KR101540365B1 - Ｐｅｓ 박막상의 전송선로 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PES 박막상의 전송선로 구조체에 관한 것으로서, 휘어지는 기판상에서 쉽게 구부릴 수 있으며 RF 소자의 점유면적을 최소화하여 소형화를 이룰 수 있도록 하는 PES 박막상의 전송선로 구조체가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, PES(PolyEther Sulfone) 박막상에 형성되는 것으로, 서로 이격 배치되는 한 쌍의 접지부와, 상기 한 쌍의 접지부 사이에 이격된 공간의 길이방향을 따라 배치되는 전송선로를 포함하는 PES 박막상의 전송선로 구조체에 있어서, 상기 전송선로는, 소정 직경을 가지는 신호라인; 및 상기 신호라인으로부터 폭방향 양단으로 형성된 복수개의 금속 스트립;을 포함하는 피쉬본(Fish bone) 형상으로 이루어지는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

ＰＥＳ 박막상의 전송선로 구조체{TRANSMISSION LINE STRUCTURE ON PES SUBSTRATE}
본 발명은 PES 박막상의 전송선로 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 휘어지는 기판상에서 쉽게 구부릴 수 있으며 RF 소자의 점유면적을 최소화하여 소형화를 이룰 수 있도록 하는 PES 박막상의 전송선로 구조체에 관한 것이다.
최근 차세대 디스플레이로 투명 플렉시블 디스플레이가 대두되고 있으며, 이동통신기능을 갖춘 모바일 플렉시블 디스플레이를 개발하기 위해서는 투명 플렉시블 기판상에 RF 소자를 집적하는 기술이 필수적이다.
현재 고투명성을 가진 투명 플렉시블 기판으로써 사용이 기대되는 재료는 PC(PolyCarbonate), PEN(PolyEthyleneNaphthalate), PET(PolyEthylene Terephthalate), PES(PolyEther Sulfone)가 있다. PC, PEN, PET는 염가의 재료이며 이로 인해 투명 플렉시블 디스플레이용 전자소자 제작에 널리 사용되어 왔다.
그러나, 상기 박막재료는 양호한 내열성을 가지지 못하며, 내열성을 나타내는 척도인 유리전이온도 Tg가 155℃ 이하이다. 따라서, 상기 박막재료를 사용하여 전자소자를 제작하는 경우 저온에서만 제작이 가능하며, 이로 인해 양호한 전기적 특성을 가지는 고주파 트랜지스터의 제작이 매우 어렵다.
이에 비하여 PES의 경우는 유리전이온도 Tg가 230℃로서, 투명 플렉시블 기판 중에서 가장 높다. 따라서, 비교적 고온에서 소자공정이 가능하여 양질의 전자소자를 제작할 수 있다. 그리고, 단시간의 고온공정의 경우 300℃까지 공정이 가능하므로 모든 투명 플렉시블 소자 중에서 유일하게 안정된 납땜공정이 가능하다. 그밖에도 PES 는 양호한 내수성, 강인성, 치수 안정성을 가지므로 고주파 전자소자용 기판으로서 가장 적합하다.
이로 인해 최근에는 PES 박막의 RF 응용에 관한 연구가 보고되었다. 그 결과에 의하면 PES는 기존의 반도체 재료인 실리콘에 비해 훨씬 낮은 RF 손실특성을 보여주었으며, 광대역에서 안정적인 주파수 특성을 보여주었다.
그러나, PES는 실리콘에 비해 낮은 유효 유전율로 인해 장파장 특성을 보이며, 이에 따라 PES 박막상의 RF 소자는 실리콘 박막에 비해 더욱 큰 점유면적을 차지하게 되는 문제점이 있다.
도1은 종래의 전송선로 구조인 코프레너 선로를 도시하는 평면도이다.
도1과 같이 현재 상용화된 실리콘 기판상의 코프레너 타입의 전송선로는 휘어지지 않아 그 응용분야가 통신 시장 및 전자기기 시장 등으로 한정되어 있다. 또한 실리콘 반도체의 특성상 고온에는 견디기 힘들며, 파장 축소 효과를 위해 다른 구조를 위하면 삽입 손실 등이 커지는 문제점이 있다.
KR 10-2001-0104830 A KR 10-2012-0105264 A
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, PES 박막상에 제작되어 쉽게 구부릴 수 있으며 PES 박막상에서 점유면적을 최소화하여 소형화를 이룰 수 있도록 하는 PES 박막상의 전송선로 구조체를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, PES(PolyEther Sulfone) 박막상에 형성되는 것으로, 서로 이격 배치되는 한 쌍의 접지부와, 상기 한 쌍의 접지부 사이에 이격된 공간의 길이방향을 따라 배치되는 전송선로를 포함하는 PES 박막상의 전송선로 구조체에 있어서, 상기 전송선로는, 소정 직경을 가지는 신호라인; 및 상기 신호라인으로부터 폭방향 양단으로 형성된 복수개의 금속 스트립;을 포함하는 피쉬본(Fish bone) 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 PES 박막상의 전송선로 구조체에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 접지부의 양단부는 상기 전송선로 방향으로 절곡되어 상기 금속 스트립을 감싸는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, PES 박막상에 제작되는 피쉬본 형태의 전송선로는 휘어지는 기판상에서 쉽게 구부릴 수 있으며, PES 박막상에서의 점유면적을 최소화하여 소형화된 RF용 소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도1은 종래의 전송선로 구조인 코프레너 선로를 도시하는 평면도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 PES 박막상에 제작된 전송선로의 구조를 도시하는 개념도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l 변화에 따른 파장측정 결과를 나타내는 그래프이고,
도4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 주기적인 용량 측정 결과를 나타내는 그래프이고,
도5는 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 전송상수 측정결과를 나타내는 그래프이고,
도6은 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 주기적인 유효유전율 측정결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 PES 박막상에 제작된 전송선로의 구조를 도시하는 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 PES 박막상의 전송선로 구조체는, 도2에 도시된 바와 같이, PES(PolyEther Sulfone) 박막상에 형성되는 것으로, 서로 이격 배치되는 한 쌍의 접지부(20)와, 상기 한 쌍의 접지부(20) 사이에 이격된 공간의 길이방향을 따라 배치되는 전송선로(40)를 포함한다.
여기서, 상기 전송선로(40)는, 소정 직경을 가지는 신호라인(42, Signal line)과, 상기 신호라인(42)으로부터 폭방향 양단으로 형성된 복수개의 금속 스트립(44, PMS; Periodic Metal Strips)을 포함하는 것으로, 피쉬본(Fish bone) 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 접지부(20)의 양단부는 상기 전송선로(40) 방향으로 절곡되어 상기 금속 스트립(44)을 감싸는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도1에 도시된 종래의 코프레너 선로의 경우는 신호라인과 접지부 사이의 주기적인 용량 Ca만 존재하는 것에 반해, 본 발명의 피쉬본 형태의 선로구조는 Ca뿐 아니라 주기적인 용량 CPMS도 존재한다. 그 이유는 금속 스트립 자체가 각각 독립된 개방선로가 되며, 도2와 같이 이러한 개방선로는 용량 CPMS로 표현되기 때문이다.
다음의 수학식1과 같이 전송선로의 파장은 주기적인 용량에 반비례하며, 따라서 피쉬본 형태의 선로구조는 종래의 코프레너 선로에 비해 단파장 특성을 보이게 된다.
Figure 112014000390988-pat00001
상기 수학식1에서, f는 중심주파수이고, L은 전송선로의 단위길이당 인덕턴스이고, C는 단위길이당 용량 값이다.
PES 박막상에 제작되는 종래의 코프레너 선로구조와 본 발명의 피쉬본 형태의 선로구조에 대한 단위길이당 용량을 비교하기 위하여 전송선로 이론을 적용하여 단위길이당 용량을 추출하였다. 전송선로 이론에 의하면 전송상수 β와 특성 임피던스 Z0는 다음의 수학식2와 수학식3으로 표현된다.
Figure 112014000390988-pat00002
Figure 112014000390988-pat00003
상기 수학식2와 수학식3으로부터 전송선로의 단위길이당 용량 C는 다음의 수학식4로 표현될 수 있다.
Figure 112014000390988-pat00004
다음의 표1은 수학식4로부터 추출된 종래의 코프레너 선로와 금속 스트립 길이 l=160㎛의 피쉬본 형태의 단위길이당 주기적 용량을 나타낸다. 피쉬본 형태의 선로구조를 제작하기 위해서 200㎛ 두께의 PES상에 두께 2㎛의 Au/Ti 금속층이 증착되었다. 신호라인과 접지부의 폭은 각각 70㎛과 120㎛이다. 그리고 주기적인 금속 스트립의 길이와 폭은 각각 160㎛과 30㎛이며, 금속 스트립 사이의 길이는 30㎛이다. 표1에서 보는 바와 같이 피쉬본 형태의 선로구조는 종래의 코프레너 선로보다 훨씬 큰 주기적 용량을 보여준다.
Figure 112014000390988-pat00005
다음의 표2는 PES 박막상에 제작된 종래의 코프레너 선로와 금속 스트립 길이 l=160㎛의 피쉬본 형태의 선로구조에 대한 파장측정결과를 보여준다. 표2에서 보는 바와 같이 피쉬본 형태의 선로구조는 종래의 코프레너 선로보다 훨씬 짧은 파장특성을 보여주며, 이는 앞서 설명한 바와 같이 단위길이당 주기적 용량이 증가하였기 때문이다.
Figure 112014000390988-pat00006
상기 표2와 같은 결과로부터 피쉬본 형태의 선로구조를 이용하여 RF 수동소자를 제작하면 종래의 코프레너 선로구조를 이용하는 경우에 비해 점유면적이 훨씬 줄어듬을 알 수 있다.
다음의 표3은 PES 박막상에서 λ/4의 길이를 가지는 피쉬본 형태의 전송선로에 대한 삽입손실 특성을 보여준다. 여기서, 실리콘 및 PES 박막상의 종래의 코프레너 선로의 손실특성도 추가되었다. 피쉬본 형태의 전송선로는 종래의 코프레너 선로에 비해 저손실 특성을 나타내며, 구체적으로 50GHz까지의 주파수 범위에서 1.31dB보다 적은 손실특성을 나타내고 있다.
Figure 112014000390988-pat00007
앞서, 표2에서 설명한 바와 같이 피쉬본 형태의 선로구조는 종래의 코프레너 선로보다 높은 용량성분을 가지므로 축소된 길이의 파장을 가진다. 본 발명의 실시예에서는 주기적 구조인 금속 스트립의 길이변화에 따른 선로파장 의존성에 대해서도 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l 변화에 따른 파장측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도3에서 l = 0은 주기적 구조가 없는 전송선로(도1 참조)에 해당한다. 도3에서 보는 바와 같이 l은 0㎛ 내지 160㎛의 범위에서 l이 증가할수록 파장이 짧아지는데, 이는 l이 증가할수록 용량 CPMS값이 커지기 때문이다. 즉, 주기적인 병렬 커패시턴스의 단위길이당 용량 Ct값은 아래의 수학식5a와 수학식5b로 표현된다.
Figure 112014000390988-pat00008
Figure 112014000390988-pat00009
상기 수학식5와 수학식6에서, βl와 ω는 각각 선로 폭 T와 길이 l을 가지는 금속 스트립의 개별 선로에 해당하는 전송상수와 각주파수이며, Z0l과 Ca는 각각 선로 폭 T와 길이 l을 가지는 금속 스트립의 개별 선로에 해당하는 특성 임피던스와 도2에 도시된 바와 같이 신호라인(42)과 접지부(20) 사이의 커플링 용량이다.
여기서, 'βll ＜ π/2'인 범위에서 l이 증가할수록 CPMS가 증가하여 주기적인 용량값이 증가함을 알 수 있으며, 수학식1로부터 전송선로의 주기적인 용량값이 커지면 파장이 감소하게 됨을 알 수 있다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 주기적인 용량 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도4의 결과로부터 본 발명의 피쉬본 형태의 선로구조를 이용하여 RF 수동소자를 제작하면 종래의 선로구조를 이용하는 경우에 비해 점유면적이 훨씬 줄어듬을 알 수 있다. 예를 들어, 금속 스트립의 길이가 230㎛인 피쉬본 형태의 선로구조를 이용하여 PES 박막상에 특성 임피던스 Z0이 61Ω인 λ/4 선로를 제작하는 경우, 중심주파수 30GHz에서 선로의 길이는 0.6㎜가 되며, PES 박막상의 점유면적은 0.318㎟가 된다. 이에 반해 종래의 코프레너 선로를 이용하여 PES 박막상에 특성 임피던스 Z0이 61Ω인 λ/4 선로를 제작하는 경우, 중심주파수 30GHz에서 선로의 길이와 폭은 각각 0.27㎜와 1.7㎜가 되며, PES 박막상의 점유면적은 0.459㎟가 된다. 따라서, 본 발명의 피쉬본 형태의 선로구조를 이용하여 RF 수동소자를 제작하면 종래의 코프레너 선로를 이용하는 경우에 비해 PES 박막상의 점유면적인 69.2% 감소하게 된다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 전송상수 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도5에서 보는 바와 같이 l은 0㎛ 내지 160㎛의 범위에서 l이 증가할수록 전송상수 값이 커지는데, 이는 l이 증가할수록 용량 CPMS 값이 커져서 slow-wave 특성이 더욱 강하게 나타나기 때문이다. 즉, 수학식2로부터 전송선로의 주기적 용량 값이 커지면 전송상수 값이 증가하게 됨을 알 수 있다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 금속 스트립의 길이 l의 변화에 따른 주기적인 유효유전율 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도6에서 보는 바와 같이 l은 0㎛ 내지 160㎛의 범위에서 l이 증가할수록 유효유전율 값이 커지는데, 이는 l이 증가할수록 용량 CPMS 값이 커지기 때문이다. 즉, 다음의 수학식7로부터 전송선로의 주기적 용량 값이 커지면 유효유전율 값이 증가하게 됨을 알 수 있다.
Figure 112014000390988-pat00010
여기서, μ0는 공기의 투자율이고, ε0는 공기의 유전율이다.
본 발명에서는 소형화된 투명 플렉시블 통신소자 구현을 위해, 주기적 구조를 가지는 피쉬본 형태의 전송선로를 PES 박막상에 제작하였으며, 이에 관한 RF 특성을 실시예를 들어 설명하였다.. 구체적으로 상기 전송선로에 대한 파장, 유효유전율 및 전송상수 등을 실험적인 방법으로 추출하였으며, 대역폭 및 특성 임피던스를 이론적인 방법을 이용하여 추출하여 광범위한 물리적 특성에 대해 일실시예를 들어 실험함으로써 무선통신소자로서의 응용 가능성을 확인할 수 있다.
그 결과에 의하면 PES 박막상에 제작된 피쉬본 형태의 전송선로의 경우, 종래의 코프레너선로에 비해 단파장 특성을 보여주었다. 구체적으로 종래의 코프레너 선로의 파장은 50GHz에서 3.94㎜이나, 피쉬본 형태의 전송선로 파장은 2.23㎜으로, 종래 코프레너 선로의 56.6%이다. 따라서, 본 발명의 피쉬본 형태의 전송선로를 이용하면 소형화된 RF용 소자를 구현할 수 있다. 실지 특성 임피던스가 61Ω이며 중심주파수 30GHz에서 선로의 길이가 λ/4인 전송선로를 구현하는 경우, 피쉬본 형태의 전송선로를 이용하면 PES 박막상의 점유면적은 0.318㎟가 되며, 이는 코프레너 선로를 이용하는 경우에 비해 점유면적인 69.2%이다.
그리고, 금속 스트립의 길이 l은 0㎛ 내지 160㎛의 범위에서 l이 증가할수록 파장은 짧아지고 전송상수와 유효유전율은 증가하였는데, 이는 l이 증가할수록 주기적인 용량 CPMS 값이 커지기 때문이다. 삽입손실 측정결과에 의하면 피쉬본 형태의 전송선로는 종래의 코프레너 선로에 비해 저손실 특성을 보여주었으며, 구체적으로 λ/4 길이를 가지는 전송선로의 경우 50GHz까지의 주파수 범위에서 1.31dB보다 적은 손실특성을 보여준다.
본 발명에서는 주기적인 전송선로와 병렬 커패시턴스로 등가화한 등가회로를 이용하여, 계산적인 방법으로 피쉬본 형태의 전송선로에 대한 대역폭 및 특성 임피던스를 추출한다. 추출된 계산식의 정확도를 검증하기 위해 전송상수 β에 대한 계산결과와 측정결과를 비교한다. 계산결과에 의하면, 금속 스트립의 길이 l은 0㎛ 내지 160㎛의 범위에서 통과대역이 608GHz인 광대력 특성을 보여준다. 그리고, 금속 스트립의 길이 l이 증가할수록 통과대역의 대역폭이 줄어들었으며, 그 이유는 l이 증가할수록 주기적인 용량 CPMS 값이 커져서 차단주파수가 감소하기 때문이다. 특성 임피던스 추출 결과에 의하면, 금속 스트립의 길이 l 값을 조절하면 피쉬본 형태의 선로구조의 특성 임피던스 ZB값을 쉽게 조절할 수 있으며, 이러한 방법에 의해 다양한 특성 임피던스 값을 가지는 피쉬본 형태의 선로구조를 쉽게 구현할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에서 제안하는 피쉬본 형태의 전송선로의 특성 임피던스는 기존의 주기적 구조와는 달리 매우 적은 주파수 의존성을 나타낸다. 따라서, 피쉬본 형태의 전송선로는 광대역의 전송선로 및 광대역 분포정수형 수동소자에 이용될 수 있음을 알 수 있다. 상기 결과들로부터 PED 박막상의 피쉬본 형태의 전송선로는 플렉시블 무선통신소자용 정합소자 및 수동소자로서 매우 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
20: 접지부 40: 전송선로
42: 신호라인 44: 금속 스트립

Claims (2)

  1. PES(PolyEther Sulfone) 박막상에 형성되는 것으로, 서로 이격 배치되는 한 쌍의 접지부와, 상기 한 쌍의 접지부 사이에 이격된 공간의 길이방향을 따라 배치되는 전송선로를 포함하는 PES 박막상의 전송선로 구조체에 있어서,
    상기 전송선로는,
    소정 직경을 가지는 신호라인; 및
    상기 신호라인으로부터 폭방향 양단으로 형성된 복수개의 금속 스트립;을 포함하는 피쉬본(Fish bone) 형상으로 이루어지며,
    상기 접지부의 양단부는 상기 전송선로 방향으로 절곡되어 상기 금속 스트립을 감싸는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 PES 박막상의 전송선로 구조체.
  2. 삭제
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