 하나를 상기 미세유로에 선택적으로 공급할 수 있다.

또한 상기 단위셀과 상기 미세유로 사이에는 접착층이 구비될 수 있다.

또한 상기 접착층은 SU-8 폴리머 재질로 형성될 수 있다.

또한 상기 미세유로층 상에는 PMAA(poly(methacrylic acid))층이 더 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면 특정 유체를 수용하는 미세유로를 구비하는 메타물질 흡수체를 이용함으로써 다양한 유체를 이용하여 흡수가능한 동작 주파수 대역을 변경할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 특정 유체가 미세유로에 유입된 상태에서 각 주파수에 따른 전파의 흡수/반사 특성을 측정함으로써 해당 유체의 특성을 파악하는 것이 가능하다.

또한 본 발명에 따르면 특정 유체의 전파 흡수/반사 특성을 시차를 두고 측정함으로써 해당 유체의 유전율 면에서의 변이를 파악하는 것이 가능하다.

또한 본 발명에 따르면 경제적이면서도 플렉서블한 메타물질 흡수체를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 특성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 미세유로에 아무 것도 흐르지 않을 때의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 미세유로에 물이 흐를 때의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 채널부의 폭이 0.2mm, 0.5mm 및 0.8mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 채널부의 길이가 각각 0.7, 0.9, 1.1 및 1.3mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14 내지 도 16은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 용량성 패턴의 길이가 각각 1, 3 및 5mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 개략적인 평면도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 분해 사시도이다. 또한 도 4는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 단면도이고, 도 5는 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 특성을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체(10)는 전체적으로 플레이트형으로 형성된다. 메타물질 흡수체(10)는 패턴이 형성된 단위셀(100)들이 열과 행을 이루도록 배열된다.

구체적으로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 단위셀(100)에는 패턴(110)과 미세유로(120)가 구비된다.

패턴(110)은 전도성 물질, 예를 들면 구리 혹은 은(Ag) 성분을 함유한 물질로 형성될 수 있다. 단위셀(100) 내의 패턴(110)은 전기적으로 연결되도록 형성되며 본 실시예의 예루살렘 십자가(Jerusalem-cross)형상을 포함하는 다양한 형상의 패턴으로 형성이 가능하다.

다만, 패턴(110)의 외측에는 단위셀의 배열방향(도 1 참조)을 따라 길이 방향을 갖는 용량성 패턴(111)이 형성된다. 용량성 패턴(111)은 인접하는 단위셀의 용량성 패턴(111)과 일정 간격 이격되도록 형성된다.

미세유로(120)는 단위셀(100)의 중앙을 지나도록 십자 형태로 교차되고 내부가 관통되어 유체의 통로를 제공하는 유로부(121)를 포함하도록 형성된다. 또한 미세유로(120)는 앞서 설명한 용량성 패턴(111)의 상부에 채널부(122)를 구비한다.

채널부(122)는 유로부(121)의 폭에 비하여 상대적으로 넓은 폭으로 형성된다. 한편, 채널부(122)는 인접하는 단위셀(100)의 채널부(122)와 연통되어 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공한다. 채널부(122)는 용량성 패턴(111)과 인접하는 단위셀의 용량성 패턴(111)의 상부 및 사이에 위치한다.

미세유로(120)는 유로부(121)와 채널부(122)를 포함하며, 도 1에 도시된 바와 같이 전체 메타물질 흡수체(10) 상에 격자 형상의 유체 이동이 가능한 통로를 제공한다.

한편, 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 다층구조로 형성된다. 최 저층에는 유전체 기판(130)이 구비된다. 유전체 기판(130)은 패턴(110)이 외부의 환경으로부터 절연되도록 한다.

유전체 기판(130)은 특히 종이로 형성될 수 있다. 유전체 기판(130)이 종이로 형성됨으로써 세라믹 등의 재질로 형성되는 경우에 비하여 저렴한 비용으로 구현이 가능하며, 최종적인 메타물질 흡수체가 플렉서블한 특성을 갖게 된다.

유전체 기판(130) 상에는 패턴(110)이 형성된다. 패턴(110)은 화학적 에칭을 통해 구리를 식각하거나 전도성 잉크를 이용하여 유전체 기판(130) 상에 프린트하여 제작할 수 있다. 예를 들어 전도성 잉크는 은(Ag) 등의 전도성 물질을 포함하는 잉크로 제작될 수 있다. 이 경우 전도성 잉크를 포함하는 잉크젯 프린터를 이용하여 유전체 기판(130), 예를 들면 종이에 인쇄할 수 있다.

패턴(110)의 상부에는 접착층(140)이 구비된다. 접착층(140)은 미세유로(120)를 패턴(110)의 상부에 고정시키기 위한 구성부로서 필요에 따라 부가하거나 제외시키는 것이 가능하다. 접착층(140)은 예를 들어 SU-8 폴리머를 이용하여 제조가 가능하다.

접착층(140)의 상부에는 미세유로(120)가 구비되며, 미세유로(120)의 상부에는 PMAA(poly(methacrylic acid))층(150)이 구비된다.

한편, 미세유로는 다양한 방식으로 구현이 가능하다. 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 미세유로를 형성하여 접착층 상부에 위치시키는 것도 가능하고, PMAA 층에 유체의 통로 역할을 하기 위한 미세 홈 또는 홀(hole)을 형성하는 방식으로 미세유로를 형성하여 접착층(140) 상에 위치시키는 것도 가능하다. 즉 미세유로를 형성하기 위한 방법 및 구조면에서는 특별한 제한이 없다.

이와 같이 종이를 유전체 기판으로 하는 메타물질 흡수체(10)를 제조하는 경우 도 5에 도시된 바와 같이 메타물질 흡수체(10)가 유동적인 특성과 폴딩이 가능한 물리적 특성을 갖게 된다.

도 6 및 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 전자파 흡수/반사 특성을 설명한다. 도 6은 미세유로에 아무 것도 흐르지 않을 때의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이고, 도 7은 미세유로에 물이 흐를 때의 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 미세유로에 아무것도 흐르지 않는 경우, 즉 공기가 유입된 경우에는 10.20GHz의 동작 주파수를 보인다. 이에 비하여 도 7에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 미세유로에 물이 흐르는 경우에는 약 8GHz의 동작 주파수를 보이고 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 미세유로에 다른 유체가 유입되는 경우에는 각각의 전파흡수/반사 특성이 상이하게 나타나게 된다. 이는 미세유로에 유입된 유체의 유전율 차이에 기인하는 것으로 파악된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 특성을 이용하여 다양한 활용이 가능하다. 예를 들면, 미지의 유체를 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 미세유로에 흐르게 한 뒤 전파 흡수/반사 특성을 측정하는 경우 해당 유체의 유전율 특성을 산출할 수 있게 되므로 미지의 유체를 파악하는 데에 이용이 가능하다.

또한 다른 예로서, 유전율을 파악하고 있는 특정 유체를 본 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 미세유로에 흐르게 한 뒤 전파 흡수/반사 특성을 측정하여 해당 유체의 변이를 산출하는 것도 가능하다. 이를 이용하는 경우 혈액 등의 전파 흡수/반사 특성을 측정하여 유전율 변이에 따른 질병의 진단 등에 이용이 가능할 것으로 판단된다.

도 8 내지 도 10을 참조하여 채널부의 폭에 따른 특성을 설명한다. 도 8 내지 도 10은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 채널부의 폭이 0.2mm, 0.5mm 및 0.8mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.

미세유로의 채널부의 폭(W1; 도 3 참조)에 따라 메타물질 흡수체의 주파수 특성이 변동된다.

도 8에 도시된 바와 같이 미세유로 내에 공기(Air)가 유입된 경우 채널부의 폭이 0.2mm, 0.5mm 및 0.8mm인 실시예 별로 각각 약 10.10GHz, 10.20GHz 및 10.30GHz인 동작 주파수 특성을 보였다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이 미세유로 내에 에탄올이 유입된 경우 채널부의 폭이 0.2mm인 실시예의 경우 약 10.20GHz의 주파수의 반사가 가장 낮은 것으로 측정되었으나, 나머지 채널부의 폭이 0.5mm 및 0.8mm인 경우에는 반사율이 낮은 특별한 동작 주파수가 관측되지 못하였다.

또한 도 10에 도시된 바와 같이 미세유로 내에 물이 유입된 경우 채널부의 폭이 0.2mm인 실시예의 경우 약 9GHz의 주파수의 반사가 가장 낮은 것으로 측정되었으나, 나머지 채널부의 폭이 0.5mm 및 0.8mm인 경우에는 각각 7.30 및 8.00GHz에서 반사율이 낮았으나, 반사율이 0.2mm인 경우에 비하여 매우 높게 측정되었다.

정리하면, 채널부의 폭은 약 2mm의 길이를 갖게 되는 경우 동작 주파수 특성이 향상되는 것으로 측정되었으며, 활용가능한 주파수 대역 및 오차범위를 고려하는 경우 10% 내외의 범위 즉, 약 1.8mm 에서 2.2mm의 폭을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 11 내지 도 13을 참조하여 채널부의 길이에 다른 특성을 설명한다. 도 11 내지 도 13은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 채널부의 길이가 각각 0.7, 0.9, 1.1 및 1.3mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.

한편, 채널의 길이(L1; 도 3참조)와 주파수 반사 특성과는 특별한 관련성이 발견되지 않았다.

도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이 미세유로에 각각 공기, 에탄올 및 물이 유입된 경우에 대하여 채널의 길이가 0.7, 0.9, 1.1 및 1.3mm인 실시예들에 있어서 주파수 변화가 측정되긴 하였으나, 큰 차이가 없었다.

도 14 내지 도 16을 참조하여 용량성 패턴의 길이에 따른 특성을 설명한다. 도 14 내지 도 16은 각각 미세유로에 각각 공기, 에탄올(ethanol) 및 물이 흐르는 경우 용량성 패턴의 길이가 각각 1, 3 및 5mm인 실시예의 메타물질 흡수체의 전파흡수/반사 특성을 나타내는 그래프이다.

또한 용량성 패턴의 길이(L2; 도 3 참조)에 따른 변화를 측정하였으나, 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이 공기, 에탄올 및 물에 따라 최적화된 용량성 패턴의 길이가 각각 상이한 것으로 판단된다.

따라서 특정 유체의 판단 및 진단에 이용되는 메타물질 흡수체의 경우 해당 유체의 유전율 예상 범위에 따라 최적화된 용량성 패턴의 길이를 형성함으로써 이용이 가능할 것으로 판단된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

10: 메타물질 흡수체
100: 단위셀
110: 패턴
120: 미세유로
130: 유전체 기판

Claims

유전체 기판;
상기 유전체 기판 상에 배열되는 전도성 패턴을 갖는 복수의 단위셀; 및
상기 전도성 패턴 상에 이격되어 구비되는 미세유로;를 포함하는 메타물질 흡수체.
제1항에 있어서,
상기 각 단위셀은 상기 복수의 단위셀 배열의 행 또는 열 방향으로 일정 길이를 갖는 용량성 패턴를 포함하고,
상기 용량성 패턴은 인접하는 단위셀의 용량성 패턴과 일정 간격 이격되는 메타물질 흡수체.
제2항에 있어서,
상기 미세유로는,
상기 인접하는 한 쌍의 용량성 패턴들 상에 위치하고, 상기 미세유로의 타 부분에 비하여 증가된 폭을 갖는 채널부를 더 포함하는 메타물질 흡수체.
제3항에 있어서,
상기 채널부의 폭은 0.18mm 내지 0.22mm의 범위에서 결정되는 메타물질 흡수체.
제1항에 있어서,
상기 유전체 기판은 종이 재질로 형성되는 메타물질 흡수체.
제5항에 있어서,
상기 각 단위셀에 형성되는 전도성 패턴은 프린터에 의하여 상기 유전체 기판 상에 프린팅되는 메타물질 흡수체.
제6항에 있어서,
상기 전도성 패턴은 전도성 잉크에 의하여 인쇄되는 메타물질 흡수체.
제7항에 있어서,
상기 전도성 잉크는 은(Ag)을 포함하는 메타물질 흡수체.
제1항에 있어서,
상기 미세유로에 유체를 공급하는 유체 공급부를 더 포함하는 메타물질 흡수체.
제9항에 있어서,
상기 유체 공급부는 복수의 유체 중 어느 하나를 상기 미세유로에 선택적으로 공급하는 메타물질 흡수체.
제1항에 있어서,
상기 단위셀과 상기 미세유로 사이에는 접착층이 구비되는 메타물질 흡수체.
제11항에 있어서,
상기 접착층은 SU-8 폴리머 재질로 형성되는 메타물질 흡수체.
제1항에 있어서,
상기 미세유로 상에는 PMAA(poly(methacrylic acid))층이 더 구비되는 메타물질 흡수체.