KR102290343B1 - 이중 대역 적외선 분광파장 소자 - Google Patents

이중 대역 적외선 분광파장 소자 Download PDF

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Abstract

개시되는 발명은 적외선 스텔스 유닛 소자에 관한 것으로서, 금속층;과, 상기 금속층 위에 형성되는 부도체층; 및 상기 부도체층 위에 형성되는 금속 패턴층;을 포함하고, 상기 금속 패턴층은 소정의 폭을 가진 환형의 금속 링과, 상기 금속 링을 감싸는 가상의 정사각형 둘레를 따라 적어도 4개 이상의 짝수 개가 상기 금속 링의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크를 포함한다.

Description

이중 대역 적외선 분광파장 소자{DUAL BAND INFRARED STEALTH DEVICE}
본 발명은 이중 대역 적외선 분광파장 소자에 관한 것으로서, 공격용 적외선 무기에서 방출되는 적외선 파장과 대기투과율이 낮은 파장 대역의 이중 대역에서 강한 플라즈모닉 공명 파장을 일으키는 이중 대역 적외선 분광파장 소자에 관한 것이다.
일반적으로 전장에서 레이더에 의해서 탐지되는 신호를 최소화하는 것을 스텔스 기술이라고 부른다. 최근에는 적군을 탐지하는 방법으로 기존의 레이더 이외에도, 잠수함을 탐지하는 음향 신호와 함께 적외선 신호를 탐지하는 적외선 기술이 널리 사용되고 있다. 이에 따라 이러한 여러 가지 탐지 신호를 최소화하기 위하여 다양한 스텔스 기술이 연구되고 있다.
적외선 스텔스 기술은 물체의 표면에서 방출되는 복사신호에 기반하며, 이러한 복사신호는 플랑크 복사법칙에 따라 온도에 지수함수로 증가하는 특성이 있다. 따라서, 가장 기본적인 적외선 스텔스 기술은 물체 표면의 온도를 낮추어서 적외선 탐지신호를 줄이는 것이다. 예를 들어, 적외선 유도 미사일에 의해서 탐지되는 적외선 신호를 줄이기 위하여 전투기 엔진의 배기가스 온도를 낮추거나 그 출구를 가려서 높은 온도의 기체가 외부로 노출되지 않게 하는 기술이 사용되고 있다.
물체에서 흑체 복사로 방출되는 신호는 대기를 전파하여 적외선 검출기로 입사하여 탐지된다. 표면으로부터 방출되는 복사 에너지는 플랑크 복사 법칙에 방사율을 적용하여 계산할 수 있으며, 여기에 대기 투과율을 적용함으로써 검출기에서 측정되는 신호를 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020030771420-pat00001
여기에서, 우측 적분식 내의 첫 번째 식은 플랑크 복사 법칙으로서 λ는 광의 파장, T는 물체의 표면온도(절대온도), h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도를 나타낸다. 그리고, ε는 물체표면의 분광 방사율, Tatm은 대기의 투과율을 나타낸다.
수학식 1로 표현되는 적외선 신호의 크기를 줄이기 위해서는 적외선을 방출하는 복사체 표면의 온도를 낮추거나, 또는 표면의 구조를 바꾸어서 대기 투과율이 낮은 파장대역(5∼8㎛)에서는 표면 방사율이 높게, 대기 투과율이 높은 대기 투과창 영역(3∼5㎛ 및 8∼14㎛)에서는 표면 방사율을 낮게 설계함으로써 적외선 피탐지 신호를 낮출 수 있다. 다시 말해, 적외선 스텔스 기술은 물체에서 나오는 적외선 양을 줄이는 방법과, 물체에서 방출된 적외선이 검출기로 입사되는 양을 줄이는 방법으로 분류할 수 있는 것이다.
도 1은 적외선 영역에서 파장에 따른 대기의 분광 투과도를 나타내는 도면이다. 적외선 스텔스 기술로서 앞서 언급한 물체의 표면 온도를 줄이는 방법과 함께 물체에서 방출되는 적외선이 전파 과정에서 대기중에 흡수되도록 파장을 조절할 수 있다면 물체에 대한 적외선 피탐지 신호를 줄일 수 있다. 이와 같이, 표면에서 방출되는 적외선의 파장을 이러한 흡수파장에 맞게 조절할 수 있는 기술을 활용함으로써 적외선 스텔스 기술을 개발할 수 있게 된다.
군사장비의 생존성을 높이기 위해서는 적외선 검출기에 탐지되지 않도록 하는 것과 더불어 공격용 적외선 무기에서 방출되는 적외선의 반사율을 줄이는 것도 중요하다. 공격용 레이저 유도무기는 적외선 레이저를 공격대상의 물체에 조사하고, 대상 물체에서 반사되는 적외선 레이저 광으로 무기를 유도하여 물체를 공격한다. 적외선 유도무기에서 일반적으로 활용되는 적외선 레이저 광의 파장은 눈의 안전을 고려하여 1.54㎛이다. 결국, 공격용 적외선 무기에 대한 적외선 스텔스 기술은 물체 표면에서 1.54㎛ 파장의 적외선 레이저 광의 흡수율을 높임으로써 산란되는 유도 레이저 광의 신호를 줄이는 방향으로 나가야 한다.
온도가 T인 물체표면에서는 앞서 수학식 1에서 언급한 흑체 복사가 방출되게 된다. 이때 표면의 구조를 바꾸면 방출되는 흑체 복사의 분광분포를 변화시킬 수 있다. 대표적인 방법으로 금속-부도체-금속(metal-insulator-metal, MIM) 박막구조를 이용한 완전 흡수체(perfect absorber)가 알려져 있다. 금속 내부의 전자와 입사되는 광이 상호작용하여 표면 플라즈몬을 발생시키게 되고, 이때 표면 플라즈몬이 특정한 파장에 공명하여 발생하게 함으로써 이 특정한 파장에서의 흡수율이 1에 가까운 메타 물질 구조의 완전 흡수체를 구현할 수 있게 된다.
이러한 완전 흡수체의 구조로는 도 2에 표시된 실리카(SiO2)와 은(Ag)으로 구성된 T 형태의 구조를 지니는 완전 흡수체를 예로 들 수 있다. T 구조의 디자인을 변화시킴으로써 완전 흡수체의 분광특성을 변화시킬 수가 있지만, 이러한 T 구조의 완전 흡수체는 입사되는 광의 편광과 입사각도에 따라 공명파장의 크기가 바뀌는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2015-0000616호 (2015.01.05 공개)
본 발명은 군사용 장비에서 방출되어 적외선 검출기에 의해 탐지되는 적외선 광신호를 최소화시키고 공격용 적외선 광을 흡수할 수 있는 이중 대역 적외선 스텔스 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 적외선 스텔스 유닛 소자에 관한 것으로서, 금속층;과, 상기 금속층 위에 형성되는 부도체층; 및 상기 부도체층 위에 형성되는 금속 패턴층;을 포함하고, 상기 금속 패턴층은 소정의 폭을 가진 환형의 금속 링과, 상기 금속 링을 감싸는 가상의 정사각형 둘레를 따라 적어도 4개 이상의 짝수 개가 상기 금속 링의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크를 포함한다.
여기서, 상기 금속 디스크는, 상기 금속 링 안쪽의 상기 부도체층이 노출된 원형 영역에 들어갈 수 있는 크기의 지름을 가진다.
그리고, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 금속 디스크는 각각 4개, 6개, 또는 8개인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 디스크는 상기 정사각형의 꼭짓점을 제외한 각 변 위에 배치될 수 있다.
또는, 상기 금속 디스크가 4개인 경우에는, 각 금속 디스크가 상기 정사각형의 꼭짓점 위에 배치되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 금속 링의 중심에 상기 금속 디스크 하나가 추가로 배치될 수도 있다.
한편, 본 발명은 적외선 스텔스 유닛 어레이로서, 금속층;과, 상기 금속층 위에 형성되는 부도체층; 및 상기 부도체층 위에 형성되는 금속 패턴층;을 포함하고, 상기 금속 패턴층은 소정의 폭을 가진 환형의 금속 링과, 상기 금속 링을 감싸는 가상의 정사각형 둘레를 따라 적어도 4개 이상의 짝수 개가 상기 금속 링의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크를 포함하는 적외선 스텔스 유닛 소자가 종횡으로 복수 개가 배열되며, 이때 어느 한 적외선 스텔스 유닛 소자는 그 주변을 둘러싸는 다른 적외선 스텔스 유닛 소자와 상기 금속 디스크를 공유하는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이를 제공한다.
여기서, 하나의 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해, 상기 금속 디스크는 4개, 6개, 또는 8개가 배치될 수 있다.
그리고, 상기 금속 디스크는 상기 정사각형의 꼭짓점을 제외한 각 변 위에 배치될 수 있는데, 이런 경우에는 각 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 링의 중심은 종횡을 따라 서로 동일 선상에 배치되거나, 또는 하나의 열을 이루는 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해 이에 인접한 다른 열의 적외선 스텔스 유닛 소자는 그 금속 링의 중심이 반 피치 간격으로 엇갈려있을 수 있다.
다른 방안으로, 하나의 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해 4개의 금속 디스크가 각각 상기 정사각형의 꼭짓점 위에 배치될 수도 있는데, 이런 경우에는 각 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 링의 중심은 종횡을 따라 서로 동일 선상에 배치된다.
상기 금속 디스크는, 상기 금속 링 안쪽의 상기 부도체층이 노출된 원형 영역에 들어갈 수 있는 크기의 지름을 가지며, 실시형태에 따라서는 상기 금속 링의 중심에 상기 금속 디스크 하나가 추가로 배치될 수도 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 소자는, 금속 링 및 그 주변에 등거리 및 등각도로 배열되는 복수 개의 금속 디스크로 이루어진 금속 패턴층의 구조를 통해 군사용 장비에서 방출되는 적외선 피탐 신호를 최소화시키고 공격용 적외선 광을 흡수할 수 있는 이중 대역 적외선 스텔스 효과를 가진다.
그리고, 적외선 스텔스 유닛 소자를 종횡으로 복수 개를 배열하여 하나의 적외선 스텔스 유닛 어레이를 구성하더라도 종횡 방향과 대각선 방향을 따라 대칭성을 유지하는 구조이며, 이를 통해 입사되는 광의 편광 각도에 따른 플라즈몬의 공명 파장의 변화를 최소로 줄일 수 있고, 자기 플라즈몬 폴라리톤 특성을 이용함으로써 광의 입사각의 변화에 따른 공명파장의 변화를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 박막구조를 가짐으로써 유연한 플라스틱이나 금속박에 결합하여 제조할 수 있고, 이를 탱크와 같은 지상운송 무기, 항공기 표면, 텐트 등 다양한 장치 및 구조물에 용이하게 사용할 수 있는 등의 장점을 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 적외선 영역의 파장에 대한 대기의 분광 투과도를 나타내는 도면.
도 2는 종래의 적외선 스텔스 소자로서 T 형태의 구조를 지니는 완전 흡수체를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적외선 스텔스 유닛 소자의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 4는 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 패턴층에 대한 다양한 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 패턴층에 대한 또 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 패턴층의 설계 요소를 도시한 도면.
도 7은 대기 흡수율(점선)에 대한 본 발명의 적외선 스텔스 소자의 플라즈모닉 공명파장을 비교 도시한 도면.
도 8은 도 4 (a) 및 도 5 (a)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 어레이를 도시한 도면.
도 9는 도 4 (b) 및 도 5 (b)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 어레이를 도시한 도면.
도 10은 도 4 (c) 및 도 5 (c)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 어레이를 도시한 도면.
도 11은 도 4 (d) 및 도 5 (d)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 어레이를 도시한 도면.
도 12는 도 4 (b), (c), (d)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 다른 어레이를 도시한 도면.
도 13은 도 5 (b), (c), (d)의 적외선 스텔스 유닛 소자를 이용한 다른 어레이를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 어레이를 천막에 적용하는 일례를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 전체적인 구조를 도시한 도면이다. 도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)는 금속층(100)과, 상기 금속층(100) 위에 형성되는 부도체층(200), 상기 부도체층(200) 위에 형성되는 금속 패턴층(300)을 포함한다. 이러한 적외선 스텔스 유닛 소자(10)는 기본적으로 금속-부도체-금속(metal-insulator-metal, MIM) 박막구조를 이용한 완전 흡수체(perfect absorber)를 구성하며, 특히 외부로 노출되는 금속 패턴층(300)의 특별한 구조를 통해 공격용 적외선 무기에서 방출되는 적외선 파장과 대기투과율이 낮은 파장 대역의 이중 대역에서 강한 플라즈모닉 공명 파장을 일으키는 이중 대역 적외선 분광파장 소자의 기능을 발휘하게 된다.
금속 패턴층(300)은 후술할 다양한 실시형태로 구현될 수 있는데, 기본적으로는 소정의 폭을 가진 환형의 금속 링(310)과, 금속 링(310)을 감싸는 가상의 정사각형 둘레를 따라 적어도 4개 이상의 짝수 개가 금속 링(310)의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크(320)를 포함한다. 즉, 금속 패턴층(300)은 금속 링(310)과, 금속 링(310)의 중심에 대해 등거리와 등각도를 이루는 복수 개의 금속 디스크(320)가 금속 링(310) 주변을 둘러싸는 구조를 이룬다. 여기서, 복수 개의 금속 디스크(320)가 4개 이상의 짝수 개로 이루어지는 것은 후술할 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)에서 대칭성을 유지하기 위한 조건이다.
금속층(100)은 최하부에 위치하고, 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 공지의 다양한 금속으로 제조될 수 있으며, 대체적으로는 전기전도성이 가장 우수한 은(Ag)으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 금속층(100)은 유연성을 확보할 수 있을 정도의 두께를 가진 박막 형태인 것이 바람직하며, 이러한 박막 형태는 대면적 생산에 유리하다. 예를 들어, 금속층(100)의 두께는 0.01∼0.2㎛일 수 있다.
부도체층(200)은 금속층(100)의 상부에 형성(적층)되고, 공지의 다양한 절연체(insulator), 예를 들어 실리카(SiO2)나 폴리이미드(polyimide)로 형성될 수 있다. 부도체층(200) 역시 0.01∼0.2㎛ 두께 정도로 얇게 형성된다.
금속 패턴층(300)은 부도체층(200)의 위에 형성되고, 역시 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 공지의 다양한 금속으로 제조될 수 있으며 전기전도성이 가장 우수한 은(Ag)으로 형성될 수 있다. 금속 패턴층(300)은 금속층(100)과 동일한 금속이거나 서로 다른 금속으로 형성될 수 있지만, 일괄 제조시의 효율성을 생각한다면 동일 재질의 금속으로 금속층(100)과 금속 패턴층(300)을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
금속 패턴층(300)을 이루는 금속 링(310)과 금속 디스크(320)의 상대적인 크기를 비교하면, 설계 조건에 따라 달라지기는 하지만, 금속 링(310)의 내경은 금속 디스크(320)의 지름보다 2∼10배 정도로 크다. 즉, 금속 디스크(320)는 금속 링(310) 안쪽의 부도체층(200)이 노출된 원형 영역에 들어갈 수 있는 크기의 지름을 가지며, 금속 링(310)의 중심에 금속 디스크(320)가 배치될 경우 금속 링(310)과 금속 디스크(320)는 그 사이가 떨어져 있어 그 사이에 환형의 부도체층(200)이 노출될 정도의 크기 차이를 가진다.
그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 금속 패턴층(300)을 보호하기 위하여 금속 패턴층(300) 위에 유전체 박막층을 형성할 수도 있다. 유전체 박막층은 DLC(Diamond Like Carbon) 박막과 같이 경도가 높은 유전체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 다양한 유전체를 보호막으로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 다양한 실시형태를 도시하고 있다. 이러한 다양한 실시형태는 금속 링(310)에 대한 금속 디스크(320)의 여러 기하학적 배치가 다양하게 설계될 수 있음을 보여준다. 이는 금속 링(310)과 금속 디스크(320)의 2차원 배열에 따라 입사되는 광과 금속 내부의 전자에 의해 발생하는 표면 플라즈몬의 공명 파장을 변화시킬 수 있기 때문이며, 따라서 원하는 적외선 이중 대역에서 강한 플라즈모닉 공명 파장을 일으키는 적외선 스텔스 유닛 소자(10) 사양을 다양하게 설계할 수 있다.
기본적인 설계 사양으로서는, 금속 링(310)을 감싸는 가상의 정사각형 둘레(도면에서 파선으로 표시)를 따라 금속 링(310)의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크(320)의 개수는 4개, 6개, 또는 8개의 짝수 개가 된다. 금속 디스크(320)의 개수가 4개 이상의 짝수 개인 것은, 후술할 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)를 구성함에 있어, 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 기로와 세로의 이등분선, 대각선 중 어느 방향을 따라서도 대칭성을 유지하기 위한 것이다. 이러한 대칭성은 입사되는 광의 편광과 입사각도에 따라 공명파장의 크기가 달라지지 않도록 한다. 그리고, 8개로 그 상한을 설정한 것은 설계 변수를 줄인다는 측면과, 제작시의 비용 대비 성능을 고려한 것이다.
도 4로 돌아오면, 금속 디스크(320)가 6개 또는 8개인 경우에는 금속 링(310) 중심에 대한 등각도를 이루기 위해 금속 디스크(320)는 정사각형의 꼭짓점에 위치하지 않는다. 반면, 금속 디스크(320)가 4개인 경우에는 4개의 금속 디스크(320)는 꼭지점에 위치하거나, 또는 각 변의 중점에 위치하는 두 가지 경우가 모두 가능하다. 이러한 차이점은 복수 개의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)를 종횡으로 배열하여 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)를 구성할 때, 그 실시형태에서 약간의 차이를 가져온다.
그리고, 도 5와 같이, 금속 링(310)의 중심에 금속 디스크(320) 하나가 추가로 배치되는 또 다른 실시형태도 가능하다. 따라서, 금속 디스크(320)의 개수가 4개, 6개 또는 8개인 경우에는 도 4와 도 5의 총 8가지의 사양으로 설계하는 것이 가능하다.
나노 구조물인 금속 패턴층(300)의 2차원 배열 구조에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 파장을 레이저 유도 미사일에 사용되는 적외선 레이저 파장인 1.54㎛와 일치하도록 만들고, 금속 디스크(320)를 금속 링(310)의 주변, 또는 주변과 중심에 위치하도록 하면 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP), 자기 플라즈몬 폴라리톤(Magnetic Plasmon Polarition, MPP)과 같은 다양한 공명파장의 표면 플라즈몬 파동이 발생하게 된다. 이러한 표면 플라즈몬 파동의 공명파장 특성은 금속 패턴층(300)의 구조, 광의 입사각, 편광에 따라 변한다. 이때, 자기 플라즈몬 폴라리톤(MPP)은 입사되는 광의 각도 변화에 대하여 공명의 세기는 변하지만 파장은 일정한 특성을 가진다. 즉, 본 발명은 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 금속 패턴층(300)을 금속 링(310)과 금속 디스크(320)의 구조로 구성하고, MIM 구조를 대칭적 구조로 설계함으로써 입사되는 광의 편광 각도에 따른 플라즈몬의 공명 파장의 변화를 최소로 줄일 수 있고, 나아가 자기 플라즈몬 폴라리톤(MPP) 특성을 이용함으로써 광의 입사각의 변화에 따른 공명파장의 변화를 줄일 수 있다.
도 6은 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 설계시에 고려되는 여러 치수 정보를 표시하고 있으며, 이를 정리하면 아래의 표와 같다.
금속층(100)의 두께(b) 0.01~0.2㎛
부도체층(200)의 두께(d) 0.01~0.2㎛
금속 디스크(320)의 두께(t1) 0.01~0.2㎛
금속 링(310)의 두께(t2) 0.05~0.2㎛
금속 디스크(320)의 반지름(r1) 0.1~0.2㎛
금속 디스크(320)의 중심으로부터 금속 링(310)까지의 최단거리(r2) 0.4~0.7㎛
금속 디스크(320)의 중심으로부터 금속 링(310)까지의 최장거리(r3) 0.5~0.8㎛
여기서, 금속 링(310)과 그 주변을 둘러싸는 금속 디스크(320) 사이의 거리 정보를 생략되어 있는데, 이 거리는 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)를 구성할 때의 각 금속 링(310)의 중심 사이의 거리에 종속(금속 링 사이의 중간에 위치)되는 것이기 때문이다.
적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)를 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 적외선 스텔스 유닛 소자(10)가 적외선의 이중 대역, 특히 적외선 스텔스 기능을 발휘하기 위해 공격용 적외선 무기에서 방출되는 적외선 파장과 대기투과율이 낮은 파장 대역의 이중 대역에서 강한 플라즈모닉 공명 파장을 일으키는지에 대한 실증적인 실험결과를 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 대기흡수율(점선)에 대한 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 일 실시형태에서의 플라즈모닉 공명파장(실선)을 나타낸 도면이다. 이때, 왼쪽의 폭이 좁고 큰 피크(S1)가 레이저 유도 미사일에 사용되는 적외선 파장인 1.54㎛에 맞춰져 있고, 오른쪽의 폭이 넓은 피크(S2)는 대기 흡수 분광영역 속에 있다. 즉, 물체 표면에서 방출되는 적외선 흑체 복사의 파장을 대기의 적외선 분광흡수 영역과 일치시켜서 물체에서 방출된 적외선 광이 대기전파 과정에 흡수되어 적외선 탐지 장치에 검출되지 않도록 할 뿐만 아니라, 적외선 유도 미사일이 사용하는 유도 레이저 광선인 1.54㎛ 광을 표면에서 흡수하게 함으로써 표면에서 산란하는 레이저 광의 세기를 감소시킴으로써 적외선 스텔스 기술을 실현할 수 있게 된다.
도 8 내지 도 13은, 도 4 및 도 5에 도시된 적외선 스텔스 유닛 소자(10)를 종횡으로 복수 개를 배열하여 하나의 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)를 구성하는 다양한 실시형태를 도시하고 있다. 기본적으로 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 어느 하나의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)가 그 주변을 둘러싸는 다른 적외선 스텔스 유닛 소자(10)와 금속 디스크(320)를 공유하는 배열을 이루고 있으며, 이를 통해 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 종횡 방향과 대각선 방향을 따라 대칭성을 가지게 된다. 따라서, 도시된 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)의 모든 실시형태는 도 7에서 설명한 적외선 이중 대역의 플라즈모닉 공명파장 특성을 전체 면적에 걸쳐 유지하게 된다.
도 8 내지 도 11의 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 모든 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 중심, 즉 금속 링(310)의 중심이 정사각형 격자를 이루는 배치(금속 링의 중심은 종횡을 따라 서로 동일 선상에 위치)에 관한 것이다. 이와 같이 모든 금속 링(310)이 2차원 등방격자를 이루면 금속 링(310)을 감싸는 가상의 정사각형도 동일한 크기를 가지게 되며, 따라서 금속 링(310) 둘레에 배치되는 금속 디스크(320)의 배열도 결정된다. 본 발명에서 각 금속 링(310)의 중심 사이의 거리(피치)는 1.0∼2.0㎛ 정도의 값을 가진다.
도 12 및 도 13은 2차원 등방격자가 아닌 엇갈린 배치도 가능함을 보여준다. 즉, 각 적외선 스텔스 유닛 소자(10)의 금속 링(310)의 중심이 종횡을 따라 열을 이루고 있을 때, 하나의 열을 이루는 적외선 스텔스 유닛 소자(10)에 대해 이에 인접한 다른 열의 적외선 스텔스 유닛 소자(10)는 그 금속 링(310)의 중심이 반 피치 간격으로 엇갈려있다. 이와 같이 엇갈린 배치에서도 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 종횡 방향과 대각선 방향을 따라 대칭성을 이루게 되며, 다른 한편으로는 금속 링(310)과 금속 디스크(320)의 밀도를 높일 수 있어 이 또한 적외선 이중 대역의 플라즈모닉 공명파장 특성을 조정하는 하나의 요소로 활용할 수 있다.
다만, 도 8과 같이 4개의 금속 디스크(320)가 각각 정사각형의 꼭짓점 위에 배치되는 적외선 스텔스 유닛 소자(10)에 있어서는 엇갈린 구조가 대칭성을 파괴하기 때문에 2차원 등방격자 배열만이 가능하다.
이상의 설명과 같은 구성을 가진 본 발명의 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 MIM 박막구조를 가지므로, 유연한 플라스틱 또는 금속박(金屬箔)에 위에 결합하여 다양한 분야에 응용이 될 수 있다. 예를 들어, 유연한 플라스틱이나 금속박 위에 결합한 적외선 스텔스 유닛 어레이(1000)는 얇은 타일 형태로 제조되어 장갑차나 탱크와 같은 지상운송 무기는 물론이고, 항공기 표면에 부착할 수 있다. 아울러, 유연한 얇은 플라스틱 같은 재질 표면에 결합할 경우, 도 14와 같이 커튼 혹은 망토의 형태로 제조하여 필요한 상황에 천막의 덮개 등으로 사용할 수 있고, 이를 통해 야간에 사용하는 적외선 장비에 탐지되지 않을 뿐만 아니라 레이저 유도 무기 공격으로부터도 회피할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
10: 적외선 스텔스 유닛 소자
100: 금속층
200: 부도체층
300: 금속 패턴층
310: 금속 링
320: 금속 디스크
1000: 적외선 스텔스 유닛 어레이

Claims (15)

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  7. 금속층;
    상기 금속층 위에 형성되는 부도체층; 및
    상기 부도체층 위에 형성되는 금속 패턴층;을 포함하고,
    상기 금속 패턴층은,
    소정의 폭을 가진 환형의 금속 링과, 상기 금속 링을 감싸는 가상의 정사각형 둘레를 따라 적어도 4개 이상의 짝수 개가 상기 금속 링의 중심에 대해 서로 등각도를 이루도록 균등 배치되는 복수 개의 금속 디스크를 포함하는 적외선 스텔스 유닛 소자가 종횡으로 복수 개가 배열되는 적외선 스텔스 유닛 어레이로서,
    어느 한 적외선 스텔스 유닛 소자는 그 주변을 둘러싸는 다른 적외선 스텔스 유닛 소자와 상기 금속 디스크를 공유하는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  8. 제7항에 있어서,
    하나의 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해, 상기 금속 디스크는 4개, 6개, 또는 8개가 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 디스크는 상기 정사각형의 꼭짓점을 제외한 각 변 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  10. 제9항에 있어서,
    각 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 링의 중심은 종횡을 따라 서로 동일 선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  11. 제9항에 있어서,
    하나의 열을 이루는 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해, 이에 인접한 다른 열의 적외선 스텔스 유닛 소자는 그 금속 링의 중심이 반 피치 간격으로 엇갈려있는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  12. 제8항에 있어서,
    하나의 적외선 스텔스 유닛 소자에 대해 상기 금속 디스크는 4개가 배치되고, 각 금속 디스크는 상기 정사각형의 꼭짓점 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  13. 제12항에 있어서,
    각 적외선 스텔스 유닛 소자의 금속 링의 중심은 종횡을 따라 서로 동일 선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 디스크는, 상기 금속 링 안쪽의 상기 부도체층이 노출된 원형 영역에 들어갈 수 있는 크기의 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속 링의 중심에 상기 금속 디스크 하나가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 적외선 스텔스 유닛 어레이.
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