KR20230095436A - 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질로 이루어진 전도성 메타패턴이 형성되며, 상기 전도성 메타패턴의 일부 지점과 상기 금속 반사층의 표면 간을 연결하는 복수의 비아홀이 상기 유전체를 관통하여 형성된 구조의 전자기파 메타물질 흡수체를 제공한다.
본 발명에 따른 다수의 비아 홀이 포함된 전자기파 메타물질 흡수체는 광대역뿐만 아니라 광각 입사 조건에서도 우수한 흡수 성능이 유지되는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 다수의 비아 홀이 포함된 전자기파 메타물질 흡수체는 광대역뿐만 아니라 광각 입사 조건에서도 우수한 흡수 성능이 유지되는 장점을 갖는다.
Description
본 발명은 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 내부에 다수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체에 관한 것이다.
전자기파 흡수체(Electromagnetic absorber)는 무선 통신 단말기, 레이더 등에서 발생하는 전자기파 간섭 방지용 소재 및 전투기, 함정 등 무기체계의 레이더 반사 면적을 감소시킬 수 있는 국방 스텔스 기술로 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(Electromagnetic metamaterial absorber)는 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 광대역의 넓은 흡수 대역폭 성능을 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 하지만 입사 각도가 증가할수록 흡수 성능이 급격히 감소하는 한계를 갖는다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-1567260호(2015.11.09 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은 광각의 입사 조건에서도 흡수 성능이 유지되는 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질로 이루어진 전도성 메타패턴이 형성되며, 상기 전도성 메타패턴의 일부 지점과 상기 금속 반사층의 표면 간을 연결하는 복수의 비아홀이 상기 유전체를 관통하여 형성된 구조의 전자기파 메타물질 흡수체를 제공한다.
또한, 상기 유전체는, 아크릴, 테플론, FR4, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 물질은, 카본, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물(ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 비아홀은, 내벽이 구리, 은, 금, 철 또는 카본 소재로 코팅되거나 채워진 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 전도성 메타패턴은, 상기 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀이 서로 조합 배열되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 복수의 비아홀은, 상기 복수의 제1 평행사변형 픽셀 중에서 선택된 복수의 픽셀과 상기 금속 반사층 간을 연결할 수 있다.
또한, 상기 전도성 메타패턴은, 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 메타물질 흡수체의 외곽 모양은 육각형 형태, 정사각형 형태 또는 직사각형 형태일 수 있다.
또한, 상기 메타물질 흡수체의 외곽 모양은 육각형 형태이며, 상기 메타물질 흡수체의 중심을 기준으로 상기 전도성 메타패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴 형상 및 비아홀 위치가 서로 대칭 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수의 비아홀은, 두 개가 한 쌍을 이루며 상기 3개의 각 영역 마다 한 쌍으로 존재할 수 있다.
또한, 상기 전도성 메타패턴은, 상기 3개의 영역 중 제1 내지 제3 영역 상에 각각 형성되며, 상기 제1 및 제2 평행사변형 픽셀들의 조합으로 구성되되 해당 영역 상에 형성된 한 쌍의 비아홀의 상단을 전기적으로 연결하는 제1 내지 제3 패턴부를 포함하고, 상기 유전체 상부에서 각각의 제1 내지 제3 패턴부 사이가 상기 공백 상태의 제2 평행사변형 픽셀들에 의해 상호 분리된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 비아홀은, 원통 기둥 또는 다각 기둥 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 전도성 패턴은, 상기 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀과 상기 공백 상태의 평행사변형 픽셀이 서로 조합되어 구성된 아래 도면에 도시된 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 다수의 비아 홀이 포함된 전자기파 메타물질 흡수체는 광대역뿐만 아니라 광각 입사 조건에서도 우수한 흡수 성능이 유지되는 장점을 갖는다.
아울러, 광각 입사 조건에서의 우수한 흡수 성능을 바탕으로 본 발명의 메타물질 안테나는 다중 안테나 시스템의 전자파 간섭 문제 해결 및 전투기, 함정 등 무기체계의 레이다 반사 면적을 최소화시키는데 응용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전도성 메타패턴의 구현 방식을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 전도성 메타패턴과 비아홀 구조를 상세히 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 유전체 윗면에 결합된 전도성 메타패턴을 도시한 도면이다.
도 5는 xoz평면에 수직 방향으로 시변 전기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀을 포함한 평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되는 TE 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
도 6은 xoz평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀에 나란한 방향으로 시변 전기장이 형성되는 TM 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
도 7는 TE, TM 편파의 수직 입사 및 60° 경사 입사 시 메타물질 흡수체의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 8은 TE, TM 편파의 0°~60° 각도 입사 시 메타물질 흡수체의 흡수도 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 TE, TM 편파의 60° 각도 입사 시 각각 9.6, 11.8 GHz에서 전도성 메타패턴 상의 전류 분포 시뮬레이션 결과이다.
도 2는 도 1에 도시된 전도성 메타패턴의 구현 방식을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 전도성 메타패턴과 비아홀 구조를 상세히 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1의 유전체 윗면에 결합된 전도성 메타패턴을 도시한 도면이다.
도 5는 xoz평면에 수직 방향으로 시변 전기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀을 포함한 평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되는 TE 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
도 6은 xoz평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀에 나란한 방향으로 시변 전기장이 형성되는 TM 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
도 7는 TE, TM 편파의 수직 입사 및 60° 경사 입사 시 메타물질 흡수체의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 8은 TE, TM 편파의 0°~60° 각도 입사 시 메타물질 흡수체의 흡수도 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 TE, TM 편파의 60° 각도 입사 시 각각 9.6, 11.8 GHz에서 전도성 메타패턴 상의 전류 분포 시뮬레이션 결과이다.
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 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체의 사시도이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 비아홀을 포함하는 전자기파 메타물질 흡수체(100)는 유전체(110), 금속 반사층(120), 전도성 메타패턴(130) 및 복수의 비아홀(140)을 포함한다.
여기서, 유전체는 아크릴, 테플론, FR4, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함한 소재로 형성될 수 있다.
금속 반사층(120)은 유전체(110) 하면에 결합되는 금속 반사판으로, 기 공지된 다양한 금속 재질로 형성될 수 있다. 금속 반사층(120)을 통해서는 전반사가 일어나게 된다.
전도성 메타패턴(130)은 유전체(110)의 상면에 형성되며 외부로부터 입사되는 전자기파를 흡수하는 부분으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 물질(예: 카본 잉크)이 설정 높이(두께: 20 μm)로 채워진 영역과 그렇지 않은 공백 영역의 조합에 따라 다양한 패턴 형상을 가질 수 있다.
즉, 전도성 메타패턴(130)은 설계 조건이나 파라미터, 제품 사양 등에 따라서 다양한 조합과 다양한 형태의 패턴으로 설계 및 제작될 수 있다.
이때, 전도성 물질은 카본, 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.
복수의 비아홀(140)은 유전체(110)를 관통하여 형성되며 전도성 메타패턴(130)의 일부 지점과 금속 반사층(120)의 표면 간을 연결한다. 여기서, 비아홀(140)은 내벽이 구리, 은, 금, 철 또는 카본으로 코팅되거나, 구리, 은, 금, 철 또는 카본 소재로 채워질 수 있다. 여기서, 비아홀(140)은 원통 기둥 또는 다각 기둥 형상(예: 4각, 6각 등)을 가질 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 유전체(110)의 상면은 전도성 물질이 채워진 곳과 그렇지 않은 곳이 혼합되어 존재하는데, 이는 본 발명의 실시예에서 전도성 메타패턴이 두 가지 서로 다른 유형의 픽셀의 조합으로 형성되는 것에 따른다.
도 2는 도 1에 도시된 전도성 메타패턴의 구현 방식을 설명하는 도면이고, 도 도 3은 도 1의 전도성 메타패턴과 비아홀 구조를 상세히 설명하는 도면이다.
먼저, 도 2의 (a)는 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 평행사변형 픽셀 간의 조합을 통하여 패턴이 설계되는 개념을 나타내고, (b)는 이에 의해 구현된 실제 패턴 모습을 나타낸 것이다.
전도성 메타패턴(130)은 평행사변형 모양의 픽셀을 기본 단위로 하며, 구체적으로는 전도성 물질이 채워진 복수의 평행사변형 픽셀(제1 평행사변형 픽셀; 음영 픽셀)과 공백 상태의 복수의 평행사변형 픽셀(제2 평행사변형 픽셀; 공백의 흰색 픽셀)이 서로 조합 배열되어 이루어진다.
여기서, 도 3을 참조하면, 전도성 메타패턴(130)은 3개의 평행사변형 픽셀이 서로 접한 육각형 단위 구조를 기반으로 하며, 이러한 단위 구조들이 여러 개 만나서 전도성 메타패턴을 형성한다. 또한, 각각의 육각형 단위 구조 내에는 제1 및 제2 평형사변형 픽셀 중 적어도 한 종류의 평행사변형 픽셀이 배열되어 형성된 것을 알 수 있다.
예를 들어, 육각형 단위 구조는 전도성 물질이 채워진 제1 평행사변형 픽셀 3개로만 구성된 제1 형태(a), 공백 상태의 제2 평행사변형 픽셀 3개로만 구성된 제2 형태(b), 제1 평행사변형 픽셀 2개와 제2 평행사변형 픽셀 1개의 조합으로 구성된 제3 형태(c), 제1 평행사변형 픽셀 1개와 제2 평행사변형 픽셀 2개의 조합으로 구성된 제4 형태(d)로 구분 가능하다.
따라서, 단위셀 내에 보이는 전도성 패턴에는 상술한 다양한 형태들의 육각형 단위 구조가 공존하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 1 및 도 3과 같이, 본 발명의 실시예에서 복수의 비아홀(140)은 전도성 메타패턴(130)을 구성한 복수의 제1 평행사변형 픽셀(음영 픽셀) 중에서 선택된 복수의 픽셀과 금속 반사층(120) 간을 연결한다.
이와 같이, 본 발명은 아랫면에 금속 반사층(120)이 결합된 유전체(110) 상단에 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀을 최적으로 배치하고 일부 픽셀들과 금속 반사층(120)을 다수의 비아홀(140)로 연결함으로써, 광각으로 입사되는 전자기파의 효율적 흡수가 가능한 메타물질 흡수체를 설계할 수 있다.
메타물질 흡수체(100)는 흡수체를 구성하는 하나의 단위 셀에 해당할 수 있으며, 단위셀을 주기적으로 반복하여 배치함으로써, 설계된 흡수 성능이 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우 도 1과 같이 육각형 형태의 단위셀 구조를 예시한다. 또한, 이러한 육각형 테두리를 갖는 단위셀 여러 개를 격자 배열하는 경우 흡수체를 필요로 하는 임의의 면적을 갖도록 자유롭게 구현할 수도 있다.
물론, 메타물질 흡수체의 단위셀 모양은 육각형 형태 뿐만 아니라, 정사각형 형태, 직사각형 형태 등으로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 도 1과 같은 육각형 형태의 외곽 모양을 가지는 것을 대표 예시로 한다.
본 발명의 실시예는 단위 픽셀이 평행사변형 모양을 가지며 두 가지 픽셀들을 유전체(110)의 상부에 최적 배치하여 다양한 모양의 패턴을 형성할 수 있다. 또한 단위셀의 중심점을 기준으로 균등 각도로 분할한 복수 영역 별로 대칭을 갖는 패턴의 형태로 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 메타물질 흡수체의 외곽 모양은 육각형 형태이며, 이때 메타물질 흡수체의 중심을 기준으로 전도성 메타패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴 형상 및 비아홀 위치가 서로 영역 간 대칭 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 복수의 비아홀(140)은 도 1 내지 도 3과 같이 두 개가 한 쌍을 이루며 3개의 각 영역 마다 한 쌍으로 존재하는 것을 알 수 있다. 도 3을 참조하면, 전도성 메타패턴(130)은 120도 각도로 분할된 제1 내지 제3 영역 상에 각각 형성되는 제1 내지 제3 패턴부(130-1,130-2,130-3)를 포함할 수 있다.
여기서, 이러한 제1 내지 제3 패턴부(130-1,130-2,130-3)는 각각 제1 및 제2 평행사변형 픽셀들의 조합으로 구성되되, 각 패턴부(130-1,130-2,130-3)는 자신이 위치한 해당 영역 상에 형성된 한 쌍의 비아홀(H1,H2,H3)의 상단을 전기적으로 연결하도록 구성된다.
이때, 각각의 제1 내지 제3 패턴부(130-1,130-2,130-3) 간에는 공백 상태의 제2 평행사변형 픽셀들이 배열되어 있어, 각 패턴부(130-1,130-2,130-3) 간에는 유전체 상면을 기준으로 볼때는 상호 전기적으로 분리된 구조를 갖는다. 즉, 이웃한 패턴부(130-1과 130-2 간, 130-2와 130-3 간, 130-3과 130-1 간) 간은 서로 전기적으로 분리되도록 구성된다.
예를 들어, 상면에서 볼 때, 제1 패턴부(130-1)는 한 쌍의 비아홀(H1)의 상단 간을 전기적으로 연결하며, 제2 패턴부(130-1) 및 제2 패턴부(130-2)와는 서로 분리되어 있다. 이하에서는 이와 같이 설계된 전도성 메타패턴의 전자기적 특성을 설명한다.
도 4는 도 1의 유전체 윗면에 결합된 전도성 메타패턴을 도시한 도면이다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 전도성 메타패턴은 메타물질 단위 셀의 대각선 방향에 대해서도 대칭 형상으로 설계된다. 아울러, 전도성 메타패턴에는 유전체 내부에 포함된 다수의 비아홀이 연결된다. 비아홀의 직경은 0.2mm를 예시한다.
본 발명의 경우, 유전체 기판 상에 설계된 전도성 패턴과 비아홀을 이용하여, 표면에 대해 수직이 아닌 경사 방향으로 입사되는 높은 각도(예: 60°)의 경사 입사 전자기파에 대해서도 전자기파 흡수율을 높일 수 있다.
표면에 수직 또는 경사 방향으로 전자기파가 입사되면, 도 4의 전도성 메타패턴이 포함된 평면과 평행한 방향으로 시변 전기장(Electric, E field)이 인가되고 금속 반사층(120)에서 반사된 반사파와 보강 간섭을 형성하면서 도 4의 전도성 메타패턴에는 강한 유도 전류가 발생하여, 저항 손실(Ohmic loss)을 통해 높은 흡수도를 구현할 수 있다.
도 4의 전도성 메타패턴은 손실이 큰 전도성 물질인 카본으로 구현되었으며, 매타패턴의 자체 인덕턴스 및 패턴 사이의 공백에 의한 커패시턴스로 구성된 직렬 공진기는 낮은 Q 인자(Quality factor)를 갖게 되어 광대역 흡수 성능이 구현된다.
이러한 본 발명의 경우 TE 및 TM 편파의 수직 또는 경사 입사되는 경우 모두 광대역 흡수 성능을 나타낸다. 하지만 경사 입사 시 입사된 시변 전기장과 금속 반사층(120)에서 반사된 반사파와의 보강 간섭이 약해지면서 흡수율이 감소될 수 있다. 다음의 도 5은 전도성 메타표면 위에 TE 편파가 경사 입사되는 경우이고 도 6은 전도성 메타표면 위에 TM 편파가 경사 입사되는 경우를 나타낸다.
먼저, 도 5는 xoz평면에 수직 방향으로 시변 전기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀을 포함한 평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되는 TE 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
이러한 도 5는 상부는 전도성 메타표면으로 연결되고 하부는 금속 반사층으로 연결된 한 쌍의 비아홀을 포함하는 평면에 대해 수직 방향으로 시변 자기장(Magnetic, H field)이 형성될 때 추가적으로 유도될 수 있는 유도 전류 분포 모식도를 나타낸다.
금속 반사층 상부에 결합된 구조와 금속 반사층을 기준으로 거울 상 대칭 이론에 따라 형성되는 전류 분포는 폐곡선을 형성하므로 시변 입사 자기장에 의한 자기 유도(Magnetic induction)에 의해 도 5과 같이 전류가 추가로 유도될 수 있다. 이때 유도 전류는 시변 입사 자기장과 반대 방향으로 시변 유도 자기장을 정의하였을 때 시변 유도 자기장에 오른손 법칙을 적용한 렌츠의 법칙(Lenz's law)으로 정해진다.
보다 자세히 설명하면 도 5와 같이 TE(Transverse electric) 편파가 경사 입사될 때 자기장은 x 축과 z 축 방향으로 성분을 분해할 수 있으며, x 축 방향의 자기장은 도 5의 yoz 평면(o는 원점)에 나란히 배치된 한 쌍의 비아홀을 포함하는 평면을 수직으로 관통하게 된다. 즉, TE 편파가 경사 입사 시에는 자기장이 비아홀과는 수직 방향으로 형성된다. 따라서 앞서 설명한 원리로 자기 유도에 의한 추가 유도 전류가 발생할 수 있으며, 추가로 유도된 전류는 비아 홀 상부에 연결된 전도성 메타패턴에서 추가 손실을 발생시킬 수 있다. 여기서 손실은 곧 전자파 흡수를 의미한다. 앞서 설명한 TE 편파는 입사 평면(Plane of incidence)인 xoz 평면에 수직인 방향으로 전기장이 고정된 전자기파를 지칭한다.
도 6은 xoz평면에 수직 방향으로 시변 자기장이 형성되고 두 개의 금속 비아홀에 나란한 방향으로 시변 전기장이 형성되는 TM 편파가 경사 입사 시에 유도되는 전류 모식도이다.
도 6은 금속 비아홀에 나란한 방향으로 시변 전기장이 입사될 때 추가로 유도될 수 있는 전류 분포를 나타낸다. 금속 비아 홀과 나란한(수평한) 방향으로 시변 전기장의 형성될 경우 금속 표면을 따라 유도 기전력이 발생하여 유도 전류가 발생된다. 즉, TM 편파가 경사 입사 시에는 전기장이 비아홀과 수평 방향으로 형성된다.
보다 자세히 설명하면 도 6에서 TM(Transverse magnetic) 편파가 경사 입사될 때 전기장은 x 축과 z 축 방향으로 성분을 분해할 수 있으며, z 축 방향의 전기장은 비아 홀과 나란하므로 앞서 설명한 원리로 추가 전류가 유도될 수 있다. 이때 유도된 전류는 비아홀 상부에 연결된 전도성 메타패턴으로 유입되어 추가 손실을 발생시킬 수 있다. 앞서 설명한 TM 편파는 입사 평면인 xoz 평면에 수직인 방향으로 자기장이 고정된 전자기파를 지칭한다.
도 7는 TE, TM 편파의 수직 입사 및 60° 경사 입사 시 메타물질 흡수체의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 7로부터 두 가지 편파 조건에서 수직 입사 및 60° 경사 입사 모두에 대해 8.8~11.6 GHz 주파수 범위에서 -10 dB 미만의 반사도가 확인되었다. 여기서 반사도가 -10dB 미만이라는 것은 입사된 전자기파를 10% 이하로 반사시킨 것으로 이는 곧 흡수율이 높음을 의미한다. 도 7로부터 0°~60° 범위의 광각 입사 및 8.8~11.6 GHz 범위의 광대역 주파수 조건에서, 본 발명에서 제안한 메타물질 흡수체(100)의 우수한 전자기파 흡수 성능을 확인할 수 있다.
도 8은 TE, TM 편파의 0°~60° 각도로 입사 시 메타물질 흡수체의 흡수도 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이러한 도 8로부터 두 편파 조건에서 0°~60° 각도 입사 시 8.8~11.6 GHz 주파수 범위에서 90% 이상의 흡수도가 확인되었다. 90% 흡수도 대역폭과 잘 일치하는 -10 dB 반사도 대역폭으로부터, 반사파의 감소가 메타물질 흡수체의 전자기파 흡수 효과에 기인함을 확인할 수 있다. 흡수도가 높다는 것은 입사된 전자기파가 반사되지 않고 대부분 손실(소멸)된 것을 의미한다.
도 9는 TE, TM 편파의 60° 각도 입사 시 각각 9.6, 11.8 GHz에서 전도성 메타패턴 상의 전류 분포 시뮬레이션 결과이다. 도 9는 TE, TM 편파의 60° 입사 시 반사도가 최소로 확인된 각각의 주파수 9.6, 11.8 GHz에서 전도성 메타패턴 상의 전류 밀도 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9로부터 TE, TM 편파의 경사 입사 시 두 경우 모두에 대해 비아홀과 전도성 메타패턴이 연결된 위치(즉, 비아홀 지점)에서 강한 전류 밀도를 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 전도성 메타패턴에 복수의 비아홀을 부가함으로써 수직 입사 뿐만 아니라 경사 입사 시에도 높은 전파 흡수 성능을 나타내며, TE 및 TM 편파 모두에 대해 우수한 흡수 효과를 보임을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에서 제안된 다수의 비아홀이 포함된 메타물질 흡수체는 광각 입사 조건에서도 우수한 흡수 성능이 유지되는 장점을 갖는다. 또한, 상부는 전도성 메타표면으로 연결되고 하부는 금속 반사층으로 연결된 한 쌍의 비아 홀 사이로 TE 편파가 경사 입사될 경우 자기 유도에 의해 추가적인 전류가 발생되고, TM 편파가 경사 입사될 경우 플라즈모닉 효과로 추가적인 전류가 유도되어, 상부의 전도성 메타 패턴에서 손실이 증가하게 되고, 이는 곧 전자기파를 잘 흡수하는 것을 의미한다.
또한, 이와 같은 광각 입사 조건에서의 우수한 흡수 성능을 바탕으로 제안된 메타물질 흡수체는 다중 안테나 시스템의 전자파 간섭 문제 해결 및 전투기, 함정 등 무기체계의 레이다 반사 면적을 최소화시키는데 응용 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.
100: 전자기파 메타물질 흡수체
110: 유전체 120: 금속 반사층
130: 전도성 메타패턴 140: 비아홀
110: 유전체 120: 금속 반사층
130: 전도성 메타패턴 140: 비아홀
Claims (13)
- 유전체를 기준으로 하면에는 금속 반사층이 결합되고 상면에는 전도성 물질로 이루어진 전도성 메타패턴이 형성되며, 상기 전도성 메타패턴의 일부 지점과 상기 금속 반사층의 표면 간을 연결하는 복수의 비아홀이 상기 유전체를 관통하여 형성된 구조의 전자기파 메타물질 흡수체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유전체는,
아크릴, 테플론, FR4, PET, 스티로폼, 폼 복합재 및 글라스 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성된 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 1에 있어서,
상기 전도성 물질은,
카본, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 그래핀 및 인듐 주석 산화물(ITO) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 형성된 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은,
내벽이 구리, 은, 금, 철 또는 카본 소재로 코팅되거나 채워진 구조를 가지는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 1에 있어서,
상기 전도성 메타패턴은,
상기 전도성 물질이 채워진 복수의 제1 평행사변형 픽셀과 공백 상태의 복수의 제2 평행사변형 픽셀이 서로 조합 배열되어 이루어진 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 5에 있어서,
상기 복수의 비아홀은,
상기 복수의 제1 평행사변형 픽셀 중에서 선택된 복수의 픽셀과 상기 금속 반사층 간을 연결하는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 5에 있어서,
상기 전도성 메타패턴은,
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 형성되는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 1에 있어서,
상기 메타물질 흡수체의 외곽 모양은 육각형 형태, 정사각형 형태 또는 직사각형 형태인 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 5에 있어서,
상기 메타물질 흡수체의 외곽 모양은 육각형 형태이며, 상기 메타물질 흡수체의 중심을 기준으로 상기 전도성 메타패턴을 중심각이 120°인 3개의 영역으로 분할할 경우 3개의 각 영역 내 패턴 형상 및 비아홀 위치가 서로 대칭 구조를 가지는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 9에 있어서,
상기 복수의 비아홀은,
두 개가 한 쌍을 이루며 상기 3개의 각 영역 마다 한 쌍으로 존재하는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 9에 있어서,
상기 전도성 메타패턴은,
상기 3개의 영역 중 제1 내지 제3 영역 상에 각각 형성되며, 상기 제1 및 제2 평행사변형 픽셀들의 조합으로 구성되되 해당 영역 상에 형성된 한 쌍의 비아홀의 상단을 전기적으로 연결하는 제1 내지 제3 패턴부를 포함하고,
상기 유전체 상부에서 각각의 제1 내지 제3 패턴부 사이가 상기 공백 상태의 제2 평행사변형 픽셀들에 의해 상호 분리된 구조를 가지는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은,
원통 기둥 또는 다각 기둥 형상을 가지는 전자기파 메타물질 흡수체. - 청구항 5에 있어서,
상기 전도성 패턴은,
상기 전도성 물질이 채워진 평행사변형 픽셀과 상기 공백 상태의 평행사변형 픽셀이 서로 조합되어 구성된 아래 도면에 도시된 패턴으로 형성되는 전자기파 메타물질 흡수체.
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| KR20090047949A (ko) * | 2007-11-09 | 2009-05-13 | 연세대학교 산학협력단 | 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체 및 이를포함하는 안테나 |
| KR20170057125A (ko) * | 2015-11-13 | 2017-05-24 | 경북대학교 산학협력단 | 능동형 메타물질 표면을 이용한 반사 주파수 변환장치 및 ecm 시스템 |
| KR20180119347A (ko) * | 2017-04-25 | 2018-11-02 | 삼성전자주식회사 | 메타 구조 안테나 및 메타 구조 배열 |
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