KR101646047B1

KR101646047B1 - 전자기파 흡수체

Info

Publication number: KR101646047B1
Application number: KR1020150018162A
Authority: KR
Inventors: 이영백; 유영준; 응웬반둥; 김기원
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-05

Abstract

본 발명은 전자기파 흡수체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전자기파 흡수체는 유전체로 형성된 베이스 기판(100), 베이스 기판(100)의 일면에 형성된 다수의 도전패턴(200), 베이스 기판(100)의 타면에 형성된 도전면(300), 및 다수의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결하고, 저항값이 변하는 가변저항(400)을 포함한다.

Description

전자기파 흡수체{electromagnetic wave absorber}

본 발명은 전자기파 흡수체에 관한 것이다.

메타물질(metamaterial)은 일반 자연계에 존재하지 않으며, 사람들에 의해서 인위적으로 제작된 물질을 의미한다. 최근, 메타물질은 입사하는 전자기파의 성질을 변화시킬 수 있는 다양한 전기적인 특성 때문에 많은 연구자들로부터 큰 관심을 받아왔다. 구체적으로, 메타물질은 음의 굴절률, 전자기 유도 투과효과, 특히 광투과, 및 전자기파 완전 흡수체 등으로 활용될 수 있다.

이중, 전자기파 완전 흡수체(메타물질 흡수체)는 태양광 하베스트, 플라즈모닉 센서(plasmonic sensors), 무선 전력 전송 등에 활용이 가능하여, 더욱 많은 연구가 진행되고 있는 분야이다.

통상, 메타물질 흡수체는 주기적인 금속 패턴, 유전체, 및 전자기파 차단용 금속 플레인으로 구성된 샌드위치 구조를 채용하고 있다(하기 선행기술문헌의 비특허문헌 참조).

메타물질 흡수체는 자기적인 공명과 전기적인 공명에 의해서 흡수가 일어날 수 있다고 알려져 있다. 하지만, 상대적으로 조절이 용이한 자기적인 공명에 초점이 맞추어져 다양한 연구가 진행되고 있을 뿐, 상대적으로 조절이 용이하지 않은 전기적인 공명에 대해서는 정확한 연구가 진행되고 있지 않고 있다. 따라서, 종래기술에 따른 메타물질 흡수체는 전기적인 공명을 이용하여 전자기파를 흡수하는 방안을 활용하지 못하고 있는 실정이다.

"Ultra-broadband microwave metamaterial asorber" Applied Physics Letters 100, 103506(2012)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일측면은 저항값이 변하는 가변저항으로 다수의 도전패턴을 전기적으로 연결함으로써, 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합을 이용하여 전자기파를 흡수할 수 있는 전자기파 흡수체를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 유전체로 형성된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 다수의 도전패턴, 상기 베이스 기판의 타면에 형성된 도전면, 및 다수의 상기 도전패턴을 전기적으로 연결하고, 저항값이 변하는 가변저항을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 가변저항의 저항값은 200Ω 내지 20kΩ이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 전자기파 흡수체는 3개의 흡수 대역을 갖는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 3개의 상기 흡수 대역은, 자기적인 공명이 발생하는 제1 흡수 대역과 제2 흡수 대역, 및 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합이 발생하는 제3 흡수 대역을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 제3 흡수 대역은 상기 가변저항에 의해서 발생한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율은 상기 가변저항의 저항값을 변화시켜 조절가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 제3 흡수 대역은 상기 제1 흡수 대역과 상기 제2 흡수 대역에 비해서 대역폭이 넓다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 다수의 상기 도체패턴은 상기 베이스 기판의 일면에 격자형으로 배치된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에 있어서, 상기 가변저항은 일방향을 따라 다수의 상기 도체패턴을 전기적으로 연결한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 저항값이 변하는 가변저항으로 다수의 도전패턴을 전기적으로 연결함으로써, 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합을 이용하여 전자기파를 흡수할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다수의 도체패턴을 전기적으로 연결하는 가변저항의 저항값을 변화시켜 흡수 대역의 폭과 흡수율을 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도,
도 2는 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도,
도 3은 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 사진,
도 4는 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 전자기파 진동수에 대한 흡수율을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 전자기파 진동수에 대한 흡수율을 도시한 그래프, 및
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에서 가변저항의 저항값을 변화시키며 전자기파 진동수에 대한 흡수율의 변화를 도시한 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 유전체로 형성된 베이스 기판(100), 베이스 기판(100)의 일면에 형성된 다수의 도전패턴(200), 베이스 기판(100)의 타면에 형성된 도전면(300), 및 다수의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결하고, 저항값이 변하는 가변저항(400)을 포함한다.

본 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 전체적으로 다수의 도전패턴(200), 베이스 기판(100), 및 도전면(300)을 포함하여, 3개의 층이 샌드위치 구조로 형성된다. 이와 같이, 다수의 도전패턴(200), 베이스 기판(100), 도전면(300)을 포함하는 샌드위치 구조는 자기적인 공명 또는 전기적인 공명을 통해서 입사되는 전자기파를 흡수한다. 본 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 구체적인 구성을 살펴보면 다음과 같다.

베이스 기판(100)은 전자기파 흡수체의 유전체 역할을 수행한다. 여기서, 베이스 기판(100)은 일면과 타면을 갖으며, 일면에는 다수의 도전패턴(200)이 형성되고, 타면에는 도전면(300)이 형성된다. 또한, 베이스 기판(100)은 유전체로 형성된다면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 FR-4 또는 SiO₂일 수 있다.

다수의 도전패턴(200)은 베이스 기판(100)을 중심으로 도전면(300)과 마주보도록 배치되어, 자기적인 공명 또는 전기적인 공명을 발생시키는 역할을 수행한다. 여기서, 다수의 도전패턴(200)은 각각 사각형 형상으로 베이스 기판(100)의 일면에 형성된다. 이때, 다수의 도전패턴(200)은 일방향(상하방향)과 일방향에 수직인 타방향(좌우방향)을 따라서 일정한 주기를 갖도록 배치될 수 있다(도 6 참조). 즉, 다수의 도전패턴(200)은 전체적으로 격자형으로 형성될 수 있는 것이다. 한편, 다수의 도전패턴(200)은 자기적인 공명 또는 전기적인 공명을 발생시키기 위해서, 도전체(예를 들어, 구리)로 형성되는 것은 물론이다. 또한, 다수의 도전패턴(200) 중 인접한 도전패턴(200)은 가변저항(400, 도 1 참조)에 의해서 전기적으로 연결된다.

도전면(300)은 베이스 기판(100)을 중심으로 다수의 도전패턴(200)과 마주보도록 배치되어, 자기적인 공명 또는 전기적인 공명을 발생시키는 역할을 수행한다. 여기서, 도전면(300)은 베이스 기판(100)의 타면에 형성된다. 이때, 도전면(300)은 베이스 기판(100)의 타면에 평면 형태로 형성된다. 또한, 도전면(300)은 모든 영역에서 다수의 도전패턴(200)과 마주볼 수 있도록, 전체적으로 다수의 도전패턴(200)이 형성된 면적보다 넓게 형성될 수 있다. 한편, 도전면(300)은 다수의 도전패턴(200)과 유사하게 도전체(예를 들어, 구리)로 형성될 수 있다.

가변저항(400)은 추가적인 흡수 대역을 유도하고 흡수 대역의 폭과 흡수율을 조절하는 역할을 수행한다. 여기서, 가변저항(400)은 임베디드(embedded)될 수 있고, 다수의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결하며, 저항값이 변한다. 구체적으로, 가변저항(400)은 인접한 2개의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결한다. 예를 들어, 가변저항(400)은 일방향(상하방향)을 따라 다수의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이와 같이, 가변저항(400)으로 다수의 도전패턴(200)을 전기적으로 연결함으로써, 추가적인 자기적인 공명과 전기적인 공명을 유도할 수 있고, 이러한 자기적인 공명과 전기적인 공명으로 인하여 전자기파를 흡수할 수 있다. 또한, 가변저항(400)의 저항값을 변화시키면 전자기파를 흡수하는 흡수 대역의 폭과 흡수율을 조절가능하다. 이와 관련한 내용은 후술할 비교예와 실시예 등을 통해서 상세히 기술된다.

< 비교예 >

도 2는 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도이고, 도 3은 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 사진이며, 도 4는 비교예에 따른 전자기파 흡수체의 전자기파 진동수에 대한 흡수율을 도시한 그래프이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 전자기파 흡수체는 베이스 기판(100'), 다수의 도전패턴(200'), 및 도전면(300')을 포함하는 구성으로 설계하였다. 다수의 도전패턴(200')의 주기를 기준으로, 베이스 기판(100'), 하나의 도전패턴(200'), 및 도전면(300')으로 구성된 부분으로 유닛셀(unit cell)로 정의할 때, E-H 평면에서 유닛셀의 길이(a)는 11mm이고, K 방향으로의 두께(t_d)는 0.4mm이며, 하나의 도전패턴(200')의 너비(l)는 9mm이다. 또한, 베이스 기판(100')은 4.3의 유전율을 갖는 FR-4를 사용하였고, 도전패턴(200')과 도전면(300')은 5.8×10⁷S/m의 전도율을 갖는 구리를 이용하여 인쇄회로기판 공정에 따라 베이스 기판(100')에 형성하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전자기파 진동수에 대한 흡수율의 변화를 살펴보면, 실험값과 시뮬레이션값으로부터 2개의 흡수 피크를 확인할 수 있다. 첫번째 흡수 피크는 7.2GHz에서 94%의 흡수율로 나타났고, 두번째 흡수 피크는 18.7GHz에서 98%의 흡수율로 나타났다. 이때, 7.2GHz와 18.7GHz는 각각 자기적인 공명이 발생하는 부분이다. 따라서, 비교예에 따른 전자기파 흡수체는 자기적인 공명에 의해서 2개의 흡수 대역을 갖는 것을 확인할 수 있다.

< 실시예 >

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 사진이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체의 전자기파 진동수에 대한 흡수율을 도시한 그래프이다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 기본적으로 비교예에 따른 전자기파 흡수체와 유사하게 제작되었다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전자기파 흡수체는 베이스 기판(100), 다수의 도전패턴(200), 및 도전면(300)을 포함하고, 유닛의 길이(a), 두께(t_d), 도전패턴(200)의 너비(l), 베이스 기판(100), 도전패턴(200), 및 도전면(300)의 소재 등은 비교예에 따른 전자기파 흡수체와 동일하다. 다만, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 다수의 도전패턴(200)을 상하방향을 따라 가변저항(400)을 이용하여 전기적으로 연결하였다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전자기파 진동수에 대한 흡수율의 변화를 살펴보면, 실험값과 시뮬레이션값으로부터 3개의 흡수 피크를 확인할 수 있다(실험값은 시뮬레이션값과 거의 일치했다). 첫번째 흡수 피크는 7.2GHz에서 나타났고, 두번째 흡수 피크는 17.2GHz에서 나타나, 비교예에 따른 전자기파 흡수체와 유사하게 자기적인 공명에 의해서 흡수가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 추가적으로 세번째 흡수 피크가 13GHz에서 나타났다. 이러한 세번째 흡수 피크는 비교예에 따른 전자기파 흡수체에 비해서 추가된 가변저항(400)에 의해서 발생하는 것이다. 세번째 흡수 피크인 13GHz에서, 표면 전류가 대부분 비평행으로 확인되었으나, 도전패턴(200)의 모서리(corner)에 강력한 평행 전류를 확인할 수 있었다. 표면 전류가 비평행이라는 것은 자기적인 공명의 발생을 의미하고, 표면 전류가 평행이라는 것은 전기적인 공명의 발생을 의미한다. 따라서, 세번째 흡수 피크인 13GHz에서는 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합에 의해서 전자기파가 흡수되는 것이다.

결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 3개의 흡수 피크를 기준으로 3개의 흡수 대역을 갖는다. 구체적으로, 제1 흡수 대역은 첫번째 흡수 피크(7.2GHz)를 기준으로 약 0.4GHz의 대역폭을 갖고, 제2 흡수 대역은 두번째 흡수 피크(17.2GHz)를 기준으로 약 0.6GHz의 대역폭을 갖으며, 제3 흡수 대역은 세번째(13GHz)를 기준으로 1.3GHz의 대역폭(90% 이상 흡수)을 갖는다. 이때, 첫번째 흡수 피크(7.2GHz)와 두번째 흡수 피크(17.2GHz)는 자기적인 공명이 발생하는 주파수이므로, 제1 흡수 대역과 제2 흡수 대역은 자기적인 공명에 의해서 발생하는 것이다. 또한, 세번째 흡수 피크(13GHz)는 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합이 발생하는 주파수이므로, 제3 흡수 대역은 자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합이 발생하는 것이다. 그리고, 세번째 흡수 피크(13GHz)는 가변저항(400)에 의해서 발생하는 것으로, 제3 흡수 대역은 가변저항(400)에 의해서 발생하는 것이다.

한편, 가변저항(400)에 의해서 발생하는 제3 흡수 대역은 제1,2 흡수 대역에 비해서 광대역(broadband)인 것을 확인할 수 있다. 즉, 제3 흡수 대역은 제1,2 흡수 대역에 비해서 대역폭이 넓다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체는 비교예에 따른 전자기파 흡수체에 비해서 전체적인 전자기파의 흡수율을 비약적으로 높일 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 흡수체에서 가변저항의 저항값을 변화시키며 전자기파 진동수에 대한 흡수율의 변화를 도시한 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 가변저항(400)의 저항값을 200MΩ, 20MΩ, 2MΩ, 200kΩ, 20kΩ, 2kΩ, 200Ω 순으로 변화시키면서 전자기파 진동수에 대한 흡수율의 변화를 확인하였다. 전체적으로, 가변저항(400)의 저항값을 변화시키면, 가변저항(400)에 의해서 발생하는 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 변화함을 확인할 수 있다.

구체적으로, 가변저항(400)의 저항값이 감소할수록, 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 가변저항(400)의 저항값이 200MΩ에서 200kΩ까지 감소할 때는 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 거의 증가하지 않았지만, 20kΩ에서 200Ω까지 감소할 때는 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 가변항의 저항값이 200kΩ에서 20kΩ으로 감소할 때 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 급격하게 변화하는 것이다. 따라서, 효과적으로 전자기파를 흡수하기 위해서 가변저항(400)의 범위는 20kΩ에서 200Ω(즉, 200Ω 내지 20kΩ)인 것이 바람직하다. 다만, 가변저항(400)의 범위는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 사용분야나 구체적인 전자기파 흡수체의 형태에 따라 바람직한 가변저항(400)의 범위가 변동될 수 있음은 물론이다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100, 100': 베이스 기판 200, 200': 도전패턴
300, 300': 도전면 400: 가변저항

Claims

유전체로 형성된 베이스 기판;
상기 베이스 기판의 일면에 형성된 다수의 도전패턴;
상기 베이스 기판의 타면에 형성된 도전면; 및
다수의 상기 도전패턴을 전기적으로 연결하고, 저항값이 변하는 가변저항;
을 포함하는 전자기파 흡수체로서,
상기 전자기파 흡수체는 3개의 흡수 대역을 갖으며,
3개의 상기 흡수 대역은,
자기적인 공명이 발생하는 제1 흡수 대역과 제2 흡수 대역, 및
자기적인 공명과 전기적인 공명의 조합이 발생하는 제3 흡수 대역을 포함하고,
상기 제3 흡수 대역은 상기 가변저항에 의해서 발생하며,
상기 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율은 상기 가변저항의 저항값을 변화시켜 조절가능하고,
상기 가변저항의 저항값이 감소할수록, 상기 제3 흡수 대역의 폭과 흡수율이 증가하며,
상기 제3 흡수 대역은 상기 제1 흡수 대역과 상기 제2 흡수 대역에 비해서 대역폭이 넓은 전자기파 흡수체.
청구항 1에 있어서,
상기 가변저항의 저항값은 200Ω 내지 20kΩ인 전자기파 흡수체.
삭제
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삭제
청구항 1에 있어서,
다수의 상기 도전패턴은 상기 베이스 기판의 일면에 격자형으로 배치되는 전자기파 흡수체.
청구항 1에 있어서,
상기 가변저항은 일방향을 따라 다수의 상기 도전패턴을 전기적으로 연결하는 전자기파 흡수체.