KR102358017B1 - 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체 - Google Patents

평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체 Download PDF

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김용준
이정해
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀이 서로 조합 배열되어 이루어진 전도성 패턴이 형성된 단위셀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 육각형 테두리 내부에 전도성 물질로 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치한 단위셀 구조를 기반으로 수직 및 경사 입사 조건에서 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있는 메타물질 흡수체를 구현할 수 있다.
아울러, 중심축을 기준으로 여섯 방향으로 단위셀을 배치할 수 있어 뾰족한 모서리, 곡률이 있는 물체에 대해서도 용이하게 적용 가능하다.

Description

평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체{Electromagnetic metamaterial absorber composed with parallelogram pixels}
본 발명은 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀을 최적 배치하여 모서리를 갖는 구조나 곡률을 갖는 형상에 최적으로 적용 가능한 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것이다.
전자기파 흡수체(Electromagnetic Absorber)는 입사되는 전자기파 에너지를 열로 변환하여 아군 무기체계에서 반사되는 전자기파 신호를 감소시킬 수 있는 국방 스텔스 및 무선 통신 단말기, 레이더 등에서 발생하는 전자기파 간섭 방지용 소재로 광범위하게 응용 가능하다.
지금까지 전자기파 흡수체는 페라이트(Ferrite) 복합재의 자성 손실 또는 카본 복합재의 전도성 손실을 이용하여 성공적으로 개발되어 왔다. 하지만 복합재 기반 전자기파 흡수체는 상대적으로 부피가 크고 비중이 높은 단점을 갖는다.
최근 주목받고 있는 전자기파 메타물질 흡수체(Metamaterial Absorber)는 공진형 전도성 패턴과 비교적 얇은 두께의 유전체, 그리고 금속 반사 층을 결합하여 공기와의 임피던스 정합뿐만 아니라 패턴에서 발생하는 높은 전도성 손실을 이용하여 전자기파 반사도를 획기적으로 낮출 수 있는 차세대 전자기파 흡수체이다.
전자기파 메타물질 흡수체는 전도성 패턴 최적화를 바탕으로 광대역, 광각 흡수 성능을 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 하지만 사각형 형상의 테두리를 갖는 기존 메타물질 흡수체의 경우 뾰족한 형상을 갖는 모서리 구조나 곡률을 갖는 물체에 적용이 어려운 한계를 갖는다.
또한 종래의 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체는 모서리를 갖는 구조나 곡률을 갖는 형상에 적용할 경우 단위 셀 간의 엇갈림이나 불연속적인 배치 문제로 인해 성능이 급격히 열화되는 문제점을 갖는다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-1567260호(2015.11.09 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은, 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치한 단위셀 구조를 기반으로 모서리를 갖는 구조나 곡률을 갖는 형상에도 용이하게 적용 가능한 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀이 서로 조합 배열되어 이루어진 전도성 패턴이 형성된 단위셀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체를 제공한다.
또한, 상기 유전체는, 아크릴, 테플론, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 물질은, 카본 잉크, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물 (ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 패턴은, 3개의 평행사변형 픽셀이 접한 육각형 단위 구조를 기반으로 하고 각각의 육각형 단위 구조 내에 상기 제1 및 제2 평형사변형 중 적어도 한 종류의 평행사변형이 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 전자기파 메타물질 흡수체는, 복수의 단위셀이 격자 구조로 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 전자기파 메타물질 흡수체는, 복수의 단위셀이 폐루프 형태로 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 폐루프의 중앙부 공간 내에 안테나가 배치될 수 있다.
또한, 상기 단위셀의 외곽 모양이 육각형 형태인 경우 상기 폐루프는 육각 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 단위셀은, 외곽 모양이 육각형 형태 또는 직사각형 형태일 수 있다.
또한, 상기 단위셀의 중심을 기준으로 상기 전도성 패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴이 회전 대칭 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 단위셀의 중심을 기준으로 상기 전도성 패턴을 중심각이 60°인 6개의 영역으로 분할할 경우 서로 이웃한 영역 간에 패턴이 선 대칭 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 육각형 테두리 내부에 전도성 물질로 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치한 단위셀 구조를 기반으로 수직 및 경사 입사 조건에서 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있는 메타물질 흡수체를 구현할 수 있다.
아울러, 상술한 구조에 따르면, 중심축을 기준으로 여섯 방향으로 단위셀을 배치 및 확장할 수 있어, 네 방향으로만 배치가 가능한 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체 구조보다 배치의 자유도가 늘어나, 모서리 또는 곡률을 갖는 대상체에도 용이하게 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 2의 단위셀을 여섯 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다.
도 5는 도 2의 단위셀을 뾰족한 모서리 구조에 배열한 예시도이다.
도 6은 도 2의 단위 셀을 임의 곡률을 갖는 물체 또는 공백을 감싸는 형태로 배열한 예시도이다.
도 7은 도 2의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 2의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10는 도 9의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
도 11은 도 9의 단위셀을 여섯 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다.
도 12는 도 9의 단위셀을 뾰족한 모서리 구조에 배열한 예시도이다.
도 13은 도 9의 단위 셀을 임의 곡률을 갖는 물체 또는 공백을 감싸는 형태로 배열한 예시도이다.
도 14는 도 9의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 9의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 16는 본 발명의 제3 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 17은 도 16의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
도 18은 도 16의 단위셀을 네 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다.
도 19는 도 16의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 도 16의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 22는 도 21의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
도 23은 도 21의 단위셀을 네 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다.
도 24는 도 21의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 25는 도 21의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평행사변형 픽셀로 구성된 전자기파 메타물질 흡수체의 측면도이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 메타물질 흡수체는 크게 유전체와, 유전체의 하면에 형성되는 반사판, 그리고 유전체의 상면에 형성되는 전도성 패턴을 포함한다.
여기서, 유전체는 아크릴, 테플론, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함한 소재로 형성될 수 있다. 반사판은 유전체 하면에 형성되는 금속 반사층으로, 기 공지된 다양한 금속 재질로 형성될 수 있다.
유전체 상면에 형성된 전도성 패턴은 전자기파를 흡수하는 부분으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 물질(예: 카본 잉크)이 설정 높이(두께)로 채워진 영역과 그렇지 않은 공백 영역의 조합에 따라 다양한 패턴 형상을 가질 수 있다.
즉, 전도성 패턴은 설계 조건이나 파라미터, 제품 사양 등에 따라서 다양한 조합과 다양한 형태의 패턴으로 설계 및 제작될 수 있다.
전도성 물질은 카본 잉크, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물 (ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 주로 카본 잉크를 예시한다.
앞서 설명한 것과 같이, 유전체의 상면은 전도성 물질이 채워진 곳과 그렇지 않은 곳이 혼합되어 존재하는데, 이는 본 발명의 실시예에서 전도성 패턴이 두 가지 서로 다른 유형의 픽셀의 조합으로 형성되는 것에 따른다.
본 발명의 실시예에서 유전체 상부에 형성되는 전도성 패턴은 평행사변형 모양의 픽셀을 기본 단위로 하며, 구체적으로는 전도성 물질이 채워진 복수의 평행사변형 픽셀(제1 평행사변형 픽셀)과 공백 상태의 복수의 평행사변형 픽셀(제2 평행사변형 픽셀)이 서로 조합 배열되어 이루어진다.
이와 같이, 본 발명의 실시예 단위 픽셀이 평행사변형 모양을 가지며 두 가지 픽셀들을 유전체의 상부에 최적 배치하여 다양한 모양의 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어 단위셀의 중심점을 기준으로 균등 각도로 분할한 복수 영역 별로 회전 대칭을 갖는 패턴을 갖거나 이웃한 영역 간 선 대칭을 갖는 패턴의 형태로 구현할 수 있다.
물론, 본 발명의 경우, 단위셀의 테두리 모양을 육각형으로 구성함으로써 여섯 방향으로 배열 및 확장이 가능하고 배치의 자유도가 증가하여, 모서리를 갖거나 임의의 곡률을 갖는 대상체에도 용이하게 배치하고 적용할 수 있다. 또한, 메타물질 흡수체가 적용되는 대상체의 형태에 따라, 본 발명의 메타물질 흡수체는 복수의 단위셀이 격자 구조로 배열된 형태를 가지거나, 복수의 단위셀이 폐루프(고리) 모양으로 배열된 형태를 가질 수도 있다.
이러한 본 발명은 도 1의 구조를 기반으로, 아랫면에 금속 반사층이 결합된 유전체 상단에 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치하여 광대역 전자기파 흡수가 가능한 메타물질 흡수체를 설계할 수 있다.
전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀을 최적 배치한 전자기파 메타물질 흡수체 패턴의 구체적인 실시예는 후술하는 도 2, 도 9, 도 16, 도 21과 같다. 그 중에서 도 2와 도 9는 단위셀의 외곽(테두리) 모양이 육각형 형태이고, 도 16과 도 21은 직사각형 형태인 경우에 해당한다.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 전자기파 메타물질 흡수체를 위한 다양한 실시예에 따른 단위셀 구조를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 내부를 구성하는 평행사변형 픽셀 배열을 확대한 도면을 나타낸다.
도 2는 단위셀의 외곽 모양이 육각형 형태인 경우이다. 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 단위셀(100) 내의 유전체 상부에는 전도성 패턴이 형성되며, 전도성 패턴은 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀(1)(검정색 픽셀)과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀(2)(흰색 픽셀)이 서로 조합 배열되어 이루어진 것을 알 수 있다.
도 2에서 단위셀(100)을 구성하는 전도성 패턴은 평행사변형 구조의 단위 픽셀들로 구성되되, 서로 다른 두 종류의 픽셀(1,2)이 혼합 배열되어 이루어진다. 물론, 도 9, 도 16, 도 21, 도 26의 단위셀(200,300,400,500) 구조 내에서도 두 가지 픽셀(1,2) 간 혼합 배열된 구성을 가진다.
여기서, 전도성 패턴은 3개의 평행사변형 픽셀이 서로 접한 육각형 단위 구조를 기반으로 하며, 이러한 단위 구조들이 여러 개 만나서 전도성 패턴을 형성한다. 또한 각각의 육각형 단위 구조 내에는 제1 및 제2 평형사변형 픽셀(1,2) 중 적어도 한 종류의 평행사변형 픽셀이 배열되어 형성된 것을 알 수 있다.
즉, 육각형 단위 구조는 제1 평행사변형 픽셀(1) 3개로만 구성된 제1 형태(a), 제2 평행사변형 픽셀(2) 3개로만 구성된 제2 형태(b), 제1 평행사변형 픽셀(1) 2개와 제2 평행사변형 픽셀(2) 1개의 조합으로 구성된 제3 형태(c), 제1 평행사변형 픽셀(1) 1개와 제2 평행사변형 픽셀(2) 2개의 조합으로 구성된 제4 형태(d)로 구분 가능하다.
따라서, 단위셀(100) 내에 보이는 전도성 패턴에는 상술한 다양한 형태들의 육각형 단위 구조가 공존하는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 2에서 동종(같은 종류)의 픽셀 간 경계는 실제로 존재하지는 않지만, 설명의 편의상(픽셀 간 구분이 가능하도록) 그 경계를 실선으로 도시하였음을 이해하여야 한다. 따라서, 2개 이상으로 서로 인접하게 붙어 있는 검정색의 제1 평행사변형 픽셀(1) 끼리는 사실상 모두가 동일한 전도성 물질에 해당하므로 전체가 하나의 전도성 물질 영역(블록)이 된다. 아울러, 2개 이상으로 서로 군집한 흰색의 제2 평행사변형 픽셀(2) 끼리는 사실상 모두가 동일한 공백 상태이므로 이 역시 해당 면적만큼의 하나의 큰 빈 공간을 형성한다.
상술한 도 2의 제1 실시예의 경우, 단위셀(100)의 테두리 모양은 육각형이고, 단위셀의 중심을 기준으로 전도성 패턴을 중심각이 60°인 6개의 영역으로 분할할 경우에 서로 이웃한 영역 간에 패턴이 선 대칭 형상을 갖도록 구현한 것이다.
즉, 본 발명은 도 2와 같이, 육각형 테두리를 갖는 단위셀(100)에 대해, 평행사변형 픽셀이 배열된 전도성 패턴을 중심각이 60°인 여섯 개의 영역으로 나누었을 때 인접한 영역 간 서로 선 대칭 형상을 갖도록 최적화할 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우 육각형 테두리를 갖는 단위셀(100)을 서로 연결하여 격자 배열한 구조를 추가로 포함한다. 이에 따르면, 기존의 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체와 비교할 때 보다 다양한 크기(면적) 및 형태를 갖는 대상물에 대한 적용성을 높이고
도 4는 도 2의 단위셀을 여섯 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다. 도 4와 같이, 단위셀의 외곽 모양을 육각형 형태로 구현할 경우 중심을 기준으로 여섯 방향으로 배열할 수 있어, 단순히 네 방향으로만 배치가 가능한 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체 구조보다 배치 자유도가 늘어나게 되어, 모서리 또는 곡률을 갖는 대상체에도 최적 배치가 가능한다.
도 5는 도 2의 단위셀을 뾰족한 모서리 구조에 배열한 예시도이다. 이러한 도 5 역시 도 4와 같이 복수의 단위셀을 격자 배열한 것에 해당하며, 특히 도 5는 뾰족한 모서리 구조 및 형상에 맞게 단위셀들을 배열 및 확장한 것을 나타낸다. 도 5에서 확인할 수 있듯이, 단위셀의 경계면이 육각형 형상을 나타낼 경우 단위 셀의 중심점이 서로 엇갈리더라도 주기 배열 조건이 성립함을 알 수 있다.
실질적으로 기존의 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체를 모서리를 갖는 구조나 곡률을 갖는 형상의 대상물에 적용할 경우, 벽돌 쌓은 모습과 같이 단위셀 간 서로 엇갈리게 배열하거나 불연속적으로 배열하여야 하며 흡수체가 커버하지 못하는 영역(공백)이 발생하여 성능 열화가 큰 단점이 있었다. 반면, 여섯 방향으로 확장이 가능한 육각형 테두리를 갖는 단위셀을 배열하여 구성 가능한 본 발명에 따른 메타물질 흡수체는 자유도 및 확장성이 용이함은 물론, 엇갈림 또는 불연속적인 배치가 불필요하므로 미커버 영역을 최소화하고 성능 열화를 크게 줄일 수 있다.
도 6은 도 2의 단위 셀을 임의 곡률을 갖는 물체 또는 공백을 감싸는 형태로 배열한 예시도이다.
도 6의 경우, 복수의 외곽 모양이 육각형 형태인 복수의 단위셀이 폐루프(고리) 형태로 배열되어 형성된 메타물질 흡수체 구조를 예시한 것이다. 이와 같이, 단위셀의 외곽 모양이 육각형 형태인 경우에는 폐루프 역시 육각 구조를 가질 수 있다.
또한, 육각 구조의 중심부 공간에는 공백이 존재하는데, 해당 공간 내에는 임의 곡률을 갖는 물체(예: 안테나)가 배열될 수도 있다. 즉, 도 6의 경우 안테나를 주변으로 고리 형태로 배열되는 메타물질 흡수체를 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제안한 메타물질 흡수체는 뾰족한 모서리 또는 곡률을 갖는 물체에 적용하여도 메타물질 단위셀이 연속적으로 연결될 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 기존 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체 적용 시 성능 열화가 발생하였던 물체에도 적용 가능하다.
또한 이와 같이 단위 셀의 최외각 경계면이 육각형 형상을 나타낼 경우 경계면이 직사각형 형태의 메타물질 단위 셀을 배치하기 어려운 구조에 적용이 가능하다.
도 7은 도 2의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 2의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7의 결과와 같이, 전자기파를 수직 입사시킬 경우 도 2의 단위셀은 X 밴드 전체에서 TE(Transverse electric), TM(Transverse magnetic) 편파 모두를 90% 이상 흡수하여, 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 이때, 반사도가 낮다는 것은 전자기파 흡수 성능이 높다는 것을 의미한다. 그리고, 도 8과 같이, 전자기파를 30도 경사각을 갖도록 비스듬히 입사시킬 경우 도 2의 단위셀은 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90%이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다.
전자기파 흡수체의 성능은 수직 입사의 경우 -10 dB 미만의 반사도를 만족하면 되고, 경사 입사의 경우 -7 dB 미만의 반사도를 만족하면 된다. 도 7 및 도 8로부터 도 2의 단위셀(100)은 수직 입사 및 경사 입사 모두 해당 조건을 모두 충족함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 10는 도 9의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
이러한 도 9에 도시된 제2 실시예에 따른 단위셀(200) 내의 전도성 패턴 역시 전도성 물질이 채워진 제1 평행사변형 픽셀(1)과 공백 상태로 존재하는 제2 평행사변형 픽셀(2)이 혼합 배열되어 이루어진다.
여기서, 이러한 도 9의 제2 실시예의 경우, 단위셀(200)의 테두리 모양은 육각형이고, 단위셀(200)의 중심을 기준으로 전도성 패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴이 회전 대칭 형상을 갖도록 구현한 것이다.
즉, 본 발명은 도 9와 같이, 육각형의 테두리를 갖는 단위셀(200)에 대해, 평행사변형 픽셀이 배열된 패턴 내부를 중심각이 120°인 세 개의 영역으로 나누었을 때, 각각의 영역 간 회전 대칭 형상을 갖도록 최적 설계된 전자기파 메타물질 흡수체 패턴을 구현할 수 있다.
도 11은 도 9의 단위셀을 여섯 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다. 도 11과 같이, 단위셀의 외곽 모양을 육각형 형태로 구현할 경우 중심을 기준으로 여섯 방향으로 배열할 수 있다.
도 12는 도 9의 단위셀을 뾰족한 모서리 구조에 배열한 예시도이다. 도 12에서 확인할 수 있듯이, 단위셀의 경계면이 육각형 형상을 나타낼 경우 단위셀의 중심점이 서로 엇갈리더라도 주기 배열 조건이 성립함을 알 수 있다.
도 13은 도 9의 단위셀을 임의 곡률을 갖는 물체 또는 공백을 감싸는 형태로 배열한 예시도이다. 이와 같이 단위셀의 최외각 경계면이 육각형 형상을 나타낼 경우 경계면이 직사각형 형태의 메타물질 단위 셀을 배치하기 어려운 구조에도 쉽게 적용이 가능하다.
도 14는 도 9의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 15는 도 9의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 14와 같이, 수직 입사의 경우 도 9의 단위셀은 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90% 이상 흡수하여, 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 그리고, 도 15와 같이, 30도의 경사각을 갖도록 입사시킬 경우 도 9의 단위셀은 TE, TM 편파 모두를 80% 이상 흡수하여 반사도가 -7 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 또한 8 GHz를 제외하고 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90% 이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 이러한 도 14 및 도 15의 결과로부터, 도 9의 단위 셀은 수직 입사 및 경사 모두 우수한 흡수 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
도 16는 본 발명의 제3 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 17은 도 16의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
이러한 도 16에 도시된 제3 실시예에 따른 단위셀(300) 내의 전도성 패턴 역시 전도성 물질이 채워진 제1 평행사변형 픽셀(1)과 공백 상태로 존재하는 제2 평행사변형 픽셀(2)이 혼합 배열되어 이루어진다.
여기서, 도 16의 제3 실시예의 경우, 단위셀(300)의 테두리 모양은 직사각형이고, 단위셀(300)의 중심을 기준으로 전도성 패턴을 중심각이 60°인 6개의 영역으로 분할할 경우에 서로 이웃한 영역 간에 패턴이 선 대칭 형상을 갖도록 구현한 것이다. 단위셀(300) 내부에 배치된 평행사변형 픽셀 배열 모습은 도 17을 통하여 상세히 확인할 수 있다.
이러한 도 16과 같이, 본 발명은 직사각형 테두리를 갖는 단위셀(300)에서, 평행사변형 픽셀이 배열된 패턴 내부를 중심각이 60°인 여섯 개의 영역으로 나누었을 때, 인접 영역 간 선 대칭 형상을 갖도록 최적 설계된 전자기파 메타물질 흡수체 패턴을 구현할 수 있다.
도 18은 도 16의 단위셀을 네 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다. 이러한 도 18은 도 16의 단위셀을 네 방향으로 격자 배열한 예시를 나타낸다.
도 19는 도 16의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 20은 도 16의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 19와 같이, 수직 입사의 경우 도 16의 단위셀(300)은 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90% 이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 그리고, 도 20과 같이, 30도의 경사각을 갖도록 입사시킬 경우 TE, TM 편파 모두를 80% 이상 흡수하여 반사도가 -7 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 또한, X 밴드 일부 영역 (8~8.4 GHz)을 제외한 전체 대역에서 TE, TM 편파 모두를 90% 이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 도 19 및 도 20의 결과로부터, 도 16의 단위 셀(300)은 수직 입사 및 경사 모두 우수한 흡수 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 단위셀의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 22는 도 21의 중앙 일부분을 확대한 도면이다.
이러한 도 21에 도시된 제4 실시예에 따른 단위셀(400) 내의 전도성 패턴 역시 전도성 물질이 채워진 제1 평행사변형 픽셀(1)과 공백 상태로 존재하는 제2 평행사변형 픽셀(2)이 혼합 배열되어 이루어진다.
여기서, 도 21의 제4 실시예의 경우, 단위셀(400)의 테두리 모양은 직사각형이고, 단위셀(400)의 중심을 기준으로 전도성 패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴이 회전 대칭 형상을 갖도록 구현한 것이다. 단위셀(400) 내부에 배치된 평행사변형 픽셀 배열 모습은 도 22을 통하여 상세히 확인할 수 있다.
즉, 본 발명은 도 21과 같이, 직사각형 테두리를 갖는 단위셀(400)에 대해, 평행사변형 픽셀이 배열된 패턴 내부를 중심각이 120°인 세 개의 영역으로 나누었을 때, 각각의 영역 간 회전 대칭 형상을 갖도록 최적 설계된 전자기파 메타물질 흡수체 패턴을 구현할 수 있다.
도 23은 도 21의 단위셀을 네 방향으로 주기적으로 배열한 예시도이다. 이러한 도 23은 도 21의 단위셀을 네 방향으로 격자 배열한 예시를 나타낸다.
도 24는 도 21의 단위셀에 전자기파를 수직으로 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 25는 도 21의 단위셀에 전자기파를 비스듬히 입사시킨 경우 반사도 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 24와 같이, 수직 입사의 경우 도 21의 단위셀(400)은 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90% 이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다. 그리고, 도 25에서, 30도의 경사각을 갖도록 입사시킬 경우 마찬가지로 X 밴드 전체에서 TE, TM 편파 모두를 90%이상 흡수하여 반사도가 -10 dB 미만으로 낮아진 결과를 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 육각형 테두리 내부에 전도성 물질로 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치하여 수직 및 경사 입사 조건에서 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있는 메타물질 흡수체를 제공한다.
또한, 중심축을 기준으로 여섯 방향으로 단위셀을 배치할 수 있어, 사각형 테두리를 갖는 메타물질 흡수체 구조보다 배치 자유도가 크게 늘어나 뾰족한 모서리 또는 곡률을 갖는 구조나 물체에도 최적으로 적용 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀이 최적으로 배치된 육각형 테두리를 가지는 메타물질 흡수체를 구현함으로써, 중심축을 기준으로 여섯 방향으로 단위셀을 배치할 수 있어, 모서리, 곡률이 있는 구조에도 용이하게 적용 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 제1 평행사변형 픽셀 2: 제2 평행사변형 픽셀
100,200,300,400: 단위셀

Claims (11)

  1. 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀이 서로 조합 배열되어 이루어진 전도성 패턴이 형성된 단위셀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체는,
    아크릴, 테플론, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성된 전자기파 메타물질 흡수체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 물질은,
    카본 잉크, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물 (ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성된 전자기파 메타물질 흡수체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 패턴은,
    3개의 평행사변형 픽셀이 접한 육각형 단위 구조를 기반으로 하고 각각의 육각형 단위 구조 내에 상기 제1 및 제2 평행사변형 픽셀 중 적어도 한 종류의 평행사변형 픽셀이 배열되어 형성되는 전자기파 메타물질 흡수체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    복수의 단위셀이 격자 구조로 배열되어 형성된 전자기파 메타물질 흡수체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    복수의 단위셀이 폐루프 형태로 배열되어 형성된 전자기파 메타물질 흡수체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 폐루프의 중앙부 공간 내에 안테나가 배치되는 전자기파 메타물질 흡수체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 단위셀의 외곽 모양이 육각형 형태인 경우 상기 폐루프는 육각 구조를 가지는 전자기파 메타물질 흡수체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위셀은,
    외곽 모양이 육각형 형태 또는 직사각형 형태인 전자기파 메타물질 흡수체
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단위셀의 중심을 기준으로 상기 전도성 패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴이 회전 대칭 형상을 가지는 전자기파 메타물질 흡수체.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 단위셀의 중심을 기준으로 상기 전도성 패턴을 중심각이 60°인 6개의 영역으로 분할할 경우 서로 이웃한 영역 간에 패턴이 선 대칭 형상을 가지는 전자기파 메타물질 흡수체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102633849B1 (ko) 2023-08-31 2024-02-07 국방과학연구소 다 면저항을 갖는 전자파흡수체 및 설계 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090126392A (ko) * 2008-06-04 2009-12-09 한국과학기술원 광대역 전자파 흡수체 및 그의 제조방법
KR20100045824A (ko) * 2008-10-24 2010-05-04 한국과학기술원 저 레이더 반사면적의 평면 패치 안테나와 평면 패치어레이 안테나
KR20180065788A (ko) * 2016-12-08 2018-06-18 한국과학기술원 패브리-페로 광각 공진기

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090126392A (ko) * 2008-06-04 2009-12-09 한국과학기술원 광대역 전자파 흡수체 및 그의 제조방법
KR20100045824A (ko) * 2008-10-24 2010-05-04 한국과학기술원 저 레이더 반사면적의 평면 패치 안테나와 평면 패치어레이 안테나
KR20180065788A (ko) * 2016-12-08 2018-06-18 한국과학기술원 패브리-페로 광각 공진기

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102633849B1 (ko) 2023-08-31 2024-02-07 국방과학연구소 다 면저항을 갖는 전자파흡수체 및 설계 방법

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