KR20100046579A - 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템 - Google Patents

음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적인 도체와 유전체만을 이용한 간단한 구조로서, 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 얻을 수 있는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 평판형 메탈 물질 구조체를 이용하여 구현한 렌즈 또는 평판형 메탈 물질 구조체를 포함하여 고 효율, 및 고 이득을 갖는 안테나 시스템을 제공한다. 그 평판형 메타 물질은 동일 유전율의 단일층 구조 또는 적어도 하나의 층이 다른 유전율을 갖는 다층 구조의 평판형 유전체; 및 상기 유전체의 상면으로 각각 배치되고, 루프 형태를 갖는 제1 도전체를 구비한 제1 도전체부; 및 상기 유전체의 하면으로 각각 배치되고, 상기 제1 도전체와 동일 형태를 갖는 제2 도전체를 구비한 제2 도전체부;를 포함하고, 소정 주파수 구간에서 유전율(permittivity), 투자율(permeability) 및 굴절률(refractive index)이 0 또는 음의 값을 갖는다.

Description

음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템{Planar meta-material having negative permittivity, negative permeability, and negative refractive index, planar meta-material structure comprising the same planar meta-material, and antenna system comprising the same planar meta-material structure}
본 발명은 자연상태에서도 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 메타 물질에 관한 것으로, 특히, 특정 구조의 메타 물질 및 구조체와 그 메타 물질 구조체를 이용한 응용분야에 관한 것이다.
굴절률(refractive index)은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 곱에 대한 제곱근(square root)으로, 일반 자연계에서 물질은 항상 양(positive)의 값을 갖는다. 메타 물질(meta-material)이란 일반적인 물질에 상응하는 개념으로, 양수, 0 혹은 음의 유전율, 음의 투자율 또는 음의 굴절률을 갖는 매질을 의미한다. 즉, 일반적으로 굴절률은 주파수에 따라 변화하는데, 메타 물질의 경우, 특정 주파수 구간에서 0 또는 음의 굴절률을 가질 수 있다.
메타 물질이 갖는 물리적 특성에 기반한 스넬 법칙의 역전 (reversed Snell's law), 도플러 효과의 역전, 음의 위상 속도(negative phase velocity) 등과 같은 현상은 이미 널리 알려져 있다.
플라즈마와 같은 물질에서는 음의 유전율을 자연계에서 얻을 수 있다는 것이 알려져 있었지만, 음의 투자율을 얻는 방법은 1999년 펜드리(Pendry) 교수가 자신의 논문에서 '스위스롤(Swiss roll)' 혹은 'SRR(split ring resonator)' 구조를 통하여 밝힌 이후에야 알려지기 시작하였다. 이론적으로만 연구되어 오다가 2001년에 '와이어(wire)' 구조와 'SRR' 구조가 결합된 인류 최초의 양수, 0 및 음수의 굴절률을 갖는 메타 물질이 제작되었고, 실험을 통하여 실제 굴절률이 양수, 0 및 음수가 됨을 확인하였다.
이와 같은 메타 물질은 음의 유전율을 얻기 위한 '와이어' 구조와 음의 투자율을 얻기 위한 'SRR' 구조의 결합으로 이루어졌으며, 현재까지 진행되어 온 메타 물질 구조 개발에 있어 구현 방법의 주류를 이루고 있다. 그 후 많은 연구가 진행되어 다양한 메타 물질 구조가 제안되었으며, 그 응용 분야 또한 다양하게 발전되어 오고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 일반적인 도체와 유전체만을 이용한 간단한 구조로서, 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 얻을 수 있는 평판형 메타 물질, 및 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 과제는 평판형 메탈 물질 구조체를 이용하여 구현한 렌즈 또는 평판형 메탈 물질 구조체를 포함하여 고 효율, 및 고 이득을 갖는 안테나 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 동일 유전율의 단일층 구조 또는 적어도 하나의 층이 다른 유전율을 갖는 다층 구조의 평판형 유전체; 및 상기 유전체의 상면으로 각각 배치되고, 루프 형태를 갖는 제1 도전체를 구비한 제1 도전체부; 및 상기 유전체의 하면으로 각각 배치되고, 상기 제1 도전체와 동일 형태를 갖는 제2 도전체를 구비한 제2 도전체부;를 포함하고, 소정 주파수 구간에서 유전율(permittivity), 투자율(permeability) 및 굴절률(refractive index)이 0 ~ 1 또는 음의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질(Meta-material)을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 평판형 유전체는 직사각형 평판 구조를 가지며, 상기 제1 및 제2 도전체 각각은 직사각형의 루프 형태를 가지며, 상기 제1 및 제2 도 전체부는 상기 제1 및 제2 도전체의 직사각형 루프 내에 각각 배치되는 십자 형태의 내부 도전체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 평판형 유전체는 직사각형 평판 구조를 가지며, 상기 제1 및 제2 도전체 각각은 직사각형의 루프 형태를 가지되, 상기 평판형 유전체의 각 변을 따라 소정 간격을 가지며 배치되고, 중심부에서 내부 방향으로 직사각형 형태로 들어간 오목부를 가지며, 상기 오목부 각각에는 상기 직사각형의 루프의 중심방향의 변에 비아(via)가 형성되어, 상기 제1 및 제2 도전체가 상기 비아를 통해 연결될 수도 있다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하여, 다수의 상기 평판형 메타 물질 단위 셀들이 가로 및 세로의 어레이 구조로 배치된 평판형 메타 물질 구조체를 제공한다.
더 나아가 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 접지면(ground) 및 상기 접지면 상으로 배치된 유전체층을 구비한 하부 구조체; 상기 하부 구조체 상부에 배치되고, 적어도 하나의 안테나를 구비한 안테나부; 및 상기 안테나부 상부로 배치된 상기 평판형 메타 물질 구조체;를 포함하는 안테나 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 접지면과 상기 평판형 메타 물질 구조체는 공진기(cavity)의 공진 조건을 만족시키는 이격 거리를 갖는다. 한편, 전파가 진행하는 방향이 Z축이고, 상기 안테나부로 상기 안테나가 2개 이상 배치되는 경우에, 2개 이상의 상기 안테나는 X축 또는 Y축 방향으로 배치되거나 X축 및 Y축 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 안테나부는 상기 하부 구조체와 상기 평판형 메타 물질 구조체 각각으로부터 소정 거리 이격된 위치에 배치되거나, 상기 안테나부는 상기 하부 구조체의 상면으로 배치될 수 있다. 한편, 상기 평판형 메타 물질 구조체는 방사되는 전파의 빔 폭의 조절을 위해 성형될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 근거리(subwavelength) 이미징을 위하여 상기 평판형 메타 물질 구조체로 형성된 렌즈를 제공한다.
본 발명에 있어서, 렌즈로서의 상기 평판형 메타 물질 구조체는 전파를 방사하는 소스원으로부터 소정거리 이격된 전방으로 배치되며, 상기 평판형 메타 물질 구조체 전방으로는 이미지 평면이 배치되어, 상기 이미지 평면상으로 이미지가 맺히게 된다.
본 발명의 평판형 메타 물질은 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 용이하게 구현할 수 있는 구조를 제공하며, 또한, 기존의 많은 메타 물질과는 차별적으로 평면형으로 구성되어 PCB 기술을 이용한 제작이 매우 용이하다.
본 발명의 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템은 평판형 메타 물질 구조체를 안테나의 상부에 위치시킴으로써, 단순한 소스원 하나로도 안테나의 효율과 이득, 지향성 등을 향상시킬 수 있다. 그에 따라 고 이득을 위해 기존의 배열 안테나 기법을 사용하였을 경우에 발생하는 신호 피딩(feeding) 구조의 복잡성, 안테나 공급 전력의 손실 및 수신 감도의 저하 등의 단점들을 한꺼번에 극복할 수 있는 가능성을 제공한다.
또한, 본 발명의 평판형 메타 물질 구조체는 동작 주파수의 파장보다 짧은 해상도를 갖는 고 해상도 렌즈로도 응용될 수 있으며, 이러한 평판형 메타 물질 구 조체를 이용한 렌즈는 비 파괴 검사 등과 같은 분야에 응용할 경우 간단한 방법으로 현재보다 고 해상도의 이미지를 얻을 수 있는 이점 등을 제공한다.
본 발명은 단층이면서 사용자가 원하는 주파수 대역에서 음의 유전율과 음의 투자율을 갖는 메타 물질의 구조와 설계 및 제작 방법, 그리고 그 응용 분야에 대한 것이다. 본 발명의 메타 물질은 유전체와 도전체로 구성된 평판형 구조를 갖는다. 본 발명에서 유전체는 단일 물질 혹은 복합 물질로 구성된 유전체를 포함하며 단층 혹은 다층 구조일 수 있다. 또한 본 발명에서의 도전체는 일반 전기 도전체뿐만 아니라, 복합물질로 구성되어 전도도를 갖는 도전체를 모두 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부 또는 하부에 존재한다고 기술될 때, 이는 그 구성요소가 다른 구성 요소의 바로 위 또는 아래에 존재할 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 각 도면에서 각 구성 요소의 크기나 형태는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 메타 물질에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 1a 및 1b를 참조하면, 본 실시예의 평판형 메타 물질(100)은 평판형의 유전체(130, dielectric material), 유전체(130) 상면 및 하면으로 각각 배치되는 도전체부를 포함한다. 이와 같이 형성된 평판형 메타 물질은 이용하는 하고자 하는 주파수 대역에서 음의 유전율(permittivity), 음의 투자율(permeability), 및 음의 굴절률(refractive index)을 가지도록 형태 및 사이즈 등이 조절될 수 있다. 물론 유전율 및 투자율 중 하나만 음의 값을 가질 수도 있음은 물론이다.
본 실시예에서 유전체(130)는 기본적으로 하나의 유전율(εr)을 가진 단층 구조로 직사각형 구조로 이루어지고 소정 두께(h)를 갖는다. 그러나, 유전체(130)가 단층 구조에 한정되지 않고 다른 유전율을 갖는 복수의 층상 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
본 실시예의 도전체부는 유전체(130)의 상면 및 하면으로 각각 배치된 직사각형, 예컨대 정사각형 루프 형태의 제1 도전체(110) 및 제1 도전체(110) 내로 배치되는 십자형의 제2 도전체(120)를 포함한다. 제1 도전체(110)는 소정의 폭(W1)을 가지고 유전체(130)의 각 변에서 소정 간격(g1)을 가지고 배치되며, 제2 도전체(120)는 소정 폭(W2)을 가지며 십자의 네 끝 부분은 제1 도전체(110)의 네 꼭지점 부분과 동일하게 직각 모서리 형태로 제1 도전체(110)의 각 변과 소정 간격(g2)을 가지도록 배치된다.
이와 같은 도전체부의 도전체들(110, 120)은 유전체(130)의 양면으로 도전체층을 전면으로 적층한 후, 적절한 형태로 식각함으로써 형성할 수 있다. 예컨대, 일반적인 PCB (printed circuit board) 기술을 이용하여 용이하게 제작할 수 있다.
한편, 본 실시예의 평판형 메타 물질(100)의 전자기적 특성, 즉 유전율, 임피던스, 투자율 및 굴절률 등은 평판형 메타 물질(100)을 구성하는 유전체(130) 및 도전체들(110, 120)의 형태나 사이즈 변화에 의해 변화될 수 있다. 이에 대한 설명은 도 3a 및 3b에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 메타 물질에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 본 실시예의 평판형 메타 물질(200) 역시, 평판형의 유전체(220), 유전체(220) 상면 및 하면으로 각각 배치되는 도전체부를 포함하나, 도전체부의 도전체(210)의 형상이 도 1a 또는 1b와 다르고, 또한, 유전체(220)의 상면 및 하면으로 배치된 도전체(210)는 비아(230, via)를 통해 서로 연결된다는 점이 다르다.
좀더 상세히 설명하면, 도전체부는 유전체(220)의 상면 및 하면으로 각각 배치된 전체적으로 정사각형 루프 형태의 도전체(210)를 포함하는데, 이러한, 정사각형 도전체(210)는 단순 정사각형 형태가 아니라, 변들이 소정 폭(W1)을 가지고 유전체(220)의 변들로부터 소정 간격(g1)을 따라 배치되고, 변들의 중심부에서 내부 방향으로 직사각형 형태로 들어간 오목부를 갖는 구조를 갖는다. 오목부는 평행한 두 변의 길이가 소정 길이(l1)를 가지고 서로 소정 간격(g2) 가지도록 배치되며, 중앙부로 향하는 변들이 소정사각형을 이루도록 배치된다. 따라서, 오목부의 존재에 의해 도전체(210) 내부는 다시 5개의 소 정사각형을 이루는 구조가 된다.
한편, 오목부의 중앙부의 변들로는 비아(230)가 형성되는데, 이러한 비아(230)를 통해 유전체(220)의 상면 및 하면의 도전체(210)가 전기적으로 연결되게 된다.
한편, 본 실시예의 평판형 메타 물질(200), 역시 유전체(220) 및 도전체들(210)의 형태나 사이즈 변화에 의해 전자기적 특성이 변화될 수 있음은 물론이다.
도 3a 및 3b는 평판형 메타 물질에 대한 전자기적 특성을 보여주는 그래프들로서, 도 3a가 도 1a의 평판형 메타 물질에 대한 것이고, 도 3b가 도 2a의 평판형 메타 물질에 대한 것이다.
도 3a를 참조하면, 좌측 상부가 주파수에 따른 굴절률 특성을 보여주는데, 2.08GHz ~ 2.3GHz 사이의 주파수에서 굴절률, 즉 굴절률의 실수부(real part)가 음이 되고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 3GHz 이상의 소정 부분에서 굴절률이 0이 되고 있음을 확인할 수 있으며, 1보다 작은 굴절률을 갖는 부분도 확인할 수 있다. 참고로, 자연계에 존재하는 일반 물질들의 굴절률은 1 이상의 값을 갖는다.
우측의 상부 및 하부는 주파수에 따른 유전율 및 투자율을 보여주는데, 굴절률이 음이 되는 부분으로 유전율 및 투자율이 음이 됨을 확인할 수 있고, 이를 통해, 굴절률의 수식적인 정의와 잘 일치함을 확인할 수 있다.
한편, 좌측 하부는 전파 임피던스(wave impedance)를 자유 공간(free space) 임피던스(≒377Ω)로 정규화(mormalize)한 그래프인데, 임피던스가 O인 부분 즉, 전파 금지 대역을 확인할 수 있다. 이러한 전파 금지 대역은 굴절률의 허수 부(imaginary part)가 0이 아니면서 굴절률의 실수부(real part)도 동시에 0이 아닌 대역에 대응된다. 좌측 상부의 굴절률 그래프 상에서 3GHz 이상 부분에서 나타남을 확인할 수 있다.
도 3b의 경우도, 역시 8 ~ 10GHz 대에서 음의 굴절률, 음의 유전율, 및 음의 투자율 부분이 존재하는 것을 확인할 수 있고, 임피던스 그래프의 경우도 굴절률 그래프와 일치되게 전파 금지 대역, 즉 임피던스 0인 부분이 존재함을 확인할 수 있다. 한편, 도 3a 및 도 3b의 비교를 통해 도 2a의 평판형 메타 물질 구조가 더 높은 주파수대에서 음의 굴절률, 음의 유전율, 및 음의 투자율 특성을 보임을 알 수 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 1a 또는 2a의 평판형 메타 물질을 구성하는 유전체 및 도전체의 형태나 구조를 통해 전자기적 특성을 변화시킬 수 있다. 예컨대, 도 1a의 평판형 메타 물질(100)의 경우의 유전체(130)의 두께(h), 제1 도전체(110)의 폭(W1), 제2 도전체의 폭(W2), 제1 도전체(110)의 각 변의 유전체(130)의 변으로부터의 이격거리(g1), 및 제2 도전체(120)의 십자 끝 부분의 제1 도전체(110)의 변으로부터의 이격거리(g2) 등의 파라메터 중 적어도 어느 하나의 파라미터를 변경함으로써, 그리고 도 2의 평판형 메타 물질(200)의 경우, 도전체(210)의 폭(W1), 도전체(210)의 각 변의 유전체(220)의 변으로부터의 이격거리(g1), 오목부의 평행한 두 변의 길이(l1), 및 간격(g2) 등의 파라메터 중 적어도 어느 하나의 파라미터를 변경함으로써, 평판형 메타 물질(100, 200)의 전자기적 특성을 변화시킬 수 있다. 여기서, 전자기적 특성을 변화시킬 수 있다는 것은 음의 굴절률, 음의 유전율, 및 음의 투자율이 발생하는 주파수대를 변경할 수 있음을 의미한다.
도 4는 도 1a의 평판형 메타 물질이 음의 굴절률을 가짐을 보여주는 시뮬레이션 사진으로서, 도 1a의 평판형 메타 물질을 쐐기(wedge) 또는 피라밋 모양으로 쌓아 경사지도록 한 후, 평면파(plane wave)를 메타 물질을 쌓은 쪽으로 입사시켜 실제 굴절되는 파의 진행방향을 측정한 것이다.
도 4를 참조하면, 스넬(Snell)의 법칙에 따라 파가 음의 방향으로 이루어지는 지를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 검사하게 되는데, 도면에서 가운데 검은색 선을 중심으로 오른쪽으로 전자기파(electromagnetic wave)가 굴절되면 굴절률이 음수인 메타 물질이고, 왼쪽으로 굴절되면 굴절률이 양수인 일반 물질이며, 선과 동일한 방향으로 굴절되면 굴절률이 0인 메타 물질을 의미한다.
도시된 바와 같이 입사된 평면파가 기준이 되는 검은색 선의 오른쪽으로 굴절되어 방출되고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 메타 물질이 음의 굴절률 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1a 및 2a의 평판형 메타 물질을 이용하여 형성한 평판형 메타 물질 구조체에 대한 평면도들이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 본 실시예의 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)는 도 1a 또는 2a의 평판형 메타 물질(100, 200)을 단위 셀로 하며, 이러한 단위 셀들이 열과 행으로 여러 개 배열되어 어레이 형태로 구성될 수 있다. 도 5a의 경우, 도 1a의 평판형 메타 물질(100)이 가로 및 세로로 각각 6개씩 배치되어 구성되고, 도 5b의 경우, 도 2a의 평판형 메타 물질(200)이 가로 및 세로로 각각 7개씩 배치되어 구성되고 있다.
이와 같은 평판형 메타 물질 구조체는 다양한 응용분야, 예컨대 안테나의 효율 및 이득 증가를 위해 사용되게 되는데, 구조체를 구성하는 단위 셀들의 개수는 사용자의 의도에 따라 더 적게 또는 많게 이용될 수 있음은 물론이다.
도 6a ~ 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에 대한 단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예의 안테나 시스템은 접지면(520), 접지면 상부의 유전체층(510), 안테나(500), 및 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)를 포함한다.
평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)는 도 5a 및 도 5b에서 설명한 평판형 메타 물질 구조체로서, 도 1a 또는 2a의 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하는 구조체들이다.
이와 같은 안테나 시스템은 접지면(520, ground)과 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)의 간격이 중요한데, 안테나의 효율이나 이득을 증가시키기 위해서, 접지면(520)과 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)의 간격은 공진기(cavity)의 공진 조건을 만족시키는 이격 거리를 가져야 한다. 참고로, 일반적인 전기 도체로만 구성된 공진기의 경우 공진 최소 거리는 파장의 절반인 λ/2이다.
한편, 배치되는 안테나(500)의 경우 일부 특정 안테나에 제한되지 않고, 일반적인 다이폴 안테나를 포함하여 모든 안테나가 배치될 수 있다. 또한, 도 6b에서 도시한 바와 같이 배치되는 안테나(500a)는 하나뿐만이 아니라 다수 개가 여러 개 배치될 수 있음은 물론이다. 다수 개가 배치되는 경우에, 안테나의 배열 방향은 전파의 진행방향이 z축일 때, x축 또는 y축이거나 또는 x축 및 y축 양쪽 모두일 수 있다.
도 7a를 참조하면, 안테나(600)는 도 6a 또는 6b와 같이 유전체층(510)에서 일정한 간격을 두고 배치될 수도 있지만, 본 도면에서와 같이 유전체층(510) 상면으로 바로 배치될 수도 있다. 한편, 유전체층(510) 상면으로 배치되는 안테나는 사각 패치 안테나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 7b의 경우는 안테나(600a)가 유전체층(510) 상으로 다수 개 배열되는 모습을 보여준다.
본 실시예의 안테나 시스템의 구성은, 단순한 안테나만의 이득 혹은 효율 증가뿐만 아니라, 안테나를 포함한 전체 안테나 시스템의 전력 효율과 수신 감도를 안테나의 이득 또는 효율이 증가한 정도만큼 높일 수 있는 방법을 함께 제공한다. 한편, 도 6a 또는 7a와 같이 피딩(feeding) 부분, 즉 안테나를 하나만 사용해도 평판형 메타 물질 구조체에 기인하여 안테나의 높은 효율을 얻을 수 있지만, 더 높은 이득이나 효율의 증대를 위해서 도 6b나 7b와 같이 안테나를 복수 개 사용하는 구조를 채용할 수도 있다.
도 8은 평판형 메타 물질 구조체를 변형함으로써, 전파의 빔 폭을 조절할 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 앞서 도 6a ~ 7b와 같이 평판형 메타 물질 구조체를 포함하는 안테나 시스템에서, 안테나 상부의 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)를 변형함으로써, 방사되는 전파의 빔 폭을 조절할 수 있다. 도면상으로 확인할 수 있 듯이 평판형 메타 물질 구조체가 단면상으로 곡선형(실선)일 경우에, 평판형(점선)일 경우보다 방사되는 전파의 빔 폭이 넓어짐을 알 수 있다.
도 9a 및 9b는 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에서, 평판형 메타 물질 구조체와 접지면 사이의 거리에 따른 공진 주파수를 보여주는 그래프들이다.
도 9a는 도 5a의 평판형 메타 물질 구조체(1000)와 일반 도체로 구성된 도 6a 혹은 도 7a과 같은 구조의 공진기에서 거리에 따른 이론적인 공진주파수를 계산한 것이다. 2.3GHz대역에서 동작하는 안테나를 가정했을 경우 안테나 시스템의 상부, 즉, 평판형 메타 물질 구조체(1000)와 접지면의 거리가 약 10mm, 75mm 등인 곳에서 공진이 발생함을 알 수 있다. 여기서, m=0, 첫번째 공진 거리를, m=1은 두 번째 공진 거리를 나타내며, 도시되지만 않았지만 그 이후의 공진 거리도 존재함은 물론이다. 이렇게 여러 거리에서 공진이 발생하는 이유는 공진 조건은 파장의 정수 배를 만족하기 때문이다.
도 9b는 도 5b의 평판형 메타 물질 구조체(2000)와 접지면 사이의 공진 거리를 계산한 것인데, 11.5GHz에서의 공진거리가 1mm, 및 14mm 등으로 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 10a 및 10b는 평판형 메타 물질 구조체를 안테나의 상부 구조체로 이용하는 경우에 이득 증가 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 10a는 안테나 시스템에서, 도 1a의 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하는 구조체를 안테나 상부로 이용하였을 때 안테나의 이득이 증대된 결과를 보여준다. 신호 공급 (feeding)을 위한 안테나는 사각형 패치 안테나가 사용되었다. 한편, 평판형 메타 물질 구조체는 전체 121개(11 × 11)의 평판형 메타 물질 단위 셀이 사용되었으며, 동작 주파수 2.35GHz 를 기준으로 약 1.9λ × 1.9 λ의 크기를 갖는다. 안테나의 접지면과 상부 메타 물질 구조체 사이의 간격은 72mm (약 0.6λ)이다.
도 10a을 통해 알 수 있듯이, 메타 물질 구조체가 상부에 있을 때(Realized gain)와 없을 때(Patch alone)의 이득 차이가 약 10 dB 이상임을 알 수 있으며, 그래프 상에서 보인 이득이 일반적인 이득이 아닌 실제 이득(realized gain) 임을 감안하면 10dB의 이득 증가는 매우 큰 값임을 알 수 있다. 한편, 여기서 Directivity는 방향성 이득을 의미한다.
도 10b는 안테나 시스템에서, 도 2a의 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하는 구조체를 안테나 상부로 이용하였을 때 안테나의 이득이 증대된 결과를 보여주는데, 안테나는 동작 주파수가 11.5GHz인 사각형 패치 안테나가 사용되었고, 평판형 메타 물질 구조체는 전체 121개(11 × 11)의 평판형 메타 물질 단위 셀이 사용되었으며, 동작 주파수 11.5GHz를 기준으로 약 1.9λ × 1.9 λ의 크기를 갖는다. 안테나의 접지면과 상부 메타 물질 구조체 사이의 간격은 14mm (약 0.5λ)이다.
도시된 바와 같이, 평판형 메타 물질 구조체의 존재로 인해, 패치 안테나 단독으로 사용될 때에 비해, 7 dB 정도의 이득이 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 11a 및 11b는 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에 대한 E-plane 및 H-plane 에서 본 안테나의 복사 특성에 대한 그래프이다.
도 11a 및 11b는 각각 E-plane과 H-plane에서 각각 잘라 본 안테나의 복사 특성을 보여주는데, 도 11a의 측정 주파수는 2.35GHz이며 도 11b의 측정 주파수는 11.5GHz로 이득이 가장 크게 나오는 주파수이다. 안테나에 수직한 방향으로 빔이 잘 조향되고 있음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로서 이용하는 모습을 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 평판형 메타 물질 구조체(1000, 2000)는 렌즈로서 활용될 수 있는데, 도시된 바와 같이 소스원(1200) 상부로 배치되어 동작 파장보다 훨씬 짧은 해상도를 갖는 고해상도 렌즈로서 이용될 수 있다. 소스원(1200)은 실제 안테나를 포함하여 전파를 내보내는 모든 것이 소스원이 될 수 있다. 예컨대, 개구면(aperture) 혹은 틈새(crack) 등도 이 소스원에 포함될 수 있다.
소스원(1200)을 출발한 전자파는 음의 굴절 특성을 갖는 메타 물질 렌즈를 통과하여, 기하 광학의 한계인 동작 파장보다 훨씬 짧은 파장의 해상도 (resolution)을 가지고 이미지 평면(1100)상에 이미지를 맺게 한다.
도 13a 및 13b는 도 5a 및 도 5b의 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로서 이용한 경우의 이미지 복원 특성을 보여주는 그래프들이다.
도 13a 및 13b는 도 12에서 도시한 구조와 같이 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로의 응용하여, 평판형 메타 물질 구조체가 갖는 실제 이미지 복원 특성을 시뮬레이션을 통하여 보이고 있다.
사용된 소스원은 폭이 35㎛인 다이폴 안테나이다. 도 13a와 도 13b의 렌즈로 서의 평판형 메타 물질 구조체는 각각 도 1a와 도 2a의 단위 셀을 사용하였으며 해상도의 비교를 위해 두 곡선은 모두 최대값이 1이 되도록 정규화되었다. 이미지의 해상도는 편의상 최대값의 절반의 크기가 되는 거리로 정하였으며, 렌즈가 있을 때의 이미지의 해상도가 렌즈가 없을 때에 비해 약 3배 정도 향상된 것을 볼 수 있다. 즉, Y축 좌표의 전기장의 인텐서티가 반으로 축소되는 거리를 조사하면, 본 발명의 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로서 사용한 경우에, 사용하지 않은 경우에 비해 3배 정도 짧음을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 메타 물질에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 메타 물질에 대한 평면도 및 단면도이다.
도 3a 및 3b는 도 1a 및 2a의 평판형 메타 물질에 대한 전자기적 특성을 보여주는 그래프들이다.
도 4는 도 1a의 평판형 메타 물질이 음의 굴절률을 보여주는 시뮬레이션 사진이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1a 및 2a의 평판형 메타 물질을 이용하여 형성한 평판형 메타 물질 구조체에 대한 평면도들이다.
도 6a ~ 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에 대한 단면도들이다.
도 8은 평판형 메타 물질 구조체를 변형함으로써, 전파의 빔 폭을 조절할 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도 9a 및 9b는 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에서, 평판형 메타 물질 구조체와 접지면 사이의 거리에 따른 공진 주파수를 보여주는 그래프들이다.
도 10a 및 10b는 평판형 메타 물질 구조체를 안테나의 상부 구조체로 이용하는 경우에 이득 증가 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 11a 및 11b는 평판형 메타 물질 구조체를 포함한 안테나 시스템에 대한 E-plane 및 H-plane 에서 본 안테나의 복사 특성에 대한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로서 이용하는 모습을 보여주는 단면도이다.
도 13a 및 13b는 도 5a 및 도 5b의 평판형 메타 물질 구조체를 렌즈로서 이용한 경우의 이미지 복원 특성을 보여주는 그래프들이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100, 200: 평판형 메타 물질 110, 120, 210: 도전체
130, 220: 평판형 유전체 230: 비아
510: 유전체층 520: 접지면
500, 500a, 600, 600a: 안테나
1000, 2000: 평판형 메타 물질 구조체
1100: 이미지 평면 1200: 소스원

Claims (16)

  1. 동일 유전율의 단일층 구조 또는 적어도 하나의 층이 다른 유전율을 갖는 다층 구조의 평판형 유전체; 및
    상기 유전체의 상면으로 각각 배치되고, 루프 형태를 갖는 제1 도전체를 구비한 제1 도전체부; 및
    상기 유전체의 하면으로 각각 배치되고, 상기 제1 도전체와 동일 형태를 갖는 제2 도전체를 구비한 제2 도전체부;를 포함하고,
    소정 주파수 구간에서 유전율(permittivity), 투자율(permeability) 및 굴절률(refractive index)이 0 ~ 1 또는 음의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질(Meta-material).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 평판형 유전체는 직사각형 평판 구조를 가지며,
    상기 제1 및 제2 도전체 각각은 직사각형의 루프 형태를 가지며,
    상기 제1 및 제2 도전체부는 상기 제1 및 제2 도전체의 직사각형 루프 내에 각각 배치되는 십자 형태의 내부 도전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전체 각각은 정사각형 루프 형태를 가지되, 상기 정사각형 루프의 각 변들은 제1 폭(W1)을 가지고 상기 평판형 유전체의 각 변으로부터 제1 간격(g1)을 유지하며,
    상기 내부 도전체는 제2 폭(W2)을 가지며, 십자의 각 끝 부분은 상기 정사각형 루프의 각 꼭지점과 동일 형태를 가지고 변으로부터 제2 간격(g2)을 유지하며,
    상기 정사각형 루프의 한 변의 길이(a), 상기 평판형 유전체의 두께(h), 상기 제1 폭(W1), 제1 간격(g1), 제2 폭(W2), 및 제2 간격(g2) 중 적어도 하나의 파라메터가 변경됨에 따라, 상기 평판형 메타 물질의 굴절률, 임피던스, 유전율 및 투자율을 변경되는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 평판형 유전체는 직사각형 평판 구조를 가지며,
    상기 제1 및 제2 도전체 각각은 직사각형의 루프 형태를 가지되, 상기 평판형 유전체의 각 변을 따라 소정 간격을 가지며 배치되고, 중심부에서 내부 방향으로 직사각형 형태로 들어간 오목부를 가지며,
    상기 오목부 각각에는 상기 직사각형의 루프의 중심방향의 변에 비아(via)가 형성되어, 상기 제1 및 제2 도전체가 상기 비아를 통해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전체 각각은 정사각형 루프 형태를 가지되, 상기 정사각형 루프의 각 변들은 제1 폭(W1)을 가지고 상기 평판형 유전체의 각 변을 따라 제1 간격(g1)을 가지며,
    상기 오목부의 평행한 두 변들 각각의 길이는 제1 길이(l1)를 가지되, 상기 두 변들 사이는 제2 간격(g2)을 가지며,
    상기 정사각형 루프의 한 변의 길이(a), 상기 제1 폭(W1), 제1 간격(g1), 제2 간격(g2), 및 제1 길이(l1) 중 적어도 하나의 파라메터가 변경됨에 따라, 상기 평판형 메타 물질의 굴절률, 임피던스, 유전율 및 투자율을 변경되는 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질.
  6. 제1 항의 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하여,
    다수의 상기 평판형 메타 물질 단위 셀들이 가로 및 세로의 어레이 구조로 배치된 평판형 메타 물질 구조체.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 평판형 메타 물질은 제2 항 또는 제4 항의 평판형 메타 물질인 것을 특징으로 하는 평판형 메타 물질 구조체.
  8. 접지면(ground) 및 상기 접지면 상으로 배치된 유전체층을 구비한 하부 구조체;
    상기 하부 구조체 상부에 배치되고, 적어도 하나의 안테나를 구비한 안테나부; 및
    상기 안테나부 상부로 배치된 청구항 2항 또는 청구항 4항의 평판형 메타 물질 구조체;를 포함하는 안테나 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 평판형 메타 물질 구조체는 공진기(cavity)의 공진 조건을 만족시키는 이격 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    전파가 진행하는 방향이 Z축이고, 상기 안테나부로 상기 안테나가 2개 이상 배치되는 경우에,
    2개 이상의 상기 안테나는 X축 또는 Y축 방향으로 배치되거나 X축 및 Y축 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 평판형 메타 물질 구조체는 공진기(cavity)의 공진 조건을 만족시키는 이격 거리를 가지며,
    상기 안테나부는 상기 하부 구조체와 상기 평판형 메타 물질 구조체 각각으로부터 소정 거리 이격된 위치에 배치되거나, 상기 하부 구조체의 상면으로 배치되 는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 평판형 메타 물질 구조체는 방사되는 전파의 빔 폭의 조절을 위해 성형될 수 있는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 평판형 메타 물질 구조체는 청구항 2항 또는 4항의 평판형 메타 물질을 단위 셀로 하는 어레이 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
  14. 근거리(subwavelength) 이미징을 위하여 청구항 2항 또는 청구항 4항의 평판형 메타 물질 구조체로 형성된 렌즈.
  15. 제14 항에 있어서,
    렌즈로서의 상기 평판형 메타 물질 구조체는 전파를 방사하는 소스원으로부터 소정거리 이격된 전방으로 배치되며,
    상기 평판형 메타 물질 구조체 전방으로는 이미지 평면이 배치되어, 상기 이미지 평면상으로 이미지가 맺히게 되는 것을 특징으로 하는 렌즈.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 평판형 메타 물질 구조체는 청구항 2항 또는 4항의 평판형 메타 물질을 상기 단위 셀로 하는 것을 특징으로 하는 렌즈.
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