KR101664995B1

KR101664995B1 - 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트

Info

Publication number: KR101664995B1
Application number: KR1020150059043A
Authority: KR
Inventors: 홍익표
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-11

Abstract

본 발명은 잉크젯 방식을 사용하여 종이 등의 시트에 주파수 선택 표면 구조를 설계하고 메탈 잉크를 분사시켜 설계한 패턴을 인쇄함으로써 선택적으로 전자파를 흡수하는 기능을 갖는 시트에 관한 것으로서, 임의의 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS(Frequency Selective Surface, 이하 "FSS"라 함)를 인쇄하기 위한 종이 재질의 기판; 및 상기 기판에 은나노잉크를 잉크젯 방식으로 인쇄된 FSS 패턴을 포함하여 구성하되, 상기 FSS 패턴은, 사각형을 연쇄적으로 형성한 형태인 것이므로 종이 등의 시트에 잉크젯 방식을 사용하여 제조하고 기존의 구조물에 부착이 가능하며 구조물이 특정 전자파를 흡수하는 기능을 부과할 수 있으며, 이 인쇄한 벽지 등을 방의 내부에 붙여 외부로부터의 특정 주파수를 차폐시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트{SHEET FOR ABSORBING ELECTROMAGNETIC WAVE SELECTIVELY}

본 발명은 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잉크젯 방식을 사용하여 종이 등의 시트에 주파수 선택 표면 구조를 설계하고 메탈 잉크를 분사시켜 설계한 패턴을 인쇄함으로써 선택적으로 전자파를 흡수하는 기능을 갖는 시트에 관한 것이다.

주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective Surface)구조는 유전체 기판 위에 도체 또는 슬롯이 주기적으로 배열된 전자기 구조로 공간필터로 사용되며, 배열을 구성하는 기본 단위요소의 형상과 크기, 배열 주기 및 배열 형상에 따라 전자기적 특성이 달라진다. 패치 타입의 FSS구조는 특정 주파수 대역을 반사시켜 용량성(Capacitive) FSS구조, 슬롯 타입의 FSS구조는 특정 주파수 대역을 투과시키는 특성을 가짐으로 유도성(Inductive) FSS구조라고 한다. 특히 대역 통과 또는 차단 특성을 갖는 FSS구조는 스텔스 레이돔 또는 리플렉터어레이(Reflectarray) 등 여러 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전자파 차폐재 및 전자파 흡수체를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 불연성을 갖는 가벼운 판상 발포체인 1장의 보드 본체(1)와, 이 보드 본체(1)의 한쪽 면에 형성되며 규칙적으로 배열된 복수의 도전부로서의 안테나(4, 4, …)에 의하여 특정주파수대의 전자파를 선택적으로 차폐하는 주파수선택층(2)을 구비한다. 또한, 보드 본체(1) 위에 주파수선택층(2)을 형성하기 위하여, 전자파 차폐시트(3a, 3b)를 사용한다.

전술한 종래기술의 전자파 흡수체는 구비된 안테나에 의해 특정 주파수를 선택할 수 있으나 그 하부에 구성된 전자파 차폐시트가 선택된 해당 대역들의 주파수들을 차폐하도록 구성되는 것으로 차폐시트와 주파수를 선택하는 부분이 구분되어 제조공정이 복잡하며, 또한 안테나를 생성하기 위해서는 반도체 공정에 의해 원하는 대역의 주파수를 흡수하는 안테나를 형성해야 하므로 한정된 크기의 장치에 적용해야만 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종이 등의 시트에 잉크젯 방식을 사용하여 크게 제조할 수 있으며 기존의 구조물에 부착이 가능하도록 한 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 특정 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 잉크젯 공정(ink-jetting process)을 사용하여 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 기 구조물에 부착하여 해당 전자기 특성을 부과할 수 있도록 할 수 있는 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 잉크젯 방식을 사용하여 벽지 등의 시트에 주파수 선택 표면 구조를 설계하고 메탈잉크를 분사하여 선택적으로 주파수를 흡수하는 도전성 패턴을 인쇄하고 이 인쇄한 벽지 등을 방의 내부에 붙여 외부로부터의 특정 주파수를 차폐시킬 수 있는 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트를 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트는, 종이 재질의 기판; 및 상기 기판 상에 인쇄되는 주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective Surface) 패턴을 포함하여 구성된다.

상기 주파수 선택 표면 패턴은, 상기 기판의 상부 좌측에 배치된 정사각형의 제1 형상; 상기 제1 형상의 우측에 배치되며 상기 제1 형상과 간격을 두고 배치된 정사각형의 제2 형상; 상기 제2 형상의 하부에 배치되며 상기 제1 형상과 상기 간격과 동일한 간격을 두고 배치된 정사각형의 제3 형상; 상기 제3 형상의 좌측, 상기 제1 형상의 하부에 배치되며 상기 제1 형상 및 상기 제3 형상과 상기 간격과 동일한 간격으로 배치된 정사각형의 제4 형상; 및 상기 제1 형상, 상기 제2 형상, 상기 제3 형상 및 상기 제4 형상의 일부 일측 모서리와 각각의 모서리가 접촉하는 정사각형의 제5 형상으로 이루어진 유닛셀을 포함하는 것이다.

상기 주파수 선택 표면 패턴은, 상기 제1 형상, 상기 제2 형상, 상기 제3 형상, 상기 제4 형상 및 상기 제5 형상으로 이루어진 유닛이 사방으로 반복되는 것이다.

제2항에 있어서, 상기 유닛 셀은, 가로 길이 7.4mm, 세로 길이 7.4mm의 정방형의 사각형 내에 구성하는 것이다.

상기 유닛 셀은, 주파수 선택 표면 패턴에 의해 설계된 주파수 대역의 전자파를 차단하는 것이다.

상기 주파수 선택 표면 패턴은, 은나노를 잉크젯으로 분사하여 형성시키는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트는 종이 등의 시트에 잉크젯 방식을 사용하여 제조하고 기존의 구조물에 부착이 가능하도록 한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트는 특정 주파수 대역의 차단 또는 투과를 위한 FSS 특성을 갖는 주파수 대역 선택 필름을 잉크젯 공정(ink-jetting process)을 사용하여 제조하고 이 주파수 대역 선택 필름을 기 구조물에 부착하여 구조물이 특정 전자파를 흡수하는 기능을 부과할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트는 잉크젯 방식을 사용하여 벽지 등의 시트에 주파수 선택 표면 구조를 설계하고 메탈잉크를 분사하여 선택적으로 주파수를 흡수하는 도전성 패턴을 인쇄하고 이 인쇄한 벽지 등을 방의 내부에 붙여 외부로부터의 특정 주파수를 차폐시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전자파 차폐재 및 전자파 흡수체를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발병의 일실시예에 따른 FSS의 주파수 선택적인 패턴을 갖는 유닛 셀을 나타낸 도면.
도 3은 본 발병의 일실시예에 따른 FSS 패턴의 주파수 선택적인 흡수성에 대하여 TE 모드와 TM 모드에 대해 대역별 전송 손실을 시뮬레이션한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ku 대역에서의 패턴 및 종이에 인쇄된 패턴의 유닛 셀들을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 FSS 패턴의 주파수 선택적인 흡수성에 대하여 TE 모드와 TM 모드에 대해 대역별 전송 손실을 실험한 그래프.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 2는 본 발병의 일실시예에 따른 FSS의 주파수 선택적인 패턴을 갖는 유닛 셀을 나타낸 도면이다. 먼저, 기판(100), 예컨대, 종이로 만든 기판(10) 상에 상부 좌측, 상부 우측, 하부 좌측 및 하부 우측 방향의 사방으로 등 간격으로 4개의 사각형을 배치하고, 상기 4개의 사각형의 일측 모서리 일부에 각각의 모서리가 접촉된 사각형이 중앙에 배치된 형태를 하나의 유닛 셀로 구성한다.

이를 보다 상세하게 설명하면, 먼저, 전술한 유닛 셀을 구성하는 5개의 사각형을 편의상 상부 좌측에 형성된 사각형부터 시계방향으로 각각 제1 형상 내지 제4 형상으로 칭하고 제1 내지 제4 형상의 사각형과 접촉하고 있는 중앙의 사각형을 제5 형상으로 칭하기로 한다.

제1 형상은 기판의 상부 좌측에 배치된다. 제2 형상은 제1 형상의 우측에 배치되며 제1 형상과 간격을 두고 배치된다. 제3 형상은 제1 형상의 하부에 배치되며 상기 제1 형상과 동일한 간격을 두고 배치된다. 제4 형상은 제1 형상의 하부 그리고 제3 형상의 좌측에 배치되며 상기 제1 형상과 제2 형상이 배치된 간격과 동일한 간격을 두고 배치된다. 또한, 제5 형상은 상기 제1 형상, 상기 제2 형상, 상기 제3 형상 및 상기 제4 형상의 일부 모서리의 일측과 각각의 모서리가 접촉하도록 배치된다. 한편, 전술한 제1 내지 제5 형상은 직사각형 또는 정사각형으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 정사각형으로 구성한다. 이와 같은 제1 형상 내지 제5 형상이 하나의 유닛 셀을 구성하며, 이와 같은 유닛 셀들이 반복되어 FSS 패턴(120)을 구성한다.

사각형의 FSS 패턴(120)은 전도성 물질로 구성되며, 바람직하게는 잉크젯으로 분사되는 은나노를 통해서 구현된다. 또한, 사각형의 형태는 직사각형 또는 정사각형 일 수 있으며, 바람직하게는 정사각형으로 구성한다. 따라서 이와 같은 사각형의 유닛 셀 구조로 형성된 FSS 패턴(120)에 의해 이중 공진(dual resonance)에 따른 광대역차단 대역폭(wide band-stop bandwidth)을 구현할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발병의 일실시예에 따른 FSS 패턴의 주파수 선택적인 흡수성에 대하여 TE 모드와 TM 모드에 대해 대역별 전송 손실을 시뮬레이션한 그래프이다. 전술한 도 1의 FSS 패턴(120)에 대한 시뮬레이션은 Ansoft사의 HFSS를 이용하여 수행하였다. HFSS는 구조의 전자파 반응 및 최적화된 디자인 파라미터를 결정하기 위한 상업적인 전자파 소프트웨어로 한정적인 요소 방법을 사용한다. 플로퀴엣츠 포트(Floquet's ports)는 FSS 패턴(120)의 전송 손실을 결정하는 데에 사용되었다. 본 발명에 따른 FSS 패턴(120)을 13GHz for Ku 대역(12 내지 18 GHz)에서 대역차단 특성으로 동작시키기 위하여 제작하였다. Ku 대역(12 내지 18 GHz)에서 대역차단 특성으로 동작시키기 위하여 도 2에 도시된 FSS 패턴(120)을 구성하는 유닛 셀은 D_x=D_y=7.4mm의 정방형의 셀 내에 W₁=1.6 mm, W₂=0.1 mm로 구성하고, 또한 L₁=2.4 mm의 유닛 크기로 제작하였다.

먼저 도 3의 (a)의 도면은 TE모드에서의 주파수에 따른 전송 손실을 나타내며, 도 3b는 TM모드에서의 주파수에 따른 전송 손실을 나타낸다. 또한, 도 3a 및 도 3b는 입사각을 수직입사(0°), 15°, 30° 및 45°로 변화시키면서 각각의 TE(Transverse Electric) 모드와 TM(Transverse Magnetic) 모드에 대해 공진주파수 각 안정성을 갖는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 결과는 FSS 패턴(120)이 TE 모드 및 TM 모드에서 13.2GHz에서 기대되는 대역차단 특성을 가지는 것을 나타낸다. 대역차단 특성은 매우 안정적이고, 공진 주파수, 상이한 분극 및 상이한 입사각에 대하여 0.9%의 차이만을 보였다. -20dB의 대역폭에 대하여 이는 99%의 대역차단을 의미하며, 양 분극 모드(TE모드 및 TM모드)에 대하여 26%의 광대역을 가지는 것을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ku 대역에서의 패턴 및 종이에 인쇄된 패턴의 유닛 셀들을 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면 도 2에 도시된 유닛 셀들이 모여서 도 4의 (a)에 도시된 FSS 패턴(120)을 형성한다. 먼저 시트 형태의 기판(100), 예컨대 종이에 은나노잉크를 인쇄하여 FSS 패턴(120)를 형성한다. 도 4의 (b)는 브라더 인더스트리사(Brother Industries Ltd)의 주지된 잉크젯 프린터인 MFC-J5910DW를 사용하여 종이 위에 도 3의 패턴을 인쇄한다. 실험에 있어서 전술한 프린터를 이용하여 대략 A3 종이 크기의 영역을 초과하는 패턴을 생성하여 1200 ~ 6000 dpi까지의 해상도를 나타낼 수 있었다.

한편, 단위 셀에 전도 특성을 부여하기 위하여 잉크젯 공정에 이용이 가능한 전도성 잉크에는 대표적으로 은(Ag) 잉크, 구리(Cu) 잉크, 및 니켈(Ni) 잉크 등이 있지만, 알려진 바와 같이 은(Ag)이 가장 전도성이 뛰어나고 산화가 잘 되지 않는 점에 따라, 본 발명의 일실시예에서는 은나노잉크를 사용하였다. 사용된 은나노잉크는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 에탄올(ethanol), 은(silver) 및 물을 조성으로 하는 AgIC사의 은나노잉크(AN01 잉크)를 사용하였다. 본 발명의 시뮬레이션에 사용된 은나노잉크는 전도성 잉크로서 15%의 은 함량을 가지며 0.2Ω/sq(□) 의 표면저항을 가지며, 2-3 mPa.s의 점도를 가지고 25도씨에서 30-35mN/m의 표면 장력을 갖는 특성을 갖는다.

시뮬레이션하는 동안 은나노잉크로 코팅된 기판(10)은 3.0의 유전율을 가지며, 유전 손실 탄젠트(δ)는 0.02의 값을 가지고, 기판(100)위에 인쇄된 FSS 패턴(120)의 두께는 180μm의 두께로 인쇄되었다. 또한, 상온에서 대략 3초의 시간이 경과한 뒤에 경화되었다. 즉, 인쇄된 은나노 잉크를 말리는 데에 3초의 시간이 소요되었다.

FSS 패턴(120)의 전송 손실은 표준 혼 안테나를 참조하여 Ku밴드 자유 영역 측정 시스템에 의해 측정되었다. 프로토 타입(proto type)은 반대편에 있는 송수신 혼 안테나가 대면하도록 배치된 무반향실에서 실험실에서 실험이 진행되었다. 이와 같이 실험을 진행한 이유는 흡수체(20)에 의해 둘러싸인 코팅된 기판(10)이 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 구조를 고정시키는 고정체(20)의 산란 효과를 완화시키도록 하여 보다 명확한 실험 결과를 얻기 위해서이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 FSS 패턴의 주파수 선택적인 흡수성에 대하여 TE 모드와 TM 모드에 대해 대역별 전송 손실을 실험한 그래프이다. 먼저, 도 5의 (a)는 TE모드에서의 주파수에 따른 전송 손실을 나타내며, 도 5의 (b)는 TM모드에서의 주파수에 따른 전송 손실을 나타낸다. 도 5a 및 도 5b를 참조하여 보면, 변하는 입사각에 대한 전송손실을 나타내고 있다. 도면에서 보면, TE모드 및 TM모드 분극에 대하여 수직입사(0°), 15°, 30° 및 45°로 FSS 패턴(120)에 입사되어 13.3GHz의 매우 안정된 공진 주파수를 제공하는 것으로 관찰되었다. 수직 입사에 대한 TE모드 및 TM모드에 대하여 99%의 전력 흡수에 대응하는 20dB에서의 대역폭은 각각 공진주파수에서 3.43GHz 및 3.15GHz의 폭으로 나타났다. 즉, 넓은 영역대의 Ku 영역의 주파수를 흡수할 수 있는 것으로 나타났다.

또한, 모든 측정된 결과들의 특성은 목표 주파수에서의 시뮬레이션한 결과와 일치한다. 이 결과는 제안된 FSS 패턴(120)의 전송 특성이 각각의 입사 평면파의 TE 모드 및 TM 모드에 대하여 독립적임을 나타낸다.

한편, 전술한 유닛 셀 또는 FSS 패턴(120)은 스티커 형태로 제작되어 타일 등에 부착될 수도 있으며, 또는 직접 벽지 등의 종이 등에 직접 인쇄 방식으로 프린팅 될 수도 있다.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 코팅된 기판 20 : 고정체
100 : 기판 120 : FSS 패턴

Claims

선택적 전자파 흡수기능을 갖는 시트에 있어서,
종이 재질의 기판; 및
상기 기판 상에 인쇄되는 주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective Surface) 패턴을 포함하고,
상기 주파수 선택 표면 패턴은 복수의 유닛 셀이 반복되어 구성되며,
상기 유닛 셀은,
상기 기판의 상부 좌측에 배치된 정사각형의 제1 형상;
상기 제1 형상과 간격을 두고 상기 제1 형상의 우측에 배치된 정사각형의 제2 형상;
상기 간격과 동일한 간격을 두고 상기 제2 형상의 하부에 배치된 정사각형의 제3 형상;
상기 간격과 동일한 간격을 두고 상기 제3 형상의 좌측이면서 상기 제1 형상의 하부에 배치된 정사각형의 제4 형상; 및
각각의 모서리가 상기 제1 형상, 상기 제2 형상, 상기 제3 형상 및 상기 제4 형상의 일측 일부 모서리와 접촉하며 중앙에 배치된 정사각형의 제5 형상으로 이루어지고,
상기 주파수 선택 표면 패턴에 의해 설계된 주파수 대역의 전자파를 차단할 수 있는 것인, 선택적 전자파 흡수 시트.
삭제
제1항에 있어서,
상기 선택적 전자파 흡수 시트는 상하좌우 사방으로 반복될 수 있는 것인, 선택적 전자파 흡수 시트.
제1항에 있어서, 상기 기판은,
가로 길이 7.4mm, 세로 길이 7.4mm의 정사각형의 크기를 갖는 것인, 선택적 전자파 흡수 시트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 주파수 선택 표면 패턴은,
잉크젯으로 분사된 은나노에 의해서 형성된 것인, 선택적 전자파 흡수 시트.