KR102249313B1 - 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR102249313B1
KR102249313B1 KR1020200000123A KR20200000123A KR102249313B1 KR 102249313 B1 KR102249313 B1 KR 102249313B1 KR 1020200000123 A KR1020200000123 A KR 1020200000123A KR 20200000123 A KR20200000123 A KR 20200000123A KR 102249313 B1 KR102249313 B1 KR 102249313B1
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niobium diselenide
nbse
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frequency antenna
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KR1020200000123A
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박호석
신근영
그리쉬 삼바지 군드
정민규
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성균관대학교산학협력단
한림대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 무선 주파수 안테나 구조체는 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 단일층 또는 소수층(few-layer)의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막;을 포함하고, 화학적으로 박리된 2차원 니오븀 디셀레나이드를 사용함으로써 서브 마이크로 두께에서도 무선 주파수 안테나에 대한 높은 반사 계수를 제공할 수 있다.

Description

무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법{RADIO-FREQUENCY ANTENNA STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 소형 및 휴대용 전자기기 및 웨어러블 전자기기에 적용될 수 있는 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
오늘날의 사회는 모니터링, 개인 정보 및 정확성을 제공할 수 있는 사물 인터넷(IoT)과 통합된 스마트하고 웨어러블(wearable) 전자 장치를 요구한다. 무선 통신 노드(Wireless communication node)는 정보 교환을 위해 하드웨어와 소프트웨어를 모두 연결하는 IoT 센서이다. 무선 주파수(RF) 안테나는 이러한 시스템의 주요 전자 부품으로, 금속 도체를 송신기 또는 수신기로 사용하여 공간을 통해 전파를 전달한다. 이러한 무선 주파수 안테나는 IoT 와 스마트 전자제품과 같은 대상 전자 시스템과 통합하기 위해 가볍고 유연하며 매우 얇아야 한다.
안테나는 전파 수신 및 전송을 위해 높은 전기 전도성이 필요한 알루미늄, 구리 및 은 등과 같은 금속 도체를 기반으로 한다. 그러나 금속을 기반으로 한 안테나의 성능은 금속의 고유한 표피심도(skin depth) 특징에 의해 제한되어, 벌크(bulk) 금속에서 대부분의 전류는 외층만을 통해 흐른다. 따라서 금속성 소재에 기초한 안테나를 제조하는 경우, 금속성 소재의 두께는 대부분 약 5 ㎛ 이상으로 제조되고, 이를 포함하여 제조된 안테나의 경우에는 약 30 ㎛ 이상으로 제조되어 매우 두꺼워 소형화 및 휴대용 전자기기에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 나노 물질 기반의 안테나를 제조하여 종래의 금속을 기반으로 한 안테나보다 훨씬 얇은 두께에서 무선 주파수(RF)가 작동하는 것을 실험적으로 수행하였고, 이는 이론적으로 금속과 나노 소재의 각각 상이한 파의 전파 메커니즘(wave propagation mechanism) 인한 것으로 예상하고 있다. 그러나 아직까지 나노 물질을 기반으로 한 안테나는 종래 기술과 비교하여, 반사 계수, 효율, RF 제어 등에서 측면에서 여러 분야에 응용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2)을 이용하여 피부보다 얇은 서브 마이크로미터의 두께에서도 효과적으로 기능할 수 있는 무선 주파수 안테나 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 무선 주파수 안테나 구조체는, 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 단일층 또는 소수층(few-layer)의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막;을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 300 내지 900 nm 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 평균 시트 저항은 1.2 내지 4.1 Ωsq-1 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 800 내지 900nm 이고, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 너비는 10 mm 이며, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 길이는 5 내지 12 mm 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 공진 주파수는 2.01 내지 2.8 GHz 일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법은, 니오븀 디셀레나이드(NbSe2)에 알칼리 금속 화합물을 첨가하여, 적어도 하나의 층에 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된(intercalation) 니오븀 디셀레나이드를 제조하는 제1 단계; 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 니오븀 디셀레나이드를 박리시켜, 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 갖는 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트를 제조하는 제2 단계; 및 기판 표면에 상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트 콜로이드 용액을 스프레이 코팅하여, 상기 기판 상에 2차원 니오븀 디셀레나이드 층을 형성하는 제3 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제 3단계 이후에, 100 내지 500 ℃에서 어닐링(annealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 이온은 리튬(Lithium), 나트륨(sodium) 및 칼륨(Potassium) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 박리는 초음파 처리하여 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법에 따르면, 알칼리 금속 이온에 의해 박리된 2차원 니오븀 디셀레나이드를 이용하여 안테나의 전방향에 대하여 우수한 방사 효율을 이끌어낼 수 있고, 길이 조절에 따라 제어 가능한 공진 주파수를 통해 다른 금속의 한계보다 훨씬 낮은 두께에서도 무선 주파수 안테나에 대한 높은 반사계수를 제공할 수 있다. 상기 무선 주파수 안테나 구조체는 구부린 후에도 반사 손실에 대한 무선 주파수 안테나의 성능이 손실되지 않는 높은 안정성을 가질 수 있다. 또한, 박리된 2차원 니오븀 디셀레나이드 박막은 제조 균일성, 낮은 시트저항을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트의 형태를 분석하기 위한 TEM 이미지이다. 도 2를 통해서, 상기 2차원 니오븀 디셀라나이드 나노시트의 평균 크기는 약 2. 28 ㎛인 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트를 분석하기 위한 SEAD 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트의 화학적 조성 및 원소 성분을 분석하기 위한 STEM-EDX 매핑 이미지 및 스펙트럼을 나타낸다. 도 4를 통해서, 본 발명에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트 불순물 없이 니오븀(Nb) 및 셀레늄(Se)으로 구성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트의 투명성 분석하기 위한 AFM 이미지 및 상기 AFM 이미지에서 붉은 색 선에 따른 높이 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 5를 통해서, 2차원 NbSe2 나노시트는 우수한 박리 상태 및 투명성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 6은 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트 콜로이드 용액의 분석을 위한 도면으로, (a)는 탈 이온수에서 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트 콜로이드 용액의 틴들 효과(Tyndall effect)의 UV-Visible 흡수 스펙트럼 및 광학 이미지를 나타내는 도면이고, (b)는 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트 콜로이드 용액 농도에 따른 제타 전위를 나타내는 도면이다.
도 7 및 8은 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 표면 및 단면 형태 분석을 위한 SEM 이미지이다. PET 기판 상의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막 표면은 (a)에서 확인할 수 있고, PET 기판 상의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막 단면은 (b)에서 확인할 수 있다. 도 8은 배율에 따른 PET 기판 상의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막의 단면을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 결정 구조 및 박리(exfoliation)를 확인하기 위한 X-선 회절 및 라만 스펙트럼을 나타낸 도면으로, (a)에서는 XRD 패턴을 나타내고, (b)에서는 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 니오븀 디셀레나이드 박막 두께에 따른 투명성을 분석하기 위한 도면이다. (a)는 파장 500 nm에서 니오븀 디셀레나이드 박막 두께에 따른 투과율 변화를 나타내는 도면이고, (b)는 PET 기판 상의 각각 두께가 다른 니오븀 디셀레나이드 박막의 다른 위치들에서 측정된 자외선-가시광선(UV/Vis) 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 니오븀 디셀레나이드 박막 두께에 따른 시트 저항을 분석하기 위한 도면이다.
도 12 및 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 박막 길이에 따른 특성 평가를 분석하기 위한 도면이다. 도 12의 (a)는 Cu 테이프를 사용하여 직사각형 접지면을 가진 NbSe2 기반 모노폴 패치 RF 안테나의 이미지를 나타내며 임피던스 매칭 분석(analysis of impedance matching)을 위해 안테나를 SMA 커텍터에 연결한 것을 확인할 수 있다. 도 12의 (b)는 니오븀 디셀레나이드 박막 길이에 따른 반사 손실(RL) 스펙트럼을 나타내며, 스미스(smith) 차트 임피던스 다이어그램이 오른쪽 하단에 삽입되어 있으며. 대역폭은 반사 손실이 - 10dB 미만 주파수 범위로 설정되었다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 NbSe2 박막 두께가 855 nm로 형성된 무선 주파수 안테나 구조체를 이용하여, 벤딩에 따른 무선 주파수 안테나 구조체 벤딩에 대한 성능을 분석하기 위한 도면이다. 도 14의 (a)는 다른 반경의 유리 바이알 표면에서 굽힘 곡률을 갖는 상대적인 시트 저항을 나타내며, 삽입된 이미지는 반 데르 포 법칙(Van der Pauw technique) 측정을 위한 유리 바이알 굽힘 무선 주파수 안테나 구조체를 나타낸다. 도 14의 (b)는 상이한 곡률에서 굽힘을 갖는 무선 주파수 안테나 구조체의 반사 손실(RL)을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 응용 가능성을 평가하기 위한 도면으로, 다른 금속 물질을 사용하는 종래의 무선 주파수 안테나 구조체들과 비교하기 위해 박막 두께의 함수로서의 반사 손실(RL) 값을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 응용 가능성을 평가하기 위한 도면이다. (a) 길이에 따른 NbSe2 기반 안테나의 3 차원 방사 패턴, (b) 송수신 안테나 방향 및 (c) 10 × 10 mm2의 기하학적 구조를 위한 NbSe2 기반 안테나의 2 차원 방사 패턴을 나타낸다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 주파수 안테나 구조체는, 기판 및 상기 기판 상에 배치된 단일층 또는 소수층(few-layer)의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막을 포함할 수 있다.
상기 기판은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 등 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있고, 바람직하게는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)로 형성될 수 있다, 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 박막은 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)의 나노시트를 포함할 수 있다. 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께, 길이, 너비 등은 무선 주파수 안테나의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께를 조절하여 평균 시트 저항(또는 표면 저항, sheet esistance)을 제어함으로써 상기 무선 주파수 안테나의 성능을 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 약 300 내지 900 nm 일 수 있다. 이 때, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 평균 시트 저항(또는 표면 저항, sheet esistance)은 약 1.2 내지 4.1 Ωsq-1 일 수 있다.
한편, 일 실시예에서, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 약 800 내지 900 nm이고, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 너비는 약 7 내지 13 mm이며, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 길이는 약 5 내지 12 mm인 경우, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 공진 주파수는 약 2.01 내지 2.8 GHz 일 수 있다. 따라서 상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 박막의 형태를 제어하여 무선 주파수의 성능을 결정하는 주요 요소들을 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법을 설명한다,
본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법은, 니오븀 디셀레나이드(NbSe2)에 알칼리 금속 화합물을 첨가하여, 적어도 하나의 층에 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된(intercalation) 니오븀 디셀레나이드를 제조하는 제1 단계, 상기 리튬 이온이 인터칼레이션된 니오븀 디셀레나이드를 박리시켜, 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 갖는 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트를 제조하는 제2 단계, 및 기판 표면에 상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트 콜로이드 용액을 스프레이 코팅하여, 상기 기판 상에 2차원 니오븀 디셀레나이드 층을 형성하는 제 3단계를 포함할 수 있다.
상기 인터칼레이션(intercalation)은 결정성을 가지는 물질의 결정구조 내로 이온이 삽입되는 현상을 의미하는 것일 수 있다. 본 발명에서는 인터칼레이션을 통한 화학적 박리를 통해 벌크 층간에 이온을 삽입하여 박리하는 방법을 이용할 수 있다.
상기 알칼리 금속 화합물은 상기 니오븀 디셀레나이드를 인터칼레이션 시키기 위해 이용하는 화합물로 알칼리 금속 이온을 포함하는 화합물일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 이온은 리튬(Lithium), 나트륨(sodium) 및 칼륨(Potassium) 등에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 알칼리 금속 화합물은 n-부틸리튬(n-Butyllithium), n-부틸소듐(n-butyl sodium), n-부틸포타시움(n-butylpotassium) 및 부틸잔테이트(butylxanthate) 등에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는, 알칼리 금속 화합물은 n-부틸리튬(n-Butyllithium)일 수 있다.
상기 제1 단계에서, 용매를 더 첨가할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 용매는 n-헥산(n-hexane)일 수 있다. 상기 제1 단계는 질소 가스(N2) 분위기 하에서 약 60 내지 120 ℃ 조건에서 수행될 수 있다.
상기 제1 단계 이후, 상기 제 2단계를 수행하기 전에 필터를 이용한 여과 및 세척하는 단계를 통해 잔류된 알칼리 금속 화합물을 제거하는 단계를 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 단계에서 제조된 인터칼레이션된(intercalation) 니오븀 디셀레나이드를 포함하는 용액을 양극 알루미나 옥사이드 필터를 통해 여과하고, n-헥산(n-hexane)으로 세척하여 알칼리 금속 화합물을 제거할 수 있다.
상기 박리는 초음파를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 제2 단계에서 제조된 2차원 니오븀 나노시트는 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 가질 수 있다. 상기 소수층은 약 10 미만의 분자층을 의미하는 것일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 5의 분자층을 의미하는 것일 수 있다.
상기 제2 단계 이후, 상기 제3 단계를 수행하기 전에 원심 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다, 일 실시예에서, 상기 원심분리는 약 2500 내지 3500 rpm으로 약 3 내지 10분간 2 내지 5회 수행될 수 있다. 상기 원심분리를 통해 박리되지 않은 NbSe2 및 수산화리튬(LiOH)을 제거할 수 있어 고품질 및 고수율의 2차원 니오븀 나노시트를 제조할 수 있다.
상기 기판은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있고, 바람직하게는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)로 형성될 수 있다, 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
제3 단계에서, 상기 스프레이 코팅 공정을 통해 2차원 니오븀 디셀레나이드 층을 균일하게 형성할 수 있으며, 2차원 니오븀 디셀레나이드의 두께를 제어할 수 있다. 상기 제3 단계를 반복 수행하여 2차원 니오븀 디셀레나이드 층을 형성하는 경우, 스프레이 코팅이 반복됨에 따라 2차원 니오븀 디셀레나이드 층의 균일성이 향상될 수 있고, 서브 마이크로 사이즈의 두께를 가질 수 있어 감소된 시트 저항을 가질 수 있다.
상기 제 3단계 이후에, 약 100 내지 500 ℃ 에서 어닐링(annealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 어닐링을 수행함으로써 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 갖는 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트 층 간에 삽입된 물 분자를 증발시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 제조방법에서 어닐링하는 단계를 추가적으로 수행하는 경우, 압축성이 향상된 2차원 니오븀 디셀레나이드 층를 제조할 수 있다. 2차원 니오븀 디셀레나이드 층의 압축성이 향상됨으로써 무선 주파수 안테나는 우수한 전기 전도성을 가질 수 있다. 어닐링 수행 온도는 기판 물질에 따라 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)를 이용하는 경우, 어닐링은 약 140 내지 160 ℃에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 약 150 ℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법에 따르면, 화학적으로 박리된 2차원 니오븀 디셀레나이드가 코팅된 안테나 구조체는 효과적인 전방향 전파 및 제어 가능한 공진 주파수를 통해 종래의 다른 금속을 기반으로 한 무선 주파수 안테나 구조체에 비해 훨씬 낮은 두께에서도 무선 주파수 안테나에 대한 높은 반사계수를 제공할 수 있다. 또한, 소형화 또는 웨어러블 기기에 적용하는 것이 용이할 수 있다.
이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예를 통해서 본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체 및 이의 제조방법에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 무선 주파수 안테나 구조체
① 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트의 제조
2차원 NbSe2 나노 시트는 리튬(Li)을 이용한 인터칼레이션(intercalation) 및 박리 방법을 사용하여 제조되었다. 먼저, NbSe2 의 인터칼레이션을 위해, 둥근 바닥 플라스크에 400 mg의 벌크 NbSe2(bulk NbSe2)와 100 ml의 n-헥산(n-hexane)을 넣은 후, 온도를 90 ℃까지 꾸준히 상승시킨 후, 10 ml의 n-부틸리튬(n-Butyllithium)을 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 질소(N2) 분위기에서 3일 동안 90 ℃에서 유지시켜 리튬이 인터칼레이션된 NbSe2을 포함하는 용액을 제조하였다. 상기 용액을 47 mm의 직경 및 0.2 μm 기공 크기를 갖는 양극 알루미나 옥사이드 막 필터(anodic alumina oxide, AAO)를 통해 여과하고, n-헥산으로 약 3 내지 5회 세척하여 유기 잔류물 및 과량의 n-부틸리튬을 제거하였다. 이후, 수득된 슬러리를 탈 이온수(DI)를 통해 희석하고, 박리를 위해 밀폐된 용기에서 3 시간 동안 초음파 처리 하여 박리된 2차원 NbSe2 나노시트를 포함하는 용액을 얻었다. 이어서, 고품질의 2차원 NbSe2를 얻기 위해, 상기 2차원 NbSe2 나노시트를 포함하는 용액을 3000 rpm으로 5분간 3회 원심 분리하여 박리되지 않은 NbSe2 및 수산화리튬(LiOH)을 제거하였다. 최종적으로 수득된 2차원 NbSe2 나노시트를 포함하는 용액, 즉, 2차원 NbSe2 나노시트 콜로이드 용액은 1 개월 이상 동안 매우 안정적이었다.
② 2차원 NbSe2 나노시트 박막의 제조
폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, 이하에서 PET 이라 함) 기판으로 사용하기 위해, 세제로 세척한 후 이소프로필알코올(isopropyl alcohol, IPA)과 에탄올(Ethanol)로 10 분 동안 초음파(sonicating) 처리를 통해 흡착된 먼지 입자를 제거하였다. 상기에서 제조된 2차원 NbSe2 나노시트 콜로이드 용액을 PET 기판에 스프레이 코팅 방법으로, 분무한 후 질소(N2) 분위기 하에서 80 ℃의 온도로 건조시켜, 상기 기판 상에 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막을 형성하였고, 상기와 같은 스프레이 코팅 작업을 반복하여 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막을 제조하였다. 마지막으로, 제조된 박막을 150 ℃에서 어닐링하여 삽입된 물 분자를 증발시켜, 본 발명의 실시예 1에 따른 무선 주파수 안테나 구조체를 제조하였다.
실험예 A : 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe 2 ) 나노시트 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트의 분석을 위해, 분석 장치(Titan G2 60-300, FEI, 미국)를 이용하여 투과형 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 이미지, 제한시야 전자회절(selected area electron diffraction, SAED) 패턴, 스캐닝 TEM 에너지-분산 X-선(STEM-EDX) 이미지 및 스펙트럼을 얻었고, 그 결과들을 도 2 에 나타냈다.
도 2는 본 발명의 2차원 NbSe2 나노시트를 형태를 분석하기 위한 TEM 이미지이다.
도 2를 참조하면, (a) 및 (b)에서 X,Y 및 대각선 방향으로 측정된 2차원 NbSe2 나노시트의 실제 평균 크기를 확인할 수 있으며, 각각의 2차원 NbSe2 나노시트들의 평균 크기는 2.6, 2.13 및 2.12 ㎛인 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해서, 2차원 NbSe2 나노시트 평균 크기는 약 2.28 ㎛인 것을 알 수 있고, 이는 2차원 NbSe2 나노시트를 사용하여 제조된 무선 주파수 안테나 구조체에서 양호한 전기 전도 경로를 유지하기에 충분한 크기일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트의 결정구조 분석하기 위한 SAED 이미지이다.
도 3을 참조하면, 2차원 NbSe2 나노시트의 평탄한 영역(빨간색 네모의 이미지에 해당)에 대응하는 SAED 패턴은 이중 레이어 시트(double-layered sheet)의 [001] 배향을 따라 원자 배열의 명확한 육각형 대칭을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 흰색 화살표로 표시된 바와 같이, 두 개의 NbSe2 레이어 층의 중첩에서 발생하는 후속 인접 회절 지점(subsequent adjacent diffraction spots)에 의해 확인 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트의 화학적 조성 및 원소 성분을 분석하기 위한 STEM-EDX 매핑 이미지 및 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, (a)에서 2차원 NbSe2 나노시트를 구성하는 요수의 균일한 분포를 확인할 수 있고, (b)에서는 정확한 상기 요소들의 구성을 확인할 수 있다. (b)에서 구리(Cu) 원소의 존재는 사용된 Cu 그리드에서 나온 것이며, 2차원 NbSe2 나노시트에서 Nb : Se 화학양론(~ 1.0 : 1.7, 이상적으로는 1.0 : 2.0을 가짐)의 작은 편차는 디셀리늄, 모노셀레늄 및 안티-사이트 결함과 같은 상이한 Se 공공에 해당할 수 있다. 일반적으로, 이러한 결함은 분말 재료의 화학 기상 증착 중에 생성될 수 있다. 따라서 일반적으로 나타나는 결함들을 제외하면, 본 발명에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트는 불순물 없이 니오븀(Nb) 및 셀레늄(Se)으로 구성되며, 정확한 화학량론 및 화학적 순도를 갖는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 NbSe2 나노시트의 투명성 분석하기 위해, SiO2/Si 웨이퍼 상에 2차원 NbSe2 나노시트를 코팅한 구조체의 AFM 이미지 얻었고, AFM 이미지에서 붉은 색 선에 따른 높이 프로파일을 측정하여, 그 결과들을 도 5에 나타냈다.
도 5를 참조하면, 3개의 레이어(layer)에 해당하는 약 3.22 nm 두께의 지형적으로 주름지고 접힌 시트를 확인할 수 있다. 이러한 결과는 2차원 NbSe2 나노시트의 우수한 박리 상태 및 투명성을 의미하는 것으로, 높은 결정도 및 상 순도(phase purity)를 유지하고 있음을 알 수 있다.
실험예 B : 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe 2 ) 나노시트 콜로이드 용액 분석
탈 이온수(DI)에서 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 나노시트 콜로이드 용액의 분석을 위해, 틴들 효과(Tyndall effect)의 자외선-가시광선(UV/Vis) 흡수 스펙트럼을 UV/Vis 분광 광도계(Lambda 25, Perkin Elmer 사, 미국)를 이용하여 200 내지 900 nm에서 측정하였고, 제타 사이저 나노 zs 90s로 조사하여 제타 전위를 측정한 결과들을 도 6에 나타냈다.
도 6을 참조하면, (a)의 흡수 스펙트럼에서 금속 나노 물질의 특징인 페르미 레벨에서 ∑M 방향의 대역 간 전이로 인해 발생하는 약 307 및 500 nm의 두 개의 넓은 흡수 피크를 확인할 수 있다. 약 307 및 500 nm 에서의 피크는 각각 보라색 및 적색의 흡수와 관련이 있으며, 이들의 혼합물인 2차원 NbSe2 나노시트의 콜로이드 용액은 마젠타(magenta) 색을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 틴들 분산(Tyndall scattering)은 탈 이온수에서 2차원 NbSe2 나노시트의 우수한 콜로이드 분산을 의미할 수 있다. (b)에서 박리된 2차원 NbSe2 나노시트의 콜로이드 용액은 탈 이온수에서 최대 5 중량 % 까지 분산될 수 있다. 이를 통해서, 콜로이드 용액 중 2차원 NbSe2 나노시트는 큰 결함 없이 기판 상에 균일하게 증착될 수 있음을 예상할 수 있고, 2차원 NbSe2 나노시트가 균일하게 증착된 박막을 포함하는 무선 주파수 안테나 구조체는 전기 전도성의 향상을 예상할 수 있다.
실험예 C : 무선 주파수 안테나 구조체 표면 및 단면 형태 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 표면 및 단면 형태 분석을 위해, 10 kV에서 전계 방출-주사 전자 현미경(FE-SEM)(LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, 독일)을 사용하여 SEM 이미지를 얻었다. 그 결과를 도 7 및 8에 나타냈다.
도 7 및 8을 참조하면, 도 7의 (a)에서 PET 기판 상에서 NbSe2 박막의 균일한 커버리지(coverage)를 나타내는 것을 확인할 수 있고, (b)에서 PET 상에 NbSe2 박막이 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 8를 참조하면, 배율에 따른 단면 이미지를 통해서 NbSe2 박막은 상호 연결된 층상 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 본 발명의 무선 주파수 안테나 구조체는 기판 상에 NbSe2 박막이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 따라서 NbSe2 박막의 본질적인 금속성 특징과 함께, NbSe2 박막의 균일한 분포 및 상호 연결된 적층(투과 전도 경로(percolated conducting path)와 관련)을 통해 무선 주파수 안테나의 흡수/방출 특성에 영향을 주는 것을 예상할 수 있다.
실험예 D : 결정 구조 및 박리 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 결정 구조 및 박리(exfoliation)를 확인하기 위해, 532 nm에서 분광계(Miniflex 300/600 system , Rigaku, 일본) 및 Cu Ka (λ = 1.54 ㅕ)를 사용하여 그레이징 각도(grazing angle)에서 X-선 회절 및 라만 스펙트럼을 측정하여 분석하였다. 또한, 비교를 위해, 비교 샘플들은 각각 PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플, 깨끗한 PET 기판, 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막, 및 NbSe2 분말들을 상기와 동일한 과정을 통해 측정하였고, 그 결과들을 도 9에 나타냈다. (PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플, 깨끗한 PET 기판, 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막, 및 NbSe2 분말은 각각 도면에서 sprayed, PET, filtered, 및 powder로 표시하였고, 발명의 일 실시예에 따라 제조된 샘플은 PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무 및 어닐링한 샘플로 sprayed annealed로 표시함)
도 9를 참조하면, (a)에서 PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed), PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무 및 어닐링한 샘플(sprayed annealed), 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtere) 및 NbSe2 분말(powder)의 (002) 평면의 XRD 피크는 각각 ~13.8°, 14.1°, 14.1°, 및 14.2°임을 확인할 수 있고, 이는 각각 ~ 6.4, 6.3, 6.3 및 6.3 Å의 층간 간격에 해당하는 값일 수 있다. 한편, (b)에서는 PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed), 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtered)의 및 NbSe2 분말(powder)의 평면 외(out-of-plane, A1g) 및 평면 내(in-plane, E2g) 포논 라만 모드를 확인할 수 있다. 이들은 NbSe2 분말(powder)과 비교하여, PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed) 및 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtered)은 시프트가 일어난 것을 확인할 수 있다(순서대로 각각 shift ~ 2.9 cm-1, shift ~ 12.7 cm-1). 또한, NbSe2 분말(powder)의 경우, Se-Se 간의 평면 외(out-of-plane) 시트 간(A1g) 진동(Vibration)이 주로 발생하고 이로 인해 내부에너지가 감소하는 것을 알 수 있다. 반면에, PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed), 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtered)의 경우 Nb-Se 간의 시트 내 (E2g) 진동(Vibration)이 주로 발생하고 시트 간 진동(Vibration)이 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 결과들을 통해, PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed), 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtered)의 경우는 NbSe2 분말(powder)에 비해 단층(Single layer) 또는 소수층(Few layer) 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 벌크(Bulk) 구조에 비해 단층 또는 소수층 구조를 가지고 있을 경우, 박막 표면에 코팅되었을 때 훨씬 균일하게 코팅될 수 있으며, 벌크 구조보다 표면에 부착되는 것이 훨씬 용이할 수 있다. 또한 코팅 이후에도 쉽게 떨어지지 않아 높은 안정성 특성을 가질 수 있다. 이러한 측면에서 벌크구조의 NbSe2를 사용하는 대신, 인터칼레이션을 통해 단층 또는 소수층을 갖는 NbSe2를 이용하는 것이 훨씬 우수한 코팅을 수행할 수 있다. 포논 모드의 적분 강도 비율(A1g/E2g)은 NbSe2 분말(powder), 진공 여과된 독립형 NbSe2 박막(filtered) 및 PET 기판 상에 NbSe2 나노시트를 스프레이 분무한 샘플(sprayed)은 각각 0.5, 0.3 및 0.2 로 계산되었다. 적분 강도 비율 값으로 NbSe2 의 박리를 확인할 수 있는 데, 적분 강도 비율 값이 낮은 경우 NbSe2 의 효과적인 박리가 이루어졌음을 의미한다.
실험예 E : 니오븀 디셀레나이드 박막 두께에 따른 특성 평가
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 니오븀 디셀레나이드 박막 두께에 따른 특성 평가를 위해, 스프레이 코팅 과정을 통해서 NbSe2 박막 두께를 조절하여 각각 382, 585, 733 및 855 nm의 NbSe2 박막 두께를 가진 무선 주파수 안테나 구조체 샘플들을 제조하였다.
먼저, 각각의 제조된 샘플들의 NbSe2 박막 두께에 따른 투명성을 분석하기 위해 가시 범위(visible range)의 투과율을 측정하였고, 균일성을 분석하기 위해 각각 샘플들의 다른 위치에서 자외선-가시광선(UV/Vis) 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과들을 도 10에 나타냈다.
도 10을 참조하면, (a)에서 두께가 다른 박막의 디지털 사진(오른쪽 위 이미지)을 통해 NbSe2 박막 두께가 다른 무선 주파수 안테나 구조체의 백그라운드에서 University 로고의 투명도가 뚜렷한 대조를 이루는 것을 확인할 수 있다. NbSe2 박막 두께가 약 382 에서 855nm로 증가 할 때, 이에 상응하는 투과율은 약 52.0 에서 0.1 %로 감소함을 확인할 수 있다. 이는, NbSe2 박막 두께가 얇을수록 투과율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 이를 통해서, 본 발명에서 제공하는 무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법에 있어서, 콜로이드 용액의 양 및 스프레이 분무 과정을 통해 NbSe2 박막 두께를 쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다. 한편, (b)에서 관찰된 투과율은 NbSe2 박막의 382, 585, 733 및 855 nm 두께에 대해 약 52.0 ± 0.98, 7.6 ± 0.63, 0.6 ± 0.10 및 0.1 ± 0.04 %임을 확인할 수 있다.
추가적으로, 고성능 안테나의 주요 매개변수 중 하나인 시트 저항(Sheet resistance) 값을 측정하여 안테나 성능을 분석하기 위해, 상기에서 제조된 샘플들을 고성능 무선 주파수의 장치(2400 SourceMeter, Keithley 사, 미국)를 이용하여 4-점 프로브 방법(four-point probe measurements)을 통해 시트 저항을 측정하였고, 그 결과를 도 11에 나타냈다.
도 11을 참조하면, NbSe2 박막 두께가 382에서 855로 증가할수록 시트 저항은 ~4.1 에서 1.2 Ω sq-1로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 전기 전도성을 도출하였고, 도출된 전기 전도성은 NbSe2 박막 두께가 382에서 855로 증가할수록 ~ 6.3 에서 9.7 kS cm-1로 증가하는 것으로 예상할 수 있다.
실험예 F : 니오븀 디셀레나이드 박막 길이에 따른 특성 평가
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 니오븀 디셀레나이드 박막 길이에 따른 특성 평가를 위해, NbSe2 박막의 두께 및 너비를 각각 855 nm 및 10 mm로 일정하게 고정하고, 길이를 각각 5, 6, 8, 10 및 12 mm으로 조절한 안테나 구조체 샘플들을 제조하였다. 제조된 샘플들의 반사 손실(return loss, RL)을 평가하기 위해, 100 kHz 내지 7.5 GHz 주파수 범위에서 ENA RF 네트워크 분석기 (E5071B, Agilent Technologies)로 분석하였다.
반사 손실(RL)은 전송된 전력 및 임피던스 정합 중 발생하는 전력 손실의 지표로 사용되며, 부하에서 전력 전송을 최대화 하는 데 사용될 수 있다. 반사 손실(RL) 값이 작을 경우, 안테나가 절대적으로 수용할 수 있는 시그널의 파워가 큰 것을 의미할 수 있다. 즉, 반사 손실(RL) 값이 작을수록 우수한 안테나 특성을 갖는 것일 수 있다. 반사 손실(RL)은 일반적으로 다음과 같이 입사 전력과 반사 전력의 비율인 데시벨(dB)로 표시되며, 하기의 식 1에 나타냈다.
<식 1>
Figure 112020000083052-pat00001
(식 1에서, Pi와 Pr은 각각 입사 및 반사 전력을 나타낸다.)
무선 주파수 안테나 구조체의 박막 길이에 따른 특성 평가의 결과를 도 12 및 도 13에 나타냈다.
먼저, 도 12를 참조하면, (b)에서 10 × 10 mm2 크기의 NbSe2 박막을 갖는 무전 주파수 안테나 구조체는 평균 주파수 2.26 GHz에서 가장 작은 반사 손실(RL) 값 (-46.5 dB)을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 다른 무선 크기의 무선 주파수 안테나 구조체와 비교하여 볼 때, 10 × 10 mm2 크기의 NbSe2 박막을 갖는 무전 주파수 안테나 구조체가 가장 우수한 안테나 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 더 나아가, 이를 NbSe2 기반 안테나의 일반적인 스미스(Smith) 차트 임피던스 다이어그램(오른쪽 하단 위치)과 함께 확인해보면, 대역폭의 임피던스 지점은 스미스(Smith) 차트의 중심 주위에 배치된 것을 알 수 있다. 이는 반사 손실(RL) 값이 감소하면 임피던스 포인트가 중심에 가까이 위치하는 것을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 각각의 무선 주파수 안테나의 반사 손실(RL)로부터 유도 된 전송 전력 및 공진(resonant) 주파수를 확인할 수 있는데, 10 mm 길이를 갖는 무선 주파수 안테나의 경우 100 %의 높은 전송 전력을 나타냄을 확인할 수 있고, 안테나의 평균 주파수 길이가 짧아짐에 따라 2.01에서 2.8 Ghz로 선형 이동한 것을 확인할 수 있다. 특히, 길이가 12 mm인 무선 주파수 안테나의 공진(resonant)주파수는 5 mm 길이의 무선 주파수 안테나의 공진(resonant) 주파수에 비해 약 790 Mhz 이상 시프트(shift) 되었음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 무선 주파수 안테나 구조체의 길이가 공진 주파수를 유도하고 공진기 길이와 공진 주파수의 역방향 관계와 일치함을 알 수 있어, 공진 주파수는 안테나에 기계적 응력이 가해지는 동안 변화할 수 있음을 예상할 수 있다.
실험예 G : 무선 주파수 안테나 구조체 벤딩에 대한 성능 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 NbSe2 박막 두께가 855 nm로 형성된 무선 주파수 안테나 구조체를 이용하여, 벤딩에 따른 무선 주파수 안테나 구조체 벤딩에 대한 성능을 분석하기 위해, 다른 반경을 갖는 유리 바이알(glass vials) 표면에 부착하여 반 데르 포 법칙(Van der Pauw technique)통해 수행되었고, 이에 따른 반사 손실(RL) 값을 측정하여, 그 결과를 도 14에 나타냈다.
도 14를 참조하면, (a)에서 유리 바이알 반경을 1.5에서 0.75 cm로 감소시켜 곡률을 증가시키면 2.5 내지 4.5 %의 상대적인 시트 저항(필름의 굽힘/저항에 대한 저항)의 작은 변화가 관찰 되었지만, 반경을 4.4에서 2.1 cm으로 감소시키는 경우에는 상대적인 시트 저항의 변화는 거의 없음을 확인할 수 있다. 이를 통해서, 시트 저항의 변화는 외부 층의 스트레칭으로 인한 유효 길이 및 표면의 얕은 균열의 변화에 해당할 수 있으며, 이는 전자 이동에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 예상할 수 있다. (b)에서 반사 손실(RL) 값은 평탄한 안테나(-46.5 dB)보다 높은 무선 주파수 안테나 구조체(유리 바이알 0.75 cm)의 벤딩 곡률에서 최대 ―28.6 dB 까지 증가했지만, 훨씬 양호하고 허용 가능한 범위 내에서 증가한 것을 알 수 있다.
실험예 H : 전도성 재료에 따른 무선 주파수 안테나 구조체의 성능 평가
종래의 상이한 전도성 재료 기반의 무선 주파수 안테나 구조체와 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 성능 비교를 위해, 각각의 반사 손실(RL)을 측정하여 분석하였다. 그 결과를 도 14에 나타냈다.
도 14를 참조하면, 서브 마이크로 미터 두께에서도 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체(NbSe2 기반 안테나)는 금속 보다 2배 낮은 반사 손실(RL) 값인 ―46.5 dB를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 본 발명에서 제공하는 무선 주파수 안테나 구조체는 소형화 및 얇은 두께를 갖는 안테나의 로 제조할 수 있음을 확인하였다.
실험예 I : 무선 주파수 안테나 구조체의 응용 가능성 평가
실제 안테나 어플리케이션의 가능성을 입증하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 무선 주파수 안테나 구조체의 전력 이득(power gain), 3 차원 방사 패턴, 송수신 안테나 방향 및 2 차원 방사 패턴을 측정하였다. 전력 이득 값은 이상적인 등방성 안테나와 비교하여 어떤 방향으로든 더 많거나 적은 전력을 방출하는 능력을 나타내며, 안테나 방사선 효율을 포함한다. 그 결과들을 도 16에 나타냈다.
도 16을 참조하면, (a)에서 10 × 10 mm2 크기 NbSe2 박막을 갖는 안테나는 피크 3.29 dBi를 갖는 것을 확인할 수 있고, 평균 이득(average gain) - 1.51 dBi 및 복사 효율 70.6 %로 매우 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 다른 크기의 NbSe2 박막을 갖는 안테나들과 비교할 때, 10 × 10 mm2 크기 NbSe2 박막을 갖는 안테나가 가장 높은 시그널을 가질 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 앞서 살펴본 실험예 F에서 얻어진 결과(10 × 10 mm2 크기의 NbSe2 박막을 갖는 무전 주파수 안테나 구조체가 가장 우수한 안테나 특성을 갖는다)와 일치하는 것을 나타낸다. (b)에서 웨이브 전파 방향(wave propagation direction)에 따른 방사 특성은 길이를 줄이면서 상당히 열화 되었으며, 이는 무선 주파수 안테나 구조체의 기하학적 구조의 불일치로 인한 감소된 전송 전력과 직접적인 관련이 있음을 알 수 있다. (c)를 참조하면, 2D 방사 패턴을 통해 NbSe2 기반으로 한 무선 주파수 안테나 구조체가 전 방향 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 어느 방면의 평면(Plane) 에서든 비슷한 응답 값을 보임을 확인할 수 있다. 우수한 안테나의 특성 중 하나는 어느 방향에서 신호와도 균일하게 신호를 수신할 수 있어야 하는데, 이러한 결과는 NbSe2 기반으로 한 무선 주파수 안테나 구조체가 균일하게 신호를 수신할 수 있음을 나타내고 우수한 안테나 특성을 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 대부분의 안테나에 대한 피크 이득(peak gain)은 전극의 상부 표면에서 관찰되었으며, 가장 낮은 것은 전자기파 전파의 중단으로 인해 PET 기판의 하부면에서 관찰되었다.
상기의 실험예들에서 도출된 결과들을 정리하여, 하기의 표 1에 나타냈다.
NbSe2 박막
(mm2)		 주파수
(GHz)		 대역폭
(MHz)		 전송 전력
(transmitted power)
(%)		 피크 이득
(peak gain)
(dBi)		 평균 이득
(average gain)
(dBi)		 방사선 효율
(radiation efficiency)
(%)
10 x 12 2.01 654 100 2.01 -1.68 68.0
10 x 10 2.26 649 100 3.29 -1.51 70.6
10 x 8 2.46 524 99.7 1.99 -2.09 61.8
10 x 6 2.60 474 97.0 2.65 -2.81 52.3
10 x 5 2.80 424 93.7 1.16 -3.77 41.9
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 배치된 단일층 또는 소수층(few-layer)의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막;을 포함하고,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 300 내지 900 nm 이며,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 평균 시트 저항은 1.2 내지 4.1 Ωsq-1인 것을 특징으로 하는,,
    무선 주파수 안테나 구조체.
  2. 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 단일층 또는 소수층(few-layer)의 2차원 니오븀 디셀레나이드(NbSe2) 박막;을 포함하고,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 800 내지 900 nm 이고, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 너비는 7 내지 13mm 이며, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 길이는 5 내지 12 mm 인 것을 특징으로 하는,
    무선 주파수 안테나 구조체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 또는 2항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 중에서 선택된 어느 하나인,
    무선 주파수 안테나 구조체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 공진 주파수는 2.01 내지 2.8 GHz 인 것을 특징으로 하는,
    무선 주파수 안테나 구조체.
  7. 니오븀 디셀레나이드(NbSe2)에 알칼리 금속 화합물을 첨가하여, 적어도 하나의 층에 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된(intercalation) 니오븀 디셀레나이드를 제조하는 제1 단계;
    상기 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된 니오븀 디셀레나이드를 박리시켜, 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 갖는 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트를 제조하는 제2 단계; 및
    기판 표면에 상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트 콜로이드 용액을 스프레이 코팅하여, 상기 기판 상에 2차원 니오븀 디셀레나이드 박막을 형성하는 제3 단계;를 포함하는,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 300 내지 900 nm 이며,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 평균 시트 저항은 1.2 내지 4.1 Ωsq-1인 것을 특징으로 하는,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
  8. 니오븀 디셀레나이드(NbSe2)에 알칼리 금속 화합물을 첨가하여, 적어도 하나의 층에 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된(intercalation) 니오븀 디셀레나이드를 제조하는 제1 단계;
    상기 알칼리 금속 이온이 인터칼레이션된 니오븀 디셀레나이드를 박리시켜, 단일층(single layer) 또는 소수층(few-layer)을 갖는 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트를 제조하는 제2 단계; 및
    기판 표면에 상기 2차원 니오븀 디셀레나이드 나노시트 콜로이드 용액을 스프레이 코팅하여, 상기 기판 상에 2차원 니오븀 디셀레나이드 박막을 형성하는 제3 단계;를 포함하고,
    상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 두께는 800 내지 900 nm 이고, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 너비는 7 내지 13 mm 이며, 상기 니오븀 디셀레나이드 박막의 길이는 5 내지 12 mm 인 것을 특징으로 하는,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
  9. 제7 또는 8항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 이온은 리튬(Lithium), 나트륨(sodium) 및 칼륨(Potassium) 중에서 선택된 어느 하나인 것인,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
  10. 제7 또는 8항에 있어서,
    상기 박리는 초음파 처리하여 수행되는 것인,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
  11. 제7 또는 8항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 종이(Paper), 천(Cloth) 및 단열 막(Insulating Membrane) 중에서 선택된 어느 하나인,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
  12. 제7 또는 8항에 있어서,
    상기 제 3단계 이후에, 100 내지 500 ℃에서 어닐링(annealing)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무선 주파수 안테나 구조체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090111072A (ko) * 2008-04-21 2009-10-26 한양대학교 산학협력단 알에프아이디용 태그 안테나
KR20160136286A (ko) * 2014-03-21 2016-11-29 인텔 코포레이션 전이 금속 디칼코게나이드 반도체 어셈블리
KR20160142282A (ko) * 2014-01-31 2016-12-12 록히드 마틴 코포레이션 다공성 비-희생 지지층을 사용하여 2차원 물질로 복합 구조를 형성하기 위한 프로세스
KR20190033156A (ko) * 2017-09-21 2019-03-29 서울대학교산학협력단 나노시트의 형성 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090111072A (ko) * 2008-04-21 2009-10-26 한양대학교 산학협력단 알에프아이디용 태그 안테나
KR20160142282A (ko) * 2014-01-31 2016-12-12 록히드 마틴 코포레이션 다공성 비-희생 지지층을 사용하여 2차원 물질로 복합 구조를 형성하기 위한 프로세스
KR20160136286A (ko) * 2014-03-21 2016-11-29 인텔 코포레이션 전이 금속 디칼코게나이드 반도체 어셈블리
KR20190033156A (ko) * 2017-09-21 2019-03-29 서울대학교산학협력단 나노시트의 형성 방법

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