KR101724333B1 - 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템 및 그 측정 방법 - Google Patents

파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템 및 그 측정 방법 Download PDF

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백승수
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이현민
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이승준
장태용
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Abstract

본원발명은 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 샘플 시편; 및 상기 샘플 시편의 유전율을 측정하는 유전율 측정 장치;를 포함하고, 상기 유전율 측정 장치는, 상기 샘플 시편을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되어 전자파를 송수신하는 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나; 및 상기 제1 표면 및 제2 표면에서 상기 전자파로 인해 발생하는 파브리-페로 공진 주파수(Fabry-Perot resonance frequency)를 이용하여 유전율을 연산하는 제어유닛을 포함하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템을 제공한다.
본원발명에 의하면 전자파의 파브리-페로 공진을 이용하여 재료의 유전율을 상온 및 고온에서 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템 및 그 측정 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING DIELECTRIC PROPERTIES OF MATERIALS BY USING FABRY-PEROT RESONANCE}
본원발명은 파브리-페로 공진(Fabry-Perot resonance)을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
최근 과학 및 산업의 발달이 가속화되면서 전자파 영역이 매우 폭 넓게 이용되고 있다.
이와 같은 배경에서, 상기 전자파를 원활하게 투과시킬 수 있는 재료들을 분류해내고 이러한 재료들을 적극적으로 활용하여 부품을 설계할 필요성이 증대되고 있다.
상기 전자파를 원활하게 투과시킬 수 있는 재료들을 분류해내어 이러한 재료들을 적극적으로 활용하기 위해서는 각각의 재료들의 전자파 신호에 대응한 전기적 특성 및 상기 재료들과 전자파의 상호 관계 등에 대한 정확한 이해가 선행되어야 할 것이다. 왜냐하면 각각의 재료들의 전자파에 대응한 특성들을 분석함으로써 상기 재료들의 특성들을 정확하게 이해하여야만 설계자가 원하는 특성을 발휘하는 응용 재료의 선정 및 해당 응용 재료를 활용한 관련 부품의 개발이 가능해지기 때문이다.
다양한 재료들 중에서도, 세라믹 물질은 열적 안정성과 고유의 유전 특성으로 인하여 20 세기 이후로 그 활용 영역이 크게 확대되어 오고 있다. 세라믹 물질은 구조 재료로서 뿐만 아니라 전기적 특성을 요구하는 영역에 이르기까지 그 사용 영역이 지속적으로 커져 가고 있다.
전자파는 임의의 매질을 통과할 때 상기 매질의 유전 특성에 따라서 파장에 변화가 발생하게 된다. 따라서, 상기 전자파가 통과하는 매질의 유전 특성을 미리 정확하게 파악하고 있어야 전자파를 적절하게 활용할 수 있다.
이와 같은 매질의 유전 특성은 전자파의 주파수가 변화함에 따라서도 달라질 수 있다. 또한, 상기 매질의 유전 특성은 온도 등의 외적인 요소에 의하여 변화되기도 한다. 따라서, 전자파의 주파수에 따라서 상기 매질의 유전 특성의 변화 및 온도 등의 외부 조건이 매우 중요하다.
전자 부품의 다양화 및 소형화 추세에 따라서, 세라믹 재료에 대한 유전 특성을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 방법 및 장치에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
그러나, 세라믹 재료의 유전율 측정값은 그 측정 방법 및 측정 대역에 따라서 오차가 크게 발생할 수 있다. 특히, 섭씨 1,000도가 넘는 고온 환경에서의 세라믹 재료의 유전율을 측정할 수 있는 장비와 측정 방법은 극히 제한적이며, 측정 자체가 어려운 경우도 많다.
따라서, 위와 같은 세라믹 재료의 고온에서의 유전율을 정밀하게 측정할 수 있는 장비 및 방법을 마련하기 위해 다양한 연구들이 진행되어 왔다.
고온에서의 세라믹 재료의 유전율을 정밀하게 측정할 수 있도록 해주는 기술은 고온에서 전자파를 투과시키는데 사용되는 세라믹 재료들의 유전율을 미리 파악할 수 있도록 도와준다. 이와 같은 평가를 통하여, 고성능 전자파 투과 재료를 선정하고 이를 활용하여 다양한 부품을 설계하는 것이 가능해진다.
최근 전자파 영역을 이용하는 제품들이 매우 폭 넓게 사용되고 있다. 따라서, 이러한 제품들을 제작하는데 쓰일 세라믹 재료에 관한 정밀한 분석이 필요하게 되었으며, 특히, 고온에서의 세라믹 재료에 대한 유전율을 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 확보할 필요성이 매우 증대되었다.
즉, 고온에서 세라믹 재료의 유전 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 확보하게 되면, 고온에서 전자파를 투과하여야 하는 곳에 사용되는 세라믹 재료의 유전 특성을 미리 파악할 수 있기 때문에 전자파의 투과 능력이 뛰어난 재료들을 선별하여 이용함으로써 관련 부품을 설계하는데 도움을 줄 수 있다.
파브리-페로 간섭을 이용하여 임의의 재료로 만들어진 샘플 시편의 유전상수를 측정하는 종래의 방법은 크게 두 가지 방법으로 나누어 볼 수 있다.
첫 번째로는, 파브리-페로 간섭 및 섭동(perturbation)을 이용하여 임의의 재료로 만들어진 샘플 시편의 유전상수를 측정하는 종래의 방법이 있다.
이 방법은 파브리-페로 공진이 일어나는 캐비티(cavity)에 비하여 샘플 시편의 크기가 작을 때 섭동을 이용하여 샘플 시편의 유전율을 측정하는 방법이다. 위 방법은 샘플 시편이 있을 때와 없을 때 주파수와 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)의 변화를 비교 관할함으로써 유전상수를 측정하는 방법이다.
더 구체적으로, 위 방법은 금속 벽면으로 둘러쌓인 밀폐 캐비티(closed cavity)에서 공진 모드를 이용하여 유전율을 측정하는 방법과, 열린 공간에서 두 개의 거울만을 캐비티로 이용하는 오픈 캐비티에서 공진 모드를 이용하여 유전율을 측정하는 방법으로 나누어 볼 수도 있다.
두 번째로는, 파브리-페로 간섭만을 이용하여 임의의 재료로 만들어진 샘플 시편의 유전상수를 측정하는 종래의 방법이 있다. 이 방법은 캐비티의 크기와 샘플 시편의 크기를 딱 맞게 하여 이미 알고 있는 상기 캐비티의 크기(샘플 시편의 크기와 같음)와 공진 주파수로부터 상기 재료의 유전상수를 알아내는 방법이다. 위 방법은 '해키-콜맨 방법(Hakki-Colman method)'이라고도 불린다.
도 1에는 종래의 유전율 측정 방법들 중에서, 공진을 이용한 유전율 측정 방법(Resonance method), TRL을 이용한 도파관 유전율 측정 방법(waveguide method) 및 자유 공간에서의 유전율 측정 방법(Free space method) 등을 이용하여 전자파의 주파수 대역이 X-band(8.2-12.4 GHz) 및 Ku-band(12.4-18.0 GHz)인 상태에서 알루미나(Alumina) 및 쿼츠(quartz)로 제작된 샘플 시편의 유전율을 측정한 데이터가 나타나 있는 표가 도시되어 있다.
위와 같은 종래의 두 가지 유전율 측정 방법들의 공통점은 (partial 혹은 highly reflective)거울을 이용한다는 점에 있다.
위와 같은 종래의 두 가지 유전율 측정 방법들을 살펴보면, 모두 두 거울의 사이에서 파브리-페로 공진 모드가 일어나는 것을 확인할 수 있다.
그런데, 종래와 같이, 도파관이나 자유 공간에서 TRL(Thru-Reflection Line)을 이용하여 재료의 유전율을 측정하는 방법은 캘리브레이션(calibration) 방법이나 캘-키트(cmal-kit) 장치 등의 측정 환경에 따라서 그 측정값이 달라지게 되므로 정밀한 측정이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 종래의 해키-콜맨 방법을 이용하여 재료의 유전율을 측정하는 방법은 공진을 여기시키기 위한 특별한 장치를 필요로 하므로 복잡한 형태의 공진이 일어나게 되며 이로 인해 정밀한 측정이나 고온에서의 측정이 어려울 수 있다는 문제점을 가지고 있다.
본원발명의 일 목적은 임의의 재료로 제작된 샘플 시편을 이용하여 유전율을 측정하는 과정에서 오차의 발생을 줄여줄 수 있는 유전율 측정 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본원발명의 다른 목적은 상온뿐만 아니라 2,000 ℃ 이상의 고온 영역에서도 임의의 재료의 유전율을 정밀하게 측정할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본원발명의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본원발명의 일 실시예에 따르면, 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 샘플 시편; 및 상기 샘플 시편의 유전율을 측정하는 유전율 측정 장치;를 포함하고, 상기 유전율 측정 장치는, 상기 샘플 시편을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되어 전자파를 송수신하는 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나; 및 상기 제1 표면 및 제2 표면에서 상기 전자파로 인해 발생하는 파브리-페로 공진 주파수(Fabry-Perot resonance frequency)를 이용하여 유전율을 연산하는 제어유닛을 포함하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 표면 및 제2 표면은, 전자파의 일부는 투과되고 나머지는 반사되면서 상기 샘플 시편에서 파브리-페로 공진이 일어날 수 있도록, 기설정된 값 이상의 조도를 가지는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 샘플 시편은 상기 제1 전자파 안테나와 제2 전자파 안테나를 연결하는 축과 상기 제1 표면 및 제2 표면이 직교하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 유전율 측정 장치는 전자파를 가두어 넣고 전송할 수 있도록 중공 형상으로 형성된 도파관을 더 포함하고, 상기 샘플 시편은 상기 도파관의 중공 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제어유닛은 이하의 수학식을 이용하여 재료의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00001
)을 연산하고,
Figure 112016014951023-pat00002
여기서, m은 공진 차수로서 자연수이고, c는 빛의 속도이고, d는 상기 전자파가 상기 제1 표면과 제2 표면의 사이를 투과할 때 지나는 길이이고,
Figure 112016014951023-pat00003
는 파브리-페로 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 유전율 측정 장치는, 상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나의 사이에 구비되고, 상기 샘플 시편을 가열하도록 이루어지는 열원을 구비하는 가열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 가열부는 상기 샘플 시편의 전체를 고르게 가열시키도록 상기 샘플 시편을 내부에 수용하는 수용함을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템이 제공될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 서로 마주보면서 전자파를 송수신할 수 있도록 상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나를 서로 이격하여 배치시키는 단계; 상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나의 사이에, 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 샘플 시편을 배치하는 단계; 상기 제1 마이크로 안테나 및 제2 마이크로 안테나가 전자파를 송수신하는 단계; 상기 샘플 시편에서 발생되는 파브리-페로 공진 주파수를 이용하여 상기 샘플 시편의 유전율을 연산하는 단계;를 포함하는 파브리-페로 공진을 이용하여 유전율을 측정하는 방법이 개시될 수 있다.
본원발명에 의하면, 임의의 재료로 제작된 샘플 시편을 이용하여 유전율을 측정하는 과정에서 오차의 발생을 줄여줄 수 있는 유전율 측정 방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
본원발명에 의하면, 상온뿐만 아니라 2,000 ℃ 이상의 고온 영역에서도 임의의 재료의 유전율을 정밀하게 측정할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 유전율 측정 방법들 중에서, 공진을 이용한 방법(Resonance method), TRL을 이용한 도파관 법(waveguide method) 및 자유 공간 측정법(Free space method) 등을 이용하여 주파수 대역이 X-band(8.2-12.4 GHz) 및 Ku-band(12.4-18.0 GHz)인 상태에서 알루미나(Alumina) 및 쿼츠(quartz)의 유전율을 측정한 데이터를 나타낸 표이다.
도 2는 자유 공간에서 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템을 이용하여 각각 두께가 다른 알루미나 샘플 시편들의 유전율을 측정한 데이터를 나타낸 표이다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 샘플 시편을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 자유 공간에서 샘플 시편의 유전율을 측정할 수 있는 본원발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 자유 공간에서 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나의 사이에 수용함을 구비한 가열부가 설치되어 샘플 시편을 고온으로 가열시킨 상태에서 정밀하게 유전율을 측정할 수 있는 본원발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도파관에서 종래의 유전율 측정 방법인 TRL 방법을 이용하여 X-band(8.2 내지 12.4 GHz) 와 Ku-band(12.4 내지 18.0 GHz) 대역의 전자파를 통해 측정한 공기, 알루미나 및 쿼츠의 유전율을 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.
도 7은 자유 공간에서 종래의 유전율 측정 방법인 TRL 방법을 이용하여 공기, 알루미나 및 쿼츠의 유전율을 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.
도 8은 자유 공간에서 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템을 이용하여 각각 두께가 다른 알루미나 샘플 시편들의 파브리-페로 공진값 데이터를 도시한 그래프이다.
도 9는 각각 두께가 다른 두 개의 알루미나 샘플 시편들의 유전율을, 도파관 내에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 통해 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
도 10은 각각 두께가 다른 두 개의 알루미나 샘플 시편들의 고온에서의 유전율을, 도파관에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 통해 X-band 대역에서 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
도 11은 쿼츠 샘플 시편의 온도를 올려가며 각 온도에서의 유전율을, 도파관 내에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 이용하여 X-band 대역에서 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
이하, 본원발명의 파브리-페로 공진(Fabry-Perot resonance)을 이용한 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법에 대하여 본원 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음의 설명으로 갈음한다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되고, 본원발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하, 본원발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예에는 본원발명을 예시하는 것일 뿐, 본원발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법은 샘플 시편(200)에서 일어나는 파브리-페로 공진 주파수를 측정하고, 상기 파브리-페로 공진 주파수 값과 이미 알고 있는 샘플 시편의 두께(d) 값을 후술할 수학식에 대입하여 상기 재료의 정밀한 유전율(
Figure 112016014951023-pat00004
)을 측정하는 방법이다.
본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00005
) 측정 시스템 및 그 측정 방법은 온도와 같은 측정 환경의 변화로부터 기인하는 영향을 배제할 수 있어서 샘플 시편 자체의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00006
)을 정밀하게 측정할 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법은 외부 거울과 같은 특별한 장치 없이도 도파관(waveguide)이나 자유 공간에서 전자파 안테나(110, 120)만을 이용하여 정밀하게 유전율(
Figure 112016014951023-pat00007
)을 측정하는 것이 가능하다는 장점을 가진다.
앞서 설명한 바와 같이, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법은 종래의 측정 방법들에서 이용하는 외부 거울과 같은 구성요소를 이용하지 않으며, 샘플 시편의 벽면 자체를 외부 거울과 같은 역할을 하도록 이용하며 이를 가장 주된 구성상 특징으로 하고 있다.
보다 구체적으로, 임의의 재료로 제작된 샘플 시편(200)의 유전율을 측정하는 경우를 예로 들어 설명한다.
공기의 파동 임피던스와 유전율(
Figure 112016014951023-pat00008
)을 측정하려는 샘플 시편(200)의 파동 임피던스는 서로 다르다. 때문에, 외부 거울 또는 외부 캐비티가 없어도 샘플 시편(200) 자체의 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)을 캐비티로 하여 파브리-페로 공진이 일어나게 된다.
본원발명은 위와 같이 유전율(
Figure 112016014951023-pat00009
)을 측정하고자 하는 샘플 시편(200) 자체의 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)이 외부(부분) 거울과 같은 기능을 할 수 있다는 점을 이용함으로써 상기 샘플 시편(200)의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00010
)을 측정한다.
따라서, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법은, 종래의 유전율 측정 방법들과는 다르게, 외부 거울을 사용하지 않으므로 그 구조가 간단해질 수 있으며, 외부 환경 요인으로부터 영향을 적게 받을 수 있으므로 보다 정밀한 유전율 데이터를 얻는 것이 가능해진다.
특히, 고온의 샘플 시편(200)의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00011
)을 측정하고자 할 경우, 종래의 유전율 측정 장치는 외부 거울을 구비하고 있기 때문에 상기 샘플 시편(200)을 가열함에 따라 상기 샘플 시편(200)의 가까이에 위치한 외부 거울도 함께 열팽창되면서 결국 상기 외부 거울의 반사율에 변화가 일어나게 되는 문제점이 있었다.
그러나, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10) 및 그 측정 방법에 의하면, 외부 거울과 같은 구성요소를 구비하고 있지 않기 때문에 샘플 시편(200) 자체의 열팽창만을 고려하면 되므로, 고온의 샘플 시편(200)의 유전율도 오차 없이 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 샘플 시편(200)을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 자유 공간에서 샘플 시편(200)의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00012
)을 측정할 수 있는 본원발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 장치(100)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)에 대하여 설명한다.
본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)은 유전율 측정 장치(100) 및 샘플 시편(200)을 포함할 수 있다.
먼저, 샘플 시편(200)에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 샘플 시편(200)은 서로 대향하는 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)을 가질 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)이 외부 거울과 같은 기능을 함으로써 상기 샘플 시편(200)에서 파브리-페로 공진이 일어날 수 있다.
본원발명의 다른 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)에 따르면, 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)은 전자파의 일부는 투과시키고 나머지는 반사시키도록 기설정된 값 이상의 조도를 가지도록 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 샘플 시편(200)은 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)을 구비함으로써 파브리-페로 공진을 일으키게 된다. 만약 상기 샘플 시편(200)의 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)이 일정 수준 이상의 조도를 확보하지 못하면, 전자파의 일부는 투과되고 나머지는 반사됨으로써 발생되는 파브리-페로 공진이 일어나지 못할 수 있다. 이러한 경우, 본원발명에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 방법을 통하여서는 유전율을 측정하지 못할 것이다.
이를 방지하기 위해, 상기 샘플 시편(200)의 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)은 파브리-페로의 공진을 발생시킬 수 있을 정도의 기설정된 조도가 확보되도록 가공할 필요가 있는 것이다.
본원발명의 다른 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10)에 따르면, 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)은 서로 평행할 수 있다.
상기 샘플 시편(200)은 도 3에 도시된 형태 이외에도 다양한 형상을 갖도록 제작될 수 있으나, 파브리-페로 공진이 보다 균일하게 발생할 수 있도록, 상기 샘플 시편(200)은 서로 평행하게 형성되는 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)을 가지는 형상으로 제작되는 것이 바람직하다.
본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)은 상기 샘플 시편(200)에 더하여 상기 유전율 측정 장치(100)를 포함할 수 있다.
본원발명의 일 실시예에 따른 상기 유전율 측정 장치(100)는 제1 전자파 안테나(110), 제2 전자파 안테나(120) 및 제어유닛(130)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)는 상기 샘플 시편(200)을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되어 전자파를 송수신하도록 이루어질 수 있다.
상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)는 상기 샘플 시편(200)을 향하여 전자파를 방사할 수 있으며, 이렇게 방사된 전자파는 상기 샘플 시편(200)에서 반사되거나 상기 샘플 시편(200)을 투과할 수 있다. 이렇게 투과된 전자파는 상기 제1 전자파 안테나(110) 또는 제2 전자파 안테나(120)에서 수신될 수 있다.
상기 샘플 시편(200)은, 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)가 전자파를 송수신하는 기능을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록, 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)를 연결하는 축 상에 배치하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 샘플 시편(200)은 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)이 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)를 연결하는 축과 교차하도록 배치되는 것이 바람직할 것이다.
상기 샘플 시편(200)은 위와 같이 배열되어야만 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)에서 방사된 전자파가 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)에서 반사 또는 투과될 수 있고, 이를 통해 측정자가 원하는 파브리-페로 공진이 일어날 수 있기 때문이다.
본원발명의 또 다른 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)에 의하면, 상기 샘플 시편(200)은 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)를 연결하는 축과 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)이 서로 직교하도록 배치될 수 있다.
상기 샘플 시편(200)이 위와 같이 배치될 경우 전자파가 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)에 수직입사하게 되므로 입사각을 따로 고려하지 않아도 되어서 상기 파브리-페로 공진 주파수를 보다 정밀하게 측정하는 것이 가능해질 수 있다.
상기 제어유닛(130)은 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)와 연결되고, 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)가 전자파를 송수신하는 것을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어유닛(130)은 상기 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)에서 상기 전자파로 인해 발생하는 파브리-페로 공진 주파수(Fabry-Perot resonance frequency)를 측정하는 기능을 수행하고, 상기 파브리-페로 공진 주파수를 이하의 수학식에 대입하여 연산함으로써 상기 샘플 시편(200)의 유전율을 연산하는 기능을 수행할 수 있다.
이하에서는 전자파가 상기 샘플 시편(200)에 수직 입사하는 경우를 예로 들어서 상기 파브리-페로 공진 주파수를 측정하였을 때 유전율 값을 연산하는 방법을 설명한다.
Figure 112016014951023-pat00013
Figure 112016014951023-pat00014
여기서, m은 파브리-페로 공진이 일어나는 차수를 의미하며, 자연수의 값을 가질 수 있다. d는 상기 샘플 시편(200)의 두께를 의미하며, 상기 제1 표면(201)과 제2 표면(202) 사이의 거리 값이기도 하며, 전자파가 상기 샘플 시편(200)을 투과하여 지날 때의 거리 값을 의미하기도 한다. c는 빛의 속도 값으로서 이미 알려져 있는 값이다.
상기 수학식 1에 수학식 2를 대입하고, n에 대하여 수학식을 정리하면 수학식 3과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112016014951023-pat00015
또한, non-magetic 물질인 경우, 투자율 값은 이하와 같다.
Figure 112016014951023-pat00016
결국, 상기 샘플 시편(200)의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00017
)은 이하의 수식으로 연산될 수 있다.
Figure 112016014951023-pat00018
여기서, 본원발명에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 장치에 의하면 상기 m 값과
Figure 112016014951023-pat00019
값을 측정할 수 있다. 또한, d 값은 상기 샘플 시편(200)의 두께를 측정하여 알 수 있는 값이다.
따라서, 상기 수학식 5에 각종 상수들이 가지는 값들을 모두 대입하면 유전율(
Figure 112016014951023-pat00020
) 값을 연산해낼 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 유전율(
Figure 112016014951023-pat00021
) 값을 연산하는 작업은 상기 제어유닛(130)에서 이루어질 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)은 도파관(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
상기 도파관은 상기 유전율 측정 장치는 전자파를 가두어 넣고 전송할 수 있도록 중공 형상으로 형성될 수 있다. 상기 중공의 단면은 여러 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 중공의 단면은 원형이거나 사각형일 수 있다.
상기 실시예에 따르면, 상기 샘플 시편(200)은 상기 도파관의 중공 내에 구비될 수 있다.
상기 실시예에서와 같이, 도파관 내에서 유전율을 측정하는 경우, 전자파가 TEM 모드(Transverse electriomagnetic waves), 즉, 수직 입사되지 않기 때문에, 전자파의 진행 각도를 고려할 필요가 있다.
따라서, 전자파의 입사 각도를 고려한 이하의 수학식들을 활용하여 유전율(
Figure 112016014951023-pat00022
)을 연산할 수 있다.
Figure 112016014951023-pat00023
Figure 112016014951023-pat00024
여기서,
Figure 112016014951023-pat00025
는 샘플 시편 내에서의 전자파의 진행 각도를 의미한다.
상기 수학식 3 대신 상기 수학식 6을 활용하면 전자파의 입사 각도를 고려한 유전율(
Figure 112016014951023-pat00026
)을 연산할 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)은 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)의 사이에 구비되는 가열부(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부(140)는 상기 샘플 시편(200)을 고온으로 가열시켜 주는 기능을 하며, 고온에서의 상기 샘플 시편(200)의 유전율을 측정할 수 있게 해준다.
상기 가열부(140)는 상기 샘플 시편(200)과 가깝게 배치될 필요가 있다. 외부 거울을 구비하고 있지 않은 본원발명의 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)의 구조상, 상기 가열부(140)가 상기 샘플 시편(200)을 고열로 가열하더라도 정밀하게 유전율을 측정할 수 있다.
도 5는 자유 공간에서 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)의 사이에 수용함(141)을 구비한 가열부(140)가 설치되어 샘플 시편(200)을 고온으로 가열시킨 상태에서 정밀하게 유전율을 측정할 수 있는 본원발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 장치(100)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본원발명의 또 다른 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 장치(100)의 상기 가열부(140)는 상기 샘플 시편(200)의 전체를 고르게 가열시켜 줄 수 있도록 상기 샘플 시편(200)을 내부에 수용할 수 있게 형성되어 있는 수용함(141)을 더 구비할 수 있다.
상기 수용함(141)은 상기 샘플 시편(200)의 면적 전체를 고르게 가열시켜 주도록 하는 기능을 수행하며, 이를 통해 고온에서 보다 정밀한 유전율 측정을 가능하게 해준다.
종래 도파관 내에서 고온으로 가열된 상기 샘플 시편(200)의 유전율을 측정하는 경우, 상기 도파관 자체가 열팽창됨으로써 정밀한 유전율을 측정하기 어려운 문제점이 있었다.
그러나, 본원발명은, 종래의 유전율 측정 방법과 다르게, 도파관의 벽을 외부 거울로 기능하도록 구성하고 있지 않으므로, 상기 도파관 내부가 고온으로 가열되더라도 파브리-페로 공진이 일어나는데 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 따라서, 본원발명의 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10)은 고온에서 유전율을 측정하는 경우에도 정밀도 높은 유전율 측정 데이터를 제공하여 줄 수 있게 되는 것이다.
이하에서는, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)을 이용하여 샘플 시편(200)의 유전율을 측정하는 방법과 관련하여 보다 구체적인 실험 데이터들을 예로 들어 설명한다.
그 첫 번째 측정예로서, 각각 13 mm, 18 mm, 29.5 mm의 서로 다른 두께의 알루미나 샘플 시편(200)들의 유전율을 측정하는 경우에 대하여 설명한다.
도 8은 자유 공간에서 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10)을 이용하여 각각 두께가 다른 알루미나 샘플 시편(200)들의 파브리-페로 공진값 데이터를 도시한 그래프이다.
도 2는 자유 공간에서 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 시스템(10)을 이용하여 각각 두께가 다른 알루미나 샘플 시편(200)들의 유전율을 측정한 데이터를 나타낸 표이다.
도 8 및 도 2를 참조하면, 상기 샘플 시편(200)의 두께가 점점 두꺼워짐에 따라서 상기 샘플 시편(200)을 통과하는 전자기파의 길이가 길어지는 것을 확인할 수 있으며, 상기 샘플 시편(200)의 두께가 점점 두꺼워짐에 따라 파브리-페로 공진 역시 더욱 많이 일어나는 것도 확인할 수 있다.
각각 두께가 다른 세 개의 알루미나 샘플 시편에 대하여 Ku-band(12.4 - 18.0 GHz)에서 파브리-페로 공진이 일어나는 파형 및 주파수를 측정한 결과를 도 2 및 도 8에서 확인할 수 있다.
두 번째 측정예로, 두께가 각각 5.03 mm, 9.85 mm로 다른 두 개의 알루미나 샘플 시편(200)들의 유전율을 측정하는 경우에 대하여 설명한다.
도 9는 각각 두께가 다른 두 개의 알루미나 샘플 시편(200)들의 유전율을, 도파관 내에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 통해 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
도 6은 도파관에서 종래의 유전율 측정 방법인 TRL 방법을 이용하여 X-band(8.2 내지 12.4 GHz) 와 Ku-band(12.4 내지 18.0 GHz) 대역의 전자파를 통해 측정한 공기, 알루미나 및 쿼츠의 유전율을 측정한 데이터를 도시한 그래프이다.
종래의 도파관을 통한 TRL법은 도 6에 도시한 것처럼 주파수 대역의 변화에 따라 측정값의 오차가 존재하며, 측정 전에 항상 진행되어야 하는 캘리브레레이션(calibration) 및 캘-키트(cal-kit)에 따라 역시 측정값의 오차가 존재한다.
그러나 본원발명은 전자파에 따른 재료의 크기 및 두께에 따라 파브리-페로 공진이 일정하게 일어나므로 보다 정밀하게 유전율의 측정을 할 수 있다.
세 번째 측정예로, 본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템(10)을 이용하여 각각 5.03 mm , 9.85 mm로 두께가 다른 두 가지씩의 알루미나 샘플 시편과 쿼츠에 대한 유전율을 측정하는 경우에 대하여 설명한다.
도 10은 각각 두께가 다른 두 개의 알루미나 샘플 시편(200)들의 고온에서의 유전율을, 도파관에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 통해 X-band 대역에서 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
도 11은 쿼츠 샘플 시편(200)의 온도를 올려가며 각 온도에서의 유전율을, 도파관 내에서 파브리-페로 공진을 이용하여 측정한 값과 TRL(Thru-Reflect_Line) 방법을 이용하여 X-band 대역에서 측정한 값을 비교할 수 있도록 함께 도시한 그래프이다.
온도 변화에 따른 유전율의 변화를 측정하기 위하여 100 ℃씩 1000 ℃ 까지 승온시키며 종래의 TRL법과 본원발명의 FPM(파브리-페로 Method) 법으로 유전율을 측정한 결과를 도 10 및 도 11에 도시하였다.
본원발명의 일 실시예에 따른 파브리-페로 공진을 이용한 재료의 유전율 측정 방법은 서로 마주보면서 전자파를 송수신할 수 있도록 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)를 서로 이격하여 배치시키는 단계; 상기 제1 전자파 안테나(110) 및 제2 전자파 안테나(120)의 사이에, 서로 대향하는 제1 표면(201) 및 제2 표면(202)을 갖는 샘플 시편(200)을 배치하는 단계; 상기 제1 마이크로 안테나(110) 및 제2 마이크로 안테나(120)가 전자파를 송수신하는 단계; 상기 샘플 시편(200)에서 발생되는 파브리-페로 공진 주파수를 이용하여 상기 샘플 시편(200)의 유전율(
Figure 112016014951023-pat00027
)을 연산하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
이상의 설명은 본원발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.
또한, 본원발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본원발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본원발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본원발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본원발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템
100 : 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 장치
110 : 제1 전자파 안테나
120 : 제2 전자파 안테나
130 : 제어유닛
140 : 가열부
141 : 수용함
200 : 샘플 시편
201 : 제1 표면
202 : 제2 표면

Claims (9)

  1. 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 샘플 시편; 및
    상기 샘플 시편의 유전율을 측정하는 유전율 측정 장치;를 포함하고,
    상기 유전율 측정 장치는,
    상기 샘플 시편을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되어 전자파를 송수신하는 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나; 및
    상기 제1 표면 및 제2 표면에서 상기 전자파로 인해 발생하는 파브리-페로 공진 주파수(Fabry-Perot resonance frequency)를 이용하여 유전율을 연산하는 제어유닛을 포함하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면은,
    전자파의 일부는 투과되고 나머지는 반사되면서 상기 샘플 시편에서 파브리-페로 공진이 일어날 수 있도록, 기설정된 값 이상의 조도를 가지는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 샘플 시편은 상기 제1 전자파 안테나와 제2 전자파 안테나를 연결하는 축과 상기 제1 표면 및 제2 표면이 직교하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전율 측정 장치는 전자파를 가두어 넣고 전송할 수 있도록 중공 형상으로 형성된 도파관을 더 포함하고,
    상기 샘플 시편은 상기 도파관의 중공 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 이하의 수학식을 이용하여 재료의 유전율(
    Figure 112016014951023-pat00028
    )을 연산하고,
    Figure 112016014951023-pat00029

    여기서, m은 공진 차수로서 자연수이고, c는 빛의 속도이고, d는 상기 전자파가 상기 제1 표면과 제2 표면의 사이를 투과할 때 지나는 길이이고,
    Figure 112016014951023-pat00030
    는 파브리-페로 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전율 측정 장치는,
    상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나의 사이에 구비되고, 상기 샘플 시편을 가열하도록 이루어지는 열원을 구비하는 가열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 샘플 시편의 전체를 고르게 가열시키도록 상기 샘플 시편을 내부에 수용하는 수용함을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파브리-페로 공진을 이용한 유전율 측정 시스템.
  9. 서로 마주보면서 전자파를 송수신할 수 있도록 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나를 서로 이격하여 배치시키는 단계;
    상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나의 사이에, 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 샘플 시편을 배치하는 단계;
    상기 제1 전자파 안테나 및 제2 전자파 안테나가 전자파를 송수신하는 단계;
    상기 샘플 시편에서 발생되는 파브리-페로 공진 주파수를 이용하여 상기 샘플 시편의 유전율을 연산하는 단계;를 포함하는 파브리-페로 공진을 이용하여 유전율을 측정하는 방법.
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