KR101521211B1 - 메타물질을 이용한 광대역 전자파 흡수체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 주파수 영역에서 전자파를 흡수하는 메타물질을 이용한 전자파 흡수체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전자파 흡수체는 원뿔대 형태를 가진 다수개의 메타원자 단위셀들을 주기적으로 배치함으로써 특정 광대역의 주파수를 흡수할 수 있고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 크기에 따라 흡수되는 주파수 영역을 조절할 수 있으므로 전자파 흡수체 뿐만 아니라 태양전지, 플라즈몬 센서 및 무선 전력 수송기 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 전자파 흡수체는 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 제작비용을 감소시킬 수 있다.

Description

메타물질을 이용한 광대역 전자파 흡수체 {Broadband electromagnetic-wave absorber using metamaterial}

본 발명은 광 주파수 영역에서 전자파를 흡수하는 메타물질을 이용한 전자파 흡수체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원뿔대 형태를 가진 다수개의 메타원자 단위셀들을 주기적으로 배치함으로써 특정 광대역의 주파수를 흡수할 수 있고, 상기 원뿔대의 크기에 따라 흡수되는 주파수 영역을 조절할 수 있는 전자파 흡수체에 관한 것이다.

휴대폰, 텔레비젼, 컴퓨터, 기타 전자제품에서 발생하는 전자파는 인체에 좋지 않은 영향을 끼치는 것으로 보고되고 있다. 최근에는 이러한 전자파를 차단하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있고 메타물질을 이용한 전자파 흡수체가 많은 관심을 받고 있다.

메타물질은 기존 물질의 화학적 조성보다는 물질의 전자기적 특성이 구조에 의해서 결정되는 인위적으로 설계된 물질이며, 자연계에는 존재하지 않는 물성을 갖도록 고안된 물질의 통칭이다. 자연계의 물질은 원자나 분자로 이루어지지만, 메타물질은 외부에서 입사되는 전자기파의 파장보다 작은 크기를 갖는 단위인 인공 메타원자 구조체로 이루어진다. 이러한 메타물질은 전자기파나 광파에 대한 물질의 물성을 인위적으로 조절할 수 있다는 점에서, 최근 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있다.

전자파를 광대역에서 흡수하기 위한 메타물질 흡수체를 제작하는 방법의 하나는 도전층과 유전층을 적층시킨 후 밀링 작업으로 가공하는 것이다. 통상적인 전자파 흡수체는 유전층의 앞면 상에 배치된 도전체 패턴과 뒷면 상에 배치된 접지 도전체층을 구비하는데, 대부분의 전자파 흡수체는 광대역이 아닌 특정 주파수에서만 흡수가 일어나며, 그 특정 주파수의 파장(λ)에 의해서 흡수체 단위셀의 크기가 한정된다는 단점이 있다. 그러므로 원하는 광주파수대역에서 흡수가 이루어지는 동시에 높은 흡수율을 가지는 전자파 흡수체를 얻기 위해서는 적층되는 높이와 밀링 가공하는 모형을 최적화하는 것이 필요하다.

Appl.Phys.Lett.100,103506 (2012)

본 발명의 목적은 특정 광대역의 주파수를 흡수할 수 있고, 흡수되는 주파수 영역을 조절할 수 있는 전자파 흡수체를 제공함에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 복수개의 메타원자 단위셀이 배열된 전자파 흡수체로서, 상기 메타원자 단위셀은 유전체기판; 상기 유전체 기판의 일면에 배치된 도전성 판; 및 상기 유전체 기판의 타면에 평판도전층 및 평판유전층이 반복적으로 다수 적층된 후 원뿔대 형태로 밀링가공 되어 배치된 원뿔대 형태 구조체를 포함하며, 상기 원뿔대 형태 구조체는 상기 다수의 평판유전층 상면과 하면에 상면 평판도전층과 하면 평판도전층이 배치되고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 최하면과 최상면은 평판 도전층이 배치된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체를 제공한다.

상기 원뿔대 형태 구조체의 평판도전층이 배치된 면으로 전자파가 입사되고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 상면 평판도전층과 하면 평판도전층에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도자장이 상기 입사된 전자파와 공진하여 전자파가 흡수되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체를 제공한다. 이 공진에 의해 특정 광주파수 영역에서 전자파의 흡수가 일어나게 된다.

본 발명은 상기 원뿔대 형태 구조체의 최상면 평판도전층 및 최하면 평판도전층의 직경을 조절하여 흡수되는 전자파의 주파수 영역을 조절할 수 있는 전자파 흡수체를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의해서 유전체 기판과 유전층은 FR-4일 수 있고, 도전층과 도전성 판은 구리일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원뿔대 형태의 구조체 최상면 평판도전층의 직경은 10.8-16.8 ㎜일 수 있고, 상기 원뿔대 형태의 구조체 최하면 평판도전층의 직경은 18.8-24.8 ㎜일 수 있고, 상기 원뿔대 형태의 구조체의 높이는 4.3-8.3 ㎜이며, 흡수되는 전자파의 주파수 영역은 3.90-6.05 GHz일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 입사되는 전자파의 입사각은 0-55 °이며, 입사되는 전자파의 편광각은 0-45 °일 수 있다.

본 발명에 따른 원뿔대 형태를 가진 다수개의 메타원자 단위셀들을 주기적으로 배치함으로써 특정 광대역의 주파수를 흡수할 수 있고, 상기 원뿔대의 크기에 따라 흡수되는 주파수 영역을 조절할 수 있는 전자파 흡수체를 얻을 수 있을 뿐 아니라 태양전지, 플라즈몬 센서 및 무선 전력 수송기 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 전자파 흡수체는 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 제작비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수체를 구성하는 메타원자 단위셀을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 I-I를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체의 사진이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수체의 주파수와 흡수율에 따른 시뮬레이션 및 실험 결과 그래프이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 입사각에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 5(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 원뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 5(b)는 본 발명의 선행기술문헌에 따른 사각뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 5(c)는 본 발명의 선행기술문헌에 따른 사각뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고 다른 크기로 구체화될 수 있다. 또한, 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 발명은 복수개의 메타원자 단위셀이 배열된 전자파 흡수체로서, 상기 메타원자 단위셀은 유전체기판; 상기 유전체 기판의 일면에 배치된 도전성 판; 및 상기 유전체 기판의 타면에 평판도전층 및 평판유전층이 반복적으로 다수 적층된 후 원뿔대 형태로 밀링가공 되어 배치된 원뿔대 형태 구조체를 포함하며, 상기 원뿔대 형태 구조체는 상기 다수의 평판유전층 상면과 하면에 상면 평판도전층과 하면 평판도전층이 배치되고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 최하면과 최상면은 평판 도전층이 배치된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체를 제공한다.

본 발명의 상기 원뿔대 형태란 원뿔을 밑면에 평행인 평면으로 잘랐을 때, 꼭짓점이 있는 위쪽을 뺀 나머지 부분으로 이루어진 도형을 말한다.

본 발명의 상기 원뿔대 구조체는 최하면에 평판도전층이 배치되고 그 윗면에 평판유전층, 평판유전층 윗면에 평판도전층의 순서로 반복적으로 적층되어 최상면에 평판도전층이 배치된 후 원뿔대 형태로 밀링가공 한 것이다.

본 발명의 상기 상면 평판도전층은 원뿔대 형태 구조체에 적층된 각각의 평판유전층의 윗면에 위치한 평판도전층이며, 상기 하면 평판도전층은 원뿔대 형태 구조체에 적층된 각각의 평판유전층의 아랫면에 위치한 평판도전층이다.

본 발명은 상기 원뿔대 형태 구조체의 평판도전층이 배치된 면으로 전자파가 입사되고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 상면 평판도전층과 하면 평판도전층에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도자장이 상기 입사된 전자파와 공진하여 넓은 입사각 영역에서 편광에 대한 의존성이 없이 전자파가 흡수되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체를 제공한다. 이 공진에 의해 특정 광주파수 영역에서 전자파의 흡수가 일어나게 된다.

본 발명은 상기 원뿔대 형태 구조체의 최상면 평판도전층 및 최하면 평판도전층의 직경을 조절하여 흡수되는 전자파의 주파수 영역을 조절할 수 있는 전자파 흡수체를 제공한다.

본 발명에 있어서, 유전체 기판과 유전층은 FR-4인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 유전체의 특징을 갖는 물질을 모두 포함한다.

본 발명에 있어서, 도전층과 도전성 판은 구리인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 도체의 특징을 갖는 물질을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수체를 구성하는 메타원자 단위셀을 도시한 사시도이다. 도 1에서 도시된 바와 같이 E는 전기장, H는 자기장 방향을 나타내며, k는 전자파의 진행 방향을 나타낸다. 이 때, 전기장의 방향은 메타원자의 세로방향과 평행할 수 있고, 입사하는 전기장의 방향은 회전이 가능하다.

도 1에서 유전체 기판이 직사각형의 형상을 가지는 것으로 기재되어 있으나, 상기 도전성 판과 원뿔대 형태 구조체를 수용할 수 있는 구조라면 기판의 형상은 특별한 한정이 없다.

본 발명의 메타원자(100)는 전자파 흡수체의 단위셀로서 유전체기판(110)을 구비한다. 유전체 기판(110)의 상면 상에 적층되는 원뿔대(120) 형상이 배치된다. 유전체 기판(110)의 하면 상에 도전성 판(130)을 배치한다. 도전성 판(130)은 전자파 투과를 방지하기 위함이다.

도 2에서 전자파가 상기 상면 평판도전층(140)과 하면 평판도전층(160)이 배치된 면으로 입사되는 경우, 유전층(150) 상면상의 상면 평판도전층(140)과 하면상의 하면 평판도전층(160)에서 동시에 발생되는 유도 전류에 의한 유도 자장이 입사되는 특정 주파수 대역의 전자파에서 공진하게 되고, 이 공진 주파수 대역의 전자파는 상기 상면 평판도전층(140)과 하면 평판도전층(160)의 직경 길이의 대략 3배에 해당하는 파장을 갖는 전자파이며 전자파 흡수체에서 흡수된다. 해당 전자파 주파수에서 충분하게 흡수되려면, 상기 유전체 기판(110) 및 유전층(150)의 물질 고유의 유전율(ε)과 투자율(μ)을 설정한 후, 두께(t)가 조절되어야 한다.

유전체 기판(110)의 한변의 길이는 상기 원뿔대 형태 구조체(120) 및 도전성 판(130)을 수용할 수 있는 폭 또는 길이라면 어느 수치나 적용가능할 것이다. 즉, 원뿔대 형태 구조체(120) 및 도전성 판(130)이 가지는 형상 또는 크기를 수용하기에 충분한 한 변의 길이를 가지는 것으로 유전체 기판(110)의 크기를 임의로 설정할 수 있다.

또한, 상기 유전체 기판(110) 및 유전층의(150)의 두께(t)는 상기 상면 평판도전층(140) 및 하면 평판도전층(160)을 통해 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 입사되는 전자파와 공진을 일으키기에 충분한 수치로 설정된다. 따라서 상기 유전체 기판(110) 및 유전층의 두께(t)는 입사되는 전자파의 파장 또는 유전체 기판(110) 및 유전층(150)의 재질에 따라 달리 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 상기 상면 평판도전층(140)과 유전층(150)을 차례대로 적층한 후 가공된 원뿔대(120) 형상으로 가공하면 흡수되는 전자파의 파장범위는 상기 원뿔대 형태 구조체의 최상면 평판도전층 직경의 3배크기 내지 최하면 평판도전층 직경의 3배 크기에 해당하게 되어 광주파수대역에서 거의 완전한 전자파 흡수가 일어나게 된다.
이때, 상기 원뿔대 형태의 구조체 최상면 평판도전층의 직경은 10.8-16.8 ㎜인 것이 바람직하고, 상기 원뿔대 형태의 구조체 최하면 평판도전층의 직경은 18.8-24.8 ㎜인 것이 바람직하며, 상기 원뿔대 형태의 구조체의 높이는 4.3-8.3 ㎜인 것이 바람직하다. 따라서 하기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전자파 흡수체는 주파수 영역 3.90-6.05 GHz에서 93% 이상의 흡수율을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전자파 흡수체는 하기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이 입사되는 전자파의 입사각 0-55°에서 흡수 주파수 대역폭과 흡수율에 변화 없이 전자파를 흡수할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자파 흡수체는 하기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이 입사 전자파의 편광에 영향을 받지 않고 전자파를 흡수할 수 있는바, 입사되는 전자파의 편광각은 0-45°인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 메타원자 단위셀들을 포함하는 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체를 제공한다. 본 발명의 전자파 흡수체는 메타원자 단위셀 복수 개를 동일 평면에 주기적으로 배열하여 도 3과 같이 평판구조를 이루는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 사실은 당업계 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예 1

메타원자는 다음과 같이 구성하였다. 가로와 세로의 길이가 각각 198.75 ㎜ , 297.5 ㎜인 직사각형 FR-4 유전체 기판을 준비하였다. 상기 유전체 기판의 두께 t₁은 2.2 ㎜, 유전상수(dielectric constant)는 4.2, 그리고 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.025로 설정하였다. 상기 유전체 기판(110)의 상면 상에 도 1에 도시된 바와 같이 적층되어 있는 원뿔대(120) 형상을 배치하였다. 적층되어 있는 원뿔대(120)는 두께가 0.183 ㎜인 유전층(150)과 두께가 35 ㎛인 평판도전층(140)을 반복적으로 각각 29층씩 쌓아두고 열압착공정을 거친 후 밀링가공으로 제작된다. 높이(h)는 6.3 ㎜이고 원뿔대 상면의 원(170)의 직경(R₁)은 13.8 ㎜, 원뿔대 하면의 원(180)의 직경(R₂)은 21.8 ㎜인 원뿔대를 23.8 ㎜ 주기(P)로 배치해 평면상에 가로 7개, 세로 11개를 배열된 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체를 구성하였다. 상기 유전체 기판(110)의 하면에는 도전성 판(130)이 위치한다. 도 3은 본 발명의 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체의 사진이다. 도 4(a)는 본 발명의 전자파 흡수체의 주파수와 흡수율에 따른 시뮬레이션 및 실험 결과 그래프이다.

도 4(b)는 본 발명의 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 이를 통해, 본 발명의 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체에서 정사각형 안에 원이 들어있는 메타원자 단위셀의 구조적 특성으로 인하여, 입사 전자파의 편광 각도를 45 °까지 변화를 주어도 전자파 흡수가 입사 전자파의 편광에 영향을 받지 않는다는 사실을 확인할 수 있다.

도 4(c)는 본 발명의 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 입사각에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 이를 통해, 입사 전자파의 입사 각도를 30 °까지 변화를 주어도 흡수 주파수 대역폭과 흡수율의 변화가 거의 없는 것을 볼 때 넓은 입사각 영역에서 흡수할 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.

평가예

Hewlett-packard E8362B network 분석기를 이용해 본 발명 실시예에 따라 제조된 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체의 주파수에 따른 흡수율을 측정하였다.

도 4(a)는 본 발명의 전자파 흡수체의 주파수와 흡수율에 따른 시뮬레이션 및 실험 결과 그래프이다. 이를 통해, 시뮬레이션 값과 실제 실험값에서 흡수 주파수가 거의 일치함을 확인할 수 있으며 흡수율도 유사함을 확인할 수 있다. 도 4(b)에서 보는 바와 같이, 입사하는 전자파의 편광에 무관하게 흡수가 일어나는 주파수 영역 3.90 GHz에서 6.05 GHz까지 93% 이상 흡수하는 것을 확인 할 수 있다.

비교예

선행기술문헌에 개재된 사각뿔대 구조를 가지는 전자파 흡수체와 본 발명의 원뿔대 구조를 가지는 전자파 흡수체를 비교하였다.

도 5(a)는 본 발명의 원뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 도 5(b)는 본 발명의 선행기술문헌에 따른 사각뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 입사 전자파의 편광에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 그래프이다. 이를 통해, 원뿔대 구조가 사각뿔대 구조에 비해서 편광에 대한 영향을 적게 받는다는 것을 확인할 수 있다.

도 5(c)는 본 발명의 선행기술문헌에 따른 사각뿔대 구조 전자파 흡수체의 주파수와 흡수율에 대한 결과 그래프이다. 이를 통해, 사각뿔대 구조 전자파 흡수체는 7.08-14.7 GHz에서 90%이상의 흡수율을 나타내고 있음에 비해, 본 발명의 원뿔대 구조 전자파 흡수체는 3.90-6.05 GHz에서 93%이상의 흡수율을 보이는 점에서, 흡수영역 및 흡수율에 차이가 있음을 확인할 수 있다.

100: 메타원자 단위셀 110: 유전체 기판
120: 원뿔대 형태 구조체 130: 도전성 판
140: 상면 평판도전층 150: 유전층
160: 하면 평판도전층 170: 최상면 평판도전층
180: 최하면 평판도전층 200: 메타물질로 이루어진 전자파 흡수체

Claims (6)

1. 복수개의 메타원자 단위셀이 배열된 전자파 흡수체에 있어서,
   상기 메타원자 단위셀은
   유전체기판;
   상기 유전체 기판의 일면에 배치된 도전성 판; 및
   상기 유전체 기판의 타면에 평판도전층 및 평판유전층이 반복적으로 다수 적층되어 배치된 원뿔대 형태 구조체;를 포함하며,
   상기 원뿔대 형태 구조체는 상기 적층된 다수의 평판유전층의 상면과 하면에 상면 평판도전층과 하면 평판도전층이 배치되고, 상기 원뿔대 형태 구조체의 최하면과 최상면은 평판도전층이 배치된 것을 특징으로 하고,
   상기 원뿔대 형태의 구조체 최상면 평판도전층의 직경은 10.8-16.8 ㎜이고, 상기 원뿔대 형태의 구조체 최하면 평판도전층의 직경은 18.8-24.8 ㎜이며, 상기 원뿔대 형태의 구조체의 높이는 4.3-8.3 ㎜이며, 흡수되는 전자파의 주파수 영역은 3.90-6.05 GHz인 것을 특징으로 하고,
   입사되는 전자파의 입사각은 0-55 °이며, 입사되는 전자파의 편광각은 0-45 °인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 원뿔대 형태 구조체는 평판도전층 및 평판유전층이 반복적으로 다수 적층된 후 원뿔대 형태로 밀링가공된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 원뿔대 형태 구조체의 평판도전층이 배치된 면으로 전자파가 입사되고,
   상기 원뿔대 형태 구조체의 상면 평판도전층과 하면 평판도전층에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도자장이 상기 입사된 전자파와 공진하여 전자파가 흡수되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
4. 제1항에 있어서,
   흡수되는 전자파의 파장범위는 상기 원뿔대 형태 구조체의 최상면 평판도전층 직경의 3배 크기 내지 최하면 평판도전층 직경의 3배 크기인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수체.
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