KR20230004521A - 파동 제어 매질, 파동 제어 소자, 파동 제어 장치, 및 파동 제어 매질의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

메타 물질 등을 소형화 및 광대역화하면서, 파동을 제어하는 것이 가능한 파동 제어 매질을 제공하는 것이다. 파동 제어 매질(10)은, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는, 나선 구조로 형성된 3차원 미세 구조체의 코일(11) 및 코일(12)을 적어도 2개 조합하여 형성되고, 콘덴서 및 인덕터의 역할을 가진다. 코일(11) 및 코일(12)은, 대향하는 코일(11)의 측면과 코일(12)의 측면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 나선 구조의 코일(11) 및 코일(12)에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.

Description

파동 제어 매질, 파동 제어 소자, 파동 제어 장치, 및 파동 제어 매질의 제조 방법
본 기술은, 파동 제어 매질 등을 사용한 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인공적인 구조체를 사용하여 파동을 제어하는 기술에 관한 것이다.
종래부터, 부(負)의 굴절율 등의 특성을 가지는 메타 물질을, 전파, 광파, 음파를 포함하는 다양한 파의 반사, 차폐, 흡수, 위상 변조 등에 사용하는 것이 제안되어 있다. 여기서, 메타 물질이란, 자연계에 존재하는 물질에서는 발휘할 수 없는 기능을 발생시키는 인공적인 구조체를 말한다. 메타 물질은, 예를 들면, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체 등의 단위 미세 구조체를, 파장에 대해 충분히 짧은 간격으로 배열함으로써 자연에는 없는 성질을 발현시키도록 만들어져 있다. 이렇게 만들어진 메타 물질은, 유전율 및 투자율을 제어함으로써, 전자파 등의 파동을 제어하는 것이 가능하게 된다.
메타 물질의 단위 구조체인 파동 제어 매질은, 통상, 파장의 1/10 정도이며, 이것을 수 단위 정도의 어레이 구조로 함으로써 기능을 발휘한다. 마이크로파나 가시청 영역의 음파 등 긴 파장을 가지는 파를 취급할 때에는, 메타 물질의 구조도 파장에 따라 확대되어, 큰 풋프린트를 요한다. 이는, 이러한 파동을 소형 전자 기기에서 취급할 때에 문제가 된다.
또 메타 물질은, 그 동작 원리가 파동과 구조의 상호 작용에 의한 공진 현상에 기초하기 때문에, 공진 주파수 이외의 주파수에서는 그 응답 강도는 급격하게 축소하여 좁은 대역의 응답이 된다. 이는 광대역의 주파수를 동시에 취급하는 경우에 문제가 된다.
이에, 상기 문제를 감안하여, 메타 물질을 실용화하기 위해서는, 메타 물질의 소형화 및 광대역화를 동시에 실현하는 것이 요망되고 있다.
소형화의 해결책으로서, 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 각각이 소정의 파장에 대해 부의 유전율을 발생시키는 복수의 제1 공진기를 구비하고, 상기 제1 공진기의 각각은, 내부 스페이스를 가지고 있고, 각각이 상기 소정의 파장에 대해 부의 투자율을 발생시키는 복수의 제2 공진기와, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기의 위치를 고정시키는 지지 부재를 구비하고, 상기 지지 부재는, 상기 제2 공진기의 각각을, 상기 복수의 제1 공진기의 내부에 고정시키고, 또한, 상기 복수의 제1 공진기가 공간적으로 연속되도록 상기 복수의 제1 공진기를 고정시키는, 메타 물질이 제안되어 있다.
또한, 광대역화의 해결책으로서, 예를 들면, 특허문헌 2에는, 스트립 도체로 이루어지는 격자 구조 대신에 스트립 유전체로 이루어지는 격자 구조를 구비한 메타 물질 장치가 제안되어 있다.
국제공개 제2010/026907호 일본특허공개 2017-152959호 공보
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 기술에서는, 메타 물질의 소형화 그리고 광대역화를 동시에 만족하는 해결책은 제안되어 있지 않아, 이들을 동시에 만족시키는 메타 물질의 단위 구조체인 파동 제어 매질의 추가적인 개발이 요망되고 있다.
이에, 본 기술에서는, 메타 물질 등을 소형화 및 광대역화하면서, 파동을 제어하는 것이 가능한 파동 제어 매질을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 기술에서는, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 3차원 미세 구조체를 적어도 2개 조합하여 형성되고, 콘덴서 및 인덕터의 역할을 가지는, 파동 제어 매질을 제공한다.
또한, 상기 3차원 미세 구조체가, 나선 구조로 형성되어 있어도 된다. 상기 3차원 미세 구조체가, 다층 구조로 형성되어 있어도 된다. 상기 적어도 2개의 3차원 미세 구조체가, 서로 접하지 않고 대향하여 서로 얽힌 연속 구조로 형성되어 있어도 된다. 상기 3차원 미세 구조체가, 원추 형상으로 형성되어 있어도 된다. 상기 3차원 미세 구조체 중 적어도 일방이, 와이어 형상, 플레이트 형상, 구체 형상의 어느 하나로 형성되어 있어도 된다.
또한, 본 기술에서는, 상기 파동 제어 매질이, 어레이 구조로 집적되거나, 또는 복수 분산 배치된 파동 제어 소자를 제공한다. 또한, 상기 파동 제어 매질을 구비하고, 길이 방향의 거리가 파동의 파장의 1/10 미만이고, 또한 응답의 비대역폭이 30% 이상인, 파동 제어 소자를 제공할 수도 있다.
또한, 본 기술에서는, 상기 파동 제어 매질로 구성되는 메타 물질을 가지는 파동 제어 장치를 제공한다. 또한, 본 기술에서는, 상기 메타 물질을 가지는, 전자파 흡수 및/또는 차폐 부재를 구비하는 파동 제어 장치를 제공한다. 또한, 본 기술에서는, 상기 전자파 흡수 및/또는 차폐 부재를 가지는 센서를 구비하는 파동 제어 장치를 제공한다.
또한, 본 기술에서는, 상기 파동 제어 매질을 가지는 전자파 도파로를 구비하는 파동 제어 장치를 제공한다. 또한, 본 기술에서는, 상기 전자파 도파로를 가지는 연산 소자를 구비하는 파동 제어 장치를 제공한다. 또한, 본 기술에서는, 상기 파동 제어 매질을 사용하여 송수신 또는 수발광(受發光)을 행하는, 파동 제어 장치를 제공한다.
또한, 본 기술에서는, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 미세 구조체를, 유기물의 자기 조직화를 이용한 분자 주형에 의해 3차원 구조로 형성하는, 파동 제어 매질의 제조 방법을 제공한다.
본 기술에 의하면, 메타 물질 등을 소형화 및 광대역화하면서, 파동을 제어하는 것이 가능한 파동 제어 매질을 제공할 수 있다. 한편, 상기의 효과는 반드시 한정적인 것이 아니고, 상기의 효과와 함께, 또는 상기의 효과에 대신하여, 본 명세서에 나타낸 어느 하나의 효과 또는 본 명세서로부터 파악될 수 있는 다른 효과가 나타나도 된다.
도 1은 본 기술의 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 3차원 미세 구조체의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 기술의 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 기술의 제1 실시 형태의 변형예에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 기술의 제2 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 기술의 제2 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 기술의 제3 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 기술의 제4 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 기술의 제5 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 기술의 제5 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 기술의 제5 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 다른 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 기술의 제6 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 기술의 제6 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 기술의 제7 실시 형태에 관한 파동 제어 매질의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 기술의 제8 실시 형태에 관한 전자파 흡수 부재의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 기술의 제8 실시 형태에 관한 전자파 흡수 부재의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 기술의 제9 실시 형태에 관한 도파로의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 기술의 제9 실시 형태에 관한 도파로의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 기술에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 비대역폭을 설명하는 그래프이다.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 바람직한 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에 설명하는 실시 형태는, 본 기술의 대표적인 실시 형태의 일 예를 나타낸 것으로, 어느 실시 형태도 조합하는 것이 가능하다. 또한, 이들에 의해 본 기술의 범위가 좁게 해석되는 일은 없다. 한편, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제1 실시 형태(다중 코일형)
(1) 메타 물질의 개요
(2) 파동 제어 매질(10)의 구성예(다중 코일형 1)
(3) 파동 제어 매질(10)의 제조 방법예
(4) 변형예(다중 코일형 2)
2. 제2 실시 형태(동축 케이블형)
3. 제3 실시 형태(더블 자이로이드형)
4. 제4 실시 형태(원추형)
5. 제5 실시 형태(와이어 구조와의 조합)
(1) 복수의 구조체의 조합
(2) 파동 제어 매질(50)의 구성예
(3) 파동 제어 매질(50)의 변형예 1
(4) 파동 제어 매질(50)의 변형예 2
6. 제6 실시 형태(플레이트 구조와의 조합)
(1) 파동 제어 매질(80)의 구성예
(2) 파동 제어 매질(80)의 변형예
7. 제7 실시 형태(구체 구조와의 조합)
8. 제8 실시 형태(전자파 흡수 부재)
9. 제9 실시 형태(전자파 도파로)
(1) 전자파 도파로(120)의 구성예
(2) 전자파 도파로(120)의 변형예
10. 비대역폭
11. 그 밖의 적용 용도
1. 제1 실시 형태(다중 코일형)
(1) 메타 물질의 개요
먼저, 전자파나 음파 등의 파동을 제어하는 매질의 단위 구조체인 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 개요에 대해 설명한다.
메타 물질은, 예를 들면, 전자파의 파장보다 충분히 작은 사이즈를 가지고, 또한 내부에 공진기를 가지는 단위 구조체를 유전체 중에 배열하여 구성된다. 한편, 메타 물질의 단위 구조체(공진기)의 간격은, 사용하는 전자파의 파장의 약1/10 정도 또는 그 이하, 또는, 약1/5 정도 또는 그 이하로 설정된다.
이러한 구성으로 설정함으로써, 메타 물질의 유전율(ε) 및/또는 투자율(μ)을 인공적으로 제어하는 것이 가능하게 되고, 메타 물질의 굴절율(n)(=±[ε·μ]1/2)을 인공적으로 제어할 수 있다. 특히, 메타 물질에서는, 단위 구조체의 예를 들면 형상이나 치수 등을 적절히 조정하여 부의 유전율 및 부의 투자율을 동시에 실현함으로써, 원하는 파장의 전자파에 대해, 굴절율을 부의 값으로 할 수도 있다.
그런데, 메타 물질의 공진(동작) 주파수(ω)는, LC 회로 이론에 의해 메타 물질을 회로로서 기술했을 경우의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의해 결정되고, 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)가 클수록 공진 주파수는 낮아진다. 즉, 큰 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)를 가지는 고밀도의 구조라면, 소형의 메타 물질이어도 파장이 긴(=주파수가 낮은) 파에 대해 기능시킬 수 있다.
이에, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같은 메타 물질을 실용화하기 위해서, 메타 물질의 소형화 및 광역화를 동시에 실현할 수 있는 메타 물질의 단위 구조체인 파동 제어 매질의 구성 및 그 제조 방법의 일 예에 대해 설명한다.
(2) 파동 제어 매질(10)의 구성예(다중 코일형 1)
먼저, 도 1을 참조하여, 본 기술의 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)의 3차원 미세 구조체의 구성예(다중 코일형 1)에 대해 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 관한 다중 코일형(1)의 파동 제어 매질(10)의 3차원 미세 구조체의 구성예를 나타내는 사시도이다. 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(10)은, 메타 물질의 단위 구조체이며, 전자파나 음파 등의 파동을 제어하는 것이 가능하다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(10)은, 나선 구조로 형성된 3차원 미세 구조체인 코일(11) 및 코일(12)을 구비하고 있다. 파동 제어 매질(10)은, 코일(11)의 외측에 코일(12)이 대향하여 병렬로 감겨 있는 세선(細線)의 이중 나선 구조를 형성하고 있다. 파동 제어 매질(10)은, 이중 코일에 한정되지 않고 3중 이상의 다중 코일 구조여도 된다. 3중 이상의 다중 코일인 경우, 각 코일의 대향 방향은, 평행한 위치 관계에 한정되지 않고, 서로 직접 접촉하고 있지 않은 배치라면 된다.
코일(11) 및 코일(12)은, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 구리 세선 등으로 형성되어 있다. 코일(11) 및 코일(12)의 재질은, 동일할 필요는 없고, 각각 다른 재질이어도 된다. 또한, 코일(11) 및 코일(12)은, 대향하는 코일(11)의 측면과 코일(12)의 측면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 나선 구조의 코일(11) 및 코일(12)에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(10)의 구성예에 대해 설명한다. 도 2A는, 본 실시형태에 관한 다중 코일형 1의 파동 제어 매질(10)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 도 2B는, 파동 제어 매질(10)의 구성예를 나타내는 측면도이며, 도 2C는, 파동 제어 매질(10)의 구성예를 나타내는 평면도이다.
도 2A에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(10)은, 병렬로 감긴 이중 나선 구조로 형성된 코일(11) 및 코일(12)과, 기판 또는 직방체로 형성되고, 정합 소자(13)를 통해 코일(11) 및 코일(12)에 연결되는 기부(14)를 구비하고 있다. 정합 소자(13)는, 코일(11) 및 코일(12)과 대향하는 기부(14)의 표면의 전면(全面)에 배치되어 있다.
정합 소자(13)는, 일 예로서, 동판, 수지, 저항의 역할을 가지는 손실형의 저항 소자, 콘덴서 및 인덕터의 역할을 가지는 회로형의 소자, 등을 적용할 수 있다. 또한, 기부(14)는, 일 예로서, 수지 또는 유전체를 적용할 수 있다.
도 2B에 나타낸 바와 같이, 코일(11) 및 코일(12) 전체의 높이(L1)는, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(11)과 코일(12)의 기부(14)의 표면에 대한 수평 방향의 폭(S1)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/10로 하는 것이 바람직하다. 파동 제어 매질(10)은, 코일(11) 및 코일(12)의 각각이 리액턴스와 등가의 역할을 가지고, 폭(S1)의 간격에 의해 콘덴서와 등가의 역할을 발휘하는 구조를 가지고 있다.
또한, 도 2C에 나타낸 바와 같이, 코일(11) 및 코일(12)의 한 번 감은 직경(D1)은, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(11) 및 코일(12)의 세선의 폭(d1)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/100로 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(10)은, 메타 물질의 단위 미세 구조체로서, 대향한 복수의 도체 세선으로 이루어지는 3차원적인 다중 코일로 함으로써, 소형화 및 광대역화를 동시에 실현하는 해결책을 제공한다.
3차원 코일 구조를 가지는 메타 물질은, 그 코일 길이와 같은 정도의 파장을 가지는 파, 및 그 정수분의 1이 되는 보다 짧은 파와 공진하고, 복수의 공진 피크가 브로드하게 결합한 광대역의 특성을 나타내는 것이 알려져 있다. 또한, 메타 물질 구조의 크기와 파장의 관계는, 메타 물질 구조를 등가 회로로서 파악했을 때의 인덕턴스 및 커패시턴스에 의존하고, 인덕턴스 및 커패시턴스가 큰 메타 물질일수록 소형으로 할 수 있다.
파동 제어 매질(10)은, 3차원 코일 구조를 다중화하여 인덕턴스를 증가시키고, 세선 사이를 커패시터화함으로써 커패시턴스를 증가시키고 있다. 따라서, 파동 제어 매질(10)에 의하면, 세밀 구조에 의해 소형화함과 동시에, 3차원 다중 공명 구조에 의해 광대역의 특성을 가지는 메타 물질을 실현할 수 있다. 나아가, 파동 제어 매질(10)은, 정합 소자(13)를 가짐으로써 전체의 임피던스 값의 변화를 완만하게 하여, 기부(14) 내에서의 반사파의 흡수를 가능하게 하고 있기 때문에, 파동을 흡수하여 제어할 수 있다.
또한, 파동 제어 매질(10)에 의하면, 파동 제어 매질(10)을 사용한 파동 제어 소자(안테나, 렌즈, 스피커 등)를 대폭으로 소형화할 수 있다. 또한, 파동 제어 매질(10)에 의하면, 자연 재료에서는 실현 불가능한 신규 기능인 완전 차폐, 흡수, 정류, 필터링 등이 가능하게 된다. 또한, 파동 제어 매질(10)은, 전자파에 한정되지 않고 광파나 음파 등의 폭넓은 영역에서 상기 효과를 발휘할 수 있다. 특히, 파동 제어 매질(10)은, 파장이 길고 대역이 넓은 영역에서 효과를 발휘할 수 있다.
(3) 파동 제어 매질(10)의 제조 방법예
다음으로, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(10)의 제조 방법의 일 예에 대해 설명한다.
파동 제어 매질(10)은, 일 예로서 분자 주형법에 의해 제조할 수 있다. 여기서, 분자 주형법이란, 유기물(인공/생체 고분자, 나노 입자, 액정 분자 등)로부터 얻어지는 미세하고 복잡한 구조체를 주형으로 하여, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체 등의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 미세 구조체를 형성하는 수법을 말한다. 분자 주형법은, 주로, 후술하는 2가지 수법이 알려져 있다.
첫번째는, 유기물의 구조체에 도금 등의 코팅을 행하는 방법이 있다. 두번째는, 금속이나 산화물 등의 전구체를 미리 도입한 유기물로 구조체로 형성하고, 이것을 소성 및 산화 환원하는 등 하여 전구체를 금속이나 산화물 등으로 변환하는 방법이 있다.
본 실시형태에서는, 유기물로 제작한 3차원의 나선 구조를 주형으로 하고, 여기에 전해 또는 무전해 도금을 실시함으로써 금속 나선 구조의 코일(11) 및 코일(12)로 형성된 파동 제어 매질(10)을 제작하고 있다. 파동 제어 매질(10)의 제조 공정에서는, 유기물의 자기 조직화를 이용함으로써, 코일(11) 및 코일(12)을 3차원 세밀 구조로 형성할 수 있다. 본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 통상의 방법으로는 제작 곤란한 복잡하고 미세한 3차원 미세 구조체를 가지는 파동 제어 매질(10)을 간이하게 제작하는 것이 가능하게 된다.
한편, 파동 제어 매질(10)은, 유전체 등의 기판 상에 제작한 금속막을 에칭한 후에, 응력에 의해 금속 패턴이 처지는 것을 이용하여, 3차원의 나선 구조를 형성하는 수법으로 제작해도 된다.
(4)변형예(다중 코일형 2)
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 실시형태의 변형예에 관한 파동 제어 매질(15)의 구성예에 대해 설명한다. 도 3A는, 본 실시형태의 변형예에 관한 다중 코일형 2의 파동 제어 매질(15)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 도 3B는, 파동 제어 매질(15)의 구성예를 나타내는 측면도이며, 도 3C는, 파동 제어 매질(15)의 구성예를 나타내는 평면도이다. 파동 제어 매질(15)은, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 마찬가지로 메타 물질의 단위 구조체이다.
도 3A에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(15)은, 단부가 어긋나 상하로 겹치는 이중 나선 구조로 형성된 코일(16) 및 코일(17)과, 기판 또는 직방체로 형성되고, 정합 소자(18)를 통해 코일(16) 및 코일(17)에 연결되는 기부(19)를 구비하고 있다. 정합 소자(18)는, 코일(16) 및 코일(17)과 대향하는 기부(19)의 표면의 전면에 배치되어 있다.
도 3B에 나타낸 바와 같이, 코일(16) 및 코일(17) 전체의 높이(L2)는, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(16)과 코일(17)의 기부(19)의 표면에 대한 수직 방향의 폭(S2)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/10로 하는 것이 바람직하다. 파동 제어 매질(15)은, 코일(16) 및 코일(17)의 각각이 리액턴스와 등가의 역할을 가지고, 폭(S2)의 간격에 의해 콘덴서와 등가의 역할을 발휘하는 구조를 가지고 있다.
또한, 도 3C에 나타낸 바와 같이, 코일(16) 및 코일(17)의 한 번 감은 직경(D2)은, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(16) 및 코일(17)의 세선의 폭(d2)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/100로 하는 것이 바람직하다. 또한, 코일(16)의 단부와 코일(17)의 단부의 나선 방향(원주 방향)의 어긋남은, 한 번 감은 중심각(θ)으로 나타내면, 1°∼90°가 바람직하다.
코일(16) 및 코일(17)의 재질은, 동일할 필요는 없고, 각각 다른 재질이어도 된다. 또한, 코일(16) 및 코일(17)은, 대향하는 코일(16)의 하면과 코일(17)의 상면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 및 코일(17)의 나선 구조에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.
파동 제어 매질(15)은, 3차원 코일 구조를 다중화하여 인덕턴스를 증가시키고, 세선 사이를 커패시터화함으로써 커패시턴스를 증가시키고 있다. 따라서, 파동 제어 매질(15)에 의하면, 세밀 구조에 의해 소형화함과 동시에, 3차원 다중 공명 구조에 의해, 보다 광대역의 특성을 가지는 메타 물질을 실현할 수 있다. 나아가, 파동 제어 매질(15)은, 파동 제어 매질(10)과 마찬가지로, 정합 소자(18)를 가짐으로써 파동을 흡수하여 제어할 수 있다.
2. 제2 실시 형태(동축 케이블형)
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 기술의 제2 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(20)의 구성예에 대해 설명한다. 도 4A는, 본 실시형태에 관한 동축 케이블형의 파동 제어 매질(20)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 도 4B는, 파동 제어 매질(20)의 구성예를 나타내는 측면도이며, 도 4C는, 파동 제어 매질(20)의 구성예를 나타내는 평면도이다. 도 5는, 파동 제어 매질(20)의 3차원 구조체의 구성예를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(20)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로 메타 물질의 단위 구조체이다.
도 4A에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(20)은, 내부 공간에 공극 또는 수지를 통해 코일(21)이 배치되고, 나선 구조로 형성된 코일(22)과, 기판 또는 직방체로 형성되고, 정합 소자(23)를 통해 코일(22)에 연결되는 기부(24)를 구비하고 있다. 정합 소자(23)는, 코일(22)과 대향하는 기부(24)의 표면의 전면에 배치되어 있다.
도 4B에 나타낸 바와 같이, 코일(22) 전체의 높이(L3)는, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(21)과 코일(22)의 사이의 공극(G) 또는 수지의 폭(S3)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/10로 하는 것이 바람직하다. 파동 제어 매질(20)은, 코일(21) 및 코일(22)의 각각이 리액턴스와 등가의 역할을 가지고, 폭(S3)의 간격에 의해 콘덴서와 등가의 역할을 발휘하는 구조를 가지고 있다.
또한, 도 4C에 나타낸 바와 같이, 코일(21) 및 코일(22)의 한 번 감은 직경(D3)은, 입사 파동의 파장의 1/100∼1/2로 하는 것이 바람직하고, 코일(21) 및 코일(22)의 세선의 폭(d3)은, 입사 파동의 파장의 1/1000∼1/100로 하는 것이 바람직하다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(20)의 3차원 구조체는, 동축 케이블형을 형성하고 있다. 파동 제어 매질(20)은, 예를 들면, 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 같은 나선 구조로 형성된 3차원 미세 구조체인 코일(21)의 외측면을 미세한 공극(G) 또는 수지를 사이에 두고 코일(22)의 내측면으로 덮은 형상의 2층 구조(다층 구조)로 형성되어 있다. 파동 제어 매질(20)은, 전체적으로 하나의 코일 구조를 형성하고 있지만, 코일(22)과 코일(22)에 내장된 코일(21)로 형성된 2개의 3차원 미세 구조체를 가지고 있다. 한편, 파동 제어 매질(20)은, 2층 구조에 한정되지 않고 3층 이상의 다층 구조여도 되고, 전체적으로 하나의 코일에 한정되지 않고 이중 이상의 다중 코일 구조여도 된다.
코일(21) 및 코일(22)은, 세선으로 형성되어 있다. 코일(21) 및 코일(22)은, 대향하는 코일(21)의 외측면과 코일(22)의 내측면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 나선 구조의 코일(21) 및 코일(22)에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.
파동 제어 매질(20)은, 3차원 코일 구조를 다층화하여 인덕턴스를 증가시키고, 세선의 코일(21)의 외측면과 코일(22)의 내측면의 사이를 커패시터화함으로써 커패시턴스를 증가시키고 있다. 따라서, 파동 제어 매질(20)에 의하면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 세밀 구조에 의해 소형화함과 동시에, 3차원 다중 공명 구조에 의해 광대역의 특성을 가지는 메타 물질을 실현할 수 있다.
3. 제3 실시 형태(더블 자이로이드형)
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 기술의 제3 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(30)의 구성예에 대해 설명한다. 도 6은, 본 실시형태에 관한 더블 자이로이드형의 파동 제어 매질(30)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(30)도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 메타 물질의 단위 구조체이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(30)은, 더블 자이로이드형을 형성하고 있다. 여기서, 더블 자이로이드란, 2개의 코일이 서로 접하지 않고 대향하여 서로 얽힌 연속 구조를 말한다. 파동 제어 매질(30)은, 3차원 미세 구조체의 코일(31) 및 코일(32)을 구비하고, 코일(31)과 코일(32)이 서로 접하지 않고 대향하여 서로 얽힌 연속적인 3차원 구조를 형성하고 있다. 한편, 파동 제어 매질(30)은, 이중 코일의 더블 자이로이드에 한정되지 않고 3중 이상의 다중 코일 구조의 자이로이드여도 된다.
코일(31) 및 코일(32)은, 세선으로 형성되어 있다. 코일(31) 및 코일(32)은, 대향하는 코일(31)의 측면과 코일(22)의 측면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 연속적인 3차원 구조의 코일(31) 및 코일(32)에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.
파동 제어 매질(30)은, 3차원 코일 구조를 다중화하여 인덕턴스를 증가시키고, 세선의 코일(31)의 측면과 코일(22)의 측면의 사이를 커패시터화함으로써 커패시턴스를 증가시키고 있다. 따라서, 파동 제어 매질(30)에 의하면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 세밀 구조에 의해 소형화함과 동시에, 3차원 다중 공명 구조에 의해 광대역의 특성을 가지는 메타 물질을 실현할 수 있다.
4. 제4 실시 형태(원추형)
다음으로, 도 7을 참조하여, 본 기술의 제4 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(40)의 구성예에 대해 설명한다. 도 7은, 본 실시형태에 관한 원추형의 파동 제어 매질(40)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(40)도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 메타 물질의 단위 구조체이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(40)은, 전체적으로, 도 7의 지면에대해 아래쪽으로 확대된 원추 형상을 형성하고 있다. 파동 제어 매질(40)은, 3차원 미세 구조체의 코일(41) 및 코일(42)을 구비하고, 코일(41)의 외측에 코일(42)이 대향하여 병렬로 감겨 있는 세선의 이중 나선 구조를 형성하고 있다. 한편, 파동 제어 매질(40)은, 이중 코일에 한정되지 않고 3중 이상의 다중 코일 구조여도 된다. 또한, 파동 제어 매질(40)은, 전체적으로, 도 7의 지면에 대해 아래쪽으로 좁아진 원추형이어도 된다.
코일(41) 및 코일(42)은, 세선으로 형성되어 있다. 코일(41) 및 코일(42)은, 대향하는 코일(41)의 측면과 코일(42)의 측면의 사이에서 콘덴서를 형성하고, 원추 형상의 나선 구조의 코일(41) 및 코일(42)에 의해 3차원 다중 공명 구조로 함으로써 인덕터를 형성하고 있다.
파동 제어 매질(40)은, 3차원 코일 구조를 다중화하여 인덕턴스를 증가시키고, 세선의 코일(41)의 측면과 코일(42)의 측면의 사이를 커패시터화함으로써 커패시턴스를 증가시키고 있다. 따라서, 파동 제어 매질(40)에 의하면, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 세밀 구조에 의해 소형화함과 동시에, 3차원 다중 공명 구조에 의해 광대역의 특성을 가지는 메타 물질을 실현할 수 있다.
5. 제5 실시 형태(와이어 구조와의 조합)
(1) 복수의 구조체의 조합
본 기술의 제5 실시 형태에서는, 파동 제어 매질을 복수의 구조체의 조합으로 설계하는 예에 대해 설명한다. 복수의 구조체를 조합하는 목적은, 예를 들면, 전자파를 구성하는 전장(電場) 및 자장(磁場)에 대해 각 구조체가 각각 기능하는 구조로 하는 것이다. 즉, 각 구조에 따라 기능을 분담하는 것이 목적이다.
여기서, 전장에 대해 기능하는 것은 비유전율(εr)을 제어하는 것이 되고, 자장에 대해 기능하는 것은 비투자율(μr)을 제어하는 것이 된다. 따라서, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질은, 복수의 구조체를 조합함으로써, 비유전율 및 비투자율을 원하는 값으로 자유도 높게 제어할 수 있다.
(2) 파동 제어 매질(50)의 구성예
다음으로, 도 8을 참조하여, 본 기술의 제5 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(50)의 구성예에 대해 설명한다. 도 8은, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(50)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(50)이 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 다른 점은, 이중 코일 구조에, 와이어 구조가 조합되어 있는 점이다. 파동 제어 매질(50)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(10)의 구성과 마찬가지이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(50)은, 나선 구조로 형성된 3차원 미세 구조체인 코일(11) 및 코일(12)을 구비하고 있다. 파동 제어 매질(50)은, 코일(11)의 외측에 코일(12)이 대향하여 병렬로 감겨 있는 세선의 이중 나선 구조를 형성하고 있다. 또한, 파동 제어 매질(50)은, 코일(11) 내측의 나선 구조의 중심축 위치에, 중심축이 연장되는 방향으로 연장된 봉 형상이면서 세선의 와이어(51)가 구비되어 있다. 와이어(51)는, 코일(11)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
파동 제어 매질(50)의 코일은, 이중 코일에 한정되지 않고, 하나의 코일 또는 3중 이상의 다중 코일 구조여도 된다. 3중 이상의 다중 코일인 경우, 각 코일의 대향 방향은, 평행한 위치 관계에 한정되지 않고, 서로 직접 접촉하고 있지 않은 배치라면 된다.
와이어(51)는, 코일(11) 및 코일(12)과 마찬가지로, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 세선으로 형성되어 있다. 또한, 와이어(51)는, 코일(11) 및 코일(12)의 재질과, 동일할 필요는 없고, 각각 다른 재질이어도 된다. 또한, 와이어(51)의 개수는, 1개에 한정되지 않고, 2개 이상이어도 된다. 한편, 와이어(51)는, 코일(11) 및 코일(12)에 내포되어 있는 경우에 한정되지 않고, 코일(11) 및 코일(12)과 인접하는 경우나 근방에 존재하는 경우여도 된다.
파동 제어 매질(50)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 와이어(51)가 연장되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 직교하는 것으로 한다. 이 때, 와이어(51)는 자장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 기능한다. 즉, 와이어(51)를 따라 진동하는 전자는, 자장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 대해 기능한다.
이와 같이, 자장에 대해 기능하는 것은 비투자율(μr)을 제어하게 되고, 전장에 대해 기능하는 것은 비유전율(εr)을 제어하게 된다. 따라서, 파동 제어 매질(50)은, 복수의 구조체를 조합함으로써, 비투자율 및 비유전율을 원하는 값으로 자유도 높게 제어할 수 있다.
본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(50)에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 마찬가지의 효과에 더하여, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조만으로 원하는 물성을 얻는 것이 곤란한 경우에, 와이어(51)의 구조체를 조합함으로써 기능의 역할 분담을 행하여, 비투자율 및/또는 비유전율을 미조정(微調整)할 수 있다. 또한, 파동 제어 매질(50)에 의하면, 와이어(51)와 코일(11)의 사이에서 콘덴서의 역할도 가지기 때문에, 파동 제어 매질(10)보다 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
(3) 파동 제어 매질(50)의 변형예 1
다음으로, 도 9를 참조하여, 파동 제어 매질(50)의 변형예 1에 대해 설명한다. 도 9는, 파동 제어 매질(50)의 변형예 1인 파동 제어 매질(60)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(60)은, 와이어가 코일의 외부에 위치하고, 또한, 코일의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되어 있는 점이, 파동 제어 매질(50)과 다르다. 파동 제어 매질(60)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(50)의 구성과 마찬가지이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(60)은, 코일(11) 및 코일(12)의 외측에, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조의 중심축과 직교하는 방향으로 연장된 봉 형상의 세선의 와이어(61)가 구비되어 있다. 와이어(61)는, 코일(12)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
파동 제어 매질(60)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 와이어(61)가 연장되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 일치하는 것으로 한다. 이 때, 와이어(61)는 전장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 자장에 기능한다. 즉, 와이어(61)를 따라 진동하는 전자는, 전장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)을 따라 전자가 진동함으로써 환상 전류가 생기면, 전자 유도의 원리에 의해 코일(11) 및 코일(12) 중앙의 중심축 위치에 자력이 유기(誘起)되고, 그 결과 코일(11) 및 코일(12)은 자장에 대해 기능한다.
이와 같이, 전장에 대해 기능하는 것은 비유전율(εr)을 제어하게 되고, 자장에 대해 기능하는 것은 비투자율(μr)을 제어하게 된다. 따라서, 파동 제어 매질(60)은, 복수의 구조체를 조합함으로써, 비유전율이나 비투자율을 원하는 값으로 자유도 높게 제어할 수 있다.
본 변형예에 관한 파동 제어 매질(60)에 의하면, 파동 제어 매질(50)과 마찬가지로, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조만으로 원하는 물성을 얻는 것이 곤란한 경우에, 와이어(61)의 구조체를 조합함으로써 기능의 역할 분담을 행하여, 비유전율 및/또는 비투자율을 미조정할 수 있다.
(4) 파동 제어 매질(50)의 변형예 2
다음으로, 도 10을 참조하여, 파동 제어 매질(50)의 변형예 2에 대해 설명한다. 도 10은, 파동 제어 매질(50)의 변형예 2인 파동 제어 매질(70)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(70)은, 와이어가 코일의 외부에 위치하고 있는 점이, 파동 제어 매질(50)과 다르다. 파동 제어 매질(70)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(50)의 구성과 마찬가지이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(70)은, 코일(11) 및 코일(12)의 외측에, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조의 중심축과 평행한 방향으로 연장된 봉형상의 세선의 와이어(71)가 구비되어 있다. 와이어(71)는, 코일(12)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
파동 제어 매질(70)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 와이어(71)가 연장되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 직교하는 것으로 한다. 이 때, 와이어(71)는 자장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 기능한다. 즉, 와이어(71)를 따라 진동하는 전자는, 자장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 대해 기능한다.
본 변형예에 관한 파동 제어 매질(70)에 의하면, 파동 제어 매질(50)과 마찬가지의 효과를 가질 수 있다.
6. 제6 실시 형태(플레이트 구조와의 조합)
(1) 파동 제어 매질(80)의 구성예
다음으로, 도 11을 참조하여, 본 기술의 제6 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(80)의 구성예에 대해 설명한다. 도 11은, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(80)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(80)이 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 다른 점은, 이중 코일 구조에, 플레이트 구조가 조합되어 있는 점이다. 파동 제어 매질(80)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(10)의 구성과 마찬가지이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(80)은, 파동 제어 매질(10)과 마찬가지로, 코일(11) 및 코일(12)을 구비하고 있다. 또한, 파동 제어 매질(80)은, 코일(11) 및 코일(12)의 외측에, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조의 중심축과 평행한 방향으로 연장된 얇은 판형상의 플레이트(81)가 구비되어 있다. 플레이트(81)는, 코일(12)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
플레이트(81)는, 코일(11) 및 코일(12)과 마찬가지로, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 세선으로 형성되어 있다. 또한, 플레이트(81)는, 코일(11) 및 코일(12)의 재질과, 동일할 필요는 없고, 각각 다른 재질이어도 된다. 또한, 플레이트(81)의 매수는, 1장에 한정되지 않고, 2장 이상이어도 된다. 한편, 플레이트(81)는, 코일(11) 내측의 나선 구조의 중심축 위치에, 중심축이 연장되는 방향으로 코일(11)과 이격하여 구비할 수도 있다. 이 경우, 플레이트(81)와 코일(11)의 사이에서 콘덴서의 역할을 가지기 때문에, 파동 제어 매질(10)보다 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
파동 제어 매질(80)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 플레이트(81)가 연장되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 직교하는 것으로 한다. 이 때, 플레이트(81)는 자장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 기능한다. 즉, 플레이트(81)를 따라 진동하는 전자는, 자장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 대해 기능한다.
이와 같이, 자장에 대해 기능하는 것은 비투자율(μr)을 제어하게 되고, 전장에 대해 기능하는 것은 비유전율(εr)을 제어하게 된다. 따라서, 파동 제어 매질(80)은, 복수의 구조체를 조합함으로써, 비투자율 및 비유전율을 원하는 값으로 자유도 높게 제어할 수 있다.
본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(80)에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 마찬가지의 효과에 더하여, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조만으로 원하는 물성을 얻는 것이 곤란한 경우에, 플레이트(81)의 구조체를 조합함으로써 기능의 역할 분담을 행하여, 비투자율 및/또는 비유전율을 미조정할 수 있다.
(2) 파동 제어 매질(80)의 변형예
다음으로, 도 12를 참조하여, 파동 제어 매질(80)의 변형예에 대해 설명한다. 도 12는, 파동 제어 매질(80)의 변형예인 파동 제어 매질(90)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(90)은, 플레이트가 코일의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되어 있는 점이, 파동 제어 매질(80)과 다르다. 파동 제어 매질(90)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(90)의 구성과 마찬가지이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(90)은, 코일(11) 및 코일(12)의 외측에, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조의 중심축과 직교하는 방향으로 연장된 판 형상의 세선의 플레이트(91)가 구비되어 있다. 플레이트(91)는, 코일(12)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
파동 제어 매질(90)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 플레이트(91)가 연장되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 일치하는 것으로 한다. 이 때, 플레이트(91)는 전장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 자장에 기능한다. 즉, 플레이트(91)를 따라 진동하는 전자는, 전장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)을 따라 전자가 진동함으로써 환상 전류가 생기면, 전자 유도의 원리로 코일(11) 및 코일(12) 중앙의 중심축 위치에 자력이 유기되고, 그 결과 코일(11) 및 코일(12)은 자장에 대해 기능한다.
이와 같이, 전장에 대해 기능하는 것은 비유전율(εr)을 제어하게 되고, 자장에 대해 기능하는 것은 비투자율(μr)을 제어하게 된다. 따라서, 파동 제어 매질(90)은, 복수의 구조체를 조합함으로써, 비유전율이나 비투자율을 원하는 값으로 자유도 높게 제어할 수 있다.
본 변형예에 관한 파동 제어 매질(90)에 의하면, 파동 제어 매질(80)과 마찬가지로, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조만으로 원하는 물성을 얻는 것이 곤란한 경우에, 플레이트(81)의 구조체를 조합함으로써 기능의 역할 분담을 행하여, 비유전율 및/또는 비투자율을 미조정할 수 있다.
7. 제7 실시 형태(구체 구조와의 조합)
다음으로, 도 13을 참조하여, 본 기술의 제7 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(100)의 구성예에 대해 설명한다. 도 13은, 본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(100)의 구성예를 나타내는 사시도이다. 파동 제어 매질(100)이 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 다른 점은, 이중 코일 구조에, 구체 구조가 조합되어 있는 점이다. 파동 제어 매질(100)의 그 밖의 구성은, 파동 제어 매질(10)의 구성과 마찬가지이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 파동 제어 매질(100)은, 파동 제어 매질(10)과 마찬가지로, 3차원 미세 구조체인 코일(11) 및 코일(12)을 구비하고 있다. 또한, 파동 제어 매질(100)은, 코일(11) 내측의 나선 구조의 중심축 위치에, 중심축이 연장되는 방향으로 배열된 복수의 구체(101)가 구비되어 있다. 구체(101)는, 코일(11)과 미세한 간격만큼 이격하여 배치되어 있다.
구체(101)는, 코일(11) 및 코일(12)과 마찬가지로, 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 형성되어 있다. 또한, 구체(101)는, 코일(11) 및 코일(12)의 재질과, 동일할 필요는 없고, 각각 다른 재질이어도 된다. 또한, 구체(101)의 개수에 한정은 없고, 몇 개라도 된다. 한편, 구체(101)는, 코일(11) 및 코일(12)의 외측에 배치할 수도 있다.
파동 제어 매질(100)에서는, 부여하는 전파의 전장 방향과 구체(101)가 배열되는 전자의 진동 방향이 일치하고, 부여하는 전파의 자장 방향과 코일(11) 및 코일(12) 내를 흐르는 환상 전류에 의해 전자 유도되는 자력 방향이 직교하는 것으로 한다. 이 때, 구체(101)는 자장에 기능하고, 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 기능한다. 즉, 구체(101)를 따라 진동하는 전자는, 자장에 대해 기능한다. 또 코일(11) 및 코일(12)은 전장에 대해 기능한다.
본 실시형태에 관한 파동 제어 매질(100)에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 파동 제어 매질(10)과 마찬가지의 효과에 더하여, 코일(11) 및 코일(12)의 나선 구조만으로 원하는 물성을 얻는 것이 곤란한 경우에, 구체(101)의 구조체를 조합함으로써 기능의 역할 분담을 행하여, 비투자율 및/또는 비유전율을 미조정할 수 있다. 나아가, 파동 제어 매질(100)에 의하면, 구체(101)와 코일(11)의 사이에서 콘덴서의 역할도 가지기 때문에, 파동 제어 매질(10)보다 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
8. 제8 실시 형태(전자파 흡수 부재)
다음으로, 도 14 및 도 15를 참조하여, 본 기술의 제8 실시 형태에 관한 전자파 흡수 부재(110)의 구성예에 대해 설명한다. 도 14는, 본 실시형태에 관한 전자파 흡수 부재(110)의 구성예를 나타내는 연장 방향에 수직인 단면도이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 전자파 흡수 부재(전자파 흡수 시트)(110)는, 연장 방향에 수직인 단면이 수평 방향으로 확대된 직사각형의 형상을 이루고 있다. 전자파 흡수 부재(110)는, 하부에 지지체(111)를 구비하고, 지지체(111)의 상부에 파동 제어 매질(112)을 구비하고 있다. 지지체(111)는, 금속, 유전체 또는 수지로 형성되어 있다.
파동 제어 매질(112)은, 상술한 파동 제어 매질(10∼100)의 3차원 구조체 중 어느 하나가, 어레이 구조로 집적되거나, 또는 복수 분산 배치된 파동 제어 소자의 수지를 가지는 메타 물질이다.
일 예로서, 파동 제어 매질(10)의 3차원 구조체를 수지 내에 분산 배치한 구조를, 도 15에 나타내고 있다. 도 15A는, 경사 방향으로부터 본 전자파 흡수 부재(110)의 구성예를 나타내는 투시도이다. 도 15A는, 단면 방향으로부터 본 전자파 흡수 부재(110)의 구성예를 나타내는 투시도이다.
도 15A 및 도 15B에 나타낸 바와 같이, 전자파 흡수 부재(110)는, 파동 제어 매질(112)의 수지 내에 복수의 파동 제어 매질(10)의 3차원 구조체가 입자로서 랜덤 분산 배치되어 있다.
전자파 흡수 부재(110)는, 파동 제어 매질(10)의 3차원 구조체가 배치된 파동 제어 매질(112)에 의해 전자파를 흡수하는 방향으로 굴절율을 제어함으로써, 조사된 전자파를 흡수할 수 있다. 또한, 전자파 흡수 부재(110)는, 파동 제어 매질(112)에 의해 전자파를 차폐하는 방향으로 굴절율을 제어함으로써, 조사된 전자파를 차폐하는 전자파 차폐 부재로서 사용할 수도 있다. 또한, 전자파 흡수 부재(110)는, ETC나 레이더 등의 센서에 적용할 수 있다.
9. 제9 실시 형태(전자파 도파로)
(1) 전자파 도파로(120)의 구성예
다음으로, 도 16을 참조하여, 본 기술의 제9 실시 형태에 관한 전자파 도파로(120)의 구성예에 대해 설명한다. 도 16은, 본 실시형태에 관한 전자파 도파로(120)의 구성예를 나타내는 연장 방향에 수직인 단면도이다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 전자파 도파로(120)는, 연장 방향에 수직인 단면이 수평 방향으로 확대된 직사각형의 형상을 이루고 있다. 전자파 도파로(120)는, 하부에 지지체(121)를 구비하고, 지지체(121)의 상부에 이산화규소(SiO2) 또는 유전체의 매질(122)을 구비하고 있다. 지지체(121)는, 규소(Si), 금속, 유전체 또는 수지로 형성되어 있다.
매질(122) 중앙부의 지지체(121)와의 접촉 위치에, 단면이 수평 방향으로 확대된 직사각형의 형상을 이룬 도파관(123)을 구비하고 있다. 도파관(123)은, 상술한 파동 제어 매질(10∼100) 중 어느 하나가, 어레이 구조로 집적되거나, 또는 복수 분산 배치된 파동 제어 소자의 수지를 가지는 메타 물질로 형성되어 있다. 한편, 전자파 도파로(120) 및 도파관(123)의 형상은, 본 실시형태에 한정되지 않고, 원통 형상 등이어도 된다.
전자파 도파로(120)는, 상기 구성에 의해, 도파관(123)으로 가이드한 전자파의 굴절율을 제어할 수 있다. 또한, 전자파 도파로(120)는, 연산 소자에 구비할 수 있다.
(2) 전자파 도파로(120)의 변형예
다음으로, 도 17을 참조하여, 전자파 도파로(120)의 구성예에 대해 설명한다. 도 17은, 전자파 도파로(120)의 변형예인 전자파 도파로(130)의 구성예를 나타내는 연장 방향에 수직인 단면도이다. 전자파 도파로(130)는, 도파관 내에 파동 제어 매질 이외의 재질의 층이 형성되어 있는 점이, 전자파 도파로(120)와 다르다. 전자파 도파로(130)의 전체 형상은, 전자파 도파로(120)와 마찬가지이다.
도 17에 나타낸 바와 같이, 전자파 도파로(130)는, 연장 방향에 수직인 단면이 수평 방향으로 확대된 직사각형의 형상을 이루고 있다. 전자파 도파로(130)는, 하부에 지지체(131)를 구비하고, 지지체(131)의 상부에 이산화규소(SiO2) 또는 유전체의 매질(132)을 구비하고 있다. 지지체(131)는, 금속, 유전체 또는 수지로 형성되어 있다.
매질(132) 중앙부의 지지체(131)와의 접촉 위치에, 단면이 수평 방향으로 확대된 직사각형의 형상을 이룬 도파관(133)을 구비하고 있다. 도파관(133)은, 상술한 파동 제어 매질(10∼100) 중 어느 하나가, 어레이 구조로 집적되거나, 또는 복수 분산 배치된 파동 제어 소자의 수지를 가지는 메타 물질로 형성되어 있다. 또한, 도파관(133) 중앙부의 지지체(131)와의 접촉 위치에는, 도파관(133)과 동일 형상의 규소(Si) 또는 수지의 매질층(134)이 형성되어 있다.
전자파 도파로(130)는, 상기 구성에 의해, 도파관(133)으로 가이드한 전자파의 굴절율을 제어할 수 있다.
10. 비대역폭
다음으로, 도 18을 참조하여, 본 기술의 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 비대역폭에 대해 설명한다. 도 18은, 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 비대역폭의 일 예를 설명하는 그래프이다.
도 18의 그래프의 종축은 주파수(f)를 나타내고, 횡축은 주파수의 대역(B)을 나타내고 있다. 도 18의 곡선(K)은, 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 대역폭(B)과 주파수(f)의 관계를 나타내고 있다.
곡선(K)으로부터, 상기 메타 물질의 비대역폭을 구한다. 여기서, 대역폭이란, 피크 주파수의 2-1/2의 주파수의 대역간 거리를 말하고, 비대역폭이란, 대역폭을 중심 주파수인 피크 주파수로 나눈 것을 말한다.
곡선(K)에서는, 대역(Bc)일 때 피크 주파수(fc)이며, 대역(B1 및 B2)일 때 피크 주파수의 2-1/2의 주파수(f1)이다. 따라서, 곡선(K)에서는, 대역폭이 B2-B1이며, 비대역폭이 (B2-B1)/fc가 된다.
이상으로부터, 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질은, 그 파동 제어 매질의 길이 방향의 거리가 파동의 파장의 1/10 미만이고, 또한 응답의 비대역폭이 30%이상인 경우가, 최적이다. 따라서, 상기 실시 형태에 의하면, 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 구비하고, 길이 방향의 거리가 파동의 파장의 1/10 미만이고, 또한 응답의 비대역폭이 30% 이상인, 파동 제어 소자를 제공할 수 있다. 한편, 이 파동 제어 소자는, 상기 파동 제어 매질이 어레이 구조로 집적된 것이어도 되고, 복수 분산 배치된 것이어도 된다.
11. 그 밖의 적용 용도
다음으로, 본 기술의 상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질의 적용 용도에 대해 설명한다.
상기 실시 형태에 관한 파동 제어 매질을 가지는 메타 물질은, 상술한 용도 외에, 송수신 또는 수발광을 행하는 파동 제어 장치, 소형 안테나, 저배(low-profile) 안테나, 주파수 선택 필터, 인공 자기 도체, 일렉트로 밴드 갭 부재, 노이즈 대책 부재, 아이솔레이터, 전파 렌즈, 레이더 부재, 광학 렌즈, 광학 필름, 테라헤르츠용 광학 소자, 전파 및 광학 미채(迷彩)·비가시화 부재, 방열 부재, 차열 부재, 축열 부재, 전자파의 변복조, 파장 변환 등, 비선형 디바이스, 스피커, 등에 적용할 수 있다.
한편, 본 기술에서는, 이하의 구성을 취할 수 있다.
(1)
금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 3차원 미세 구조체를 적어도 2개 조합하여 형성되고, 콘덴서 및 인덕터의 역할을 가지는, 파동 제어 매질.
(2)
상기 3차원 미세 구조체가, 나선 구조로 형성되어 있는, (1)에 기재된 파동 제어 매질.
(3)
상기 3차원 미세 구조체가, 다층 구조로 형성되어 있는, (1) 또는 (2)에 기재된 파동 제어 매질.
(4)
상기 적어도 2개의 3차원 미세 구조체가, 서로 접하지 않고 대향하여 서로 얽힌 연속 구조로 형성되어 있는, (1)에 기재된 파동 제어 매질.
(5)
상기 3차원 미세 구조체가, 원추 형상으로 형성되어 있는, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질.
(6)
상기 3차원 미세 구조체 중 적어도 일방이, 와이어 형상, 플레이트 형상, 구체 형상의 어느 하나로 형성되어 있는, (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질.
(7)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질이 어레이 구조로 집적된 파동 제어 소자.
(8)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질이 복수 분산 배치된 파동 제어 소자.
(9)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질을 구비하고, 길이 방향의 거리가 파동의 파장의 1/10 미만이고, 또한 응답의 비대역폭이 30% 이상인, 파동 제어 소자.
(10)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질로 구성되는 메타 물질을 가지는 파동 제어 장치.
(11)
(10)에 기재된 메타 물질을 가지는, 전자파의 흡수 및/또는 차폐 부재를 구비하는 파동 제어 장치.
(12)
(11)에 기재된 전자파의 흡수 및/또는 차폐 부재를 구비하는 센서를 구비하는 파동 제어 장치.
(13)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질을 가지는 전자파 도파로를 구비하는 파동 제어 장치.
(14)
(13)에 기재된 전자파 도파로를 가지는 연산 소자를 구비하는 파동 제어 장치.
(15)
(1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 파동 제어 매질을 사용하여 송수신 또는 수발광을 행하는, 파동 제어 장치.
(16)
금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합에서 선택된 재료로 이루어지는 미세 구조체를, 유기물의 자기 조직화를 이용한 분자 주형에 의해 3차원 구조로 형성하는, 파동 제어 매질의 제조 방법.
10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 ; 파동 제어 매질
11, 12, 16, 17, 21, 22, 31, 32, 41, 42 ; 코일(3차원 구조체)
13, 18, 23 ; 정합 소자
14, 19, 24 ; 기부
51, 61, 71 ; 와이어
81, 91 ; 플레이트
101 ; 구체
110 ; 전자파 흡수 부재
111, 121, 131 ; 지지체
112 ; 파동 제어 매질
120, 130 ; 전자파 도파로
122, 132 ; 매질
123, 133 ; 도파관
134 ; 매질층

Claims (16)

  1. 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합으로부터 선택된 재료로 이루어지는 3차원 미세 구조체를 적어도 2개 조합하여 형성되고, 콘덴서 및 인덕터의 역할을 가지는, 파동 제어 매질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 미세 구조체가, 나선 구조로 형성되어 있는, 파동 제어 매질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 미세 구조체가, 다층 구조로 형성되어 있는, 파동 제어 매질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 3차원 미세 구조체가, 서로 접하지 않고 대향하여 서로 얽힌 연속 구조로 형성되어 있는, 파동 제어 매질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 미세 구조체가, 원추 형상으로 형성되어 있는, 파동 제어 매질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 미세 구조체 중 적어도 일방이, 와이어 형상, 플레이트 형상, 구체 형상의 어느 하나로 형성되어 있는, 파동 제어 매질.
  7. 제1항에 기재된 파동 제어 매질이 어레이 구조로 집적된 파동 제어 소자.
  8. 제1항에 기재된 파동 제어 매질이 복수 분산 배치된 파동 제어 소자.
  9. 제1항에 기재된 파동 제어 매질을 구비하고, 길이 방향의 거리가 파동의 파장의 1/10 미만이고, 또한 응답의 비대역폭이 30% 이상인, 파동 제어 소자.
  10. 제1항에 기재된 파동 제어 매질로 구성되는 메타 물질을 가지는 파동 제어 장치.
  11. 제10항에 기재된 메타 물질을 갖는 전자파 흡수 및/또는 차폐 부재를 구비하는 파동 제어 장치.
  12. 제11항에 기재된 전자파 흡수 및/또는 차폐 부재를 갖는 센서를 구비하는 파동 제어 장치.
  13. 제1항에 기재된 파동 제어 매질을 갖는 전자파 도파로를 구비하는 파동 제어 장치.
  14. 제13항에 기재된 전자파 도파로를 갖는 연산 소자를 구비하는 파동 제어 장치.
  15. 제1항에 기재된 파동 제어 매질을 사용하여 송수신 또는 수발광을 행하는, 파동 제어 장치.
  16. 금속, 유전체, 자성체, 반도체, 초전도체의 어느 하나, 또는, 이들의 복수의 조합으로부터 선택된 재료로 이루어지는 미세 구조체를, 유기물의 자기 조직화를 이용한 분자 주형에 의해 3차원 구조로 형성하는, 파동 제어 매질의 제조 방법.
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