KR102102745B1 - 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명은, 자율주행 차량의 전자파 간섭을 방지하기 위하여 배면이 도체로 단락된 기판 위에 주파수 선택표면(Frequency Selective Surface: FSS)이 주기적으로 배열된 구조의 메타소재 흡수체의 제조방법으로서,
(a) 유리섬유와 에폭시수지 복합재로 구성된 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판의 배면을 도체로 단락시키는 단계; (c) 상기 기판의 전면에 저항성 도체로 FSS을 규칙적으로 배열시키는 단계; (d) 상기 FSS의 패턴과 치수, 도체의 면저항을 조절하여 원하는 R, L, C를 만드는 단계; 및 (e) 합성 임피던스의 허수를 0으로 하고, 실수를 자유공간(공기)의 임피던스인 377 Ω에 근접시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법{Method for Manufacturing Metamaterial Absorbers Used for Autonomous Cars}

본 발명은 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법에 관한 것이다.

자율주행은 전 세계적으로 곧 상용화가 기대되는 4차 산업혁명 기술 중의 하나이다. 이를 위한 핵심 기술인 차량용 레이더 센서 분야는 편안한 주행과 사고 예방, 그리고 무인 주행을 위한 기반 기술로 비약적인 발전을 하고 있다. 차량용 레이더 센서들은 주로 24∼26 GHz, 76∼77 GHz, 79∼81 GHz 주파수 대역을 사용하여 시내·교외를 막론한 모든 운전 환경에서 여러 가지 물체들을 식별, 파악하고, 동시에 긴 탐지 거리, 방위각의 판단 및 속도에 관한 정보들을 제공한다.

이런 상황에서 중요한 기능 중 하나는 다른 자동차 레이더 센서로부터 발생하는 간섭 신호에 대한 처리기능이다. 자동차용 레이더 센서는 상호 간섭에 대한 대응과 여러 다양한 신호와 간섭에 대한 경감을 위한 기술을 필요로 한다. 간섭 현상은 여러 대의 차량용 레이더 센서들이 같은 주파수 대역에서 동작하거나 서로 인접해 있을 경우에 발생한다. 간섭 현상이 있을 경우, 허위 목표물 (ghost target)이 생성되거나 혹은 실재하는 목표의 감지가 잘 되지 않는다. 허위 목표물이란 존재하지 않는 목표물이 레이더 센서에서 실재하는 물체로 인식되는 것으로, 이런 현상이 발생하는 대표적인 원인은 송신 신호가 복제되는 경우이다. 복제 신호는 레이더 송신부를 통해 방사된 신호가 아니지만, 센서의 수신 주파수 대역폭 내에 들어와서 실제 물체에서 반사된 레이더 신호처럼 처리된다. 이런 상황들은 둘 또는 그 이상의 레이더 간에 타이밍과 파형 및 주파수가 맞으면서 반사 신호 세기가 일정 정도 이상일 때 주로 발생한다. 이 외에도 일정 정도 이상의 신호 세기를 가지는 임의의 무선 신호가 레이더 센서의 수신 대역폭 내에 들어오면 레이더의 최저 노이즈 레벨 (Noise Floor)을 증가시키고, 그 결과로 목표물에서 반사된 신호의 신호 대 잡음 비 (Signal to Noise Ratio : SNR)를 감소시킨다. SNR이 감소되면 그 결과로 유효 반사면적 (Radar Cross Section : RCS)이 작아져 목표가 검출되지 않을 수 있다.

이처럼 한 차량에서도 레이더 신호가 다양하게 적용되므로 실제 주행을 할 때에 여러 차량과 마주하게 되면 서로 비슷한 주파수를 사용하기 때문에 혼선이 일어날 우려가 있다. 그리고 자신의 차량 안에서도 신호를 보낼 때, 차체의 대부분이 금속이기 때문에, 난반사가 일어나 자신이 보낸 신호가 외부에서 받아들이는 신호로 오인하게 되어 불필요한 동작을 야기할 수도 있다. 그리고 자신의 차량에서도 내부에 송신하는 신호가 차체에 반사되어 수신기에 복합적으로 들어가도 잘못된 신호가 수신되는 우려가 있다. 이를 위하여 레이더 부근에 우리가 필요한 신호만 선택할 수 있게 다른 신호를 차단하는 전파흡수체를 적용하는 방안이 검토되고 있다.

전방 추돌 방지용 레이더인 77 GHz 대역에서의 전파흡수체로는 도전손실재인 carbon black을 함침한 고무 복합재가 개발되어 시판되고 있다. 77 GHz 대역에서 우수한 전파흡수능을 보이나, 두께가 1.5 mm 이상으로 비교적 두껍고 일반적 복합재 제조공정 (성형, 열간 압축)에 따른 제조단가가 비싼 단점이 있다. 지금까지 흡수 소재로 널리 사용된 자기손실 재료 (페라이트, 카보닐 철 등, 연자성 재료)는 밀리미터파 대역의 고주파에서는 자기손실을 상실하기 때문에, 근본적으로 77 GHz 대역용 흡수 소재로는 그 사용이 제한된다.

1. 대한민국 등록특허 제10-1937444호(2019.01.04)

본 발명의 목적은 목적은 메타소재의 하나인 FSS를 이용한 77 GHz 대역용 고성능 전파흡수체로서, 자율주행 차량의 전자파 간섭을 방지할 수 있도록 한 메타소재 흡수체의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법은, 자율주행 차량의 전자파 간섭을 방지하기 위하여 배면이 도체로 단락된 기판 위에 주파수 선택표면(Frequency Selective Surface: FSS)이 주기적으로 배열된 구조의 메타소재 흡수체의 제조방법으로서,

(a) 유리섬유와 에폭시수지 복합재로 구성된 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판의 배면을 도체로 단락시키는 단계; (c) 상기 기판의 전면에 저항성 도체로 FSS을 규칙적으로 배열시키는 단계; (d) 상기 FSS의 패턴과 치수, 도체의 면저항을 조절하여 원하는 R, L, C를 만드는 단계; 및 (e) 합성 임피던스의 허수를 0으로 하고, 실수를 자유공간(공기)의 임피던스인 377 Ω에 근접시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (e)단계는, 하기 식에 의해서 Z_R의 허수 Im(Z_R)=0 이 되고, 실수 Re(Z_R)=377 Ω이 될 때 임피던스 정합이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

(1)

(2)

(3)

(여기서, Z_t는 두께 t의 GS 표면에서의 입력 임피던스, Z_FSS는 FSS임피던스, L은 인덕턴스, R은 저항, C는 커패시턴스임)

상기 기판은 무손실 유전체를 사용하고, 상기 기판의 두께는 1/4 파장(λ)인 것을 특징으로 한다.

상기 FSS의 패턴은, 사각루프, 사각형의 패치, 프랙털 패치(fractal patch) 및 그들의 혼합 형태로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단순 저항 sheet를 적용한 기존의 Salisbury screen이나 Jaumann 흡수체에 비해 FSS의 L, C를 추가적으로 조절할 수 있기 때문에 박형 설계가 용이하다.

또한, 본 발명에 따르면, 단락 기판으로 저손실 유전체를 사용할 수 있기 때문에, 기존의 Dallenbach 흡수체에서 필수적이었던 손실재의 확보 문제로부터 벗어날 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, HFSS 상용 툴을 이용하여 FSS 흡수체의 적정 구조를 설계하고, 스크린 인쇄 공정으로 제작한 시편의 실측 확인을 통하여 제안한 설계방법의 타당성을 검증할 수 있다.

도 1은 접지된 유전체 기판 위의 패치형 FSS가 배열된 전파흡수체: (a) 개략도, (b) 등가 회로.
도 2는 FSS 면저항 변화에 따른 77 GHz 대역용 전파흡수체의 반사손실 그래프이다.
도 3은 FSS 면저항이 R _S = 87.5∼95.0 Ω/sq인 범위에서 전파흡수체의 반사손실 그래프이다.
도 4는 FSS 흡수체 (면저항 R _S = 95 Ω/sq (회로 저항 R = 380 Ω))의 입사각 증가에 따른 반사손실 실측 결과 그래프이다. (a) 5°, (b) 10°, (c) 20°, (d) 30°.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법에 대하여 설명한다.

메타소재는 물질을 구성하는 원자와 분자 대신 인공적인 도체 패턴의 구성 요소를 유전체 기판 위에 주기적으로 배열한 재료를 칭하는 것으로, 단위 셀의 크기가 물질 자체의 분자 크기보다는 훨씬 커서 거시적 맥스웰 방정식의 적용이 타당하고, 전자파의 파장보다는 크기가 매우 작아 유효매질 이론 (effective medium theory)의 적용이 가능한 메소스코픽 (mesoscopic) 스케일의 구조를 일컫는다.

본 발명은 메타소재의 하나인 FSS를 이용한 77 GHz 대역용 고성능 전파흡수체를 구현하는 것이다. 이를 위해 다음의 접근방법을 시도한다. 접지된 (배면을 금속으로 단락시킨) 기판의 고 임피던스 특성과 메타소재의 일종인 주파수선택표면 (FSS)의 R (저항), L (인덕턴스), C (커패시턴스) 특성을 조합하여 임피던스 정합을 유도하는 전자파 흡수 원리에 기초한다. FSS의 패턴과 치수, 도체의 면저항을 조절하여 원하는 R, L, C를 만들고, 이에 따라 합성 임피던스의 허수를 0으로 하고, 실수를 자유 공간(공기)의 임피던스인 377 Ω에 근접시키는 방식을 적용하여 77 GHz 대역용 전파흡수체의 구현을 추구한다.

도 1은 제안한 FSS 판형 흡수체와 그 등가회로를 보여준다. 여기서 사용한 기판은 0.5 mm 두께의 유리섬유/에폭시수지 복합재(FR4)이다. FR4의 복소유전율은 일반적으로 ε_r = 4.4 + i0.088으로 주어진다. 배면은 금속판으로 단락되어 있고, 전면은 사각 패치형의 저항성 도체가 규칙적으로 배열되어 있는 주파수선택표면 (frequency selective surface: FSS)으로 구성된다. 이러한 구조의 흡수체의 치수를 표 1에 나타내었다.

사각 패치형 FSS 흡수체의 치수

	p(mm)	d(mm)	tFR4(mm)	tPEC(mm)	tFSS(㎛)
Dimension	2.0	1.0	0.5	0.2	20

FSS 구조는 특정 주파수 대역에 대해 선택적으로 대역통과 또는 대역저지 특성을 보이는 주기적인 형상으로 구성된 도체 패턴으로 구성된 표면을 말한다. FSS의 대표적인 형태는 패치(patch), 십자가형(cross), 사각링, 원형링, 프랙털(fractal) 등 여러 가지가 있다. FSS는 도체의 저항 및 인덕턴스, 도체 간의 간격에 의한 커패시턴스 성분을 가지며, 이들 성분의 조절에 의해 전파 반사/투과 특성을 제어할 수 있다. 배면이 도체로 단락된 기판 (grounded substrate: GS) 위에 FSS 도체 패턴을 배열한 구조의 전파흡수체를 구성한다. 그 등가회로는 도 1(b)와 같다. 두께 t의 GS 표면에서의 입력 임피던스 (Z_t)와 FSS 임피던스 (Z_FSS)의 병렬연결에 의해 합성 임피던스 (Z_R)가 결정되고, 각각의 임피던스는 다음 식으로 주어진다.

(1)

(2)

(3)

의 허수가 Im(Z_R)=0이 되고, 실수가 Re(Z_R)=377 Ω이 될 때 임피던스 정합이 이루어지고, 무반사 흡수체의 설계가 가능하다. FSS와 GS로 조합된 구조에서 무반사 조건을 만족하는 변수는 FSS의 패턴 및 치수, FSS의 도체 저항, 기판의 투자율 및 유전율, 기판 두께 등 매우 많기 때문에, HFSS 전자기 해석 tool을 이용하여 흡수체 설계를 시도하였다.

도 1(a)에 표시한 패치형 FSS (p = 2 mm, d = 1 mm)의 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)를 strip wire 모델을 도입하여 계산한 결과, 각각 L = 0.18 nH, C = 23.9 fF으로 계산되었다. 이 L, C 값을 가지고 공진주파수 (f ₀)와 파장의 길이 (

)를 계산하면 각각

GHz, λ=3.91 mm로 주어진다. 기판의 두께가 λ/4일 때 고임피던스 표면을 형성하고, FSS의 회로저항을 공기의 저항에 맞추었을 때 임피던스 정합을 유도할 수 있다. 이 설계조건에 부합하는 FR4 기판의 두께를 계산하면

mm이다. FSS 흡수체의 반사손실에 영향을 주는 인자 중 하나는 FSS 전도막의 면저항 (R _S)이다. 면적 S의 기판에 면적 A의 전도성 페이스트(paste)가 인쇄된 FSS의 면저항과 회로저항 (R)의 관계는

으로 표시된다. 표 2는 패치형 FSS (p = 2 mm, d = 1 mm)에서 면저항과 회로저항의 관계를 보여준다. R _S = 94 Ω/sq일 때 자유공간의 임피던스에 해당하는 R = 377 Ω을 얻을 수 있다.

패치형 FSS (p = 2 mm, d = 1 mm)에서 면저항 (Rs)과 회로저항 (R)의 관계

R S (Ω/sq)	37.5	50	62.5	75	94
R (Ω)	150	200	250	300	377

도 2는 FSS의 면저항 변화에 따른 반사손실의 변화를 보여준다. Rs = 94 Ω/sq (R = 377 Ω)일 때, 76∼77 GHz에서 -27 dB의 낮은 반사손실을 보인다. 면저항이 작아질수록, 77 GHz 부근에서 흡수능은 작지만 흡수대역이 넓어짐을 볼 수 있다.

동작 주파수인 77 GHz에서 반사손실이 최소를 이루는 R _S를 찾기 위해 R _S = 87.5∼95.0 Ω/sq (R = 350∼380 Ω) 범위에서 시뮬레이션을 수행하였다. 도 3은 그 결과를 보여준다. R _S = 94.0 Ω/sq (R = 377 Ω)일 때, 77 GHz에서 가장 낮은 -37 dB의 반사 손실을 보이고, 이로부터 약간의 저항 변화가 있어도 R _S = 87.5∼95.0 Ω/sq (R = 350∼380 Ω) 범위에서 모두 77 GHz에서 -30 dB 이하의 반사손실을 보인다.

시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 FSS 흡수체를 제작하고 자유공간법에 의해 반사손실을 측정하였다. 제조된 측정시편의 크기는 250 mm × 250 mm, 4-probe 방법으로 측정한 FSS 전도막의 평균 면저항은 R _S = 95 Ω/sq (R = 380 Ω)이었다. 도 4는 TE 편파에서 입사각을 30°까지 증가시키면서 측정한 반사손실 결과이다. 시뮬레이션 결과와 실측 결과가 매우 잘 일치함을 볼 수 있다. 송신 안테나와 수신 안테나가 가장 근접할 때 입사각도가 5°이어서 이 각도부터 시뮬레이션과 측정실험을 진행하였다. 75∼85 GHz 주파수 범위에서 -20 dB 이하의 반사손실을 보인다. 특히 동작 주파수인 77 GHz에서는 입사각 15°까지 -30 dB 이하의 반사 손실을 보인다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (4)

1. 자율주행 차량의 전자파 간섭을 방지하기 위하여 배면이 도체로 단락된 기판 위에 주파수 선택표면(Frequency Selective Surface: FSS)이 주기적으로 배열된 구조의 메타소재 흡수체의 제조방법으로서,
   (a) 유리섬유와 에폭시수지 복합재로 구성된 기판을 준비하는 단계;
   (b) 상기 기판의 배면을 도체로 단락시키는 단계;
   (c) 상기 기판의 전면에 저항성 도체로 FSS을 규칙적으로 배열시키는 단계;
   (d) 상기 FSS의 패턴과 치수, 도체의 면저항을 조절하여 원하는 R, L, C를 만드는 단계;
   (e) 합성 임피던스의 허수를 0으로 하고, 실수를 자유공간(공기)의 임피던스인 377 Ω에 근접시키는 단계;를 포함하며,
   상기 FSS는 사각패치로 구성되고,
   상기 사각패치의 치수로서, 주기(p)는 2.0mm, 도체 크기(d)는 1.0mm, 기판의 두께(t_FR4)는 0.5mm이며,
   도체의 면저항(R _S)은 87.5∼95.0 Ω/sq 인 범위로 조절됨으로써, FSS를 이용한 77GHz 대역용 전파흡수체를 구성하는 것을 특징으로 하는 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 (e)단계는, 하기 식에 의해서 Z_R의 허수 Im(Z_R)=0 이 되고, 실수 Re(Z_R)=377 Ω이 될 때 임피던스 정합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법.
   

   

   (1)
   

   

   (2)
   

   

   (3)
   (여기서, Z_t는 두께 t의 GS 표면에서의 입력 임피던스, Z_FSS는 FSS임피던스, L은 인덕턴스, R은 저항, C는 커패시턴스임)
3. 제 1항에 있어서,
   상기 기판은 무손실 유전체를 사용하고, 상기 기판의 두께는 1/4 파장(λ)인 것을 특징으로 하는 자율주행 차량의 전자파 간섭 방지용 메타소재 흡수체의 제조방법.
4. 삭제

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