KR101680572B1 - 전자기파 흡수체의 단위셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전층 일측면에 도전성 바(bar)로 패턴층을 형성하는 한편, 유전층 타측면에 도전층을 구비함으로써 다중 주파수대 전자기파를 흡수하여 제거하는 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 유전층; 상기 유전층 일측면에 배치된 다수의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층; 및 상기 유전층의 타측면에 구비된 도전층; 을 포함함으로써, 주파수 240THz, 주파수 250THz 및 주파수 264THz에서 전자기파를 대부분 흡수하여 감쇄시킬 수 있다.

Description

전자기파 흡수체의 단위셀{Unit cell of Absorber for eliminating electromagnetic wave}

본 발명은 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전층 일측면에 도전선 바(bar)로 패턴층을 형성하는 한편, 유전층 타측면에 도전층을 구비함으로써 다중 주파수대 전자기파를 흡수하여 제거하는 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것이다.

일반적으로 메타물질은 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 새로운 인공소재로서 다양한 특성이 있다. 일반적으로 알려진 메타물질(Metamaterials)의 특성 중 하나는 전자기파 흡수에 용이하다는 것이다. 따라서 메타물질은 전자기파를 흡수하는 용도로 많이 사용된다.

하기의 선행기술 문헌인 대한민국 공개특허공보 제2014-0110135호에는 가변 전자파 흡수체 단위 셀 및 이를 구비하는 전자파 흡수체가 개시되어 있다. 개시된 가변 전자파 흡수체 단위 셀 및 이를 구비하는 전자파 흡수체의 단위 셀은 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상면 상에 배치되고 폐쇄 고리 형상의 홀을 갖는 도전층; 및 상기 유전체 기판의 하면에 이격하여 상기 유전체 기판과 평행하게 배치된 도전성 판을 포함함으로써 전자파 흡수율을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 종래의 가변 전자기파 흡수체 단위 셀 및 이를 구비하는 전자파 흡수체는 8GHz 내지 12GHz 주파수 대역에서 수직으로 입사된 전자기파는 용이하게 흡수할 수 있으나, 주파수 240THz, 주파수 250THz 및 주파수 264THz 등 다중 주파수 영역에서 선택적으로 전자기파를 흡수할 수 없다. 또한, 패턴층의 바를 조절함으로써 특정 주파수 대의 전자기파를 선택적으로 흡수할 수 있도록 튜닝할 수 있는 기술에 대해서도 종래에는 보고된 바 없다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

대한민국공개특허공보: 제2014-0110135호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 주파수대 240THz, 250THz 및 264THz에서 전자기파를 대부분 흡수하면서 패턴층의 특정 패턴의 바(bar)를 조절하여 원하는 주파수 대의 전자기파를 흡수하여 감쇄시키기 위한 전자기파 흡수체의 단위셀을 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 전자기파 흡수체의 단위셀은 유전층; 상기 유전층 일측면에 배치된 다수의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층; 및 상기 유전층의 타측면에 구비된 도전층; 을 포함한다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 패턴층은 상기 유전층을 상하로 균등하게 반분하는 수평의 제1 가상의 선 상부에 상기 제1 가상의 선과 수평으로 구비된 제1 바; 상기 제1 바 하부에 소정의 간격만큼 이격되어 상기 제1 바와 상하대칭으로 연달아 구비된 제2 바; 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제1 가상의 선 하부에 상기 제1 가상의 선과 수평으로 구비되되, 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제2 바와 상하 대칭으로 구비된 제3 바; 상기 제3 바의 하부에 소정의 간격만큼 이격되어 상기 제3 바와 상하대칭으로 연달아 구비되고, 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제1 바와 상하대칭으로 구비된 제4 바; 상기 제2 바와 상기 제3 바의 사이에 소정의 간격만큼 이격되어 구비되고, 상기 유전층을 좌우로 균등하게 반분하는 수직의 제2 가상의 선 상을 따라 세로로 구비되는 제5 바; 를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제5 바는 상기 제2 가상의 선을 따라 우측 수평거리 0nm 내지 50nm까지의 영역 중 어느 한 영역에 상기 제2 가상의 선과 평행하게 선택 구비된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바, 상기 제4 바, 및 상기 제5 바는 길이와 폭 및 두께가 동일하다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 길이는 150nm 내지 230nm이고, 상기 폭은 60nm 내지 100nm이며, 상기 두께는 15nm 내지 45nm이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 바와 상기 제2 바의 상기 소정의 간격은 5nm 내지 15nm이고, 상기 제3 바와 상기 제4 바의 상기 소정의 간격은 5nm 내지 15nm이다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제2 바와 상기 제3 바 사이에 구비된 상기 제5 바는 상기 제2 바와 상기 제3 바와 10nm 내지 30nm의 간격만큼 이격되어 구비된다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 유전층과 상기 도전층은 가로와 세로의 길이가 동일하고, 상기 가로와 세로의 길이는 각각 700nm 내지 900nm이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 유전층의 두께는 15nm 내지 45 nm이다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도전층의 두께는 80nm 내지 120nm이고, 상기 패턴층 및 상기 도전층은 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르는 전자기파 흡수체의 단위셀은 주파수 240THz, 주파수 250THz 및 주파수 264THz에서 전자기파를 대부분 흡수하여 감쇄시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따르는 전자기파 흡수체의 단위셀은 세로로 구비된 바를 조절하여 주파수 240THz 내지 주파수 264THz 범위에서 특정 주파수에 실린 전자기파 파워를 흡수 제거할 수 있는 효과도 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 도 1의 단위셀을 확대 도시한 예시도.
도 3은 도 2의 단위셀의 측단면을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 특정 주파수 범위에서 전자기파 흡수치를 도시한 그래프.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 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.

또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

도 1 내지 도 4의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.

본 발명의 기본 원리는 유전층(110)과, 유전층(110) 일측면에 배치된 다수의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층(120), 및 유전층(110)의 타측면에 구비된 도전층(130)을 구비하여 특정 주파수대에서 전자기파를 대부분 흡수하여 감쇄시키는 것이다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

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

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체를 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 도 1의 단위셀을 확대 도시한 예시도이며, 도 3은 도 2의 단위셀의 측단면을 도시한 단면도이다.

다음은 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체(C)의 단위셀(100)을 후술한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체(C)는 단위셀(100)들이 격자형으로 배치된 수 있다. 단위셀(100)은 소정의 각도로 입사되는 240THz, 250THz 및 264THz 주파수 대역에서의 전자기파(k)를 거의 완벽히 흡수하여 흡수된 전자기파를 감쇄시킬 수 있다. 이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 유전층(110), 패턴층(120), 및 도전층(130)을 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)의 구조를 도 2 및 도 3을 참조하여 후술한다.

우선, 유전층(110)은 FR(EpoxyResin)-4 기판을 사용할 수 있다. FR-4 기판은 에폭시 레진이 함침된 유리 섬유가 여러 층으로 형성된 것으로서 주로 인쇄회로기판(PCB)을 제작하는 경우 유전층(110)으로 사용된다. 또한 유전층(110)은 실리카라고 칭하는 이산화규소(silicon dioxide)로 형성할 수도 있다.

특히, 유전층(110)은 가로 길이가 800nm, 세로 길이가 800nm인 정사각형인 것으로 상정할 수 있으나, 이는 일 예에 불과할 뿐 유전층(110)의 치수(dimension)는 정사각형이나 직사각형 등 필요에 따라 적당하게 선택할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 유전층(110)의 가로와 세로의 길이도 각각 700nm 내지 900nm에서 선택적으로 적용할 수 있다.

상술한 유전층(110) 일측면에는 다수의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층(120)이 형성될 수 있다. 보다 상세하게 패턴층(120)은 제1 바(121), 제2 바(122), 제3 바(123), 제4 바(124), 및 제5 바(125)을 포함할 수 있다.

우선 도 2를 참조하여 유전층(110)을 상하로 균등하게 반분하는 수평의 제1 가상의 선(B)을 정의한다. 이와 같이 정의된 제1 가상의 선(B) 상부에 제1 바(121) 및 제2 바(122)가 제1 가상의 선(B)과 수평으로 패터닝될 수 있다. 여기서 제1 바(121)는 제2 바(122)보다 제1 가상의 선(B)을 기준으로 상측에 패터닝되는 것이 바람직하다. 또한 제2 바(122)는 제1 가상의 선(B) 상측에 패터닝되되 제1 바(121)와 소정의 간격(g2)만큼 아래에 이격되어 패터닝된다. 여기서 소정의 간격(g2)은 5nm 내지 15nm인 것이 바람직하다. 그리고 제1 바(121)와 제2 바(122)는 소정의 간격(g2)을 기준으로 수평 대칭된다. 따라서제1 바(121)와 제2 바(122)의 치수(dimension)는 서로 동일한 것이 바람직하다. 즉, 제1 바(121)와 제2 바(122)의 길이(l), 폭(w) 및 두께(t1)는 서로 동일하다. 예를 들면 제1 바(121)와 제2 바(122)의 길이(l)는 150nm 내지 230nm 중 선택적으로 적용할 수 있다. 폭(w)도 60nm 내지 100nm 중 어느 하나를 적용할 수 있으며, 두께(t1)도 15nm 내지 45nm 중 어느 하나를 적용할 수 있는 것이 적당하다.

본 발명에서는 특정 주파수대(240THz, 250THz 및 264THz)에서 전자기파의 흡수 및 제거를 목적함으로 좀더 정확한 길이(l)는 190nm, 폭(w)은 80nm, 두께(t1)는 30nm로 상정할 수 있으나 이 또한 일 예에 불과할 뿐 반드시 이에 한정하지는 않는다. 상술한 바와 같이 제1 바(121)와 제2 바(122)가 유전층(110) 상부에 패터닝되면 제3 바(123) 및 제4 바(124)가 제1 가상의 선(B) 하부에 패터닝된다.

제3 바(123) 및 제4 바(124)는 제1 가상의 선(B)를 기준으로 제1 가상의 선(B) 하부에 제1 가상의 선(B)와 수평이 되도록 구비된다. 즉, 제3 바(123)는 제1 가상의 선(B)을 기준으로 제2 바(122)와 상하 대칭으로 구비되는 것이 바람직하다.

그리고 제4 바(124)는 제1 가상의 선(B)을 기준으로 제1 바(121)와 상하 대칭으로 구비될 수 있다. 여기서 제3 바(123) 및 제4 바(124)는 제1 바(121) 및 제2 바(122)와 동일하게 소정의 간격(g2)만큼 이격되어 상하 대칭으로 구비된다.

여기서 제3 바(123) 및 제4 (124)의 치수는 제1 바(121) 및 제2 바(122)와 서로 동일한 것으로 상정할 수 있으며, 그 구체적인 치수는 상술하였으므로 생략한다.

다음은 도 2를 참조하여 제5 바(125)에 대해 후술한다.

우선, 유전층(110)을 좌우로 균등하게 반분하는 수직의 제2 가상의 선(A)을 정의하면, 제5 바(125)는 제2 가상의 선(A)을 따라 세로로 구비된다. 즉 제5 바(125)는 폭 중심이 제2 가상의 선(A)을 따라 구비되는 것이 바람직하다. 그리고 제5 바(125)는 제2 바(122)와 제3 바(123) 사이에 소정의 간격(g1)만큼 이격되어 구비된다. 그리고 제5 바(125)는 제1 바(121), 제2 바(122), 제3 바(123), 및 제4 바(124)와 동일한 치수를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 제5 바(125)는 제2 가상의 선(A)이 그어진 위치를 0nm라고 하면 제2 가상의 선(A)을 기준으로 우측 수평방향 50nm사이에서 선택적으로 구비될 수 있다. 즉 제5 바(125)는 제2 가상의 선(A)과 수평으로 구비되고 소정의 우측 수평간격(s, s는 0nm 내지 50nm) 사이에 구비될 수 있다.

그리고 유전층(110)과 도전층(130)은 가로(a1)와 세로(a2)의 길이가 서로 동일한 정사각형인 것이 바람직하다. 예를 들면 유전층(110)과 도전층(130)은 가로(a1)와 세로(a2)의 길이가 700nm 내지 900nm 중 어느 하나 인 것이 바람직하며 반드시 정사각형 형상에 한정하지 않는다. 또한 유전층(110)은 15nm 내지 45nm의 두께(t2)인 것이 바람직하며, 도전층(130)은 80nm 내지 120nm 사이의 두께(t3)를 갖는 것이 적당하다. 또한 도전층(130)과 패턴층(120)은 도전성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며 예를 들면 은(Ag) 또는 구리(Cu)와 같은 물질 중 어느 하나 이거나 그 조합으로 형성될 수 있으며 도전성 금속이라면 어느 것이라도 무방하다.

한편, 단위셀(100)의 전자기파 흡수는 다음의 [수학식 1]에 의해 계산할 수 있다.

[수학식 1]

여기서

은 반사 파라미터이고,

은 전송 파라미터이다.

도전층(130)은 입사된 전자기파의 송신을 제한한다. 그러므로 전송 파라미터는 0이고, 흡수는 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

따라서 도전층(130)에 의해 전자기파 투과를 방지할 수 있다. 이로 인해 전송 파라미터는 0이 되도록 설계할 수 있다.

다음은 제5 바(125)가 구비되는 영역의 위치에 의해 전자기파를 흡수하는 주파수대를 선택 튜닝할 수 있다. 다음의 도 4를 참조하여 제5 바(125)의 위치를 0nm 내지 50nm 사이간 이동시킴으로써 달라지는 특정 주파수대의 전자기파 흡수율을 후술한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체의 단위셀에서 제5 바를 튜닝함으로써 흡수하는 주파수대와 흡수율을 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 점선 그래프는 제5 바(125)가 제2 가상의 선(A)을 따라 구비된 경우 흡수율을 도시하였다. 점선 그래프를 참조하면 제5 바(125)가 s=0nm에 구비되면 전자기파 흡수율이 높은 주파수 대역은 2개가 된다. 여기서 제5 바(125)를 s=50nm까지 이동시키면 전자기파 흡수율은 실선 그래프와 같이 그려졌다.

즉 제5 바(125)를 s=50nm까지 이동시키면 전자기파 흡수율이 높은 주파수 대역은 3개(240, 250, 및 264THz)가 된다. 따라서 제5 바(125)를 이동시키면(s가 0nm 내지 50nm) 전자기파 흡수율이 높은 주파수 대역을 증가시킬 수 있었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

C: 전자기파 흡수체 100: 단위셀
110: 유전층 120: 패턴층
130: 도전층 121: 제1 바
122: 제2 바 123: 제3 바
124: 제4 바 125: 제5 바

Claims (11)

1. 유전층;
   상기 유전층을 상하로 균등하게 반분하는 수평의 제1 가상의 선 상부에 상기 제1 가상의 선과 수평으로 구비된 도전성 제1 바와, 상기 제1 바 하부에 소정의 간격만큼 이격되어 상기 제1 바와 상하대칭으로 연달아 구비된 도전성 제2 바와, 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제1 가상의 선 하부에 상기 제1 가상의 선과 수평으로 구비되되 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제2 바와 상하 대칭으로 구비된 도전성 제3 바와, 상기 제3 바의 하부에 소정의 간격만큼 이격되어 상기 제3 바와 상하대칭으로 연달아 구비되고 상기 제1 가상의 선을 기준으로 상기 제1 바와 상하대칭으로 구비된 도전성 제4 바와, 상기 제2 바와 상기 제3 바의 사이에 소정의 간격만큼 이격되어 구비되고 상기 유전층을 좌우로 균등하게 반분하는 수직의 제2 가상의 선 상을 따라 세로로 구비되며 수평방향으로 이동 가능한 도전성 제5 바를 포함하는 패턴층; 및
   상기 유전층의 타측면에 구비된 도전층을 포함하며,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바, 상기 제4 바, 및 상기 제5 바는 길이와 폭 및 두께가 동일하며, 상기 유전층의 두께가 상기 도전층의 두께보다 두꺼우며,
   상기 제5 바를 수평방향으로 이동시켜 다중 주파수대 전자기파를 흡수하여 제거하는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제5 바는
   상기 제2 가상의 선을 따라 우측 수평거리 0nm 내지 50nm까지의 영역 중 어느 한 영역에 상기 제2 가상의 선과 평행하게 선택 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바, 상기 제4 바, 및 상기 제5 바의 길이는 150nm 내지 230nm이고,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바, 상기 제4 바, 및 상기 제5 바의 폭은 60nm 내지 100nm이며,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바, 상기 제4 바, 및 상기 제5 바의 두께는 15nm 내지 45nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바와 상기 제2 바의 상기 소정의 간격은
   5nm 내지 15nm이고,
   상기 제3 바와 상기 제4 바의 상기 소정의 간격은
   5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 바와 상기 제3 바 사이에 구비된 상기 제5 바는
   상기 제2 바와 상기 제3 바와 10nm 내지 30nm의 간격만큼 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 유전층과 상기 도전층은
   가로와 세로의 길이가 동일하고,
   상기 가로와 세로의 길이는 각각 700nm 내지 900nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 유전층의 두께는
   15nm 내지 45 nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 도전층의 두께는
    80nm 내지 120nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴층 및 상기 도전층은
    은(Ag) 또는 구리(Cu)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
    

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