KR20230101544A - 초박형 유연 투명 흡수체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 유연하고 투명할 뿐만 아니라, 두께가 얇고, 5G 밀리미터파 대역에서 우수한 흡수 성능을 가지는 초박형 유연 투명 흡수체를 제공한다. 여기서, 초박형 유연 투명 흡수체는 유전체의 투명한 유연 베이스 기판, 투명한 유연 반사층 그리고 흡수층을 포함한다. 유연 반사층은 유연 베이스 기판의 일면에 구비되고, 유연 베이스 기판을 투과하는 입사파를 반사시킨다. 흡수층은 베이스 기판의 타면에 구비되고, 제1슬릿 간격으로 배치되는 복수 개의 패턴을 가지며, 유연 반사층에서 반사되는 반사파를 흡수한다. 패턴은 적어도 한 종류의 다각형 형상이고, 내부가 모두 채워지도록 형성되며, 흡수층은 그래핀층이다.

Description

초박형 유연 투명 흡수체{ULTRA-THIN FLEXIBLE TRANSPARENT ABSORBER}
본 발명은 초박형 유연 투명 흡수체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 5G 밀리미터파 대역에서 우수한 흡수 성능을 가지는 초박형 유연 투명 흡수체에 관한 것이다.
전자통신 산업에 사용되고 있는 각종 전기전자 기기 및 구성 부품들의 사용 주파수 대역은 광대역화와 동시에 높은 주파수 영역까지 확장되고 있으며, 많은 부품들이 좁은 공간에 밀집되는 추세이다. 이로 인해 기기들 사이에 유발되는 전자파 간섭으로 기기의 오작동과 같은 기능 이상이 발생하는 경우가 생기고 있다.
특히 이동통신 분야에서는 휴대의 간편성 및 장시간 사용을 위해 관련기기들이 경량, 박형, 소형화, 저전력화, 디지털화되고 있기 때문에 외부로부터 유입되는 전자파 간섭 영향에 매우 취약하다. 또한 각종 통신장비 및 고압 전력선 등으로부터 발생되는 불요전자파의 인체 유해여부 등이 전자파 분야의 관심사 중의 하나이다.
기존 방식의 전파흡수체는 흡수 기구에 따라 공진형 흡수체(Resonant Absorber)와 임피던스 정합형 흡수체(Impedance Matched Absorber)로 구분된다. 공진형 전파흡수체 설계에 있어서 지금까지 사용된 가장 보편적인 방식은 1/4 파장(λ/4) 두께의 Salisbury 스크린이다.
도 1은 종래의 전자파 흡수체의 일 예인 Salisbury 스크린을 나타낸 예시도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, Salisbury 스크린은 공진형 흡수체의 종류 중 하나로 저항성 시트(20)가 금속판(21)에서 1/4 파장(λ/4) 지점 앞에 위치된다.
입사파(10) 중 일부는 저항성 시트(20)에서 1차 반사(11)되고 입사파(10) 중 저항성 시트(20)를 투과한 투과파(12)는 금속판(21)에서 2차 반사(13)된다. Salisbury 스크린에서는 1차 반사(11)되는 반사파와 2차 반사(13)되는 반사파의 위상차가 180도가 되면서 전자파가 소멸되게 된다. 그러나, 이 기술은 유전체 두께가 λ/4를 만족해야 하므로, 두께를 줄이는데 한계가 있다.
따라서, 전자기기에 부착함으로써 전자기파 간섭 현상을 제거할 수 있으며, 유연하고 투명할 뿐만 아니라, 두께가 얇고, 5G 밀리미터파 대역에서 우수한 흡수 성능을 가지는 전자기파 흡수체가 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제2011-0064028호(2011.06.15. 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유연하고 투명할 뿐만 아니라, 두께가 얇고, 5G 밀리미터파 대역에서 우수한 흡수 성능을 가지는 초박형 유연 투명 흡수체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 유전체의 투명한 유연 베이스 기판; 상기 유연 베이스 기판의 일면에 구비되고, 상기 유연 베이스 기판을 투과하는 입사파를 반사시키는 투명한 유연 반사층; 그리고 상기 유연 베이스 기판의 타면에 구비되고, 제1슬릿 간격으로 배치되는 복수 개의 패턴을 가지며, 상기 유연 반사층에서 반사되는 반사파를 흡수하는 흡수층을 포함하고, 상기 패턴은 적어도 한 종류의 다각형 형상이고, 내부가 모두 채워지도록 형성되며, 상기 흡수층은 그래핀층인 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유연 베이스 기판은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제2슬릿을 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유연 반사층의 일면에 구비되는 제1보호층 및 상기 흡수층의 일면에 구비되는 제2보호층을 더 포함하고, 상기 제2보호층은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제3슬릿을 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 흡수층은, 상기 제1슬릿에 구비되고 이웃하는 상기 패턴을 서로 연결하는 투명 전극을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유연 베이스 기판은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제2슬릿 및 상기 투명 전극에 대응되도록 형성되는 제1연결부를 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유연 반사층의 일면에 구비되는 제1보호층 및 상기 흡수층의 일면에 구비되는 제2보호층을 더 포함하고, 상기 제2보호층은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제3슬릿 및 상기 투명 전극에 대응되도록 형성되는 제2연결부를 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴은 육각형 형상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1슬릿은 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 그래핀층은 다층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유연 반사층은 ITO(Indium Tin Oxide), 그래핀, 은나노 와이어, 구리 나노 와이어, CNT(Carbon Nano Tube) 투명전극, AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 투명전극, FTO(Fluorine-doped Tin dioxide) 투명전극 및 메탈 메시(Metal-Mesh) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 흡수층이 육각형 형상의 패턴을 가짐으로써 전자파의 편파특성 및 입사파의 입사 각도에 크게 영향을 받지 않고 모든 편파 및 입사각도에서도 우수한 흡수성능이 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 초박형 유연 투명 흡수체는 시인성이 확보되며, 얇고 휘어질 수 있도록 형성될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 전자파 흡수체의 일 예인 Salisbury 스크린을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체를 나타낸 단면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 흡수층의 패턴을 나타낸 평면 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체 제조방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 임피던스를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 다른 예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 또 다른 예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 성능 실험을 위한 구성(Set-up)을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 입사각 변화에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 단면에 대한 전기장 분포를 나타낸 분포도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 평면에 대한 전기장 분포를 나타낸 분포도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 베이스 기판 및 흡수층의 두께와 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 입사각 변화에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 베이스 기판 및 흡수층의 두께와 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 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(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 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 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체를 나타낸 단면 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 흡수층의 패턴을 나타낸 평면 예시도이다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 초박형 유연 투명 흡수체는 유연 베이스 기판(100), 유연 반사층(200) 그리고 흡수층(300)을 포함할 수 있다.
유연 베이스 기판(100)은 유전체 기판일 수 있으며, 투명하게 형성될 수 있다. 유연 베이스 기판(100)은 폴리머 소재 및 유리 소재 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 폴리머 소재로는 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 사용될 수 있다. 유연 베이스 기판(100)은 필름 형태로 형성될 수 있다. 유연 베이스 기판(100)은 수백 내지 수천 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
유연 반사층(200)은 유연 베이스 기판(100)의 일면에 구비될 수 있으며, 투명하게 형성될 수 있다. 유연 반사층(200)은 전자파가 입사되는 방향의 반대방향에 구비될 수 있다. 도 2를 기준으로 했을 때, 입사파(10)는 유연 베이스 기판(100)의 상측에서 입사되므로, 유연 반사층(200)은 유연 베이스 기판(100)의 하면에 구비될 수 있다.
유연 반사층(200)은 유연 베이스 기판(100)을 투과하는 입사파(10)를 반사시킬 수 있다. 유연 반사층(200)은 전도성을 가진 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면 유연 반사층(200)은 ITO(Indium Tin Oxide), 그래핀, 은나노 와이어, 구리 나노 와이어, CNT(Carbon Nano Tube) 투명전극, AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 투명전극, FTO(Fluorine-doped Tin dioxide) 투명전극 및 메탈 메시(Metal-Mesh) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 유연 반사층(200)은 수 내지 수십 nm 두께로 형성될 수 있다.
흡수층(300)은 유연 베이스 기판(100)의 타면에 구비될 수 있다. 흡수층(300)은 그래핀으로 형성되는 그래핀층일 수 있다. 그래핀층은 다층으로 형성되고, 수 내지 수십 nm 두께로 형성될 수 있다.
입사파(10)에서 유연 베이스 기판(100)을 투과하는 투과파(14)는 유연 반사층(200)에서 반사되며, 흡수층(300)은 유연 반사층(200)에서 반사되는 반사파(15)를 흡수할 수 있다.
흡수층(300)은 복수 개의 패턴(310)을 가질 수 있다.
패턴(310)은 제1슬릿(320)에 의해 이격되어 타일 형태로 배열될 수 있다. 즉, 패턴(310)은 제1슬릿(320) 간격으로 배치될 수 있다.
제1슬릿(320)은 동일한 폭(W)으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 각각의 패턴(310)은 동일한 간격을 이루면서 배치될 수 있다. 다시 말하면, 각각의 패턴(310)은, 패턴(310) 간의 틈새가 동일한 폭(W)으로 형성되도록 배열될 수 있다.
패턴(310)은 원형으로 형성되면 가장 이상적일 수 있지만, 패턴(310)이 원형으로 형성되면 패턴(310) 간의 빈 공간이 많아지고, 동일한 폭을 이루면서 배치되도록 하는 배열화가 곤란하다. 이에 따라, 패턴(310)은 원형에 근접한 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 패턴(310)은 삼각형 형상(도 3의 (a) 참조), 또는 사각형 형상(도 3의 (b) 참조)으로 형성될 수 있다.
나아가 패턴(310)은 두 종류 이상의 다각형이 혼합된 형상으로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 패턴(310)은 사각형 형상의 패턴(311) 및 삼각형 형상의 패턴(312)이 혼합된 형상(도 3의 (c) 참조)으로 형성될 수도 있다. 즉, 패턴(310)은 적어도 한 종류의 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 도 3의 (c)에서와 같이 패턴(310)이 다각형의 조합으로 형성되면 이중대역, 다중대역 또는 광대역 특성이 개선될 수 있다.
그러나 패턴(310)의 가장 바람직한 형상은 육각형 형상(도 3의 (d) 참조)일 수 있다. 이에 따르면, 패턴(310)은 벌집(Honeycomb) 형태를 가질 수 있다. 패턴(310)이 보다 원에 가까운 육각형 형상으로 형성됨으로써, 동일한 간격을 이루면서 배열될 수 있을 뿐만 아니라, 전자파의 편파특성 및 입사파의 입사 각도에 크게 영향을 받지 않고 모든 편파 및 입사각도에서도 우수한 흡수성능을 구현할 수 있다.
그리고, 패턴(310)은 내부가 모두 채워지도록 형성될 수 있다. 따라서, 흡수층(300)에서는 패턴(310)이 형성된 부분만 그래핀이 마련되게 되며, 각각의 패턴(310) 사이에 형성되는 제1슬릿(320)에는 그래핀이 마련되지 않게 될 수 있다.
유연 베이스 기판(100) 및 흡수층(300)은, 흡수층(300)이 패턴(310)을 가짐에도 불구하고 흡수층(300)에 의한 아른거림이 육안으로 구별되지 않도록 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
그리고, 초박형 유연 투명 흡수체는 제1보호층(400) 및 제2보호층(450)을 더 포함할 수 있다.
제1보호층(400)은 유연 반사층(200)의 일면에 구비되어 유연 반사층(200)을 보호할 수 있다.
그리고, 제2보호층(450)은 흡수층(300)의 일면에 구비되어 흡수층(300)을 보호할 수 있다. 제1보호층(400) 및 제2보호층(450)은 투명하고 유연성을 가질 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 형성될 수 있다. 제1보호층(400) 및 제2보호층(450)은 필름 형태로 형성될 수 있으며, 수십 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
따라서, 초박형 유연 투명 흡수체는 투명하여 시인성이 확보될 수 있고, 종래의 흡수체보다 얇게 형성될 수 있으며, 유연성을 가져 잘 휘어질 수 있도록 형성될 수 있다.
이하에서는, 이러한 초박형 유연 투명 흡수체를 제조하기 위한 제조방법에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체 제조방법의 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 임피던스를 설명하기 위한 등가회로이다.
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 초박형 유연 투명 흡수체 제조방법은 유연 베이스 기판 마련단계(S610), 유연 반사층 마련단계(S620) 그리고 흡수층 마련단계(S630)를 포함할 수 있다.
유연 베이스 기판 마련단계(S610)는 유전체의 유연 베이스 기판(100)을 마련하는 단계일 수 있다.
유연 반사층 마련단계(S620)는 유연 베이스 기판(100)의 일면에, 유연 베이스 기판(100)을 투과하는 입사파를 반사시키는 유연 반사층(200)을 마련하는 단계일 수 있다.
그리고, 흡수층 마련단계(S630)는 유연 베이스 기판(100)의 타면에, 복수 개의 패턴(310)을 가지며, 유연 반사층(200)에서 반사되는 반사파를 흡수하는 흡수층(300)을 마련하는 단계일 수 있다.
흡수층 마련단계(S630)에서, 입사파의 전기장의 편파 각도 또는 입사파의 입사 각도의 변화에도 5G 밀리미터파 대역에서 흡수성능이 유지되도록, 패턴(310)은 적어도 한 종류의 다각형 형상이고, 내부가 모두 채워지도록 형성될 수 있으며, 각각의 패턴(310)은 제1슬릿(320)에 의해 동일한 간격을 이루면서 배치되도록 마련될 수 있다.
5G 대역은 sub-6 GHz 주파수 대역의 Frequency Range 1(FR1) 및 mmWave 대역(24-100GHz) 주파수 대역의 Frequency Range 2(FR2)로 나뉠 수 있는데, 본 발명에서, 5G 밀리미터파 대역은 FR2(한국) 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 일 수 있다.
흡수층(300)은 패턴(310)을 가지도록 형성되어 저항(R), 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)가 형성될 수 있다.
전송선로 및 주파수 선택표면(FSS) 이론을 기반으로 하면, 전체 임피던스(Zt)는 아래 식(1)로 표현될 수 있다.
Zt = ZA + Zd --- 식(1)
여기서, ZA는 흡수층(300)의 입력 임피던스이고, Zd는 전송선로 이론을 기반으로 했을 때, 단락된 상태로 볼 수 있는 유연 반사층(200)에 의한 유전체(Dielectric)의 비유전율이다.
흡수층 마련단계(S630)에서는, 전체 임피던스(Zt)가 목표주파수 대역인 5G 밀리미터파 대역에서 자유공간 임피던스인 377 Ohm을 만족하도록 패턴(310)의 크기 및 패턴(310) 사이의 간격, 즉 제1슬릿(320)의 폭(W)이 설정될 수 있다. 전체 임피던스(Zt)가 자유공간 임피던스인 377 Ohm을 만족하게 되면, 임피던스 정합으로 인해 반사되는 전자파가 없는 현상이 발생할 수 있으며, 이를 통해 초박형 유연 투명 흡수체의 두께는 종래의 흡수체의 두께 한계치를 넘어 λ/20 이하의 얇은 두께로 형성될 수 있다. 즉, 5G 밀리미터파 대역인 26.5~28.9 GHz에서 가장 낮은 주파수 대역인26.5 GHz를 기준으로 했을 때, 26.5 GHz의 파장(λ)은 11.31mm인데, 종래의 흡수체두께안 1/4 파장(λ/4) 두께는 2.82mm이다. 반면, 본 발명에 따른 초박형 유연 투명 흡수체는 1/20 파장(λ/20)의 두께, 즉, 565㎛의 두께로 형성될 수 있기 때문에, 초박형화가 가능하다. 이와 같이 제조되는 유연 투명 흡수체는 기본적인 흡수체 기능을 가지고, 휘어질 수 있을 뿐만 아니라, 초박형이기 때문에 다양한 분야에서 활용이 가능할 수 있다.
흡수층 마련단계(S630)에서는, 패턴(310)이 육각형 형상으로 형성됨으로써, 흡수층(300)의 넓은 면적에 같은 면저항 값이 골고루 분포되도록 할 수 있으며, 이를 통해, 전술한 기능 및 효과가 만족되도록 할 수 있다.
한편, 각각의 패턴(310) 사이의 간격, 다시 말하면 각각의 제1슬릿(320)의 폭(W)은 흡수층(300)을 바라보는 관찰자의 눈 및 흡수층(300) 사이의 거리(L)의 함수일 수 있다.
일반적으로 시력 1.0을 기준으로 했을 때, 사람의 눈은 각도로 1/60 도를 구분할 수 있다. 따라서, 사람의 눈으로부터 L 만큼 떨어진 곳에 있는 두 점 사이의 간격이 1/60 도가 되도록 하는 것이 필요하다. 이에 따르면, 각각의 패턴(310) 사이의 간격, 즉, 제1슬릿(320)의 폭(W)은 아래 식(2)와 같이 표현될 수 있다.
W ≤ (π×L) / (60×180) --- 식(2)
식(2)에 따르면, 사람의 눈으로부터 거리 L에 위치한 초박형 유연 투명 흡수체에서 제1슬릿(320)의 폭은 (π×L) / (60×180) 보다 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 흡수층(300)이 0.344 m 떨어진 지점에서 관찰되는 경우, 제1슬릿(320)의 폭(W)은 100 ㎛ 이하로 설정됨이 바람직하다. 위 식은 시력 1.0을 기준으로 했을 때에 적용될 수 있고, 시력에 따라 사람의 눈이 구분할 수 있는 각도도 달라질 수 있기 때문에, 시력에 따라 각각의 패턴 사이의 간격, 즉, 제1슬릿(320)의 폭(W)은 다르게 적용될 수 있지만, 흡수층(300)의 관찰 거리인 0.344 m는 일반적인 관찰 거리로는 충분할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 각각의 패턴(310) 사이의 간격, 즉, 제1슬릿(320)의 폭(W)은 100 ㎛ 이하로 설정됨이 바람직하다.
또한, 제1슬릿(320)의 폭(W)을 100 ㎛ 이하로 설정한 뒤에는, 흡수층(300)의 전체 면적이 그래핀으로 채워져 있는 것과 같이 보이도록 하기 위해, 즉, 동일 광투과도를 가지도록 하기 위해, 패턴(310)의 크기 조절을 통한 패턴(310)의 주기(Period) 조절 및 패턴(310)과 유연 반사층(200) 사이의 유연 베이스 기판(100)의 두께를 조절하여 목표 주파수 대역에서의 흡수성능을 만족하기 위한 최적화 작업이 진행될 수 있다.
구체적으로, 흡수층 마련단계(S630)에서, 유연 베이스 기판(100) 및 흡수층(300)의 투과도 차이에 기인한 아른거림이 육안으로 구별되지 않도록, 유연 베이스 기판(100)에 대한 흡수층(300)의 면적비는 아래 식(3)을 통해 설정될 수 있다.
ILfull - (ILfull × ARTEM ) < T --- 식(3)
식(3)에서, ILfull 은 유연 베이스 기판(100) 전체에 전도성 물질이 마련되었을 때 가시광 삽입 손실이고, ARTEM은 면적비이고, T는 유연 베이스 기판(100) 및 흡수층(300)의 투과도 차이에 기인한 아른거림이 육안으로 구별되지 않도록 하기 위해 얻고자 하는 투과도 차이이다.
투과도 차이는 유연 베이스 기판(100)의 소재 및 흡수층(300)의 소재에 따라 결정될 수 있으나, 바람직하게는 1 % 이하일 수 있다. 즉, 유연 베이스 기판(100)의 투과도 및 흡수층(300)의 투과도의 차이가 1 % 이하가 되면, 흡수층(300)의 형상이 육안으로 식별되지 않고, 따라서 흡수층(300)에 의한 아른거림도 육안으로 구별되지 않을 수 있다.
ILfull 은 유연 베이스 기판(100)의 소재 및 패턴의 종류에 따라 결정될 수 있는데, 예를 들어, PET 소재의 유연 베이스 기판(100)의 일면 전체에 그래핀이 패턴으로 마련되는 경우 ILfull 은 5 % 이고, 투과도 차이가 1 % 라고 하면, 면적비(ARTEM)는 0.8 초과 일 수 있다. 그리고, 유연 베이스 기판(100)의 전면에 마련되는 흡수층(300)은 빈 공간(즉, 틈새)을 가지기 때문에, 면적비는 1.0 미만일 수 있으며, 따라서, 면적비는 0.8 초과, 1.0 미만일 수 있다.
그리고, 초박형 유연 투명 흡수체 제조방법은 보호층 마련단계(S640)를 더 포함할 수 있다. 보호층 마련단계(S640)는 반사층(200)의 일면 및 흡수층(300)의 일면에 각각 보호층(400,450)을 더 마련하는 단계일 수 있다.
이와 같이 제조되는 초박형 유연 투명 흡수체는 시인성이 확보될 수 있는 면저항이 사용되고, 시인성 향상을 위한 물리적 구조 및 원하는 주파수 대역에서 흡수성능을 얻을 수 있는 것이 동시에 만족될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 다른 예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 유연 베이스 기판(100)은 흡수층(300)의 제1슬릿(320)에 대응되도록 형성되는 제2슬릿(110)을 더 가질 수 있고, 흡수층(300)에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 이렇게 되면, 유연 베이스 기판(100)의 유연성이 더욱 증가될 수 있기 때문에, 초박형 유연 투명 흡수체의 유연성도 증가될 수 있다.
나아가, 제2보호층(450)도 흡수층(300)의 제1슬릿(320)에 대응되도록 형성되는 제3슬릿(451)을 더 가질 수 있고, 흡수층(300)에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 이렇게 되면, 제2보호층(450)까지도 유연성이 증가될 수 있기 때문에, 결과적으로 초박형 유연 투명 흡수체의 유연성은 더욱 증가될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 또 다른 예를 나타낸 단면 예시도이다.
도 1 및 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 유연 베이스 기판(100)이 제2슬릿이 형성되지 않은 형태이고, 제2보호층(450)도 제3슬릿이 형성되지 않은 형태일 상태에서, 흡수층(300)은 투명 전극(330)을 가질 수 있다.
투명 전극(330)은 제1슬릿(320)에 구비되어 이웃하는 패턴(310)을 서로 연결할 수 있다. 투명 전극(330)은 그래핀으로 형성될 수 있으며, 패턴(310)과 일체로 형성될 수 있다.
패턴(310)은 투명 전극(330)에 의해 모두 연결될 수 있으며, 이를 통해, 패턴(310)에 전류가 인가되면 히팅될 수 있고, 결과적으로 흡수층(300)이 전체적으로 히팅될 수 있어 김서림, 성애 등도 효과적으로 제거될 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 흡수층(300)의 패턴(310)이 투명 전극(330)을 가질 때, 유연 베이스 기판(100) 및 제2보호층(450)도 흡수층(300)에 대응되도록 형성될 수도 있다.
즉, 유연 베이스 기판(100)은 제1슬릿(320)에 대응되도록 형성되는 제2슬릿(110)과 함께, 투명 전극(330)에 대응되도록 형성되는 제1연결부(120)를 더 가지도록 형성될 수 있다. 그리고, 제2보호층(450)도 제1슬릿(320)에 대응되도록 형성되는 제3슬릿(451)과 함께, 투명 전극(330)에 대응되도록 형성되는 제2연결부(452)를 더 가지도록 형성될 수 있으며, 이를 통해, 초박형 유연 투명 흡수체는 히팅 기능을 가지면서도 높은 유연성을 가질 수 있다.
이하에서는, 초박형 유연 투명 흡수체의 성능 실험 결과를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 성능 실험을 위한 구성(Set-up)을 나타낸 예시도이다.
도 8에서 보는 바와 같이, 초박형 유연 투명 흡수체의 성능 실험을 위한 구성(Set-up)은 제1포트(500), 유연 베이스 기판(100), 패턴(310) 및 제2포트(510)를 포함할 수 있다.
위 구성을 이용하여, 제1포트(500)에서 입사된 입사파(10)가 패턴(310) 및 유연 베이스 기판(100)을 투과(14)한 후, 제2포트(510)에 얼마큼 도달하는지에 대한 지표(S21, 투과도)와, 제1포트(500)에서 입사된 신호가 반사(15)되어 제1포트(500)로 되돌아오는 지표(S11, 반사도)를 활용하여 흡수성능(A) = 1-S11 2-S21 2 으로 표현 가능하다.
패턴(310)은 단위 패턴으로서, 육각형 형태로 형성되었다. 또한, 패턴(310)은 시뮬레이션 시간 단축 및 평면파 환경을 만들어 내기 위해 무한주기구조(PBC, Periodic boundary condition) 상태에서 실험되었다.
그리고, 제1포트(500)에 표시된 k는 전기장(E)과 자기장(H)에 수직한 방향으로 진행하는 파수 벡터이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 입사각 변화에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 11에서, 흡수층(300)은 10층의 그래핀층으로 형성되고, 두께는 3nm였으며, 유연 베이스 기판(100)의 두께는 0.5mm 였다. 다만, 도 9에서는, 흡수층(300)의 면저항을 다르게 하여 진행되었고, 도 10 및 도 11에서는 흡수층(300)의 면저항이 25 ohm/sq 였다.
도 9를 참고하면, 흡수층(300)의 면저항이 20 ohm/sq 내지 40 ohm/sq 사이로 변화되어도 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 10에서 보는 바와 같이, 제1포트(500)로 입사되는 입사파(10)의 전기장(E-field)의 편파에 따른 흡수율 특성을 확인한 결과, 패턴(310)이 육각형 형상으로 형성됨으로써, 전기장이 Theta 만큼 기울어지더라도 거의 모든 각도에서 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 도 11에서 보는 바와 같이, 제1포트(500)에 수직한 가상의 선(VL)을 기준으로 파수 벡터(k)의 각도가 Theta 만큼 기울어져서 입사되고, 입사 각도가 0 ~ 30 도 사이로 변화되더라도, 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 단면에 대한 전기장 분포를 나타낸 분포도이고, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 평면에 대한 전기장 분포를 나타낸 분포도이다.
도 12는 위쪽에서 아래쪽으로 전자파가 입사되었을 경우의 전기장 분포를 단면으로 나타낸 모습인데, 도 12를 참조하면, 공기층(30)과 흡수층(300)의 경계면에서 가장 강한 전기장 필드가 분포함을 알 수 있다. 즉, 흡수층(300)의 패턴(310)은 전기장 분포가 가장 강하게 형성되도록 할 수 있고, 전기장을 상쇄 및 정합시켜 전자파를 흡수할 수 있다.
도 13은 전자파가 흡수층(300)을 뚫고 들어가는 방향으로 진행하였을 경우 전기장 분포를 나타내는데, 도 13을 참조하면, 입사되는 전기장 편파가 수직이기 때문에 육각형 구조의 패턴(310)의 위쪽 틈새 및 아래 틈새 부분에서 강한 전기장 분포가 나타남을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 베이스 기판 및 흡수층의 두께와 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이고, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이고, 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 입사각 변화에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서는 전술한 실시예에서보다 흡수층(300)의 그래핀층수가 적어 두께가 얇은 대신, 유연 베이스 기판(100)의 두께는 더 두껍다는 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 도 14 내지 도 16에서, 흡수층(300)은 2층의 그래핀층으로 형성되고, 두께는 0.5nm였으며, 유연 베이스 기판(100)의 두께는 1.1mm 였다. 다만, 도 14에서는 흡수층(300)의 면저항을 다르게 하여 진행되었고, 도 15 및 도 16에서는 흡수층(300)의 면저항이 200 ohm/sq 였다.
도 14에서 보는 바와 같이, 흡수층(300)의 면저항이 160 ohm/sq 내지 240 ohm/sq 사이로 변화되어도 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 14를 비교했을 때, 흡수층을 10층에서 2층으로 변경하여 그래핀층의 개수를 줄이고, 면저항을 높게 하더라도 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이처럼, 동일한 형태의 패턴을 형성하되, 그래핀층의 개수를 줄이게 되면, 전제 두께가 증가하게 될 수는 있지만, 비용적인 측면과 제조공정적인 측면, 그리고 시인성 부분에서 장점을 가질 수 있다.
그리고, 도 15에서 보는 바와 같이, 제1포트(500)로 입사되는 입사파(10)의 전기장(E-field)의 편파에 따른 흡수율 특성을 확인한 결과, 패턴(310)이 육각형 형상으로 형성됨으로써, 전기장이 Theta 만큼 기울어지더라도 거의 모든 각도에서 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 도 16에서 보는 바와 같이, 제1포트(500)에 수직한 가상의 선(VL)을 기준으로 파수 벡터(k)의 각도가 Theta 만큼 기울어져서 입사되고, 입사 각도가 0 ~ 30 도 사이로 변화되더라도, 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 편파에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서는 반사층도 그래핀층으로 형성된다는 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 도 17 및 도 18에서는, 반사층이 그래핀층으로 형성되고, 반사층의 면저항은 25 ohm/sq 였다.
도 17에 따르면, 흡수층(300)의 면저항이 220 ohm/sq 내지 260 ohm/sq 사이로 변화되어도 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 18에서 보는 바와 같이, 제1포트로 입사되는 입사파의 전기장(E-field)의 편파에 따른 흡수율 특성을 확인한 결과, 전기장이 15도 각도 만큼씩 기울어지더라도 거의 모든 각도에서 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
즉, 흡수층 및 반사층이 모두 그래핀으로 형성되더라도 5G 주파수 대역인 26.5~28.9 GHz 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 가질 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초박형 유연 투명 흡수체의 베이스 기판 및 흡수층의 두께와 면저항에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
실험 조건으로는, 도 19의 (a)에서는, 흡수층(300)은 10층의 그래핀층으로 형성되고, 25 ohm/sq 의 면저항을 가지며, 두께는 3nm였다. 그리고, 유연 베이스 기판(100)은 PET이고, 두께는 0.5mm 였다. 그리고, 도 19의 (b) 내지 (d)에서는, 흡수층(300)은 2층의 그래핀층으로 형성되고, 각각 180 ohm/sq, 200 ohm/sq 및 220 ohm/sq 의 면저항을 가지며, 두께는 0.5nm였다. 그리고, 유연 베이스 기판(100)은 PET이고, 두께는 1.1mm 였다.
이러한 상태에서, 유연 반사층이 그래핀(Gr), ITO 또는 구리로 형성되었을 때(여기에서, 그래핀의 면저항은 25 ohm/sq, ITO의 면저항은 10 ohm/sq으로 가정) 흡수율을 비교해보면, 흡수층의 패턴의 면저항이 증가할수록 베이스 기판의 두께가 증가하는 추세를 보임을 알 수 있다.
그리고, 가장 좋은 흡수 성능을 보이는 유연 베이스 기판의 두께는 0.5T, 1.0T, 1.1T, 1.2T 순이며, 모든 케이스가 목표 주파수 대역인 26.5 ~ 28.9 GHz 에서 90% 이상의 흡수성능을 가지는 것으로 나타났다. 이를 통해 볼 때, 그래핀 Layer를 줄이고 면저항을 높이면, 유연 베이스 기판의 두께가 증가될 수는 있지만, 공정 절차 및 비용 적인 면에서 장점이 있고 상대적으로 낮은 면저항을 사용하는 것보다 광대역 특성을 얻어낼 수 있는 장점이 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 유연 베이스 기판
110: 제2슬릿
120: 제1연결부
200: 유연 반사층
300: 흡수층
310: 패턴
320: 제1슬릿
330: 투명 전극
400: 제1보호층
450: 제2보호층
451: 제3슬릿
452: 제2연결부

Claims (10)

  1. 유전체의 투명한 유연 베이스 기판;
    상기 유연 베이스 기판의 일면에 구비되고, 상기 유연 베이스 기판을 투과하는 입사파를 반사시키는 투명한 유연 반사층; 그리고
    상기 유연 베이스 기판의 타면에 구비되고, 제1슬릿 간격으로 배치되는 복수 개의 패턴을 가지며, 상기 유연 반사층에서 반사되는 반사파를 흡수하는 흡수층을 포함하고,
    상기 패턴은 적어도 한 종류의 다각형 형상이고, 내부가 모두 채워지도록 형성되며,
    상기 흡수층은 그래핀층인 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유연 베이스 기판은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제2슬릿을 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유연 반사층의 일면에 구비되는 제1보호층 및 상기 흡수층의 일면에 구비되는 제2보호층을 더 포함하고,
    상기 제2보호층은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제3슬릿을 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡수층은, 상기 제1슬릿에 구비되고 이웃하는 상기 패턴을 서로 연결하는 투명 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유연 베이스 기판은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제2슬릿 및 상기 투명 전극에 대응되도록 형성되는 제1연결부를 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유연 반사층의 일면에 구비되는 제1보호층 및 상기 흡수층의 일면에 구비되는 제2보호층을 더 포함하고,
    상기 제2보호층은 상기 제1슬릿에 대응되도록 형성되는 제3슬릿 및 상기 투명 전극에 대응되도록 형성되는 제2연결부를 가지고, 상기 흡수층에 대응되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 육각형 형상인 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1슬릿은 동일한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 다층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유연 반사층은 ITO(Indium Tin Oxide), 그래핀, 은나노 와이어, 구리 나노 와이어, CNT(Carbon Nano Tube) 투명전극, AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide) 투명전극, FTO(Fluorine-doped Tin dioxide) 투명전극 및 메탈 메시(Metal-Mesh) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 초박형 유연 투명 흡수체.
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