KR101680573B1 - 전자기파 흡수체의 단위셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가로로 배치된 도전성 패턴 사이에 세로로 배치된 도전선 패턴을 구비하여 다중 주파수 대역의 전자기파를 흡수 제거하는 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 유전층; 상기 유전층 상부면에 가로 또는 세로로 배치된 다수 개의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층; 및 상기 유전층의 하부면에 구비된 도전층; 을 포함함으로써, 주파수 243THz 및 주파수 266THz에서 대부분의 전자기파를 흡수할 수 있다.

Description

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

본 발명은 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가로로 배치된 도전성 패턴 사이에 세로로 배치된 도전선 패턴을 구비함으로써 다중 주파수대에서 전자기파를 흡수 제거하는 전자기파 흡수체의 단위셀에 관한 것이다.

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.

이러한 문제점 등을 감안하여 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 8 내지 12 GHz 주파수 대역에서 수직으로 입사된 전자기파는 용이하게 흡수할 수 있으나, 주파수 243THz 및 주파수 266THz에서 90퍼센트 이상의 전자기파 흡수율을 실현할 수 있은 기술에 대해서는 보고된 바 없다.

또한, 종래에는 243THz 내지 주파수 266THz 주파수 범위에서 특정 주파수를 선택적으로 흡수 제거할 수 있는 전자기파 흡수체의 단위셀에 대해서도 개시된 바 없다.

대한민국공개특허공보: 제2014-0110135호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 주파수 243THz 및 주파수 266THz에서 전자기파 흡수율을 90퍼센트 이상 실현하기 위한 전자기파 흡수체의 단위셀을 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 전자기파 흡수체의 단위셀은 유전층; 상기 유전층 상부면에 가로 또는 세로로 배치된 다수 개의 도전성 바(bar)를 구비한 패턴층; 및 상기 유전층의 하부면에 구비된 도전층; 을 포함한다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 패턴층은 상기 도전층 상에 수평으로 구비된 제1 바; 상기 제1 바의 하부에 구비되고, 상기 제1 바와 평행 대칭하도록 구비된 제2 바; 및 상기 제1 바의 길이 중심과 상기 제2 바의 길이 중심 사이에 수직으로 구비된 제3 바; 를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제3 바는 상부 종단이 상기 제1 바와 소정의 간격을 이루며 구비되고, 하부 종단이 상기 제2 바와 소정의 간격을 이룬다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 소정의 간격은 20nm이고, 상기 유전층과 상기 도전층은 가로 길이가 각각 800nm이고, 세로 길이가 각각 800nm인 정사각형이다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바 및 상기 유전층의 두께는 30nm이고, 상기 제1 바, 상기 제2 바, 및 상기 제3 바의 세로 길이는 각각 80nm이며, 상기 제1 바, 상기 제2 바, 및 상기 제3 바의 가로 길이는 각각 190nm이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제3 바는 세로 중심을 시작으로 우측 수평거리 0nm 내지 50nm에 구비되고, 상기 패턴층 및 상기 도전층은 은(Ag)으로 형성된다.

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 윈칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 실시 예에 따르는 전자기파 흡수체의 단위셀은 주파수 243THz 및 주파수 266THz에서 전자기파 흡수율을 90퍼센트 이상 실현할 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 실시 예에 따르는 전자기파 흡수체의 단위셀은 세로 바를 기준으로 우측 바들의 길이를 조절하여 243THz 내지 주파수 266THz 주파수 범위에서 특정 주파수에 실린 전자기파 파워를 흡수 제거할 수 있는 효과도 있다.

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 s에 따른 흡수치를 도시한 그래프.
도 5(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀이 주파수 243THz에서 전자기파를 상쇄하는 것을 도시한 스펙트럼.
도 5(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀이 주파수 266THz에서 전자기파를 상쇄하는 것을 도시한 스펙트럼.
도 6은 도 2의 단위셀에서 도전층이 미구비된 단위셀을 도시한 예시도.
도 7은 도 6에 도시한 단위셀을 전송특성을 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 7의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.

본 발명의 기본 원리는 가로로 배치된 도전성 패턴(2개의 가로바) 사이에 세로로 배치된 도전선 패턴(1개의 세로바)을 구비하여 다중 주파수 대역의 전자기파를 흡수 제거하는 한편, 세로바를 우측 방향으로 기설정된 길이만큼 이동 배치함으로써 특정 주파수대의 전자기파 파워를 제거하는 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(A)의 단위셀(100)을 후술한다.

본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 흡수체(A)는 단위셀(100)들이 격자형으로 배치된 수 있다. 단위셀(100)은 소정의 각도로 입사되는 243THz 및 266THz 주파수에서의 전자기파(k)를 거의 완벽히 흡수할 수 있다. 즉 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 주파수 243THz 의 전자기파를 90% 흡수할 수 있고, 주파수 266THz 의 전자기파를 94% 흡수할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 유전층(110), 다수 개의 패턴층(120), 및 도전층(130)을 포함한다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)의 구조를 상세히 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 상정하였으나 이는 일 예에 불과할 뿐 유전층(110)의 치수(dimension)는 정사각형이나 직사각형 등 필요에 따라 적당하게 선택할 수 있는 것이 바람직하다.

상술한 유전층(110) 상부에는 패턴층(120)이 형성될 수 있다. 여기서 도 2에 도시한 단위셀(100)을 정위치라고 가정하면 제1 바(121)가 배치된 윗쪽을 상부라고 하고, 제2 바(122)가 배치된 아랫쪽을 하부라고 상정한다. 따라서 제1 바(121)는 정사각형 유전층(110) 상부 중심에서 수평 구비된다. 여기제 제 1바(121)는 폭(w)이 길이(l)보다 짧아야 한다. 한편, 제1 바(121)와 동일한 치수(dimension)을 가지는 제2 바(122)는 유전층(110) 상부 중심에서 하측에 수평 구비된다. 여기서 제1 바(121)와 제2 바(122)는 서로 평행 대칭되도록 구비되는 것이 바람직하다. 한편, 제1 바(121)와 제2 바(122) 사이에는 제3 바(123)가 수직 구비된다. 제3 바(123)도 제1 바(121) 및 제2 바(122)와 동일한 치수를 가지지만, 다만 수직으로 구비된다.

즉, 제3 바(123)는 유전층(110)의 중앙에 제1 바(121)와 제2 바(122)에 수직 구비되되, 제3 바(123)의 상하 종단은 제1 바(121)와 제2 바(122)와 소정의 간격을 이룬다.

이와 같이 유전층(110) 상부면에 패턴층(120)이 구비되고, 유전층(130) 하부면에는 도전층(130)이 구비된다. 도전층(130)은 유전층(110)과 동일한 면적으로 구비되지만 그 두께는 서로 다른 것이 바람직하다. 도전층(130)은 전도성 물질로 형성되어 패턴층(120)을 통해 입사된 전자기파(k)의 투과를 방지하는 역할을 수행한다.

다음은 유전층(110), 패턴층(120), 및 도전층(130)의 바람직한 제작수치에 대해 후술한다.

우선, 도 2를 참조하면 유전층(110)과 도전층(130)은 동일한 면적의 정사각형 형상으로 형성되며 가로와 세로의 길이를 a라 한다. 그러면 a는 800nm인 것이 바람직하다. 그리고 제1바(121), 제2 바(122), 및 제3 바(123)의 가로 길이를 l이라고 하고, 세로 길이를 w라하며, 두께를 t₁이라 하면, l은 190nm, w는 80nm, 및 t₁은 30nm인 것이 바람직하다. 여기서 유전층(110)의 두께를 t2라고 하면, t₂도 t₁과 동일하게 30nm인 것이 적합하다. 그러나 도전층(130)의 두께 t₃은 100nm로 설정되어야 한다. 그리고 제3 바(123)의 상하 종단과 제1 바(121) 및 제2 바(122)와의 간격 g는 20nm로 설정하는 것이 적당하다. 마지막으로 도전층(120)과 패턴층(130)은 동일한 도전체로 이루어지며 본 발명에서는 은(Ag)인 것으로 상정하였으나 이는 일 예에 불과할 뿐 도전성 금속이라면 어느 것이라도 무방하다.

한편, 전자기파 흡수는 다음의 [수학식 1]에 의해 계산할 수 있다.

여기서 S₁₁은 반사 파라미터이고, S₂₁은 전송 파라미터이다.

패턴층(120)은 입사된 전자기파의 전송을 제한한다. 그러므로 전송 파라미터는 0이고, 흡수는 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

따라서 도전층(120)에 의해 전자기파 투과를 방지할 수 있다. 이로 인해 전송 파라미터가 0이 되도록 설계할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 입사되는 특정 주파수의 전자파(k)를 거의(90% 이상) 흡수할 수 있다. 즉 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 주파수 243THz 의 전자기파를 100%에 가깝게 흡수할 수 있고, 주파수 266THz 의 전자기파를 94% 이상 흡수할 수 있다.

이를 위해 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)에서 흡수 상쇄되는 결과를 그래프 및 흡수 스펙트럼을 통해 보여준다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 s에 따른 흡수치를 도시한 그래프이고, 도 5(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀이 주파수 243THz에서 전자기파를 상쇄하는 것을 도시한 스펙트럼이며, 도 5(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀이 주파수 266THz에서 전자기파를 상쇄하는 것을 도시한 스펙트럼이다.

도 4를 참조하면 s가 50nm인 경우 흡수율(Absorption)은 주파수 243THz 및 주파수 266THz에서 전자기파 흡수율은 거의 완전한 흡수라고 할 수 있는 93퍼센트 이상을 보임을 알 수 있다.

한편, s의 길이를 0nm로 조절하면 249THz에서 90% 정도의 높은 흡수율을 보임을 알 수 있다. 그리고 다음은 도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면 인피던스 매칭에 의해 패턴층(120, 전면)에 흡수된 전자기파는 도전층(130, 후면)을 투과하지 못하고 서로 상쇄되어 소멸됨을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀(100)은 s의 길이를 50nm로 조절하면 243THz 및 266THz 주파수의 전자기파를 거의 흡수할 수 있음을 알 수 있으며, s의 값을 조절함으로써 243THz 내지 266THz의 중간 주파수에 실린 전자기파도 흡수할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 제3 바(123)를 세로 중심을 시작으로 우측 수평거리 0nm 내지 50nm에 구비함으로써 243THz 및 266THz 주파수의 전자기파를 거의 흡수할 수 있다.

다음은 도 6 내지 도 8을 참조하여 도전층(130)이 구비되지 않는 경우, 특정 주파수대의 전자기파가 전송되는 현상을 후술한다.

도 6은 도 2의 단위셀에서 도전층이 미구비된 단위셀을 도시한 예시도이고, 도 7은 도 6에 도시한 단위셀을 전송특성을 도시한 그래프이다.

도 6 및 도 7을 설명함에 있어 도 1 내지 도 5와 반복된 설명을 생략하는 한편 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면번호를 명기한다.

우선, 도 7을 참조하면 도전층(130)이 미구비된 도 6에 도시한 단위셀 특정 주파수(274, 319THz)에서 20%가량의 전송률이 있음을 알 수 있다. 즉, 패턴층(120)으로 입사된 전자기파는 특정 주파수대에서 유전층(110)을 약 20% 정도 투과한다. 따라서, 도 2 및 도 3과 같이 도전층(130)이 존재하지 않는다면 입사하는 전자기파의 20%가 투과된다. 먼저, s의 길이를 0nm로 조절하면 290THz 에서 20% 정도의 전송률이 있으나, s의 길이를 50nm로 조절하면 274, 319THz 에서 동시에 20% 정도의 전송률을 나타내고 있다. 즉 s의 길이 변화를 통해서 최소 전송을 하는 주파수를 조절할 수 있는 것이다. 그 밖의 주파수에서는 최대 99%에 달하는 전송이 이루어진다.

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 안 될 것이다.

A: 전자기파 흡수체 100: 단위셀
110: 유전층 120: 패턴층
130: 도전층 121: 제1 바
122: 제2 바 133: 제3 바

Claims (10)

1. 유전층;
   상기 유전층 상부면 중앙 상측에 수평으로 배치되는 도전성 제1 바와, 상기 유전층 상부면 중앙 하측에 수평으로 상기 제1 바와 평행하게 배치되는 도전성 제2 바와, 상기 유전층 상부면에 상기 제1 바와 상기 제2 바 사이에 배치되되 상기 제1 바 및 상기 제2 바에 수직되며 수평방향으로 이동 가능한 도전성 제3 바를 구비하는 패턴층; 및
   상기 유전층의 하부면에 구비된 도전층을 포함하며,
   상기 제1 바와 상기 제2 바는 동일 크기를 가지며, 상기 제3 바의 상부 종단과 하부 종단은 각각 상기 제1 바 및 상기 제2 바와 이격되며, 상기 유전층과 상기 패턴층은 동일 두께를 가지며,
   상기 제3 바를 수평방향으로 이동시켜 다중 주파수 대역의 전자기파를 흡수 제거하는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3 바의 상부 종단과 상기 제1 바는 20nm 이격되고,
   상기 제3 바의 하부 종단과 상기 제2 바는 20nm 이격되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 유전층과 상기 도전층은
   가로 길이가 각각 800nm이고, 세로 길이가 각각 800nm인 정사각형인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 상기 제3 바 및 상기 유전층의 두께는
   30nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 및 상기 제3 바의 세로 길이는
   각각 80nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 바, 상기 제2 바, 및 상기 제3 바의 가로 길이는
   각각 190nm인 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3 바는
   상기 유전층의 중앙에서 수평방향으로 0nm 내지 50nm에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴층 및 상기 도전층은
    은(Ag)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기파 흡수체의 단위셀.
    

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