KR102019877B1 - 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재 - Google Patents

코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재는 유전 매질 및 상기 유전 매질 내 포함된 전도성 입자로 이루어지며, 상기 전도성 입자는, 일 방향으로 연장된 코일 형상의 비자성 물질로서, 상기 유전 매질 내 분산되어 분포하여 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파의 주파수 대역에서 1 이상의 유효 투자율을 구현할 수 있다.

Description

코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재{PARTICLE-MATRIX COMPOSITE WITH EFFECTIVE PERMEABILITY BY USING COIL-TYPE CONDUCTIVE MICRO PARTICLES}
본 발명은 입자-매질 복합소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코일형 전도성 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재에 관한 것이다.
매질 내 입자가 분산된 형태의 입자-매질 복합소재(particle-matrix composite)는 전자기적 성질을 원하는 조건에 맞추어 설계할 수 있는 이점이 있으며, 자연계에 존재하는 대부분의 물질들이 제한적인 투자율 및 유전율을 갖는 점에서 그 의의가 있다.
입자-매질 복합소재는 이종의 물질(입자 및 매질)이 혼합되어 형성된 형태로서 각각의 물질의 물성이 합쳐짐에 따라 새로운 물성(이하, ‘유효 물성(effective parameter)’이라 함)값을 가지게 된다.
종래 입자-매질 복합소재는 유전체 매질 내 분산 분포하는 carbonyl iron 등과 같은 자성 입자를 포함함으로써 목표하는 유효 투자율을 구현할 수 있었다. 그러나 자성 입자는 그 특성상 고주파 대역에서 낮은 투자율을 나타내므로, 목표하는 유효 투자율을 구현하기 위해서는 자성 입자의 함량을 높여야 했으며, 이 때 자성 입자의 높은 비중으로 인해 복합소재의 중량이 크게 증가하게 되는 문제가 있었다. 이와 같은 중량의 증가는 복합소재의 활용을 제한하는 요인이 되었다.
일본 특허공보 특허 제4971432호(2012.04.13.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유전 매질 내 분산되어 분포하는 비자성 물질로 형성된 미세 크기의 코일 형상의 전도성 입자를 포함하는 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재는 유전 매질 및 상기 유전 매질 내 포함된 전도성 입자로 이루어지며, 상기 전도성 입자는, 일 방향으로 연장된 코일 형상의 비자성 물질로서, 상기 유전 매질 내 분산되어 분포하여 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파의 주파수 대역에서 1 이상의 유효 투자율을 구현할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전도성 입자는 상기 연장된 방향의 길이가 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 비자성 물질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 그래파이트(graphite) 중 어느 하나일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전도성 입자가 포함된 유전 매질은 유전체 용액일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전 매질은 1 이상의 유전율을 갖는 소재로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파의 주파수 대역은 무선 주파수 대역(radio frequency)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재는 유전 매질 내 분산되어 분포하는 일 방향으로 연장된 코일 형상을 갖는 비자성 물질의 전도성 입자를 포함함으로써 경량화가 가능한 동시에 소정 전자기파 주파수 대역에서 1 이상의 유효 투자율(effective permeability)을 구현할 수 있으며, 이로써, 투과, 반사, 흡수 등의 전파 특성을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 코일 형상의 전도성 입자는 연장된 방향의 길이가 유전 매질로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하로서 상기 복합소재를 형성하는 매질의 용액화가 가능하며, 상기 복합소재로 제조된 전파흡수체는 스프레이 공정을 통해 요구되는 곡면 구조물의 표면에 용이하게 도포될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자-매질 복합소재를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A 영역(유닛 셀)을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 소정 주파수 대역에 있어서 y축 방향에 대한 기울기 조건에 따른 전도성 입자의 유효 투자율 값에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 소정 주파수 대역에 있어서 z축 방향에 대한 기울기 조건에 따른 전도성 입자의 유효 투자율 값에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 소정 주파수 대역에 있어서 본 발명의 실시예에 따른 입자-매질 복합소재의 유효 투자율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 자성 물질을 포함하지 않음에도 외부의 전기장에 의해 소정 주파수 대역에서 목표하는 유효 투자율을 구현할 수 있는 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재(이하, '입자-매질 복합소재')에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 입자-매질 복합소재(100)의 구조에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자-매질 복합소재를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 A 영역(유닛 셀)을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자-매질 복합소재 (100)는 유전 매질(110)과 유전 매질(110) 내 포함된 전도성 입자(120)로 이루어질 수 있으며, 유전 매질(110) 내 다수의 전도성 입자(120)가 포함된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전 매질(110)은 1 이상의 유전율을 갖는 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 폴리우레탄(polyurethane), 에폭시(epoxy) 등과 같은 폴리머 계열의 물질 또는 세라믹 분말로 형성된 것일 수 있다. 한편, 도면에는 유전 매질(110)이 3차원 형태로 도시되어 있으나, 유전 매질(110)은 유전 매질(110) 내 포함된 전도성 입자(120)가 후술할 소정 길이 조건을 만족하는 경우 유전체 용액 형태로 제조될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유전 매질(110)에는 다수의 전도성 입자 (120)가 규칙적인 배열을 형성하지 않고, 임의로 분산되어 분포할 수 있다.
유전 매질(110) 내 포함된 전도성 입자(120)의 구체적인 형상은 도 2를 통해 확인할 수 있다. 도 2는 도 1의 A영역을 확대하여 나타낸 도면으로, 이하에서는 A영역과 같이 하나의 전도성 입자(120)가 포함된 매질의 영역을 유닛 셀(unit cell)로 정의한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 입자(120)는 일 방향으로 연장된 코일 형상일 수 있으며, 비자성 물질로 형성된 것일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자-매질 복합소재(100)는 코일 형상의 비자성 물질로 형성된 전도성 입자(120)를 포함함으로써 소정 주파수 대역에서 1 이상의 유효 투자율을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 입자(120)를 형성하는 비자성 물질은 자성 물질 이외의 전도성이 높은 물질일 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 (Al), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 그래파이트(graphite) 등이 이에 해당할 수 있다. 한편, 전술한 물질 이외에도 전도성이 높은 비자성 물질이라면 전도성 입자(120)의 재료로 사용될 수 있다. 이와 같이 본 발명은 종래 자성 입자 대비 상대적으로 비중이 낮은 비자성 물질로 전도성 입자(120)를 형성함으로써 입자-매질 복합소재(100)의 경량화를 도모할 수 있으며, 이에 따라 입자-매질 복합소재(100)의 활용 영역이 확대될 수 있다.
한편, 바람직하게는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자(120)는 연장된 방향의 길이(L)가 유전 매질(110)로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하일 수 있으며, 연장된 방향은 도 2와 같이 코일 축 방향(a)과 실질적으로 평행한 방향일 수 있다.
예를 들어, 유전 매질(110)로 입사되는 전자기파는 8GHz 내지 18GHz 대역, 즉, 무선 주파수(radio frequency) 대역의 전자기파일 수 있으며, 이 때, 전도성 입자(120)의 연장된 방향의 길이(L)는 1mm 이하로 형성될 수 있다. 또한, 유전 매질(110)로 입사되는 전자기파의 주파수 대역에 따라 전술한 전도성 입자(120)의 길이 범위, 즉, 입사 전자기파 파장의 1/100 이하의 범위에서는 연장된 방향의 길이(L)가 상이하도록 형성될 수 있다.
한편, 전도성 입자(120)의 연장된 방향의 길이(L)가 1mm 이하인 경우, 전도성 입자(120)가 포함된 유전 매질(110)은 유전체 용액 형태로 제조될 수 있으며, 용액화 된 유전 매질(110)은 스프레이 코팅 공정의 적용을 가능하게 할 수 있다.
즉, 전도성 입자(120)의 연장된 방향의 길이(L)가 mm 스케일 이하에 해당하는 경우, 전도성 입자(120)는 용액 형태의 유전 매질(110)내 분산되어 분포할 수 있으며, 전술한 스프레이 코팅 공정의 적용이 가능할 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 유닛 셀(unit cell)의 유효 투자율을 측정한 시뮬레이션 결과이다. 구체적으로, 도 3은 소정 주파수 대역에 있어서 y축 방향에 대한 기울기 조건에 따른 전도성 입자의 유효 투자율 값에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 소정 주파수 대역에 있어서 z축 방향에 대한 기울기 조건에 따른 전도성 입자의 유효 투자율 값에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
본 시뮬레이션은 신뢰성 높은 상용 전자기파 전산모사 프로그램인 CST® Microwave Studio의 Frequency domain solver를 이용하여, 다음과 같은 조건에서 시뮬레이션은 진행되었다.
입사 전자기파
- 8GHz ~ 18GHz 주파수 대역에 해당하는 임의의 마이크로파
입자-매질 복합소재(100)
- 유전 매질 내 하나의 코일 형상의 비자성 물질로 이루어진 전도성 입자를 포함하는 임의로 설계된 유닛 셀(도 2, 도 3(a) 및 도 4(a) 참조)
- 유전 매질: 유전율 1.2, 투자율 1인 임의의 비손실 유전체
- 전도성 입자: 연장된 방향의 길이는 100.42㎛이며, 알루미늄(전도도: 3.5e+7 S/m) 소재로 제작
<식 1>
μeff=μ'-jμ"
(μeff: 유효 유전율, μ': 실수부, μ": 허수부)
본 시뮬레이션에서는 임의로 설계된 유닛 셀에 포함된 전도성 입자를 각각 y축 및 z축에 대하여 10°간격으로 기울기를 변경해가면서 기울기 조건에 따른 유효 투자율을 계산하였다. 도 3 및 도 4에 나타난 그래프를 참조하면, 비자성의 알루미늄 소재로 제작된 전도성 입자는 외부에 형성된 전자기장 방향과 평행하는 조건을 포함하여 어떠한 방향 조건(기울기 조건을 포함) 하에서도 1 이상의 유효 투자율이 구현됨을 확인할 수 있다.
즉, 시뮬레이션 결과에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자(120)는 비자성 물질로 형성되고, 연장된 방향의 길이(L)가 100㎛ 수준으로 미세함에도 마이크로파의 특정 주파수 대역에서 전자기적인 성질을 나타낼 수 있으며, 방향 조건에 관계없이 유효 투자율이 구현될 수 있다. 특히, 후자의 특성에 의해 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자-매질 복합소재(100) 전도성 입자(120)는 유전 매질(110) 내 분산되어 분포하는 형태를 가질 수 있다.
도 5는 소정 주파수 대역에 있어서 본 발명의 실시예에 따른 전도성 입자-매질 복합소재의 유효 투자율을 나타낸 그래프이다. 도 5에 따르면, 전술한 시뮬레이션 조건에 해당하는 전도성 입자(120)가 도 1과 같이 유전 매질(110) 내 분산되어 분포하는 경우, 마이크로파의 특정 주파수 대역(8GHz 내지 18GHz 대역)에서 1 이상의 유효 투자율 값을 나타냄을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 입자-매질 복합소재(100)는 유전 매질(110) 내 전도성 입자(120)가 무작위로 분산되어 분포하더라도 목표하는 전자기적 특성의 구현이 가능하다.
전술한 입자-매질 복합소재(100)는 전도성이 높은 비자성 물질을 이용하여 코일 형상을 가지는 전도성 입자(분말)를 제조한 후 상기 입자를 폴리머 용액 또는 세라믹 분말과 혼합하는 과정을 거쳐 형성될 수 있다.
한편, 제조된 입자-매질 복합소재(100)는 전파흡수체의 재료로 사용될 수 있으며, 전도성 입자(120)의 설계 조건에 따라 임의의 무선 주파수 대역으로 특성 이동이 가능할 수 있다.
또한, 이 경우에도 유전 매질(110) 내 포함된 전도성 입자(120)의 연장된 방향의 길이(L)가 유전 매질(110)로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하로서, mm 이하의 스케일로 형성되는 경우, 유전 매질(110)은 용액 형태로 형성되어 스프레이 공정을 통해 구조물 표면에 도포되어 도막을 형성할 수 있다. 구체적으로, 스프레이 코팅 공정에 의하는 경우 곡면체 구조물에 도막을 형성함에 있어 편의를 확보할 수 있다.
전술한 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 입자-매질 복합소재(100)는 유전 매질(110) 내 분산되어 분포하는 일 방향으로 연장된 코일 형상을 갖는 비자성 물질의 전도성 입자(120)를 포함함으로서 경량화가 가능한 동시에 소정 전자기파 주파수 대역(무선 주파수 대역, radio frequency)에서 1 이상의 유효 투자율을 구현할 수 있으며, 이로써 투과, 반사, 흡수 등의 전파 특성을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 코일 형상의 전도성 입자(120)는 연장된 방향의 길이가 유전 매질로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하로서 상기 입자-매질 복합소재(100)를 형성하는 매질의 용액화가 가능한 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선되어 실시될 수 있다.
100: 입자-매질 복합소재
110: 유전 매질
120: 전도성 입자

Claims (6)

  1. 유전 매질 및 상기 유전 매질 내 포함된 전도성 입자로 이루어진 전도성 입자-매질 복합소재에 있어서,
    상기 전도성 입자는,
    일 방향으로 연장된 코일 형상의 비자성 물질로서, 상기 연장된 방향의 길이가 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파 파장의 1/100 이하이고, 상기 유전 매질 내 분산되어 분포하여 상기 유전 매질로 입사되는 전자기파의 주파수 대역에서 1 이상의 유효 투자율을 구현할 수 있으며,
    상기 유전 매질로 입사되는 전자기파의 주파수 대역은, 8GHz 내지 18GHz 범위의 무선 주파수(radio frequency) 대역인, 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비자성 물질은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 그래파이트(graphite) 중 어느 하나인, 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 입자가 포함된 유전 매질은 유전체 용액인, 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전 매질은 1 이상의 유전율을 갖는 소재로 형성된, 코일형 전도성 미세 입자를 이용한 유효 투자율을 가지는 입자-매질 복합소재.
  6. 삭제
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