KR20000020273A - 직접 삽입방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3∼33 GHz 대역에서 동작하는 고온초전도 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다. 특히 급전방식의 최적화를 위해서 급전선을 패치면 내로 직접 삽입하는 방식을 취하였으며 이를 통하여 입력단에서 급전 손실의 최소화를 도모하였다. 이를 위하여 양질의 고온초전도 박막을 제조하고 전자기파 안테나 설계 및 해석이론과 이를 바탕으로한 전산모사, 반도체 소자의 제조공정을 응용하여 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하였다. 이러한 방식의 안테나는 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 매우 뛰어난 성능을 발휘하며, 종래의 일반 전도체를 이용한 안테나에 비하여 효율 및 이득의 증가가 획기적인 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 제조방법에 관한 것이다.

Description

직접 삽입방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나

본 발명은 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 고온초전도 급전선로를 패치면 내의 적절한 임피던스 지점까지 직접 삽입 방식을 취한 급전방식을 이용한 것으로 3 ∼ 33 GHz 의 주파수 대역에서 사용되는 고온초전도 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.

본 발명은, 급전점의 패치면 임피던스를 적절한 수치해석 방법을 사용하여 계산한 다음, 급전선의 특성 임피던스에 맞게 급전점을 패치면으로 직접 삽입하여 반사손실을 최소화하였으며 이는 일반 전도성 물질인 구리나 금, 은과 같은 금속성 물질을 이용한 종래의 마이크로스트립 안테나에 비하여 이득 및 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 안테나에 관한 것이다.

기존의 일반 금속성 도체를 이용하여 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 동작하는 마이크로스트립 안테나를 제조할 경우, 주파수 증가에 따른 유전체 손실과 투과 깊이의 증감에 따른 표면 임피던스의 급격한 증가 그리고 주파수 증가에 따른 급전 손실도 선형적으로 증가하게 되어 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서의 안테나 동작에 많은 제약을 받아 왔다. 또한 마이크로트립 안테나는 그 구조 상 주파수 대역 폭이 여타의 안테나에 비하여 상대적으로 좁으며, 가용 전력량이 작다는 단점을 가지고 있다.

그럼에도 불구하고 마이크로스트립 형태의 안테나가 안테나 개발자들이나 연구자들에게 각광을 받아 온 이유는, 기판의 구조 상 고속으로 이동하는 미사일이나 유도 무기, 인공 위성 등에 쉽게 부착이 가능할 뿐만 아니라 안테나를 제작하는 공정이 반도체 식각 공정과 매우 유사하여 기존의 공정 기술을 간단하게 이용할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

또한 장파나 중파, 단파 대역을 이용한 무선 통신은 20세기 이후 거의 포화 상태에 이르러 새로운 주파수 대역을 찾지 안돼는 상황에 이르렀고 그러한 결과 마이크로파 대역으로 개발자의 관심이 집중할 수밖에 없었으며 이러한 상황에서 마이크로스트립 형태를 갖는 안테나가 집중적 관심의 대상이 되었다.

따라서 상기 전도체를 이용한 종래의 방법에 있어 전류 저항 및 마이크로파 대역에서 표면 저항을 획기적으로 줄일 수 있는 방법으로서, 고온초전도체가 가지고 있는 장점을 최대한 활용할 경우 마이크로스트립 형태의 안테나가 가지고 있는 단점을 충분히 극복할 것이라 판단된다.

더불어 고온초전도체의 경우, 상기 일반 전도체가 주파수 증가에 따라 표피효과에 의한 표면 저항이 증가하는 일반적인 특성과는 달리 일정한 마이크로파 대역에서 표피 효과의 영향을 무시할 수 있고, 상대적으로 상기 일반 전도체에 비해서 매우 작다는 것은 고온초전도체의 빼놓을 수 없는 장점이기도 하다.

본 발명의 목적은, 현재 개발이 완료되어 점차 안정적 생산이 가능하게 되고 있는 고온초전도체를 이용하여 이를 유전체 기판에 박막화를 이루어내고, 이를 기초로 하여 주파수 증가에 따른 손실을 최소화할 수 있는 고온초전도 안테나를 구현하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 제 1 단계로 고온초전도체 타겟을 고상소결 반응법을 이용하여 성형한 다음 이를 스퍼터링 챔버의 측면에 위치한 매칭 홀더에 장착하고, rf-off-axis 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법을 이용하여 고온초전도 박막을 제조하고, 제 2 단계에 있어서 급전 손실을 최소화하기 위해서 적절한 임피던스를 갖는 고온초전도 급전선로를 설계한다. 또한, 고온초전도 스트립 타입의 급전선을 마이크로스트립 안테나 패치면 내로 삽입하여, 급전선 임피던스와 패치면 임피던스를 최적 결합하여 최대의 전력이 전달되도록 설계한다.

제 3 단계에 있어서 전 단계에서 설계한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 패턴을 전자선 마스크를 이용하여 형상화하고 이를 이용하여 포토리소그래피 공정과 EDTA 식각공정을 거쳐 미세형상화 공정을 수행하고, 최종적으로 제 4 단계는 아세톤 용액을 이용한 포토레지스트(PR) 제거 및 불순물 세정 공정으로 구성된다.

도 1의 (a) 내지 (e)는 본 발명에 의한 고온초전도 급전선 패치면 직접 삽입 급전방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위한 각 공정별 개략도.

(a)는 rf-off-axis 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)법에 의한 고온초전도 YBaCuO 박막의 제조공정,

(b)는 스핀코터에 의한 포토레지스트 도포공정,

(c) 전자선 마스크를 통해 자외선을 이용한 감광 공정,

(d)는 EDTA 식각공정에 의한 미세형상화 공정,

(e)는 아세톤 용액을 이용한 포토레지스트(PR) 제거 및 불순물 세정공정을 나타낸다.

도 2의 (a) 및 (b)는 고온초전도 1/4 파장 변환기 급전선로를 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 평면도 및 측면도를 나타낸다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 기판

20 : 고온초전도체박막층

21 : 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 방사 패치

22 : 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 패치홈

23 : 고온초전도 급전선로

30 : 포토레지스트

40 : 전자선 마스크

50 : 감광용 자외선

60 : 결합층(Ti층)

70 : 접지층

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 고온초전도 50Ω 중앙 급전선로를 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위한 각 공정별 개략도(사용기판 : 산화마그네슘(MgO))이다.

(a)는 rf-off-axis 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)법에 의한 고온초전도 YBaCuO 박막의 제조공정로서, 고상소결 반응법을 이용하여 성형한 고온초전도 타켓(3)을 스퍼터링 챔버의 측면에 위치한 매칭홀더에 장착하고, 열선을 내장한 기판홀더(1)내에 기판(10)을 장착하여 rf파워(2)를 가동시켜 스퍼터링 방법으로 상기 고온초전도 타켓(3)의 고온초전도체를 기판(10)위에 전사하여 고온초전도 박막을 형성한다. 본 발명에서 사용된 rf-off axis 스퍼터링 방식은 종래의 on-axis 방식에 비하여 고온초전도 입자의 역스퍼터링을 현저하게 줄일 수 있으며 기판 홀더(1)에 장착된 열선을 이용하여 증착된 고온초전도 입자의 비정질 상태를 안정화, 결정화 할 수 있다.

(b)는 스핀코터에 의한 포토레지스트 도포공정도로서, 스핀코터(4)의 위에, 기 (a)공정에서 고온초전도층(20)이 형성된 기판(10)을 장착하여, 상기 고온초전도체층(20)의 상면에 포토레지스트층(30)을 도포한다. 즉, 전자선 마스크에 의해서 형상화된 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 미세패턴 형상화를 위해서 스핀 코터(4)를 이용하여 유전체 기판(10) 위에 증착된 고온초전도 박막층(20)의 위에 포토레지스트 층(30)을 도포하는 과정을 보여주고 있다.

(c) 전자선 마스크를 통해 자외선을 이용한 감광 공정으로서, 포토레지스트층(30)을 도포한 후 전자선 마스크(40)를 포토레지스트가 도포된 고온초전도 박막 위에 고정시킨 다음 자외선(50)을 이용하여 감광하는 과정을 보여주고 있다.

(d)는 EDTA 식각공정에 의한 미세형상화 공정도로서, 감광된 고온초전도 박막층(20)을 EDTA 식각 공정을 통하여 미세 형상화한다.

(e)는 아세톤 용액을 이용한 포토레지스트(PR) 제거 및 불순물 세정공정으로서, 식각공정을 통하여 형상화된 고온초전도 박막(20)을 아세톤 용액을 이용하여 포토레지스트를 제거한 다음 불순물 세정과정을 거치게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 급전방식과 이를 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 평면도(도 2의 (a)) 및 측면도(도 2의 (b))를 나타낸다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(10)위에 고온초전도 박막(20)으로 이루어진 안테나 방사 패치(21)가 형성되고, 그 안테나 방사 패치(21)의 일측면부에 패치 홈(22)이 형성되며, 그 패치 홈(22)에 고온초전도 마이크로 스트립 급전선로(23)가 삽입 형성된 구조로 이루어진다. 여기서 상기 안테나 방사 패치(21)에 형성된 패치 홈(22)의 양측면과 급선선로(23)는 서로 일정하게 이격되어 삽입된 형태로 형성되어 그 급전선로(23)의 단부가 패치 홈(22)의 바닥면과 일체로 연결되어 형성된다.

상기 안테나 방사 패치(21)의 폭(W)은, 안테나의 폭으로서 안테나의 기본 모드를 고려하여 설계하며, 안테나 방사 패치(21)의 길이(L)는 고온초전도 안테나의 길이로서 중심주파수를 고려한 공진 길이에서 안테나 방사 패치(21)의 가장자리 효과를 고려한 전기적 길이를 계산하여 설계한다. 이와 같이 설계된 고온초전도 급전선(23)이 입사된 반사파가 공진을 하는 고온초전도 안테나 방사 패치(21)의 내로 삽입된 형태를 보여주고 있다.

고온초전도 마이크로스트립 급전선로(23)의 폭은, 특성 임피던스를 적절하게 계산, 설계한 다음, 고온초전도 안테나 방사 패치(21)의 패치면 임피던스를 적절한 수치해석 기법을 이용하여 해석한다. 다음 단계로 전 단계에서 해석한 패치면 임피던스를 적절한 특성 임피던스를 가진 고온초전도 마이크로스트립 타입의 급전선로(23)와의 임피던스 차를 고려하여 고온초전도 스트립 타입의 급전선을 패치면 내로 삽입한다.

이때 급전선로(23)의 길이는 최초 계산 치에 전기적 길이를 고려, 적절한 전산모사를 거쳐 임피던스 결합이 최적화되도록 반복 계산을 통해 적절한 결합을 이끌어 낸다. 고온초전도 마이크로스트립 타입의 급전선로(23)는 기본모드가 고려된 고온초전도 안테나 방사 패치(21) 내로 직접 삽입하여 결합되며 패치 내로 전력을 공급하는 역할을 담당한다. 다음 단계로 이를 실제 실험을 통해 실험치와 전산모사 결과를 비교하여 급전구조를 최적화하여 재 설계한다.

도 2의 (b)에 도시된 바와같이, 기판(10)의 상면에 증착된 고온초전도 박막층(20)은 통상적으로 2000Å에서 3000Å 정도의 두께를 가진다. 이때 기판(10)은 단결정 유전체 기판을 사용한다. 그리고, 기판(10)의 저면에는 금속 접지층이 증착되는데, 그 금속 접지층은, 금 또는 은으로 이루어진 접지층(70)과, 그 접지층(70)의 증착을 돕기 위한 Ti/Au, Ag, 또는 Cu중 어느 하나로 이루어진 결합층(60)으로 이루어진 이중층으로 구성된다. 즉, 접지면으로 사용된 금이나 은의 증착을 돕기 위하여 매우 얇게 Ti층(60)이 증착되고, 그 Ti층(60)의 외측에 금이나 은으로 이루어진 접지층(70)이 증착되어 구성된다.

이상과 같이, 본 발명은 종래의 일반전도체로 제조된 마이크로스트립 안테나에 비하여 효율 및 이득이 획기적으로 향상될 수 있는 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 마이크로스트립 안테나에 있어서,

   하면에 금속 접지층이 형성된 기판의 상면에 고온초전도 박막으로 이루어진 안테나 방사 패치가 형성되고,

   그 패치의 방사면 일측부에 패치 홈이 형성되며,

   그 패치홈의 내부에 고온 초전도 박막으로 이루어진 마이크로 스트립 급전선로의 단부가 직접 삽입 구성되되,

   상기 패치홈의 측면과 상기 급전선로의 측면은 일정간격 이격되고 단부면만 패치와 일체로 연결 형성되어 안테나의 패치면 임피던스와 초전도 급전선로의 임피던스를 정합시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 고온초전도 마이크로 스트립 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 유전체 단결정 기판이고,

   상기 안테나 방사 패치와 상기 마이크로 스트립 급전선로를 이루는 고온 초전도 박막은,

   2000Å에서 3000Å 정도의 두께로 증착된 YBaCuO 박막인 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마이크로스트립 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 접지층은

   금 또는 은으로 이루어진 접지층과, 그 접지층과 상기 기판간의 결합을 향상시키기 위한 Ti 결합층으로 이루어진 이중층인 것을 특징으로 하는 고온초전도 마이크로스트립 안테나.