KR20150132742A - 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조의 패치 하부에 하나 이상의 금속층과, 상기 금속층을 패치로 연결해 주는 비아홀(via hole)을 추가함로써 원하는 주파수 특성의 구조를 손쉽게 설계할 수 있고, 종래 공정 기술로 구현이 가능하며, 나아가 좁은 면적에 집적화가 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것이다.
본 발명은 소정의 형상을 가지는 금속 패치(patch), 상기 패치의 하부에 위치하는 접지면, 상기 패치와 접지면을 연결시키는 중심 비아홀(via hole), 상기 전도성 패치와 접지면의 사이에 위치하는 하나의 층 혹은 복수 층의 하부 금속층 및 상기 패치와 하부 금속층의 모든 층을 연결시키는 외곽 비아홀(via hole)을 포함하여 구성되며, 상기 하부 금속층은 상기 패치의 외곽 형상과 대응하는 외곽 형상을 가지며, 그 내부면 중 일부는 비어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물을 개시한다.

Description

전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자 {Electromagnetic band-gap structure and electrical component using the same}
본 발명은 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조의 패치 하부에 하나 이상의 금속층과, 상기 금속층을 패치로 연결해 주는 비아홀(via hole)을 추가함로써 원하는 주파수 특성의 구조를 손쉽게 설계할 수 있고, 종래 공정 기술로 구현이 가능하며, 나아가 좁은 면적에 집적화가 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것이다.
광학 내지는 포토닉스(photonics) 분야에서 특정한 포톤(photon) 모드를 허용하지 않는 파장 대역을 PBG(Photonic Band-Gap)라고 부르는 것과 유사하게, 고주파 대역 중 특정 주파수 대역의 신호를 차단하거나, 특정 주파수 대역의 신호만을 통과시키는 특성을 가지는 경우를 전자기 밴드갭(Electromagnetic Band-Gap, EBG)이라고 한다.
통상의 필터가 여파 특성을 구현하기 위해서 보통 주기적인 구조(periodic structure)를 사용하는 것처럼, 전자기 밴드갭(EBG)의 경우도 통상 단위 구조체가 주기적으로 배치된 구조를 이용하여 구현되게 된다. 전자기 밴드갭(EBG)을 구현함에 있어 사용되는 대표적인 주기적인 구조로서, 단위 구조체가 전송선로 등을 따라 주기적인 배치되는 1차원(1D) EBG 구조, 단위 구조체가 2차원 평면에 주기적으로 배치되는 구조를 가지는 2차원(2D) EBG 구조 및 단위 구조체를 입체적으로 배치하여 형성하는 3차원(3D) EBG 구조 등을 들 수 있다.
도 1에서는 상기 다양한 종류의 전자기 밴드갭(EBG) 구조의 대표적인 예들을 보여주고 있다. 도 1(a)에서는 마이크로스트립(microstrip) 전송선로 하부의 접지면에 주기적으로 홀(hole)을 배치함으로써 1차원 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 형성하는 경우를 들고 있고, 도 1(b)에서는 머쉬룸(mushroom) 형상의 단위 구조체를 평면에 반복적으로 배치하여 2차원 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 형성하는 경우를 보여주고 있으며, 또한 도 1(c)에서는 소정의 단위 구조체를 층상 구조로 배치하여 3차원 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 형성하는 경우를 예시하고 있다.
그런데, 도 1(a)의 경우는 통상 단위 구조체를 사용하고자 하는 주파수의 파장을 고려하여 λg/2의 간격으로 배치하게 되어, 전체 전자기 밴드갭(EBG) 의 크기가 매우 커질 수 있다는 문제점을 가지며, 또한 도 1(c)의 경우에는 복잡한 구조에 따른 높은 생산 단가와 복잡한 설계 과정을 거쳐야 한다는 한계를 가지고 있다.
현재, 회로 기판, 배열 안테나(array antenna) 등에서의 표면파(surface wave) 방지 및 이를 통한 간섭 신호의 억제 등 고주파 분야에서 가장 많이 활용되고 있는 전자기 밴드갭(EBG) 구조 중의 하나가 도 1(b)에 도시된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조라고 할 수 있다. 도 1(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조는 머쉬룸(mushroom) 형상의 단위 구조체가 2차원 평면의 형태로 주기적으로 배치된 형상을 이루게 된다.
그런데, 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조는 동작 주파수에 따라 대략적으로 물리적인 크기가 정하여지게 되고, 또한 여파 특성을 개선하기 위해서는 복수의 폴(pole)을 사용하여야 하므로, 배열되는 단위 구조체의 수가 크게 증가하게 되어, 구현에 있어서 대면적을 필요로 하게 되고, 집적화 등을 위한 소형화에 상당한 어려움이 따른다는 문제점을 가지게 된다.
이러한 문제점들에 대하여, 단위 구조체의 형상을 변형하여 원하는 주파수 특성을 가지면서도 그 물리적 크기를 줄이기 위한 시도가 이루어졌다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2010-0041252호(2010. 4. 22. 공개)에서는 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 상호 연결되어 있는 복수의 나선형 도전선을 포함하는 패치를 이용하는 전자기 밴드갭 구조물을 개시하고 있다. 그러나, 종래의 연구에서 보여주는 구조들은 설계 과정이 복잡해질 수 있고, 주파수 특성을 결정하는 파라미터 간의 상호 영향으로 인하여 물리적인 크기를 줄이는데 상당한 어려움이 존재하게 되며, 이에 따라 원하는 특성 및 크기의 전자기 밴드갭 구조물을 구현하거나, 제작된 전자기 밴드갭 구조물의 특성을 정밀하게 튜닝하는 데에도 어려움이 따르게 된다
특히, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 복잡한 구조 형상을 사용하는 경우, 각 설계 파라미터의 변경에 따른 주파수 특성의 변화를 예측하기 어려워, 단순하게 3차원 전자기파 시뮬레이션 등을 이용하여 반복적인 시뮬레이션을 거치면서 설계를 진행하게 되므로, 최종 설계 결과가 나오기 전에는 적절한 설계 결과물을 얻을 수 있을지 판단하기가 어렵고, 전체 설계 과정에서 많은 시간을 소모하게 되며, 복잡한 구조로 인하여 종래의 공정 기술을 이용한 생산이 어려워 생산 단가가 상승할 수 있다는 문제점을 가진다.
이에 따라, 특정 설계 치수를 변경하면서 소정의 주파수 특성을 독립적으로 조절할 수 있어 간편한 설계가 가능하고, 종래 공정 기술을 이용하여 설계된 구조물을 제작할 수 있으며, 나아가 소형화가 가능하여 좁은 면적에 집적하여 구현이 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자가 요구되고 있으나, 이에 대한 적절한 해결책이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 특정 설계 치수를 변경하면서 소정의 주파수 특성을 독립적으로 조절할 수 있어 간편한 설계가 가능하고, 종래 공정 기술을 이용하여 설계된 구조물을 제작할 수 있으며, 나아가 소형화가 가능하여 좁은 면적에 집적하여 구현이 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 전자기 밴드갭 구조물은 소정의 형상을 가지는 금속 패치(patch); 상기 패치의 하부에 위치하는 접지면; 상기 패치와 접지면을 연결시키는 중심 비아홀(via hole); 상기 패치와 접지면의 사이에 위치하는 하나의 층 혹은 복수 층의 하부 금속층; 및 상기 패치와 하부 금속층의 모든 층을 연결시키는 외곽 비아홀(via hole)을 포함하여 구성되며, 상기 하부 금속층은 상기 패치의 외곽 형상과 대응하는 외곽 형상을 가지며, 그 내부면 중 일부는 비어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 패치와 접지면 사이에는 하나의 층 혹은 복수 층으로 이루어지는 유전체 층이 위치할 수 있다.
또한, 상기 패치는 정다각형의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 하부 금속층도 상기 패치의 형상에 따라 정다각형의 외곽 형상을 가지며, 그 내부면의 일부도 상기 정다각형에 대응하는 형상으로 비어있는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 외곽 비아홀은 상기 정다각형의 각 모서리에 대응하는 숫자만큼 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자기 밴드갭 필터는 앞서 기재된 전자기 밴드갭 구조물을 포함하여 구성되며, 소정의 주파수 대역을 통과시키거나 차단하는 주파수 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전자기 밴드갭 구조물은 인쇄 회로 기판, 저온 동시소성 세라믹 (LTCC) 기판, 반도체 집적회로에 포함될 수 있다.
또한, 상기 전자기 밴드갭 구조물은 영상 센서나 고주파 센서에 포함되어 각 소자 사이의 신호 커플링 및 잡음을 억제할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 안테나는 앞서 기재된 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 방사소자 분리벽; 및 안테나 방사소자를 포함하여 구성되며, 상기 방사소자 분리벽은 상기 안테나 방사소자를 둘러싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조의 패치 하부에 하나 이상의 금속층과, 상기 금속층을 패치로 연결해 주는 비아홀(via hole)을 추가함으로써, 특정 설계 치수를 변경하면서 소정의 주파수 특성을 독립적으로 조절할 수 있어 간편한 설계가 가능하고, 종래 공정 기술을 이용하여 설계된 구조물을 제작할 수 있으며, 나아가 소형화가 가능하여 좁은 면적에 집적하여 구현이 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자를 개시하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 다양한 종류의 전자기 밴드갭(EBG) 구조물의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 복잡한 구조를 포함하는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물의 예시도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물 및 그에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 1층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물의 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 2층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물의 등가 회로도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
종래기술에서 통상의 머쉬룸(mushroom) 형상 단위 소자를 사용하여 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 구성하는 경우, 사용하는 주파수에 따라 대략적으로 전자기 밴드갭(EBG) 구조의 물리적인 크기가 정하여지게 되고, 또한 여파 특성을 개선하기 위하여 배열되는 단위 구조체의 수가 크게 증가하게 되면서 더욱 대면적을 소요하게 되어, 집적화 등을 위한 소형화에 상당한 어려움이 따른다는 문제점을 가진다. 이에 대하여 단위 구조체의 형상을 변형하여 상기한 문제점들을 해결하려는 시도가 있었으나, 이러한 경우 설계 과정이 복잡해질 수 있고, 주파수 특성을 결정하는 파라미터 간의 상호 영향으로 인하여 물리적인 크기를 줄이는데 상당한 어려움이 존재하게 되며, 이에 따라 원하는 특성 및 크기의 전자기 밴드갭 구조물을 구현하거나, 제작된 전자기 밴드갭 구조물의 특성을 정밀하게 튜닝하는 데에도 어려움이 따르게 된다 특히, 복잡한 구조의 단위 구조체를 사용하는 경우, 각 설계 파라미터의 변경에 따른 주파수 특성의 변화를 예측하기 어려워, 단순하게 3차원 전자기파 시뮬레이션 등을 이용하여 반복적인 시뮬레이션을 거치면서 설계를 진행하게 되므로, 최종 설계 결과가 나오기 전에는 적절한 설계 결과물을 얻을 수 있을지 판단하기가 어렵고, 전체 설계 과정에서 많은 시간을 소모하게 되며, 복잡한 구조로 인하여 종래의 공정 기술을 이용한 생산이 어려워 생산 단가가 상승할 수 있다는 문제점을 가지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기한 문제점에 착안하여, 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조의 패치 하부에 하나 이상의 금속층과, 상기 금속층을 패치로 연결해 주는 비아홀(via hole)을 추가함로써, 특정 설계 치수를 변경하면서 소정의 주파수 특성을 독립적으로 조절할 수 있어 간편한 설계가 가능하고, 종래 공정 기술을 이용하여 설계된 구조물을 제작할 수 있으며, 나아가 소형화가 가능하여 좁은 면적에 집적하여 구현이 가능한 전자기 밴드갭 구조물 및 이를 이용한 전기 소자를 개시한다.
본 발명을 자세하게 살펴보기에 앞서, 종래 기술에 따른 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 살펴보고 이에 대한 등가 모델을 검토한 후, 이를 바탕으로 본 발명에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 검토하기로 한다.
먼저, 도 3에서는 종래 기술에 따른 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조물(300) 및 그에 대한 등가 회로도를 보여주고 있다. 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조물(300)은 접지면(330) 상부에 위치하는 금속 등의 재질로 이루어지는 패치(310) 및 상기 접지면(330)과 상기 패치(310)을 연결하는 비아홀(320)을 포함하여 구성되는 단위 구조체 2차원 평면 상에 소정의 간격으로 배열되면서 구성될 수 있다. 통상의 경우 정사각형의 패치가 사용되므로, 이러한 경우 하나의 단위 구조체(도 3(a)의 ①)의 주변으로 4개의 단위 구조체(도 3(a)의 ②)가 둘러싸는 형상을 이루게 되며, 이를 측면에서 도시하면 도 3(b)와 같은 주기적인 구조(periodic structure)를 이루게 된다.
상기와 같은 주기적인 구조를 가지는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조에 대한 등가 모델(equivalent model)을 도출하기 위하여 도 3(c)를 살펴보면, 먼저 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조에 입사된 전자파에 의하여 도 3(c)에서 상부 패치(①)(310)에 전류가 유도되면서 전하가 축적되게 된다. 따라서, 도 3(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 상부 패치(①)에 축적된 전하와 이웃한 패치(②)와의 사이의 갭(g)에 따라 커패시턴스(C L )가 발생하게 되며, 또한 하부의 접지면(330)과의 이격(h)에 의해서도 커패시턴스(C R )가 발생하게 된다. 이와 함께 상부 패치(①)에서의 전류 흐름으로 인하여 인턱턴스(L R )가 발생하게 되고, 또한 하부의 접지면(330)으로 연결된 비아홀(via hole)(320)에서의 전류 흐름에 의해서도 인턱턴스(L L )가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 전하의 분포 및 전류 흐름을 반영한 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 단위 구조체의 등가 모델은, 도 3(d)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상부 패치(①)(310)에서의 접지면(330)에 대한 커패시턴스(C R )와 상부 패치(①)에서의 전류 흐름에 의한 인턱턴스(L L )를 포함(도 3(d)의 ⓐ)하고, 이웃하는 4개의 패치(②)에 대한 커패시턴스(C L )와 비아홀(320)에서의 전류 흐름에 의한 인턱턴스(L R )를 포함(도 3(d)의 ⓑ)하여 구성될 수 있다.
이에 따라, 하나의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 단위 구조체의 제1차 및 제2차 공진 주파수는 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있게 된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
그런데, 상기 각 인덕턴스(L L , L R )와 커패시턴스(C L , C R )는 서로 독립적인 값들이 아니라, 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조에 따라 결정되는 상호 관련성을 가지는 값들이라 할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 패치(①)(310)에서의 전류 흐름으로 인한 인덕턴스(L R )의 값을 변경시키기 위하여 상부 패치(①)(310)의 크기를 줄이면, 상기 인덕턴스(L R ) 값의 변화와 함께, 커패시턴스(C R ) 등의 값도 달라지게 되고, 나아가 상기 제1 공진 주파수(f 1 )을 변경시키기 위하여 인덕턴스(L R ) 값을 바꾸려고 하면, 이와 함께 제2 공진 주파수(f 2 )도 함께 변경되는 문제가 발생하게 된다. 이에 따라, 소정의 주파수 특성을 가지는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭(EBG) 구조를 설계하고 구현하고자 할 때에는 각 설계 파라미터의 상호 연관성에 의하여 설계 과정이 복잡해지고, 구현 및 튜닝에도 어려움이 따를 수 있게 된다.
이에 대하여, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)을 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)은 소정의 형상을 가지는 금속 패치(patch)(410), 상기 패치(410)의 하부에 위치하는 접지면(450), 상기 패치(410)와 접지면(450)을 연결시키는 중심 비아홀(via hole)(430), 상기 패치(410)와 접지면(450)의 사이에 위치하는 하나의 층 혹은 복수 층의 하부 금속층(420) 및 상기 패치(410)와 하부 금속층(420)의 모든 층을 연결시키는 외곽 비아홀(via hole)(440)을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 하부 금속층(420)은 상기 패치(410)의 외곽 형상과 대응하는 외곽 형상을 가지며, 그 내부면 중 일부는 비어 있는 형상을 가질 수 있다.
또한, 도 4에서는 제1 하부 금속층(422), 제2 하부 금속층(424) 및 제3 하부 금속층(426)으로 이루어지는 3층의 하부 금속층(420)을 포함하는 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물을 보여주고 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 원하는 주파수 특성에 따라 필요한 하부 금속층(420)의 구성을 선택함으로써, 보다 간편하게 설계를 진행할 수 있게 된다. 또한, 하부 금속층(420)의 층수를 늘릴 경우 그에 따라 커패시턴스 값이 커지면서 공진 주파수가 낮아지게 되므로, 사용하고자 하는 주파수가 낮아지더라도 동일한 면적의 단위 구조체를 사용할 수 있고, 또는 동일한 주파수를 사용하는 경우 보다 작은 면적의 단위 구조체를 사용할 수 있게 되므로, 결국 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물의 소형화 및 집적화가 가능하게 된다.
또한, 상기 패치(410)와 접지면(450) 사이에는 하나의 층 혹은 복수 층으로 이루어지는 유전체 층이 위치할 수 있다. 즉, 다시 말하면 종래 통상의 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 혹은 저온 동시소성 세라믹 (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC) 기판 구조를 사용하여 상기한 본 발명의 구조를 구현하거나, 반도체 집적 회로 내에 본 발명의 구조를 포함시킬 수 있다는 의미가 된다. 예를 들어, 도 4의 구조를 인쇄 회로 기판을 이용하여 구현하는 경우를 살펴 보면, 5층 이상의 레이어를 가지는 인쇄 회로 기판을 기반으로 하여, 최하층을 접지면(450)으로 할당하고, 최상층에 패치(410)를 주기적으로 배치하며, 내층의 각 레이어에 제1 내지 제3의 하부 금속층(420) 패턴을 주기적으로 배치하고, 상기 패치(410)와 접지면(450)을 연결하는 중심 비아홀(430) 및 각 하부 금속층(420)과 패치(410)를 연결하는 외곽 비아홀(440)을 추가하여 다층 인쇄 회로 기판(Multilayer PCB)를 제작하여 줌으로써 도 4의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물을 구현할 수 있게 된다. 또한, 여기서 볼 수 있듯이 종래 통상의 인쇄 회로 기판 공정 기술을 이용하여 제작이 가능하므로, 생산 단가 및 공정 효율을 제고할 수 있게 된다.
도 4에서는 정사각형 형상의 패치(410)를 이용하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요한 주파수 특성 등을 고려하여 다양한 형상의 패치(410)를 사용하는 것도 가능하다. 다만, 정다각형의 패치(410)를 사용하는 경우 수평 방향과 수직 방향에 따른 특성 편차를 줄일 수 있고, 인접하는 패치(410)간의 간격을 최소화하면서 커패시턴스 값을 늘릴 수 있어 소형화에 유리하게 된다는 장점을 가질 수 있다.
또한, 하부 금속층(420)도 이와 유사하게 상기 패치(410)의 형상에 따라 정다각형의 외곽 형상을 가지는 것이 인접하는 하부 금속층(420) 간의 간격을 최소화하면서 커패시턴스 값을 늘릴 수 있어 소형화에 유리하고, 또한 그 내부면의 일부도 상기 정다각형에 대응하는 형상으로 비어있는 구조를 가지는 것이 수평 방향과 수직 방향에 따른 특성 편차를 줄일 수 있어 바람직하다. 이와 마찬가지로, 상기 외곽 비아홀(440)도 방향에 따른 편차를 고려할 때 상기 정다각형의 각 모서리의 중앙에 위치시키는 것이 보다 바람직하게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 1층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)의 등가 회로도를 보여주고 있다. 도 5(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(300)의 등가 회로도(도 3(d))에 포함되었던 각 인덕턴스(L L , L R )와 커패시턴스(C L , C R )외에, 제1 하부 금속층(422)의 추가에 따른 여러 커패시턴스(C V , C S , C O ) 및 외곽 비아홀(440)의 추가에 따른 인덕턴스(L V )가 추가되어 등가 회로를 구성하게 된다. 여기서, 상기 C V 는 상부의 패치(410)와 제 1 하부 금속층(422)에 의한 커패시턴스이고, C S 는 서로 인접하는 제 1 하부 금속층(422)에 의한 커패시턴스이며, C O 는 제 1 하부 금속층(422)과 접지면(450)에 의한 커패시턴스가 된다. 또한, 상기 L V 는 추가된 외곽 비아홀(440)에서의 전류 흐름에 따른 인덕턴스가 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 1층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)의 제1차 및 제2차 공진 주파수는 아래의 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있게 된다.
여기서, 상기 수학식 3의 도출 과정을 좀더 자세하게 살펴보면, 도 5(c)의 점선(symmetric)을 기준으로 좌우 대칭 구조를 이루게 되어, 상기 점선의 대칭면은 가상 접지면(virtual ground)로 해석될 수 있다. 또한, 상기 도 5(c)에서 C V 는 외곽 비아홀(440)에서의 커패시턴스이고, L R 은 패치(410)에서의 전류 흐름에 의한 인덕턴스가 되므로, 상기 C V 값과 L R 값은 상대적으로 작은 값을 가지게 되어, 공진 주파수의 근사치를 계산함에 있어서는 생략이 가능하고, 또한 상기 C L 는 그 구조적인 유사성으로 인하여 C S 와 유사한 커패시턴스 값을 가지게 되므로 C S 로 근사화하는 것이 가능하다(즉, C V → 0, L R → 0, C L → C S ). 이에 따라, 상기한 일련의 근사치를 적용하여 도 5(c)의 등가 모델에 대한 공진 주파수를 구하면 아래의 수학식 3과 수학식 4가 도출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
이때, 도 5(c)의 ⓐ에서의 공진 구조는 도 3(d)의 ⓐ에서의 공진 구조와 동일하므로, 그에 따른 제2 공진 주파수를 나타내는 상기 수학식 4는 앞서 살핀 수학식 2와 같게 되고, 결국 패치(410)와 접지면(450) 그리고 중심 비아홀(430)의 구조 및 형상에 의하여 제2 공진 주파수가 결정된다는 것을 알 수 있다.
반면, 상기 수학식 3은 제1 공진 주파수가 C S , C O 및 L V 에 의하여 결정된다는 것을 의미하고, 상기 각 파라미터들은 주로 제1 하부 금속층(422) 및 외곽 비아홀(440)의 구조 및 형상에 의하여 결정되므로, 상기 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수가 독립적으로 결정될 수 있고, 따라서 각 설계 파라미터들을 독립적으로 변화시키면서 설계를 진행할 수 있다는 것을 의미한다.
나아가, 상기 수학식 3과 수학식 1을 비교해 보면, 상부의 패치(410)의 면적을 늘지지 않고도 을 만족시킬 수 있도록 제1 하부 금속층의 구조와 형상을 선택할 수 있으므로, 동일한 면적에서 동작 주파수를 낮추거나, 혹은 동일한 동작 주파수에 대하여 보다 좁은 면적에서 본 발명에 따른 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물을 구현할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다.
나아가, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 2층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)의 등가 회로도를 도시하고 있다. 도 6(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(300)의 등가 회로도(도 3(d))에 포함되었던 각 인덕턴스(L L , L R )와 커패시턴스(C L , C R )외에, 제1 하부 금속층(422) 및 제2 하부 금속층(424)의 추가에 따른 여러 커패시턴스(C V , C S , C O ') 및 외곽 비아홀(440)의 추가에 따른 인덕턴스(L V )가 추가되어 등가 회로를 구성하게 된다. 이때, 제1 하부 금속층(422)와 제2 하부 금속층(424)는 동일한 형상 및 면적을 가지고 상하로의 이격 거리 및 유전율이 같은 경우로 단순화하여 살핀다.
여기서, 상기 C V 는 상부의 패치(410)와 제 1 하부 금속층(422), 또는 제 1 하부 금속층(422)와 제 2 하부 금속층(424)에 의한 커패시턴스이고, C S 는 서로 인접하는 제 1 하부 금속층(422)간 또는 서로 인접하는 제 2 하부 금속층(424)간에 의한 커패시턴스이며, C O '는 제 2 하부 금속층(424)과 접지면(450)에 의한 커패시턴스가 된다. 또한, 상기 L V 는 추가된 외곽 비아홀(440)에서의 하부 금속층(420)의 층간 전류 흐름에 따른 인덕턴스가 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 2층의 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)의 제1차 및 제2차 공진 주파수는 아래의 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있게 된다.
여기서 상기 수학식 5및 수학식 6의 도출 과정을 간단하게 살펴 보면, 앞서 살핀 바와 유사하게 도 6(c)의 점선(symmetric)의 대칭면을 가상 접지면(virtual ground)로 해석한다. 먼저, 도 6(c)의 ⓑ영역의 등가 회로를 구한다. 이때, 상기 ⓑ 영역의 등가 회로는
Figure pat00005
의 값을 가지는 캐패시터로 대치될 수 있는데, 따라서 상기 도 6(c)는 도 5(c)와 같은 구조로 해석될 수 있게 된다. 이에 따라, 도 6(c)의 등가 모델에 대한 공진 주파수를 구하면 아래의 수학식 5와 수학식 6이 도출될 수 있다.
[수학식 5]
(i)
Figure pat00006
( for C O ' + 3 C S > C V )
( ii )
Figure pat00007
( for C O ' + 3 C S < C V )
[수학식 6]
Figure pat00008
앞서 살핀 바와 유사하게, 도 6(c)의 ⓐ에서의 공진 구조는 도 3(d)의 ⓐ에서의 공진 구조와 동일하므로, 그에 따른 제2 공진 주파수를 나타내는 상기 수학식 6은 앞서 살핀 수학식 2와 같게 되고, 결국 패치(410)와 접지면(450) 그리고 중심 비아홀(430)의 구조 및 형상에 의하여 제2 공진 주파수가 결정된다는 것을 알 수 있다.
반면, 상기 수학식 5는 제1 공진 주파수가 C S , C V , C O ' 및 L V 에 의하여 결정된다는 것을 의미하고, 상기 각 파라미터들은 주로 제1 하부 금속층(422), 제2 하부 금속층(424) 및 외곽 비아홀(440)의 구조 및 형상에 의하여 결정되므로, 상기 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수가 독립적으로 결정될 수 있고, 따라서 각 설계 파라미터들을 독립적으로 변화시키면서 설계를 진행할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 동일한 구조 및 형상의 제1 및 제2 하부 금속층을 사용하는 경우 하부 금속층(420)의 층수가 증가할수록 하부 금속층(420)에 의한 커패시턴스가 증가하게 되어 수학식 5의 (i) 수식으로 수렴하게 된다.
앞서 살핀 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)은 다양한 전기 소자 및 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)을 포함하여 소정의 주파수 대역을 통과시키는 대역 통과 필터(band-pass filter)를 구성하거나 소정의 주파수 대역을 차단하는 대역 차단 필터(band-stop filter)를 구성하는 것도 가능하고, 또한, 상기 전자기 밴드갭 구조물을 인쇄 회로 기판, 반도체 집적회로에 포함시키는 것도 가능하다. 이를 통하여, 인접한 모듈 간의 신호 간섭을 억제하거나, 송수신 누설 신호를 줄이거나, 반도체 소자 내의 잡음 신호 전송을 방지하는 등의 다양한 용도로 상요할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물(400)은 영상 센서나 배열형 영상 센서 모듈에 포함되어 각 픽셀간의 신호 잡음 전송을 방지할 수 있고, 또한 초고주파 영상 시스템에서 검출 소자간의 신호 커플링 및 잡음을 억제하는 용도로도 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 안테나는 앞서 기재된 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 방사소자 분리벽; 및 안테나 방사소자를 포함하여 구성되며, 상기 방사소자 분리벽은 상기 안테나 방사소자를 둘러싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 방사소자 분리벽이 안테나 방사소자를 둘러싸는 경우, 안테나 방사소자 주변에 안테나 동작 주파수 대역에서 차단벽으로 작동하는 방사소자 분리벽이 존재하게 되고, 이에 따라 기판 등을 따라 외부로 유출되는 표면파(surface wave) 등을 억제할 수 있게 되어, 안테나의 방사 효율, 이득(gain), 방향성, 안테나의 동작 주파수 등의 특성을 개선할 수 있게 된다. 또한, 상기 방사소자 분리벽은 외부로부터 유입되는 신호도 차단함으로써 노이즈 신호를 줄여 통신 시스템의 성능을 개선할 수도 있고, 나아가 복수의 방사소자가 배열 안테나를 구성하는 경우에는 각 방사소자 간의 신호 간섭도 억제할 수 있다는 장점을 가지게 된다.
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 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300 : 통상의 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물
310 : 패치
320 : 비아홀
330 : 접지면
400 : 패치 하부에 금속층 및 비아홀이 추가된 머쉬룸(mushroom) 전자기 밴드갭 구조물
410 : 패치
420 : 하부 금속층
422 : 제1 하부 금속층
424 : 제2 하부 금속층
426 : 제3 하부 금속층
430 : 중심 비아홀
440 : 외곽 비아홀
450 : 접지면

Claims (9)

  1. 소정의 형상을 가지는 금속 패치(patch);
    상기 패치의 하부에 위치하는 접지면;
    상기 패치와 접지면을 연결시키는 중심 비아홀(via hole);
    상기 패치와 접지면의 사이에 위치하는 하나의 층 혹은 복수 층의 하부 금속층; 및
    상기 패치와 하부 금속층의 모든 층을 연결시키는 외곽 비아홀(via hole)을 포함하여 구성되며,
    상기 하부 금속층은 상기 패치의 외곽 형상과 대응하는 외곽 형상을 가지며, 그 내부면 중 일부는 비어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패치와 접지면 사이에는 하나의 층 혹은 복수 층으로 이루어지는 유전체 층이 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패치는 정다각형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하부 금속층도 상기 패치의 형상에 따라 정다각형의 외곽 형상을 가지며,
    그 내부면의 일부도 상기 정다각형에 대응하는 형상으로 비어있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 외곽 비아홀은 상기 정다각형의 각 모서리에 대응하는 숫자만큼 포함되는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전자기 밴드갭 구조물을 포함하여 구성되며,
    소정의 주파수 대역을 통과시키거나 차단하는 주파수 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 필터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전자기 밴드갭 구조물은 인쇄 회로 기판, 저온 동시소성 세라믹 (LTCC) 기판, 반도체 집적회로에 포함되는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 필터.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전자기 밴드갭 구조물은 영상 센서나 고주파 센서에 포함되어 각 소자 사이의 신호 커플링 및 잡음을 억제하는 것을 특징으로 하는 전자기 밴드갭 필터.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전자기 밴드갭 구조물을 포함하는 방사소자 분리벽; 및
    안테나 방사소자를 포함하여 구성되며,
    상기 방사소자 분리벽은 상기 안테나 방사소자를 둘러싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 안테나.
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