KR101671329B1 - MHz, GHz 영역에서 흡수가 가능한 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질 - Google Patents

MHz, GHz 영역에서 흡수가 가능한 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입사하는 전자기파의 특정 주파수 영역에의 전자기파를 흡수할 수 있는 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메타 원자는 입사하는 전자기파의 파장의 1/30 에 해당하는 크기를 갖는 메타 원자로 설계가 되어 있기 때문에 MHz 영역을 포함한 낮은 주파수 영역에서 제작이 매우 간단하고, 완전 흡수가 가능하며, 유연하여, 장착이 용이하므로 이를 포함하는 메타 물질은 휴대폰을 포함한 각종 전자기기가 발생하는 인체에 유해한 전자기파를 완전하게 흡수할 수 있는 흡수체 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 메타 원자는 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 메타 물질 제작비용을 감소시킬 수 있다.

Description

MHz, GHz 영역에서 흡수가 가능한 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질{meta-atoms absorbing in MHz and GHz ranges and metamaterials including thereof}
본 발명은 MHz, GHz 영역에서 입사하는 전자기파를 흡수하는 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질(metamaterial)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매우 작은 크기의 단위 셀을 사용하여 MHz 또는 GHz 영역을 포함한 낮은 주파수 영역에서 전자기파를 완전 흡수할 수 있는 메타 원자 및 이를 포함하는 메타 물질에 관한 것이다.
최근 휴대폰을 포함한 전자제품은 생활에 필수적인 기기라고 볼 수 있다. 그러나, 이러한 전자기기들은 인체에 해로운 전자기파를 발생하고 있으므로, 이러한 전자기파를 차단하기 위해서 많은 연구들이 진행이 되고 있다.
특히 메타 물질을 이용한 흡수체가 최근 많은 연구자들에 의해서 연구가 되고 있다. 여기서 메타 물질이란 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. 일반적으로 알려져 있는 메타물질 흡수체는 메타 물질을 구성하는 단위 셀의 크기, 즉 메타 원자의 크기가 입사하는 전자기파의 파장에 비해서 대략 1/3 ~ 1/5 정도로 구성이 되어 있다. 메타 원자의 크기가 1/3 ~ 1/5 가 되어야만 흡수와 같은 특이한 메타 현상이 발생을 한다. 크기의 문제로 인해서 가시광선 영역에서는 너무 작아서 만들지 못하는 어려움이 있으며, 상대적으로 굉장히 낮은 주파수 영역인 MHz 영역에서는 메타물질을 구성하는 메타 원자가 너무 커져서 제작의 어려움이 있는 상태이다. 근래에 들어서는 휴대폰과 같은 전자기파의 인체에 대한 유해성이 높다는 관점과 휴대폰의 통신 주파수가 GHz와 MHz 영역이라는 관점에서 메타 물질을 이용한 완전한 흡수체(보통, 흡수율이 93% 이상)에 관한 연구가 활발하게 진행이 되고 있다.
N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 낮은 주파수 영역인 MHz 또는 GHz 영역에서 입사하는 전자기파를 완전하게 흡수할 수 있으면서, 유연성을 갖는 작은 크기의 메타 원자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 메타 원자가 동일 평면에 복수 개가 배열되어 평판 구조를 이루는 메타 물질을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 배치되고, 적어도 하나의 지그재그 구조의 단위 패턴을 갖는 제1 평판도체; 및 상기 유전체 기판의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타원자를 제공한다.
상기 제1 평판도체는 입사하는 전자기파를 흡수하며,
상기 제1 평판도체와 제2 평판도체에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 상기 제1 평판도체에 입사된 전자기파와 자기적 공진을 하여 흡수하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 평판도체 및 제2 평판도체는 구리 또는 은인 것을 특징으로 한다.
상기 메타 원자는 흡수되는 주파수 영역이 380 MHz에서 2.5 GHz인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 평판도체의 단위 패턴을 형성하는 선의 폭은 0.1 내지 0.6 ㎜이고, 상기 단위 패턴에서 자로 굴곡진 부위의 높이는 0.3 내지 2.0 ㎜이며, 상기 단위 패턴에서 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이는 2.5 내지 31 ㎜이며, 상기 제1 평판도체의 단위 패턴 간 이격거리는 0.1 내지 0.7 ㎜인 것을 특징으로 한다.
상기 유전체 기판의 가로 및 세로는 10 내지 32 ㎜이고, 두께는 1.0 내지 12.0 ㎜이며, 상기 제1 평판도체의 가로 및 세로는 9.8 내지 31.8 ㎜이며, 두께는 0.01 내지 0.1 ㎜인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 상기 적어도 하나 이상의 메타 원자를 포함하고, 동일 평면상에 상기 메타 원자가 배열되어 형성된 평판 구조인 것을 특징으로 하는 메타 물질을 제공한다.
상기 메타 물질은 흡수되는 주파수 영역이 380 MHz에서 2.5 GHz인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 메타 원자는 380 MHz에서 2.5 GHz까지의 주파수 영역에서 전자기파의 완전 흡수가 가능하고, 입사하는 전자기파의 파장에 비하여 메타 원자의 크기가 1/30 또는 1/12로 매우 작으므로 이를 포함하는 메타 물질은 장착 용이한 전자기파 흡수체로서 각종 전자기기에서 발생하는 인체에 유해한 전자기파를 흡수할 수 있는 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 메타 원자는 도체와 유전체만으로 제작이 가능하므로 메타 물질 제작비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메타 원자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 원자를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메타 원자를 이용한 메타 물질의 개념도(a)와 실제 모습(b) 및 이의 유연성을 나타낸 사진(c)이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 원자를 이용한 메타 물질의 개념도이다.
도 5a 및 c는 본 발명의 제조예 1로부터 제조된 메타 원자의 흡수 주파수와 흡수율에 대한 시뮬레이션 그래프(a) 및 실제 실험결과를 나타낸 그래프(c)이다.
도 5b는 시물레이션 결과에 따른 실시예 1로부터 제조된 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 패턴의 길이를 달리하여 측정된 Q 팩터와 공진 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1로부터 제조된, 각기 다른 제1 평판도체에 형성된 패턴의 길이를 갖는 메타 원자에서 제1 평판도체 및 제2 평판도체에서 동시에 유도된 유도 전류의 흐름에 대한 분포도를 나타낸 도면이다.
도 7은 제조예 4로부터 제조된 메타 물질에 200 MHz 내지 600 MHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파를 수직으로 입사시킨 후, 각 주파수에 따른 흡수율을 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 메타 원자의 구조를 보다 자세히 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 원자의 구조를 보다 자세히 나타낸 사시도이다.
본 발명에 따른 메타원자(100)는 유전체 기판(110); 상기 유전체 기판(110)의 일면에 배치되고, 적어도 하나의 지그재그 구조의 단위 패턴을 갖는 제1 평판도체(120); 및 상기 유전체 기판(110)의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체(130);를 포함한다.
또한, 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이 k는 전자기파의 진행 방향, E는 전기장 방향, H는 자기장 방향을 나타낸다. 이때, 전기장의 방향은 메타 원자(100)의 세로 방향과 평행할 수 있고, 입사하는 전기장은 입사면과 수직한 상태이다.
상기 유전체 기판(110)은 소정의 유전율을 갖는 유연하고, 탄력적인 유전체이면 이에 제한되지 않으나, 상기 특징들을 만족하는 가장 바람직한 재료는 테프론(teflon)일 수 있다. 또한, 전자기파 흡수를 충분하게 하기 위해, 상기 유전체 기판(110)의 두께(t), 유전율(ε), 및 투자율(μ)은 적절하게 조절될 수 있다. 이를 위해, 상기 유전체 기판(110)의 재료를 설정한 후 두께를 조절할 수 있다.
상기 유전체 기판(110), 제1 평판도체(120) 및 제2 평판도체(130)는 구조와 패턴 형태 및 이에 따라 최적화된 특징적인 치수를 통해 특정 주파수대에서 전자기파의 완전한 흡수를 제공할 수 있다.
특히, 상기 메타 원자(100)의 크기 및 제1 평판도체(120)의 패턴을 조절하여 특정 주파수 영역에서 전자기파의 완전 흡수를 유도할 수 있다. 이때, 흡수되는 전자기파 파장은 제1 평판도체(120) 메타 원자 크기의 12배 내지 30배 크기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 평판도체(120) 및 제2 평판도체(130)은 전도성이 우수한 재료이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 본 발명의 실시예에서는 전도성이 5.8 × 107 S/m인 구리를 사용하였다. 이때, 상기 유전상수(dielectric constant)와 테플론의 유전손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 각각 2.17과 0.001로 확인되었다.
상기 제1 평판도체(120)는 제2 평판도체(130)와는 달리, 적어도 하나의 지그재그 구조의 단위 패턴을 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한, 구조로 인해 상기 제1 평판도체(120)는 수직으로 입사하는 전자기파를 흡수하고, 상기 제1 평판도체(120)와 제2 평판도체(130)에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 상기 제1 평판도체(120)에 흡수된 전자기파와 자기적 공진을 하는데, 상기 자기적 공진에 의해 특정 주파수대에서 전자기파가 완전 흡수될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 평판도체(120)가 선을 길게 휘돌린 형태 즉, 지그재그 구조의 단위 패턴(121)을 갖게 되는 것은 입사되는 전자기파에 의해서 유도되는 유도전류가 상기 단위 패턴(121)의 선을 따라서 흘러갈 수 있도록하기 위한 것으로, 상기 유도전류가 상기 단위 패턴(121)의 선을 따라서 길게 흐를수록 흡수가 일어나는 주파수 영역대가 낮은 주파수 영역으로 이동을 하게 되며, 상기 단위 패턴(121)의 반복횟수가 증가할수록 선이 길어지게 되므로, 메타 원자의 크기가 입사하는 전자기파의 파장에 비해서 매우 작은 크기인 1/12 내지 1/30 수준을 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 유전체 기판(110)의 가로 및 세로 길이(p)는 10 내지 32 mm이며, 두께(t)는 1.0 내지 12 mm이며, 상기 제1 평판도체(120)의 가로 및 세로 길이(a)는 9.8 내지 31.8 ㎜이며, 두께(tc)는 0.01 내지 0.1 ㎜이면 흡수되는 전자기파는 380 MHz부터 2.5 GHz까지의 모든 영역에서 입사하는 전자기파의 편광에 대한 의존도가 없는 거의 완전한 흡수가 일어나게 된다.
이때, 상기 제1 평판도체(120)의 단위 패턴(121)을 형성하는 선의 폭(w)은 0.1 내지 0.6 ㎜이고, 상기 단위 패턴(121)에서 자로 굴곡진 부위의 높이(h)는 0.3 내지 2.0 ㎜이며, 상기 단위 패턴(121)에서 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이(m)는 2.5 내지 31 ㎜이며, 상기 제1 평판도체의 단위 패턴(121) 간 이격거리(s)는 0.1 내지 0.7 ㎜인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 평판도체(120)에서 두께(tc)는 0.01 내지 0.1 ㎜이다. 상기 제1 평판도체(120)에서 상기 단위 패턴(121)의 두께(tc)가 0.01 ㎜ 미만이면 메타 원자를 형성하는 과정, 사후 조립과정 또는 운영시 표면 스크래치나 구부림 등에 의해 쉽게 단락이 생길 위험성이 높다. 또한, 상기 제1 평판도체(120)에서 상기 단위 패턴(121)의 두께(tc)가 0.1 ㎜를 초과하게 되면 높은 전기전도도에 의해 실제 흡수된 전자파의 손실이 적게되어 결과적으로 전자파의 주설(재반사)가 발생하게 되므로 바람직하지 못하다.
한편, 본 발명에 따른 메타 원자는 상기 제1 평판도체(120)에 형성되는 지그재그 구조의 단위패턴의 반복횟수 즉, 단위패턴의 선의 길이(m)에 따라 흡수하고자 하는 주파수 영역대를 제어할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 평판도체의 단위 패턴(121)이 하나인 메타 원자는 1.5 GHz에서 2.5 GHz까지의 주파수 영역에서 95% 이상의 흡수율을 갖는다.
여기서, 상기 단위 패턴(121)을 형성하는 선의 폭(w)은 0.1 내지 0.5 ㎜이고, 상기 단위 패턴(121)에서 자로 굴곡진 부위의 높이(h)는 0.3 내지 2.0 ㎜이며, 상기 단위 패턴(121)에서 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이(m)는 5 내지 9 ㎜일 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 단위 패턴(121)의 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이(m)가 5 ㎜ 미만이면, 흡수율이 90% 이하로 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이때, 상기 전자기파 흡수를 충분하게 하기 위해, 상기 제1 평판도체(120) 및 유전체 기판(110)의 가로 및 세로 길이(a, p) 및 두께(tc, t)를 조절할 수 있다. 구체적으로, 유전체 기판(110)의 가로 및 세로 길이(p)는 공진 주파수 파장영역( ㎜ 단위)에 비해 1/10 내지 1/15이고, 유전체 기판(110)의 두께(t)는 유전체 기판(110)의 가로 및 세로 길이(p)에 비해 1/8 내지 1/12일 수 있다. 보다 더 바람직하게는 상기 제1 평판도체(120)의 가로 및 세로 길이(a)는 9.8 내지 14.8 ㎜, 두께(tc)는 20 내지 40 ㎛이며, 상기 유전체 기판(110)의 가로 및 세로 길이(p)는 10 내지 15 ㎜, 두께(t)는 1.0 내지 2.0 ㎜인 것이 바람직하다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 평판도체(220)의 단위 패턴(221)이 둘 이상인 구조를 갖는 메타 원자(200)에서 흡수하는 전자기파의 파장은 상기 메타 원자의 크기의 25 내지 35 배 크기인 것을 특징으로 하고, 보다 구체적으로 380 MHz에서 420 MHz까지의 주파수 영역에서 95% 이상의 흡수율을 갖는다.
여기서, 상기 메타 원자(200)의 제1 평판도체(220)의 단위 패턴(221)을 형성하는 선의 폭(w)은 0.2 내지 0.6 ㎜이고, 상기 제1 평판도체(220)의 단위 패턴(221) 간 이격거리(s)는 0.1 내지 0.7 ㎜이며, 상기 단위 패턴(221)에서 자로 굴곡진 부위의 높이(h)는 0.5 내지 2.0 ㎜이며, 상기 단위 패턴(221)에서 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이(m)는 23 내지 31 ㎜일 수 있다.
이때, 상기 전자기파 흡수를 충분하게 하기 위해, 상기 제1 평판도체(220) 및 유전체 기판(210)의 가로 및 세로 길이(a, p) 및 두께(tc , t)를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 평판도체(220)의 가로 및 세로 길이(a)는 22.8 내지 31.8 ㎜, 두께(tc)는 0.01 내지 0.1 ㎜이고, 상기 유전체 기판(210)의 가로 및 세로길이(p)는 23 내지 32 ㎜이고, 두께(t)는 6 내지 12 ㎜인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 메타 원자(100, 200)를 포함하는 전자기파 흡수체인 메타 물질(300, 400)을 제공한다. 본 발명의 메타 물질은 상기 적어도 하나 이상의 메타 원자(100, 200)를 포함하고, 동일 평면에 상기 메타 원자(100, 200)가 배열되어 평판 구조를 형성한 것으로, 유연성이 우수하고, 특정 주파수 영역에서의 전자기파 흡수율이 95% 이상으로 완전 흡수가 가능할 뿐만 아니라, 크기가 작아 각종 전자기기 내에 장착이 용이하여 다양한 분야에 적용이 가능하다.
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.
제조예 1.
메타 원자는 다음과 같이 구성하였다. 가로와 세로의 길이가 12.2 ㎜인 정사각형 테플론 유전체 기판을 준비하였다. 상기 유전체 기판의 두께는 1.27 ㎜, 유전상수 (dielectric constant)는 2.17, 그리고 유전 손실 탄젠트 (dielectric loss tangent)는 0.001로 설정하였다. 상기 유전체 기판의 상면 상에 도 1에 도시된 바와 같은 단위 패턴을 갖는 제1 평판도체를 배치하였다. 상기 단위 패턴은 제1 평판도체의 가운데 부분에 형성되고, 지그재그 구조이며, 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이는 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5 ㎜, 선의 폭은 0.4 ㎜, 두께는 0.035 ㎜가 되도록 배치하였다. 제1 평판 도체의 단위 패턴과 이어진, 상하에 위치한 직사각형은 가로 길이가 12.2 ㎜이고, 세로 길이가 5 ㎜가 되도록 배치하였다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이 유전체 기판 타면 전체에 배치된 제2 평판도체는 두께가 0.035 ㎜다. 이때, 상기 제1 평판도체와 제2 평판도체는 구리 재질로 설정하였다.
제조예 2.
메타 원자는 다음과 같이 구성하였다. 가로와 세로의 길이가 27.2 ㎜인 정사각형 테플론 유전체 기판을 준비하였다. 상기 유전체 기판의 두께는 9 ㎜, 유전상수 (dielectric constant)는 2.17, 그리고 유전 손실 탄젠트 (dielectric loss tangent)는 0.001로 설정하였다. 상기 유전체 기판(210)의 상면 상에 도 2에 도시된 바와 같은 제1 평판도체(220)를 배치하였다. 제1 평판도체의 가운데 부분에 배치되는 길게 휘돌린 형태의 선의 길이는 27 ㎜, 폭은 0.4 ㎜, 두께는 0.035 ㎜가 되도록 배치하였다. 길게 휘돌린 형태의 선은 총 5번 꼬아져 있으며, 선과 선의 간격은 0.4 ㎜가 되도록 배치하였다. 제1 평판 도체의 윗부분과 아랫부분에 배치되며 길게 휘돌린 형태의 선을 이어주는 직사각형 형태의 가로와 세로의 길이는 각각 27 ㎜와 9.3 ㎜가 되도록 배치하였다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 유전체 기판(210) 하면 상의 전면에 제2 평판도체(230)를 배치하였고, 두께는 0.035 ㎜가 되도록 배치하였다. 또한, 상기 제1 평판도체와 제2 평판도체들은 구리 재질로 설정하였다.
제조예 3.
상기 제조예 1로부터 제조된 메타 원자를 평면상에 가로 8개, 세로 12개를 배열하여 메타 물질인 전자기파 흡수체를 구성하였다. 도 3은 본 발명에 따른 메타 물질의 구조를 나타낸 사시도이다.
제조예 4.
상기 제조예 2로부터 제조된 메타 원자를 평면상에 가로 8개, 세로 12개를 배열하여 메타 물질인 전자기파 흡수체를 구성하였다. 도 4는 본 발명에 따른 메타 물질의 구조를 나타낸 사시도이다.
이 후, 상기 메타 물질에 200 MHz 내지 600 MHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파를 수직으로 입사시킨 후, 주파수에 따른 흡수율을 시뮬레이션을 통하여 도 7과 같이 얻었다.
Hewlett-Packard E8362B network 분석기를 사용하여 본 발명에 따른 실시예 1로부터 제조된 메타 원자의 흡수율을 측정하였고, 이를 도 5에 나타내었다.
도 5a는 시물레이션 결과에 따른 실시예 1로부터 제조된 메타 원자의 흡수 주파수와 흡수율을 보여주는 그래프로, 이에 따르면, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이(이하, 단위 패턴의 길이라고도 한다.)가 감소함에 따라, 흡수하는 주파수의 영역이 점점 높은 파장대로 이동한다는 것을 알 수 있다. 반면, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 증가하면, 흡수하는 주파수의 영역이 점점 낮은 파장대로 이동하며, 흡수율 또한 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 흡수하고자하는 주파수 영역대에 따라 본 발명의 메타 원자에 형성된 단위 패턴의 길이를 조절할 수 있다는 것을 확인하였다. 그러나, 100%에 가까운 완전한 흡수율을 갖는 것은 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 7.5 ㎜에서 5.5 ㎜일 때이므로, 이보다 작은 길이를 가질 경우, 흡수율이 90% 이하로 떨어진다.
또한 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 7.5 ㎜일 때, 상기 메타 원자의 크기가 λ/12(공진 주파수가 2 GHz)에 가까웠다. 즉, 상기 메타 원자에서 단위 패턴이 하나일 경우, 상기 주파수 영역에서 완전한 흡수를 위해서는 상기 메타 원자의 주기성(periodicity, p)(즉, 메타 원자의 가로 및 세로 길이를 의미하므로, 이하, 메타 원자의 가로 및 세로의 길이라고도 한다.), 두께 t, 공진 주파수 파장영역(㎜ 단위)이 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이 m에 비해 각각 1.63배, 0.169배, 20배인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 메타 원자의 가로 및 세로 길이는 두께와 약 10:1의 비율을 갖고, 이러한 비율을 만족한다면 상기 메타 원자는 상기 단위 패턴의 반복 횟수에 무관하게 특정 주파수 영역에서 완전한 흡수를 행할 수 있다.
추가적으로, 상기 메타 원자의 가로 및 세로 길이와 공진 파장영역(in ㎜) 간의 비율은 약 1:12인 것을 특징으로 하는데, 이러한 비는 공진 파장영역에 관한 메타 원자의 크기를 나타내는 것이다.
도 5b는 시물레이션 결과에 따른 실시예 1로부터 제조된 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이를 달리하여 측정된 Q 팩터와 공진 주파수를 나타낸 그래프로, 이에 따르면, 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이에 따라 적색편이하는 그래프는 아래 수학식 1로 표시되는 LC 회로(LC circuit) 공진(resonance)으로 설명할 수 있다.
Figure 112014083414953-pat00001
이때, 상기 수학식 1에서,
L은 인덕턴스(inductance)이고, C는 캐패시턴스(capacitance)이다.
상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이는 인덕턴스 L과 관련되어 있고, 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴 간의 이격거리는 캐패시턴스 C와 관련이 있다.
따라서, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이를 증가시키게 되면 공진 주파수가 낮은 주파수 영역대로 이동하게 되므로, 상기 메타 원자의 가로 및 세로 길이와 유전체 기판 두께는 상기 공진 주파수에 맞춰 조절한다.
만약, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 아닌 넓이가 감소하게 되어도, 상기 메타 원자의 공진 주파수영역대는 적색편이하게 되는데, 이는 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴 간의 이격거리가 증가하기 때문이다. 이러한 결과는 곧, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 반복 횟수(길이)가 증가하게 되면, 작은 크기를 갖는 메타 원자로도 낮은 영역대의 주파수를 흡수할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, Q 팩터는 각각의 공진 주파수에 따라서 73.15에서 50.10으로 점차 감소하였다. 이는 Q 팩터가 자기 유도계수인 L과 비례한다는 것과, 상기 공진 주파수와 역비례한다는 것을 나타내는 것이다.
도 5c는 실시예 1로부터 제조된 메타 원자의 흡수 주파수와 흡수율에 관한 실제 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이에 따르면, 상기 도 5a에 나타낸 시물레이션 값과 흡수 주파수 및 흡수율이 매우 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 상기 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 7.5 ㎜일 때 실험 및 시물레이션에서 1.99 GHz 주파수를 99.99% 흡수한다는 것을 확인하였다.
다만, 실제 실험 결과에서는 시물레이션과 달리, 메타 원자의 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 감소함에 따라 흡수율이 약 85% 이하로 감소되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 2.07 GHz에서 97.8%, 2.19 GHz에서 94.5%, 2.31 GHz에서 9.14%였고, 2.53 GHz에서 90.9%, 2.53 GHz에서 87%로, 우수한 흡수율을 나타냈다.
도 6은 실시예 1로부터 제조된, 각기 다른 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이를 갖는 메타 원자에서 제1 평판도체 및 제2 평판도체에서 동시에 유도된 유도 전류의 흐름에 대한 분포도를 나타낸 도면이다.
도 6a에 나타난 바와 같이, 전류의 대부분이 상기 제1 평판도체의 단위 패턴 주위에 위치하고, 상기 단위 패턴을 통해 전류가 흐르고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 감소할수록, 상기 전류의 흐름이 어렵게 되므로, 단위 패턴 주위에 전류밀도가 증가한다는 것을 확인하였다.
도 6b 및 도 6c는 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴의 길이가 7.5 ㎜인 메타 원자의 표면 에너지 손실 밀도(surface energy loss density)와 자기 에너지 밀도(magnetic energy density)를 나타낸 도면으로, 여기서, 자기 에너지 밀도(magnetic energy density)는 상기 메타 원자로부터 유도된 자기장을 나타낸 것이다. 상기 메타 원자의 구조에 따라 흡수될 수 있는 전자기파가 입사되었을 때, 메타 원자의 제1 평판도체 단위 패턴을 따라서 유도된 전류가 흐르게 되어, 유도되는 자기장(자장)으로 인해, 자기적 공진이 발생하고, 이로 인해, 전자기파의 완전 흡수가 발생하게 된다. 즉, 상기 제1 평판도체 단위 패턴에서 전자기파의 에너지 손실이 발생한다는 것을 확인하였다.
도 7은 제조예 4로부터 제조된 메타 물질에 200 MHz 내지 600 MHz의 주파수 대역을 갖는 전자기파를 수직으로 입사시킨 후, 각 주파수에 따른 흡수율을 시뮬레이션하여 나타낸 그래프로, 이에 따르면, 제조예 4로부터 제조된 메타 물질은 400 MHz에서 약 99% 이상의 완전한 흡수율을 갖는다는 것을 확인하였다.
100, 200: 제1, 제2 실시예에 따른 메타 원자
110, 210: 유전체 기판 120, 220: 제1 평판도체
121, 221: 제1 평판도체에 형성된 단위 패턴
130, 230: 제2 평판도체 300, 400: 메타 물질

Claims (8)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 배치되고, 적어도 하나의 지그재그 구조의 단위 패턴을 갖는 제1 평판도체; 및
    상기 유전체 기판의 타면 전체에 배치된 제2 평판도체;를 포함하고,
    상기 유전체 기판의 가로 및 세로는 10 내지 32 ㎜이고, 두께는 1.0 내지 12.0 ㎜이며, 상기 제1 평판도체의 가로 및 세로는 9.8 내지 31.8 ㎜이며, 두께는 0.01 내지 0.1 ㎜이며,
    상기 단위 패턴을 형성하는 선의 폭은 0.1 내지 0.6 ㎜이고, 상기 단위 패턴에서 "ㄷ"자로 굴곡진 부위의 높이는 0.3 내지 2.0 ㎜이며, 상기 단위 패턴에서 굴곡되지 않은 직선 부위의 길이는 5 내지 31 ㎜이며,
    상기 제1 평판도체는 입사하는 전자기파를 흡수하며,
    상기 제1 평판도체와 제2 평판도체에서 동시에 발생되는 유도전류에 의한 유도 자장이 상기 제1 평판도체에 입사된 전자기파와 자기적 공진을 하여 흡수하며,
    흡수되는 주파수 영역이 380 MHz에서 2.5 GHz인 것을 특징으로 하는 메타 원자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 평판도체 및 제2 평판도체는 구리 또는 은인 것을 특징으로 하는 메타 원자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 평판도체의 단위 패턴(121)이 하나인 메타원자는 1.5 GHz에서 2.5 GHz까지의 주파수 영역에서 95% 이상의 흡수율을 갖고,
    상기 제1 평판도체의 단위 패턴(121)이 둘 이상인 메타원자는 380 MHz에서 420 MHz까지의 주파수 영역에서 95% 이상의 흡수율을 갖는 것을 특징으로 하는 메타 원자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 평판도체의 단위 패턴간 이격거리는 0.1 내지 0.7 ㎜인 것을 특징으로 하는 메타 원자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 따른 적어도 하나 이상의 메타 원자를 포함하고,
    동일 평면상에 상기 메타 원자가 배열되어 형성된 평판 구조인 것을 특징으로 하는 메타 물질.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메타 물질은 흡수되는 주파수 영역이 380 MHz에서 2.5 GHz인 것을 특징으로 하는 메타 물질.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10978902B2 (en) 2018-12-26 2021-04-13 National Chiao Tung University Wireless charging device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073662A (ja) 2005-09-06 2007-03-22 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 電波吸収体

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11186837A (ja) * 1997-12-24 1999-07-09 Mitsubishi Electric Corp アレーアンテナ装置
KR101059747B1 (ko) * 2008-11-17 2011-08-26 국방과학연구소 이종 주기 형태의 전자기 밴드갭 구조물
KR101299223B1 (ko) * 2009-12-18 2013-08-22 한국전자통신연구원 개폐식 전자파 흡수 장치
KR20130001977A (ko) * 2011-06-28 2013-01-07 한국전자통신연구원 메타물질 구조를 갖는 필터 및 그의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073662A (ja) 2005-09-06 2007-03-22 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 電波吸収体

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10978902B2 (en) 2018-12-26 2021-04-13 National Chiao Tung University Wireless charging device

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