KR101532359B1

KR101532359B1 - 편광에 대한 의존성 없이 이중 전자기파를 흡수하는 전자파 흡수체 메타물질

Info

Publication number: KR101532359B1
Application number: KR1020140009597A
Authority: KR
Inventors: 이영백; 유영준; 황지섭; 이주열
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-06-29

Abstract

본 발명은 입사하는 전자기파의 편광에 대한 의존성이 없이 일어나는 다중 플라즈몬 공진 현상을 이용하여 이중 영역에의 전자기파를 흡수할 수 있는 메타 원자 복수개를 포함하는 전자기파 흡수체 메타 물질에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메타 원자는 입사하는 전자기파의 편광에 대한 의존성이 거의 없으며, 복수의 특정 주파수 영역에서 전자기파의 완전흡수가 가능하므로 이를 포함하는 메타 물질은 전자기파 흡수체 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 전자기파 흡수체 메타 물질은 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 메타 물질 제작비용을 감소시킬 수 있다.

Description

편광에 대한 의존성 없이 이중 전자기파를 흡수하는 전자파 흡수체 메타물질 {Polarization-independent and absorbing dual electromagnetic waves absorber using metamaterial}

본 발명은 입사하는 전자기파로부터 편광에 대한 의존성이 없으며, 이중 주파수 영역대의 전자기파를 흡수하는 메타 물질(metamaterial)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수개의 메타원자를 주기적으로 배열함으로써 편광에 대한 의존성이 없이 다중 플라즈몬 공진이 일어나 이중 영역에서의 전자기파를 완전 흡수할 수 있는 전자파 흡수체 메타 물질에 관한 것이다.

메타 물질은 자연계에는 존재하지 않는 물질로서 물질의 전자기적 특성이 물질 구조에 의해서 결정되는 인위적으로 설계된 물질에 대한 통칭이다. 자연계의 물질은 원자나 분자로 이루어지지만, 메타 물질은 외부에서 입사되는 전자기파의 파장보다 작은 크기를 갖는 단위인 인공 메타 원자 구조체로 이루어진다. 최근 이러한 메타 물질은 전자기파나 광파에 대한 물질의 물리적인 특성을 인위적으로 조절할 수 있다는 점에서 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있다. 여러 가지 메타 물질들 중에서 대표적으로 잘 알려진 특성 중의 하나는 음의 투자율을 갖는 것으로, 음의 투자율 특성은 음의 굴절률, 평판 렌즈, 전자기파 흡수 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다. 근래에 들어서는 전자기파의 인체에 대한 유해성이 높다는 관점에서 메타 물질을 이용한 완전한 흡수체 (보통, 흡수율이 93% 이상)에 관한 연구가 활발하게 진행이 되고 있다.

한국공개특허 10-2013-0040041

Progress In Electromagnetics Research, Vol.141, 219-231, 2013

본 발명의 목적은 입사하는 전자기파로부터 편광에 대한 의존성이 없으며, 이중 주파수 영역대에서 전자기파를 완전 흡수할 수 있으며, 흡수되는 전자기파의파장영역을 조절할 수 있는 전자기파 흡수체 메타 물질을 제공함에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 배치된 링 (ring) 형태의 제1 평판도체; 및 상기 유전체 기판의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체를 포함하는 메타 원자 복수개가 배열된 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타 물질을 제공한다.

또한 상기 메타 원자 복수개가 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 이루는 전자기파 흡수체 메타 물질을 제공한다.

상기 제1 평판도체가 배치된 면으로 전자기파가 입사되고, 상기 제1 평판도체와 제2 평판도체에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 입사된 전자기파와 공진하여 상기 제1 평판도체에 전자기파가 흡수되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타 물질을 제공한다. 이 공진에 의해 특정 주파수대에서 전자기파의 완전 흡수가 일어나게 된다.

상기 제1 평판도체는 입사되는 전자기파의 편광에 대한 의존성이 없도록 하기 위해서 링의 형태로 설계한다.

본 발명은 상기 링 형태의 제1 평판도체 반경을 조절하여 다중 주파수영역에서 전자기파의 완전 흡수를 유도하는데, 흡수되는 전자기파 파장은 상기 링 형태의 제1 평판도체 반경의 2배 및 8배 크기인 메타 원자를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의해서 상기 유전체 기판의 가로와 세로는 19-21 ㎜,두께는 0.7-0.9 ㎜일 수 있고 , 상기 링 형태의 제1 평판도체의 반경은 6-8 ㎜, 폭은 3-5 ㎜, 두께는 0.03-0.04 ㎜일 수 있고, 이때 흡수되는 전자기파는 5.03-5.11 GHz 및 16.69-17.04 GHz의 영역에서 90% 이상의 흡수율을 나타낸다.

본 발명에 따른 전자기파 흡수체 메타 물질은 편광에 대한 의존성이 없고 이중의 특정 주파수 영역에서 전자기파의 완전 흡수가 가능하므로 태양전지, 플라즈몬 센서, 볼로미터(bolomter) 및 무선 전력 수송기 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 전자파 흡수체 메타 물질은 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 메타 물질 제작비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 원자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질의 사진이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질의 흡수 주파수와 흡수율에 대한 시뮬레이션 그래프이다.
도 3의 (b) 및 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질의 흡수 주파수에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 및 실험 그래프이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 입사하는 편광 의존도에 따른 메타 물질의 흡수율에 대한 시뮬레이션 그래프이다.
도 4의 (c) 및 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 입사하는 편광 의존도에 따른 메타 물질의 흡수율에 대한 실험 그래프이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질의 흡수 주파수에서의 표면 전류 분포도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고 다른 크기로 구체화 될 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. 또한, 제1, 제2 는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.

본 발명은 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 배치된 링 (ring) 형태의 제1 평판도체; 및 상기 유전체 기판의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체를 포함하는 메타 원자 복수개가 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 이루는 전자기파 흡수체 메타 물질을 제공한다.

상기 제1 평판도체가 배치된 면으로 전자기파가 입사되고, 상기 제1 평판도체는 입사하는 전자기파를 흡수하며, 상기 제1 평판도체와 제2 평판도체에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 상기 제1 평판도체에 흡수된 전자기파와 공진하는 것을 특징으로 한다

도 1은 본 발명의 메타 원자를 도시한 사시도이다. 도 1에서 도시된 바와 같이 k는 전자기파의 진행 방향, E는 전기장 방향, H는 자기장 방향을 나타낸다. 이 때, 전기장의 방향은 메타 원자의 세로 방향과 평행할 수 있고, 입사하는 전기장은 입사면과 수직한 상태에서 편광(회전)이 가능하다.

도 1에서 유전체 기판이 정사각형의 형상을 가지는 것으로 기재되어 있으나, 평판도체들을 수용할 수 있는 구조라면 기판의 형상은 특별한 한정이 없다.

본 발명의 메타 원자(100)는 전자기파 흡수체의 단위 셀로서 유전체기판 (110)을 구비한다. 유전체 기판(110)의 상면 상에 링 형상을 갖는 제1 평판도체 (120)가 배치된다. 유전체 기판(110)의 하면 상에 도전층인 제2 평판도체(130)를 배치한다. 제1 평판도체(120)와 제2 평판도체(130)에는 외부 전원이 연결되지 않을 수 있다. 즉, 제1 평판도체(120)과 제2 평판도체(130)은 플로팅(floating)되어 있을 수 있다.

상기 메타 원자에는 전자기파가 입사된다. 도 2에서 전자기파는 제1 평판도체(120)가 배치된 면으로 수직 입사될 수 있다.

상기 입사되는 전자기파의 주파수는 4-18 GHz 일 수 있다.

전자기파가 상기 제1 평판도체(120)와 제2 평판도체(130)가 배치된 면으로 입사되는 경우, 상기 제1 평판도체(120)와 상기 제2 평판도체(13 0)로 구성된 두 개의 판 사이에서 서로 상호작용하여 특정 주파수 대역의 전자기파를 흡수한다. 구체적으로, 상기 제1 평판도체(120), 제2 평판도체(130) 및 이들 사이에 배치된 상기 유전체 기판(110)을 구비하는 메타 원자로 전자기파가 진행할 때, 유전체 기판(110)의 상면상 제1 평판도체(120)과 하면상의 제2 평판도체(130)에서 동시에 발생되는 유도 전류에 의한 유도 자장이 입사되는 특정 주파수 대역의 전자기파와 공진하게 되고, 이 공진 주파수 대역의 전자기파는 상기 링 형태의 제1 평판도체(120) 반경의 대략 8배에 해당하는 파장을 갖는 전자기파로 흡수체에서 흡수되어 소멸될 수 있다. 이 때, 전자기파 흡수는 주로 상기 링 형태의 제1 평판도체(120)에서의 전도성 손실에 의해 발생한다. 또한, 상기 링 형태의 제1 평판도체(120)는 추가적으로 링 반경의 대략 2배에 해당하는 파장을 갖는 전자기파도 흡수할 수 있다.

본 발명의 상기 링 형태의 제1 평판도체(120)의 반경이 커질수록 흡수되는 전자기파의 주파수는 낮은 영역으로 이동하게 된다. 따라서 본 발명은 상기 링 형태의 제1 평판도체(120)의 반경을 조절하여 흡수하고자 하는 특정 주파수 영역에서 전자기파를 흡수할 수 있다.

이러한 전자기파 흡수를 충분하게 하기 위해, 상기 유전체 기판(110)의 두께(t), 유전율(ε), 및 투자율(μ)은 적절하게 조절될 수 있다.

유전체 기판(110)의 한변의 길이는 제2 평판도체(130)를 수용할 수 있는 폭 또는 길이라면 어느 수치나 적용가능할 것이다. 즉, 제2 평판도체(120)가 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)의 두께(t)는 상기 제1 평판도체(120) 및 제2 평판도체(130)를 통해 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 입사되는 전자기파와 공진을 일으키기에 충분한 수치로 설정된다. 따라서 상기 유전체 기판(110)의 두께(t)는 입사되는 전자기파의 파장 또는 유전체 기판(110)의 재질에 따라 달리 설정될 수 있다.

본 발명에 있어서, 유전체 기판(110)은 FR-4인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 유전체의 특징을 갖는 모든 물질을 포함한다.

본 발명에 있어서, 평판도체는 구리인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 도체의 특징을 갖는 모든 물질을 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 메타 원자를 포함하는 전자기파 흡수체인 메타 물질을 제공한다. 본 발명의 메타 물질은 메타 원자 복수개가 동일 평면에 배열되어 평판 구조를 이룬다.

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 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예

메타 원자는 다음과 같이 구성하였다. 가로와 세로의 길이가 20 ㎜인 정사각형 FR-4 유전체 기판을 준비하였다. 상기 유전체 기판의 두께는 0.8 ㎜, 유전상수 (dielectric constant)는 4.3, 그리고 유전손실 탄젠트 (dielectric loss tangent)는 0.025로 설정하였다. 상기 유전체 기판(110)의 상면 상에 도 1에 도시된 바와 같은 제1 평판도체(120)를 배치하였다. 제1 평판도체의 링의 반경은 7 ㎜, 폭은 4 ㎜, 두께는 0.035 ㎜가 되도록 배치하였다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이 유전체 기판(110) 하면 상의 전면에 제2 평판도체(130)를 배치하였고, 두께는 0.035 ㎜가 되도록 배치하였다. 또한, 상기 제1 평판도체와 제2 평판도체들은 구리 재질로 설정하였다.

상기 메타 원자를 평면상에 가로 8개, 세로 12개를 배열하여 메타 물질인 전자기파 흡수체를 구성하였다. 도 2는 본 발명의 메타 물질의 사진이다.

이 후, 상기 전자기파 흡수체에 4-6 GHz, 13-18 GHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파를 수직으로 입사시킨 후, 주파수에 따른 흡수율을 측정하였다. 입사하는 전자기파를 편광(회전)시켜서 입사시킨 후, 주파수에 따른 흡수율을 측정하였다 .

평가예 . 흡수 주파수와 흡수율 측정

Hewlett-Packard E8362B network 분석기를 사용하여 본 발명 실시예에 따라 제조한 메타 물질의 흡수율을 측정하였다. 도 3의 (a)는 시뮬레이션 결과에 따른 전자기파 흡수체의 흡수 주파수와 흡수율을 보여주는 그래프이다. 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 입사하는 전자기파에 따라서 흡수가 일어나는 주파수의 영역이 각각 5.10 GHz (흡수율 99%)와 16.32 GHz (흡수율 99%)에서 거의 100%에 가까운 완전한 흡수가 나타나는 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 이는 자기공진에 의해 나타나는 현상으로, 5.10 GHz 주파수 영역에서 나타나는 흡수 현상은 상기 메타 원자에서 도전성 링인 제1 평판도체(120)의 링 반경이 입사 전자기파 파장의 1/8 정도의 크기이기 때문에 나타나는 현상이다. 반면 16.32 GHz 영역에서 나타나는 흡수 현상은 상기 메타 원자에서 제1 평판도체(120)의 링의 직경이 입사 전자기파 파장의 크기와 유사해서 나타나는 현상이며, 이러한 이중 흡수 현상은 기존의 전자기파 흡수체에서 전혀 알려진 바가 없었던 현상이다. 즉, 하나의 메타 원자 구조를 이용하여 서로 다른 주파수 영역에서 완전한 흡수율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.

도 3의 (b) 및 (c)는 서로 다른 주파수 영역대에 따른 본 발명 메타 물질인 전자기파 흡수체 메타 물질의 흡수 주파수와 흡수율에 관한 시뮬레이션 값과, 실제 실험결과를 비교한 그래프이다. 도 3의 (b)는 4.0-6.0 GHz에서의 메타 물질의 전자기파 흡수율이고, 도 3의 (c)는 13-18 GHz에서의 흡수율이다.

도 3의 (b) 및 (c)에서 나타난 바와 같이, 시뮬레이션 값과 실험결과에 따른 전자기파 흡수체의 흡수 주파수가 매우 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 흡수율도 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 4의 (a), (b), (c) 및 (d)는 서로 다른 주파수 영역대에 따른 본 발명 메타 물질인 전자기파 흡수체 메타 물질에 전자기파를 편광시켜서 입사시켰을 때의 흡수 주파수와 흡수율에 관한 시뮬레이션 값과, 실제 실험결과를 비교한 그래프이다. 도 4의 (a)는 4.6-5.4 GHz에서의 메타 물질의 시뮬레이션에 따른 전자기파 흡수율이고, 도 4의 (b)는 14-18 GHz에서의 시뮬레이션을 통한 흡수율이다. 도 4의 (c)는 4.6-5.4 GHz에서의 메타 물질의 실제 실험 결과인 전자기파 흡수율이고, 도 4의 (d)는 14-18 GHz에서의 실제 실험 결과 흡수율이다. 이를 통해, 본 발명의 전자기파 흡수체 메타물질은 링 형태의 제1 평판도체의 구조적 특성으로 인하여, 입사 전자기파의 편광 각도를 45 °까지 변화를 주어도 전자기파 흡수가 입사 전자기파의 편광에 영향을 받지 않는다는 사실을 확인할 수 있다.

도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 원자에서 제1 평판도체 및 제2평판도체에서의 동시에 유도된 유도 전류의 흐름에 대한 분포도를 각각 측면 및 앞면, 뒷면에서 본 그림이다. 이를 통해, 본 발명의 전자기파 흡수체 메타물질의 전자기파 흡수가 유도된 전류의 흐름에 따라서 유도되는 자기장으로 인하여 일어나는 자기 공진에 의한 다중 플라즈몬을 이용하는 것을 증명한다.

100: 메타원자 단위셀 110: 유전체 기판
120: 제1 평판도체 130: 제2 평판도체
200: 메타 물질

Claims

유전체 기판;
상기 유전체 기판의 일면에 배치된 링 형태의 제1 평판도체; 및
상기 유전체 기판의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체를 포함하는 메타원자 복수개가 배열되고,
상기 제1 평판도체가 배치된 면으로 전자기파가 입사되며,
상기 제1 평판도체와 제2 평판도체에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 입사된 전자기파와 공진하여 상기 제1평판도체에 전자기파가 흡수되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타물질.
제1항에 있어서,
상기 메타 원자 복수개가 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 이루는 전자기파 흡수체 메타물질.
삭제
제1항에 있어서,
상기 흡수되는 전자기파의 파장은 상기 링 형태의 제1 평판도체 반경의 2배 및 8배 크기인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타물질.
제1항에 있어서,
상기 제1 평판도체의 링의 반경은 6-8 ㎜이고,
흡수되는 전자기파의 주파수 영역은 5.03-5.11 GHz 및 16.69-17.04 GHz인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타물질.
제1항에 있어서,
입사되는 전자기파의 편광각은 0-45 °인것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체 메타물질.