WO2012086943A1 - 전자파 흡수 장치 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electromagnetic wave absorbing device, in particular, by using a transparent material such as glass, the manufacturing process is simple, the absorption frequency band and absorption characteristics can be easily adjusted by adjusting the parameters, the electromagnetic wave absorbing device that can easily adjust the thickness It is about.
- wireless communication devices such as portable terminals have become a necessity of modern people.
- the influence of electromagnetic waves generated from the terminal on the human body also becomes an important issue.
- the relationship between the electromagnetic wave and the effect on the human body in the frequency band used by the mobile phone is not clear, but leukemia, brain tumors, headaches, poor eyesight, electroencephalogram confusion when accumulated in the human body It is reported that it may affect.
- Electromagnetic bandgap is a technique for applying a periodic structure, which can be implemented by periodically arranging specific unit cell patterns intended on a general electric conductor at regular intervals.
- the electromagnetic wave stopper has a characteristic in that the tangential component of the magnetic field becomes zero at a specific band on the surface thereof, so that no current can flow on the surface. This is the opposite of the general electric conductor, and can be called a magnetic conductor.
- the electromagnetic wave stopper surface becomes a high impedance surface (HIS).
- the frequency response characteristic of the electromagnetic wave stopper can be confirmed through a reflection phase.
- the reflection phase refers to a phase difference between an incident wave incident on the surface of the electromagnetic wave stopper and a reflected wave caused by the electromagnetic wave surface.
- the reflection phase of the electromagnetic wave stopper becomes 0 at the resonant frequency, which is the high impedance surface, and varies from -180 degrees to +180 degrees in the peripheral band around the resonance frequency.
- the phase can be changed. have.
- a dielectric layer and an array of unit cell patterns except a metal conductor ground plane are a general structure of a frequency selective surface (hereinafter referred to as FSS), and FSS technology selectively transmits or reflects a desired frequency. It is a surface made by artificially arranging specific unit cell patterns periodically. Therefore, the electromagnetic wave stopper has a metal conductor ground plane for specific frequency filtering characteristics by the FSS, thereby completely blocking the propagation of the radio wave and having the inherent physical characteristics described above.
- FSS frequency selective surface
- a plate-type resonant absorber such as a ⁇ / 4 wave absorber or Salisbury screen may be a resistive sheet, a dielectric spacer, a metal conductor ground plane. It is made of a simple configuration, easy to manufacture and easy to adjust the absorption performance, and when configured in a multi-layer has the advantage of obtaining a multi-band absorption characteristics.
- the Salisbury screen has the disadvantage that the thickness of the dielectric spacer from the metal conductor ground plane must be at least ⁇ / 4 or more.
- an electromagnetic wave absorber that is simple in the manufacturing process, easy to adjust the absorption frequency band and absorption characteristics, and can be made thinner by adjusting the thickness.
- the electromagnetic wave absorber thus formed is a structure in which the resistive film is added to the typical structure of the electromagnetic wave stopper. Furthermore, if the electromagnetic wave stopper unit cell pattern itself is designed and manufactured from a metal conductor into a resistive material, the resistive electromagnetic wave stopper itself is simpler. It can work as The electromagnetic wave absorber of the resistive electromagnetic wave stopper is easy to manufacture in the field to which the conventional electromagnetic wave absorber has been applied for the purpose of reducing multiple reflections of electromagnetic waves, and can be applied as a simpler and lower cost structure. In particular, since the absorption frequency band can be easily adjusted by simple structural or material modification of the unit cell, it is advantageous in selectively absorbing electromagnetic waves of a desired frequency band, which is very useful in an environment where electromagnetic waves of various frequency bands coexist. Can be utilized.
- the resistive pattern layer, the dielectric layer, and the metal conductor layer of the electromagnetic wave stopper have a unique color and are not transparent. This will follow. It is no surprise that transparent devices can be used in a wide variety of purposes and spaces. For example, if you have the ability to absorb electromagnetic waves in the desired frequency band while maintaining its inherent transparency, such as glass windows, it can be installed in facilities such as homes, libraries, schools, offices, hospitals, etc. By blocking electromagnetic waves that do not protect the human body and devices in the facility it is possible to create a comfortable electromagnetic environment. However, in order to utilize the previously announced transparent electromagnetic wave absorber as the glass window, there is a disadvantage in that the existing glass window cannot be utilized because it has to be manufactured and installed in a new glass window.
- the manufacturing process using a periodic structure and a transparent resistive material such as electromagnetic band gap (EBG)
- EBG electromagnetic band gap
- the thickness is adjusted It can be miniaturized, and the transparent electromagnetic wave absorbing device is finally provided by implementing a resistive material pattern layer, a metal conductor layer, and a dielectric layer with a transparent material.
- the present invention by using a periodic structure, such as the electromagnetic wave stopper, by appropriately adjusting the phase and loss of the transmitted and reflected waves by a combination of a resistive material pattern layer, a dielectric layer, and a metal conductor layer of a periodic arrangement of unit cells
- a periodic structure such as the electromagnetic wave stopper
- an electromagnetic wave absorbing device capable of selectively absorbing only electromagnetic waves in a frequency band.
- the dielectric layer may be formed of a transparent material such as glass, and the pattern layer and the metal conductor layer of the resistive material may be formed of a transparent material such as a transparent electrode material.
- the present invention provides an electromagnetic wave absorbing device capable of absorbing or blocking electromagnetic waves of a desired band while utilizing existing facilities such as glass windows or glass doors and maintaining its inherent transparency.
- a ground layer formed of a metal conductor layer, a dielectric layer formed on the ground layer, and at least two or more electromagnetic wave stopper based unit cell patterns formed on the dielectric layer and formed of a resistive material are periodically Provided is an electromagnetic wave absorbing device including unit cell pattern layers arranged in the order.
- a ground layer of a transparent electrode material formed of a metal conductor layer, a transparent glass dielectric layer formed on the ground layer, and at least two or more units formed on the dielectric layer and formed of a resistive material Provided is an electromagnetic wave absorbing device including a unit cell pattern layer of a transparent electrode material in which cell patterns are periodically arranged.
- a unit cell pattern layer of a transparent electrode material in which a pattern is periodically arranged wherein the unit cell pattern includes a central unit cell pattern having a shape in which a center of each side is in a rectangular shape in a square, and the center unit cell pattern.
- An electromagnetic wave absorbing device including an edge unit cell pattern disposed in engagement with the center unit cell pattern at a predetermined interval in the center of each side is provided.
- a unit cell pattern layer of a transparent electrode material in which cell patterns are periodically arranged wherein the unit cell pattern includes a central unit cell pattern having a center in which a square of each side is in a rectangular shape, and the central unit cell pattern Edge unit cell pattern disposed in engagement with the central unit cell pattern at a predetermined interval in the center of each side of the central unit cell pattern, the electromagnetic wave absorbing device having a slot formed in the center is provided.
- a unit cell pattern layer of a transparent electrode material in which cell patterns are periodically arranged wherein the unit cell pattern includes a central unit cell pattern having a center in which a square of each side is in a rectangular shape, and the central unit cell pattern
- An edge unit cell pattern is disposed in engagement with the central unit cell pattern at predetermined intervals in the center of each side of the center unit cell pattern, the central unit cell pattern, the first slot formed in the center, and formed at each corner of the first slot
- An electromagnetic wave absorbing device having a second slot of a square structure having a constant length is provided.
- a unit cell pattern layer of a transparent electrode material in which cell patterns are periodically arranged wherein the unit cell pattern includes a central unit cell pattern having a center in which a square of each side is in a rectangular shape, and the central unit cell pattern
- An edge unit cell pattern is disposed in engagement with the central unit cell pattern at predetermined intervals in the center of each side of the center unit cell pattern, the central unit cell pattern, the first slot formed in the center, and formed at each corner of the first slot
- the edge unit cell pattern has a second slot having a square structure having a constant length, and the edge unit cell pattern includes:
- An electromagnetic wave absorbing device having a third slot having the same shape as the edge unit cell pattern formed at the center of a turn is provided.
- the electromagnetic wave absorbing device applying the periodic structure technology such as the electromagnetic wave stopper can be installed in the user's desired place to selectively absorb the electromagnetic waves of the desired frequency band, transparently by using a transparent electrode
- the periodic structure technology such as the electromagnetic wave stopper
- it can be used as an electromagnetic wave absorber that can effectively absorb electromagnetic waves at the convenience of the user while maintaining the pure function of the glass windows. It can be free from adverse effects.
- the electromagnetic wave absorbing device of the present invention since the electromagnetic wave absorbing device of the present invention has a simple structure, it can be easily manufactured and installed with a new glass window, and can be easily applied to an existing glass window by attaching a transparent metal conductor layer and a transparent electromagnetic wave blocking pattern layer on both sides of the existing glass window. Therefore, the cost of completely manufacturing and installing a new electromagnetic wave absorbing glass window can be reduced. Therefore, the present invention can sufficiently satisfy the needs of users seeking a well-being environment, and is expected to have a large ripple effect in various industrial fields.
- FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of an electromagnetic wave absorbing device according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the principle of electromagnetic wave absorption of the electromagnetic wave absorbing apparatus according to an embodiment of the present invention
- 3A and 3B are planar views of an electromagnetic wave absorbing device having a first unit cell pattern according to an embodiment of the present invention
- FIG. 4 is a graph illustrating an electromagnetic wave absorption band and absorption performance of an electromagnetic wave absorption device having a first unit cell pattern of FIG. 3;
- FIG. 5 is a plan configuration diagram of an electromagnetic wave absorbing device having a second unit cell pattern according to an embodiment of the present invention
- FIG. 6 is a graph illustrating predicted and measured values of an electromagnetic wave absorption band and absorption performance of an electromagnetic wave absorption device having a second unit cell pattern of FIG. 5;
- FIG. 7 is a graph showing the results of simulated electromagnetic wave absorption performance by varying the surface resistance of the second unit cell pattern of the electromagnetic wave absorber of FIG.
- FIG. 8 is a graph showing the results of simulated electromagnetic wave absorption performance by fixing the surface resistance of the central unit cell pattern of the electromagnetic wave absorbing device of FIG. 5 to 40 Ohm / sq, and changing the surface resistance of the edge unit cell pattern;
- FIG. 9 is a graph comparing the results of electromagnetic wave absorption performance measured by fabricating the surface resistance of the edge unit cell pattern of the electromagnetic wave absorbing apparatus of FIG. 5 at 130 Ohm / sq,
- FIG. 10 is a plan configuration diagram of an electromagnetic wave absorbing device having a third unit cell pattern according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is a graph showing the results of simulated electromagnetic wave absorption performance while varying the length of one side of slot S3 of the edge unit cell pattern in the third unit cell pattern of the electromagnetic wave absorber of FIG. 10;
- FIG. 12 is a diagram exemplarily illustrating a method of applying the electromagnetic wave absorbing device of the present invention to a glass window.
- FIG. 1 is a cross-sectional configuration of an electromagnetic wave absorbing device according to an embodiment of the present invention.
- an electromagnetic wave absorbing device has a structure in which electromagnetic wave blocking unit cells A are periodically arranged.
- Each unit cell A includes a ground layer 100 formed of a metal conductor layer, a dielectric layer 102 formed on the ground layer 100, and a unit cell pattern 104 formed of a resistive material formed on the dielectric layer 102. It includes.
- the ground layer 100 is made of a transparent electrode material such as a transparent material, for example, indium tin oxide (ITO) or carbon nanotube (CNT).
- ITO indium tin oxide
- CNT carbon nanotube
- the electromagnetic wave partially transmitted through the unit cell pattern 104 may be totally reflected.
- Dielectric layer 102 may be made of a transparent material, for example transparent glass.
- the unit cell pattern 104 of the resistive material is a resistive electromagnetic wave blocking unit cell pattern, and may be made of a transparent electrode material such as ITO or CNT, similar to the ground layer 100.
- the ground layer 100, the dielectric layer 102, and the unit cell pattern 104 constituting the unit cell A may be made of a transparent material, a transparent electromagnetic wave absorbing device may be finally implemented. Therefore, the transparent electromagnetic wave absorbing device having such a simple structure can be applied to the existing glass window while having a function of blocking the absorption of electromagnetic waves.
- the existing glass window is used as the dielectric layer 102 of the present invention and simply attaches the transparent ground layer 100 and the transparent unit cell pattern 104 to both surfaces thereof, the glass window has an electromagnetic wave absorption blocking function without the need to newly install the glass window. It becomes a windowpane.
- the unit cell pattern 104 is a structure in which a loss is added to a frequency selective surface (FSS).
- the unit cell pattern 104 partially reflects or partially transmits an incident wave at a desired frequency and adjusts a phase in the dielectric.
- the ground layer 100 serves to totally reflect the electromagnetic wave partially transmitted through the unit cell pattern 104 of the resistive material, and as a result, the shape of the electromagnetic wave stopper, the C (the unit cell pattern 104 of the dielectric cell height)
- the absorption frequency is determined by capacitance and L, and the height of the dielectric layer 102 is formed to be much lower than the height ⁇ / 4 required for absorption due to the reflection phase characteristic of the electromagnetic wave stopper surface.
- the electromagnetic wave partially transmitted through the cell pattern 104 may be attenuated.
- the height h1 from the ground layer 100 to the unit cell pattern 104, the dielectric properties ⁇ r , ⁇ r , and the thickness t of the unit cell pattern 104 act as parameters for absorption performance. Adjust the absorption band and absorption performance of electromagnetic waves.
- the same design parameters can be freely changed for each direction, and in this case, electromagnetic waves of different frequency bands can be absorbed simultaneously in both directions.
- FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the principle of electromagnetic wave absorption of the electromagnetic wave absorbing apparatus according to an embodiment of the present invention.
- the incident waves f1 and f2 of various frequency bands are incident, the reflected wave is virtually eliminated by the electromagnetic wave absorbing apparatus according to the embodiment of the present invention, thereby having high absorption performance.
- 3A and 3B are diagrams illustrating plan views of an electromagnetic wave absorbing device having a first unit cell pattern formed on the dielectric layer 102 according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3A is a plan view illustrating the structure of the electromagnetic wave blocking first unit cell pattern applicable to the present invention
- FIG. 3B is a plan view illustrating detailed design parameters of the first unit cell pattern structure of FIG. 3A.
- the first unit cell pattern structure includes an edge unit cell pattern 104a and a center unit cell pattern 104b.
- the central unit cell pattern 104b is a basic patch located at the center of the first unit cell pattern, and has a shape in which a center of each side of the square is recessed in a rectangular shape.
- the edge unit cell pattern 104a is in the form of a semi-orthogonal dipole patch, and has a structure in which the edge unit cell pattern 104b is engaged with the center unit cell pattern 104b at regular intervals at the center of each side of the center unit cell pattern 104b.
- the central unit cell pattern 104b and the edge unit cell pattern 104a may be made of a transparent electrode material such as ITO or CNT, as described above.
- a transparent electrode material such as ITO or CNT
- Such a transparent electrode material has two characteristics that, for example, the surface resistance is about 1,000 Ohm / sq or less, and has electrical conductivity, and the transmittance in the visible light region of about 380 to 780 nm is about 80% or more.
- the parameter a is the length of one side of the first unit cell pattern
- the parameter b is the length of the side where the edge unit cell pattern 104a abuts on the first unit cell pattern
- the parameter c is the edge unit cell pattern ( The length of the inner side of the portion engaged with the central unit cell pattern 104b in 104a)
- the parameter d is the length of one side of the square of the central unit cell pattern 104b
- the parameter e is the distance between the central unit cell pattern and the edge unit cell pattern.
- the parameter k indicates a height vertical from one side of the first unit cell pattern in the edge unit cell pattern 104a, respectively.
- FIG. 4 is a graph illustrating an electromagnetic wave absorption band and absorption performance of the electromagnetic wave absorbing device having the first unit cell patterns of FIGS. 3a and 3b.
- FIG. 4 is a simulation result based on the following parameter values.
- FIGS. 1 and 3B These parameters are shown in FIGS. 1 and 3B and may be used to determine the electrical length between the central unit cell pattern 104b and the edge unit cell pattern 104a.
- the reflectance (Reflectivity) indicating the absorption performance may be defined as shown in Equation 1 below.
- R is the reflectance
- r DUT is the reflection coefficient of the electromagnetic wave absorber
- r G is the reflection coefficient of the surface of the metal conductor.
- an absorption band may be determined based on -10 dB.
- a reflectance of -10 dB means absorbing 90% of incident electromagnetic waves. Since the frequency band having a reflectance below the -10 dB reference line is from 5.1 GHz to 7.2 GHz, the frequency band of the embodiment of the present invention becomes 5.1 GHz to 7.2 GHz. Therefore, the above-described parameters for determining the electrical length between the central unit cell pattern 104b and the edge unit cell pattern 104a, the height from the ground layer 100 to the first unit cell pattern, the material characteristics of the dielectric layer 102, The resonance frequency and bandwidth of the electromagnetic wave absorbing device may be adjusted by adjusting the surface resistance value of the first unit cell pattern.
- the dielectric may be used in a variety of materials, and in particular may be composed of a transparent glass as suggested in the embodiment of the present invention.
- the dielectric constant ⁇ r of glass is much larger than that of air, and it can be manufactured to have a dielectric constant value of about 10.
- This dielectric constant is also one of the absorption performance adjustment parameters proposed in the embodiment of the present invention.
- the dielectric layer 102 may be manufactured to change the absorption frequency band and the absorption bandwidth.
- FIG. 5 is a plan view illustrating an electromagnetic wave absorbing device having a second unit cell pattern as an electromagnetic wave absorbing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
- the second unit cell pattern includes an edge unit cell pattern 104a and a center unit cell pattern 104b '.
- the central unit cell pattern 104b ' is a basic patch located at the center of the second unit cell pattern, and has a shape in which a center of each side of the square is recessed in a rectangular shape.
- the edge unit cell pattern 104a is in the form of a semi-orthogonal dipole patch and has a structure in which the edge unit cell pattern 104b 'is engaged with the center unit cell pattern 104b' at regular intervals at the center of each side of the center unit cell pattern 104b '.
- the central unit cell pattern 104b ′ is formed by comparing the central unit cell pattern 104b of the first unit cell pattern of FIG. 3 with the slot S1 formed in the center of the central unit cell pattern 104b ′ and the slot S1. There is a difference that slots S2 having a square structure having a constant length at each corner are formed.
- the parameters for determining the electrical length of the above-described center unit cell pattern 104b 'and the edge unit cell pattern 104a, the height from the ground layer 100 to the second unit cell pattern, and the dielectric layer 102 may be adjusted by adjusting the material properties, the surface resistance value of the second unit cell pattern, the size of the slot S1, the length of one side of the slot S2, and the like. For example, by adjusting the sizes of the slots S1 and S2, it is possible to widen the absorption bandwidth of the electromagnetic wave absorbing device and set the maximum absorption frequency to a higher frequency.
- the above-described parameters include the length of one side of the second unit cell pattern, the length of the side where the edge unit cell pattern 104a abuts on the second unit cell pattern, and the center unit cell pattern (the edge unit cell pattern 104a).
- 104b ' the length of the inner side, the length of one side of the square of the central unit cell pattern 104b', the distance between the central unit cell pattern 104b 'and the edge unit cell pattern 104a, the edge unit cell pattern
- the height of the second unit cell pattern may be perpendicular to a side of the second unit cell pattern.
- the central unit cell pattern 104b ′ and the edge unit cell pattern 104a may have different surface resistance values
- second adjacent unit cell patterns periodically arranged may have different surface resistance values.
- the second unit cell patterns that are periodically arranged adjacent to each other may be arranged such that at least one of a unit cell structure and a unit cell surface resistance value are alternately disposed.
- FIG. 6 is a graph illustrating predicted and measured values of an electromagnetic wave absorption band and absorption performance of the electromagnetic wave absorption device having the second unit cell pattern of FIG. 5.
- the designed electromagnetic wave absorber actually operates almost similar to the predicted value result.
- the maximum absorption frequency is adjusted upward and the absorption bandwidth is much wider compared with the predicted result of FIG. 4.
- FIG. 7 is a graph showing simulation results of absorption performance by changing the surface resistance value Rs of the second unit cell pattern of the electromagnetic wave absorbing device of FIG. 5.
- the unit cell having the surface resistance exemplified in the present invention can be realized because the surface resistance can realize a transparent electrode material having a light transmittance of about 80% or more at 1000 Ohm / sq or less and excellent electrical conductivity.
- the pattern can be easily implemented with a transparent electrode material.
- FIG. 9 is a graph comparing the results obtained by measuring the surface resistance Rs2 of the edge unit cell pattern 104a having a semi-orthogonal dipole patch shape at 130 Ohm / sq in FIG. 8 with the corresponding simulation result shown in FIG. 8. .
- FIG. 10 is a plan view illustrating an electromagnetic wave absorbing device having a third unit cell pattern structure as an electromagnetic wave absorbing device according to an exemplary embodiment of the present invention.
- the third unit cell pattern includes an edge unit cell pattern 104a 'and a center unit cell pattern 104b'.
- the central unit cell pattern 104b ' is a basic patch located at the center of the third unit cell pattern, and has a shape in which a center of each side of the square is recessed in a rectangular shape.
- the slot S1 is formed in the center of the central unit cell pattern 104b ', and the slot S2 having a square structure having a constant length is formed at each corner of the slot S1, which is the second unit cell pattern shown in FIG. Same as the structure.
- the edge unit cell pattern 104a ' is in the form of a semi-orthogonal dipole patch, and has a structure in which the edge unit cell pattern 104a' is engaged with the center unit cell pattern 104b 'at regular intervals in the center of each side of the center unit cell pattern 104b'.
- the third unit cell pattern is different from the structure of the second unit cell pattern of FIG. 5 in that each edge unit cell pattern 104a 'includes a slot S3.
- the slot S3 has the same shape as that of each edge unit cell pattern 104a ', that is, a semi-orthogonal dipole patch.
- the resonant frequency and bandwidth of the electromagnetic wave absorbing device can be adjusted by adjusting the material properties, the surface resistance value of the third unit cell pattern, the size of the slot S1, the length of one side of the slot S2, the size of the slot S3, and the like. For example, by adjusting the sizes of the slots S1, S2 and S3, the absorption bandwidth of the electromagnetic wave absorbing device can be widened and the maximum absorption frequency can be set to a higher frequency.
- the above-described parameters include the length of one side of the third unit cell pattern, the length of the side where the edge unit cell pattern 104a 'is in contact with the third unit cell pattern, and the center unit cell in the edge unit cell pattern 104a'.
- the unit cell pattern 104a ' may include a height vertical to one side of the third unit cell pattern.
- the central unit cell pattern 104b ′ and the edge unit cell pattern 104a ′ may have different surface resistance values
- the adjacent third unit cell patterns periodically arranged may have different surface resistance values.
- the third unit cell patterns periodically arranged adjacent to each other may be configured such that at least one of the unit cell structure and the unit cell surface resistance values are alternately arranged.
- FIG. 11 is a graph illustrating absorption performance results simulated by changing the length x of one side of slot S3 of the edge unit cell pattern 104a 'in the third unit cell pattern of FIG.
- the electromagnetic wave absorption performance can be easily adjusted by adjusting the physical parameters.
- FIG. 12 is a diagram exemplarily illustrating a method of applying the electromagnetic wave absorbing device of the present invention to a glass window.
- the electromagnetic wave absorbing device By simply attaching the electromagnetic wave absorbing device to both sides of the existing glass window, it can have a function of absorbing the desired electromagnetic wave while maintaining the function of the existing glass window.
- the glass window 102 has its own It is possible to have a function of absorbing and blocking electromagnetic waves of a desired frequency band while maintaining the function, ie transparency.
- the absorption performance as the electromagnetic wave absorber can be easily adjusted by simply changing the physical and electrical parameters of the unit cell structure.
- the unit cell structures having the absorption performance are the basic unit cell structures of the electromagnetic wave absorbing device based on the periodic structure of the present invention, and have the effect of selectively and simultaneously absorbing electromagnetic waves of different frequency bands.
- the transparency of more than 80% can be used in a much wider range than the existing application range while maintaining or absorbing the performance of the existing electromagnetic wave absorber can be very industrial effect.
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Abstract
전자파 흡수 장치는 금속 도체층으로 형성된 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 전자파 저지대 기반의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 단위셀 패턴층을 포함한다.
Description
본 발명은 전자파 흡수 장치에 관한 것으로, 특히 유리와 같은 투명한 소재를 활용하여 제조 과정이 간단하고, 파라미터의 조절을 통해 흡수 주파수 대역 및 흡수 특성 조절이 용이하며, 두께를 쉽게 조절할 수 있는 전자파 흡수 장치에 관한 것이다.
최근 IT의 급속한 발전과 인간의 통신 욕구가 증대하면서 휴대용 단말기 등 무선 통신기기 들은 현대인의 필수품이 되었다. 그러나, 이러한 휴대기기의 사용이 늘어남에 따라 단말기에서 발생하는 전자기파가 인체에 미치는 영향도 중요한 이슈가 되고 있다. 현재로서는 휴대폰이 사용하는 주파수 대역에서의 전자파와 인체에 미치는 영향에 대한 연관성은 명확히 밝혀지지 않았으나 백혈병, 뇌종양, 두통, 시력저하, 인체에 누적된 경우 뇌파 혼란 초래, 남성 생식기능 파괴 등 각종 질병에 영향을 미칠 가능성이 있다고 보고되고 있다.
또한, 원하지 않는 전자파에 의한 정보통신기기 간의 오동작 사례가 꾸준히 보고되고 있으며, 이는 EMI(Electromagnetic Interference)/EMC(Electromagnetic Compatibility) 문제로서 전세계적으로 꾸준한 연구가 진행 중이다. 따라서, 전자파를 효과적으로 차단하여 전자파로 인한 악영향을 예방하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
전자파 저지대(EBG, Electromagnetic BandGap)는 주기 구조를 응용하는 기술의 하나로써, 일반적인 전기 도체(electric conductor) 상에 의도된 특정 단위셀 패턴을 일정 간격으로 주기적으로 배열함으로써 구현할 수 있다. 전자파 저지대는 그 표면에서 특정 대역에서 자기장의 접선 성분이 0이 되어 표면상에 전류가 흐를 수 없는 특성을 갖는다. 이는 일반적인 전기도체와는 정반대가 되는 개념으로 자기도체(magnetic conductor)라 할 수 있으며 전자파 저지대 표면은 회로적으로 고 임피던스 표면(HIS, High Impedance Surface)이 된다. 전자파 저지대의 주파수 응답 특성은 반사 위상(reflection phase)을 통해 확인할 수 있는데, 반사 위상은 전자파 저지대 표면에 입사하는 입사파와 전자파 표면에 의한 반사파와의 위상 차이를 의미한다. 전자파 저지대의 반사 위상은 바로 고 임피던스 표면이 되는 공진 주파수에서 0이 되고 공진 주파수를 중심으로 주변 대역에서 -180도부터 +180도까지 변화하는데 전자파 저지대의 구조적 파라미터를 조정하면 그 위상을 변화시킬 수 있다.
일반적인 전자파 저지대의 구조에서 금속도체 접지면을 제외한 유전체층과 단위셀 패턴의 배열 층은 주파수 선택 표면(Frequency Selective Surface, 이하 FSS라 함)의 일반적인 구조로서 FSS 기술은 원하는 주파수를 선택적으로 투과 또는 반사시키기 위해 인위적으로 특정 단위셀 패턴을 주기적으로 배열하여 만든 표면이다. 따라서 전자파 저지대는 FSS에 의한 특정 주파수 필터링 특성에 대해 금속도체 접지면을 비치함으로써 전파의 진행을 완전 차단함은 물론, 앞서 기술한 고유의 물리적 특성을 갖게 된다.
종래의 전자파 흡수체는 형태, 재료, 흡수 메커니즘 등에 의해 다양하게 분류될 수 있다. 현재까지 대부분의 전자파 흡수체는 흡수 특성을 갖도록 조성된 재료에 의한 것들이 대부분이다. 이러한 전자파 흡수체는 일반적으로 시행착오법에 의해 개발되기 때문에 그 제조 과정이 복잡할 뿐만 아니라, 흡수 주파수 대역 및 흡수 특성을 쉽게 조정하기에 상당한 어려움이 있는 것이 단점이다. 이에 반해, λ/4 전파 흡수체(wave absorber) 또는 솔즈베리 스크린(Salisbury screen)과 같은 평판형의 공진형 전자파 흡수체(resonant absorber)는 저항 피막(resistive sheet), 유전체 스페이서(spacer), 금속도체 접지면으로 이루어져 그 구성이 간단하여 제작이 쉽고 흡수 성능 조정이 용이할 뿐만 아니라, 다층으로 구성할 경우 다중 대역 흡수 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 솔즈베리 스크린은 금속도체 접지면으로부터 유전체 스페이서의 두께가 적어도 λ/4 이상이어야 하는 단점이 있다.
따라서, 제조 과정이 간단하며, 흡수 주파수 대역 및 흡수 특성 조절이 용이하고, 더 얇게 두께를 조절하여 만들 수 있는 전자파 흡수체가 필요하다.
이러한 필요성에 의한 일환으로, 솔즈베리 스크린의 유전체 스페이서와 저항 피막 사이에 위에서 언급한 FSS를 삽입하면 FSS 고유의 전자기적 성질로 인해 두께 조정 및 흡수 성능 조정이 가능하다.
결과적으로 이렇게 형성된 전자파 흡수체는 전자파 저지대의 전형적인 구조에 저항 피막을 더한 구조로서 좀 더 나아가 전자파 저지대 단위셀 패턴 자체를 금속도체에서 저항성 재질로 설계 및 제작하면 그러한 저항성 전자파 저지대 자체가 좀 더 단순한 전자파 흡수체로 동작할 수 있다. 이러한 저항성 전자파 저지대의 전자파 흡수체는 전자파의 다중 반사를 줄이기 위한 목적으로 기존의 전자파 흡수체가 적용되었던 분야에 제작이 용이하고 좀 더 단순하고 저가의 구조로서 응용될 수 있다. 특히, 단위셀의 구조적 또는 물질적인 단순한 변형으로도 용이하게 흡수 주파수 대역을 조정할 수 있기 때문에 원하는 주파수 대역의 전자파들을 선택적으로 흡수할 수 있다는 장점이 있어 다양한 주파수 대역의 전자파들이 공존하는 환경에서 매우 유용하게 활용될 수 있다.
하지만, 실제로 이러한 전자파 흡수체를 설치하여 활용하는데 있어, 전자파 저지대의 저항성 패턴층과 유전체층, 그리고 금속 도체층은 고유색을 띠고 있어 투명하지 않기 때문에 빛을 통해야 하는 공간이나 시야를 확보해야 하는 장소에서 상당한 제약이 따르게 된다. 투명한 장치가 훨씬 다양한 목적과 공간에서 활용될 수 있음은 당연한 사실일 것이다. 예를 들어, 유리창과 같이 그 본연의 투명성을 유지하면서 원하는 주파수 대역의 전자파를 흡수할 수 있는 성능을 갖게 된다면, 일반 가정집, 도서관, 학교, 사무실, 병원 등의 시설에 설치되어 유리창을 통해 들어오는 원하지 않는 전자파를 차단함으로써 시설 내 인체 및 기기들을 보호하여 쾌적한 전자파 환경을 조성할 수 있게 된다. 하지만, 기존에 발표된 투명한 전자파 흡수체를 위와 같이 유리창으로 활용하기 위해서는, 구조상 새 유리창으로 제작하여 설치되어야 하기 때문에 기존에 설치된 유리창을 활용할 수 없는 단점이 있다.
이에, 본 발명은, 전자파 저지대(EBG, Electromagnetic BandGap)와 같은 주기 구조와 투명한 저항성 재질을 이용하여 제조 과정이 간단하고, 파라미터의 조절을 통해 흡수 주파수 대역 및 흡수 특성 조절이 용이하며, 두께를 조절할 수 있어 소형화가 가능하고, 저항성 재질의 패턴층, 금속 도체층, 유전체 층을 투명한 소재로 구현함으로써 최종적으로 투명한 전자파 흡수 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 전자파 저지대와 같은 주기 구조를 사용하여, 단위셀의 주기적 배열로 이뤄진 저항성 재질의 패턴층과 유전체층, 그리고 금속 도체층의 조합으로 투과파와 반사파의 위상과 손실을 적절히 조절함으로써 원하는 주파수 대역의 전자파만을 선택적으로 흡수할 수 있는 전자파 흡수 장치를 제공한다.
여기서, 유전체층은 유리와 같은 투명 물질로 구현할 수 있고, 저항성 재질의 패턴층과 금속 도체층은 투명 전극(transparent electrode) 소재와 같은 투명 물질로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 유리창 또는 유리문과 같은 기존 시설을 활용하고 그 고유의 투명성을 유지하면서, 원하는 대역의 전자파를 흡수 또는 차단할 수 있는 전자파 흡수 장치를 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 전자파 저지대 기반의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 단위셀 패턴층을 포함하는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고, 상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과, 상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고, 상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과, 상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되, 상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 슬롯을 갖는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고, 상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과, 상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되, 상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 제 1 슬롯과, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 형성된 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯을 갖는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명의 제 6 양태에 따르면, 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과, 상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과, 상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고, 상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과, 상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되, 상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 제 1 슬롯과, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 형성된 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯을 가지고, 상기 가장자리 단위셀 패턴은, 상기 가장자리 단위셀 패턴의 중앙에 형성된 상기 가장자리 단위셀 패턴과 동일한 형상의 제 3 슬롯을 갖는 전자파 흡수 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 전자파 저지대와 같은 주기 구조 기술을 응용한 전자파 흡수 장치를 구현함으로써 사용자가 원하는 장소에서 설치하여 원하는 주파수 대역의 전자파들을 선택적으로 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 투명 전극을 활용하여 투명하게 구현함으로써 활용 영역을 확대할 수 있는 효과가 있다. 예컨대, 가정집, 학교, 도서관, 병원과 같은 건물에 유리창 대용으로 설치할 경우 유리창의 순수한 기능은 유지하면서 전자파를 사용자의 편의에 따라 효과적으로 흡수할 수 있는 전자파 흡수 장치로도 사용할 수 있어 전자파로 인한 직간접적 악영향으로부터 벗어날 수 있다.
또한, 본 발명의 전자파 흡수 장치는 간단한 구조이므로 쉽게 새 유리창으로 제작하여 설치할 수 있음은 물론, 기존 유리창의 양면에 투명 금속 도체층과 투명 전자파 저지대 패턴층을 부착함으로써 간단히 기존 유리창에 적용할 수 있음으로 인해 전자파 흡수 유리창을 새로 제작하여 설치하는 비용을 완전히 줄일 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은, 웰빙 환경을 추구하는 사용자의 요구를 충분히 만족시킬 수 있어 여러 산업 분야에서 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치의 단면 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도,
도 4는 도 3의 제 1 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 대역 및 흡수 성능을 예시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 2 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도,
도 6은 도 5의 제 2 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 대역 및 흡수 성능의 예측치 및 측정치를 예시한 그래프,
도 7은 도 5의 전자파 흡수 장치의 제 2 단위셀 패턴의 표면 저항값을 변화시켜가며 시뮬레이션한 전자파 흡수 성능 결과를 보여주는 그래프,
도 8은 도 5의 전자파 흡수 장치의 중앙 단위셀 패턴의 표면 저항을 40 Ohm/sq로 고정하고, 가장자리 단위셀 패턴의 표면 저항을 변화시켜가며 시뮬레이션한 전자파 흡수 성능 결과를 보여주는 그래프,
도 9는 도 5의 전자파 흡수 장치의 가장자리 단위셀 패턴의 표면 저항을 130 Ohm/sq로 제작하여 측정한 전자파 흡수 성능 결과를 도 8의 해당 시뮬레이션 결과와 비교한 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제 3 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도,
도 11는 도 10의 전자파 흡수 장치의 제 3 단위셀 패턴에서 가장자리 단위셀 패턴의 슬롯 S3의 한 변의 길이를 변화시켜가면서 시뮬레이션한 전자파 흡수 성능 결과를 보여주는 그래프,
도 12는 본 발명의 전자파 흡수 장치를 유리창에 적용하는 방법을 예시적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭하며 중복되는 설명은 생략할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치의 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치는 전자파 저지대 단위셀(A)이 주기적으로 배열된 구조를 가진다. 각 단위셀(A)은 금속 도체층으로 형성된 접지층(100), 접지층(100) 상부에 형성된 유전체층(102), 유전체층(102) 상부에 형성된 저항성(resistive) 재질의 단위셀 패턴(104)을 포함한다.
접지층(100)은 투명 물질, 예를 들어 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, 이하 ITO라 함) 또는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, 이하 CNT라 함) 등과 같은 투명 전극(Transparent electrode) 소재로 이루어질 수 있으며, 단위셀 패턴(104)을 통해 부분 투과한 전자파를 전반사시킨다. 유전체층(102)은 투명 물질, 예를 들어 투명 유리로 이루어질 수 있다.
저항성 재질의 단위셀 패턴(104)은, 저항성 전자파 저지대 단위셀 패턴으로서, 접지층(100)과 마찬가지로 ITO 또는 CNT 등의 투명 전극 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 단위셀(A)을 구성하는 접지층(100), 유전체층(102), 단위셀 패턴(104)이 투명 물질로 이루어질 수 있기 때문에, 최종적으로 투명한 전자파 흡수 장치를 구현할 수 있다. 따라서, 이러한 간단한 구조를 가지는 투명한 전자파 흡수 장치는 전자파 흡수 차단 기능을 가지면서 기존 유리창에 적용될 수 있다. 구체적으로, 기존 유리창이 본 발명의 유전체층(102)으로 사용되고 그 양면에 간단히 투명한 접지층(100)과 투명한 단위셀 패턴(104) 을 부착하면 새로 유리창을 만들어 설치할 필요 없이 바로 전자파 흡수 차단 기능을 갖는 유리창이 된다.
단위셀 패턴(104)은 주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective surface)에 손실(loss)을 더한 구조로서, 원하는 주파수에서 입사파를 부분 반사 또는 부분 투과시키고 유전체 내의 위상(phase)을 조절한다. 접지층(100)은 이러한 저항성 재질의 단위셀 패턴(104)을 통해 부분 투과한 전자파를 전반사시키는 역할을 하고, 결과적으로 전자파 저지대의 형상이므로, 유전체 높이로부터 단위셀 패턴(104)이 갖는 C(capacitance)와 L(inductance)에 의해 흡수 주파수가 결정되고 유전체층(102)의 높이는 전자파 저지대 표면이 갖는 반사 위상(Reflection phase) 특성에 의해 흡수를 위해 필요한 높이 λ/4보다 훨씬 낮게 형성이 되어 결국 단위셀 패턴(104)을 통해 부분 투과한 전자파가 감쇄될 수 있다.
접지층(100)으로부터 단위셀 패턴(104)까지의 높이(h1)와 유전체 특성(εr, μr) 및 단위셀 패턴(104)의 두께(t)는, 흡수 성능에 대한 파라미터로써 작용하여, 전자파의 흡수 대역 및 흡수 성능을 조절한다. 여기서, 각 방향에 대해 동일 설계 파라미터들을 자유롭게 달리할 수 있고, 그럴 경우, 서로 다른 주파수 대역의 전자파를 양방향에서 동시에 흡수할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 여러 주파수 대역의 입사파(f1)(f2)가 입사했을 때 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치에 의해 반사파가 거의 없게 됨으로써 높은 흡수 성능을 가질 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치로서, 유전체층(102) 상에 형성되는 제 1 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도이다.
구체적으로, 도 3a는 본 발명에 적용될 수 있는 전자파 저지대 제 1 단위셀 패턴의 구조를 예시한 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 제 1 단위셀 패턴 구조의 상세한 설계 파라미터를 예시한 평면도이다.
도 3a를 참조하면, 제 1 단위셀 패턴 구조는 가장자리 단위셀 패턴(104a)과 중앙 단위셀 패턴(104b)을 포함한다.
중앙 단위셀 패턴(104b)은 제 1 단위셀 패턴의 중앙에 위치하는 기본 패치로서, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 가진다.
가장자리 단위셀 패턴(104a)은, 반 직교 다이폴 패치 형태이며, 중앙 단위셀 패턴(104b)의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 중앙 단위셀 패턴(104b)과 맞물려 배치되는 구조를 가진다.
여기서, 중앙 단위셀 패턴(104b)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)은, 앞서 설명하였듯이 ITO나 CNT같은 투명 전극 소재로 구성될 수 있다. 이러한 투명 전극 소재는, 예를 들어 표면 저항(Surface Resistance)이 약 1000 Ohm/sq 이하로 전기 전도성을 가지며, 가시광선 영역인 380~780nm에서의 투과율이 약 80% 이상이라는 두 가지 특성을 갖는다. 투명 전극 소재의 표면 저항을 아주 작게 함으로써 전기 전도도(electroconductivity)를 크게 하여 거의 완전 금속의 성질에 가깝게 구현할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 파라미터 a는 제 1 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 파라미터 b는 가장자리 단위셀 패턴(104a)이 제 1 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 파라미터 c는 가장자리 단위셀 패턴(104a)에서 중앙 단위셀 패턴(104b)와 맞물려 있는 부분 중 안쪽 변의 길이, 파라미터 d는 중앙 단위셀 패턴(104b)의 정사각형의 한 변의 길이, 파라미터 e는 중앙 단위셀 패턴과 가장자리 단위셀 패턴 간의 간격, 파라미터 k는 가장자리 단위셀 패턴(104a)에서 제 1 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이를 각각 나타낸다.
도 4는 도 3a 및 3b의 제 1 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 대역 및 흡수 성능을 예시한 그래프로, 다음과 같은 파라미터 값을 바탕으로 시뮬레이션한 결과이다.
Rs=40 Ohm/sq, a=30 mm, b=15 mm, c=5 mm, d=23 mm, e=1 mm, h1=5 mm, k=7.5 mm, t=0.001 mm, θ=45°, εr=1, μr=1
이 파라미터들은 도 1 및 도 3b에 도시되어 있으며, 중앙 단위셀 패턴(104b)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)간의 전기적 길이를 결정하는데 사용될 수 있다.
이때, 흡수 성능을 나타내는 반사율(Reflectivity)은 다음 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.
여기서, R은 반사율, rDUT는 전자파 흡수체의 반사계수, rG는 금속 도체 표면의 반사계수를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서는 흡수대역을 -10dB를 기준으로 결정할 수 있다. 여기서, -10dB의 반사율은 입사 전자파의 90%를 흡수함을 의미한다. -10dB 기준선 이하의 반사율을 갖는 주파수 대역은 5.1GHz부터 7.2 GHz까지 이므로, 본 발명의 실시예의 주파수 대역은 5.1GHz 내지 7.2GHz가 된다. 그러므로, 상술한 중앙 단위셀 패턴(104b)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)간의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 접지층(100)으로부터 제 1 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층(102)의 재료 특성, 제 1 단위셀 패턴의 표면 저항 값 등을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
도 4에서, 유전체는 다양한 물질이 사용될 수 있고, 특히 본 발명의 실시예에서 제안하는 것처럼 투명한 유리로 구성될 수 있다. 일반적으로 유리의 유전율(εr)은 공기의 유전율보다 훨씬 크다고 알려져 있는데, 대략 10 전후의 유전율 값을 갖도록 제작이 가능하다. 이러한 유전율 또한 본 발명의 실시예에서 제안하는 흡수 성능 조절 파라미터들 중 하나로써, 이 유전율을 달리 하여 유전체층(102)을 제작함으로써, 흡수 주파수 대역 및 흡수 대역폭을 변화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치로서, 제 2 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 2 단위셀 패턴은 가장자리 단위셀 패턴(104a)과 중앙 단위셀 패턴(104b’)을 포함한다.
중앙 단위셀 패턴(104b’)은 제 2 단위셀 패턴의 중앙에 위치하는 기본 패치로서, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 가진다.
가장자리 단위셀 패턴(104a)은, 반 직교 다이폴 패치 형태이며, 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 맞물려 배치되는 구조를 가진다.
여기서, 중앙 단위셀 패턴(104b’)은 도 3의 제 1 단위셀 패턴의 중앙 단위셀 패턴(104b)과 비교하여, 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 가운데에 형성된 슬롯 S1과, 슬롯 S1의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조를 갖는 슬롯 S2가 형성되어 있는 것에 차이가 있다.
이 경우에, 상술한 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 접지층(100)으로부터 제 2 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층(102)의 재료 특성, 제 2 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 슬롯 S1의 크기, 슬롯 S2의 한 변의 길이 등을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 슬롯 S1 및 슬롯 S2의 크기를 조정함으로써, 전자파 흡수 장치의 흡수 대역폭을 넓히고 최대 흡수 주파수도 더 높은 주파수로 설정할 수 있다.
여기서, 상술한 파라미터는, 제 2 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 가장자리 단위셀 패턴(104a)이 제 2 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 가장자리 단위셀 패턴(104a)에서 중앙 단위셀 패턴(104b’)와 맞물려 있는 부분 중 안쪽 변의 길이, 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 정사각형의 한 변의 길이, 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)간의 간격, 가장자리 단위셀 패턴(104a)에서 제 2 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이 등을 포함할 수 있다.
또한, 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a)은 각각 상이한 표면 저항값을 가질 수 있으며, 주기적으로 배열된 서로 인접한 제 2 단위셀 패턴들이 서로 다른 표면 저항값을 가질 수 있고, 주기적으로 배열된 서로 인접한 제 2 단위셀 패턴들은 단위셀 구조 및 단위셀 표면 저항값 중 적어도 하나가 서로 다르게 교대로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 6은 도 5의 제 2 단위셀 패턴을 갖는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 대역 및 흡수 성능의 예측치 및 측정치를 예시한 그래프이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 설계된 전자파 흡수체가 예측치 결과와 거의 흡사하게 실제로 동작함을 확인할 수 있다. 또한, 도 4의 예측된 결과와 비교하여 최대 흡수 주파수가 상향 조정되었고 그에 따른 흡수 대역폭도 훨씬 넓어졌음을 알 수 있다.
도 7은 도 5의 전자파 흡수 장치의 제 2 단위셀 패턴의 표면 저항값(Rs)를 변화시켜가며 시뮬레이션한 흡수 성능 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 간단히 단위셀 패턴의 표면 저항값(Rs)을 변화시킴으로써 최대 흡수 주파수 및 흡수 대역폭을 크게 조정할 수 있음을 알 수 있다. 최근의 투명 전극 기술을 보면, 표면 저항이 1000 Ohm/sq 이하에서 약 80% 이상의 빛의 투과율을 가지며 우수한 전기 전도도를 갖는 투명 전극 재료를 구현 가능하기 때문에 본 발명에서 예시한 표면 저항을 갖는 단위셀 패턴은 투명 전극 재료로 쉽게 구현이 가능하다.
도 8은 도 5의 전자파 흡수 장치의 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 표면 저항(Rs1)을 40 Ohm/sq로 고정하고 반 직교 다이폴 패치 형상의 가장자리 단위셀 패턴(104a)의 표면 저항(Rs2)을 변화시켜가며 시뮬레이션한 흡수 성능 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8로부터 표면저항(Rs2)가 40 Ohm/sq보다 클 때 흡수 대역폭이 크게 향상됨을 알 수 있다.
도 9는 도 8에서 반 직교 다이폴 패치 형상의 가장자리 단위셀 패턴(104a)의 표면 저항(Rs2)을 130 Ohm/sq로 제작하여 측정한 결과를 도 8에 도시된 해당 시뮬레이션 결과와 비교한 그래프이다.
도 9로부터, 예측된 결과와 마찬가지로 전자파 흡수 성능이 향상됨을 확인할 수 있고, 측정 결과는 예측된 결과보다 좀 더 좋은 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수 장치로서, 제 3 단위셀 패턴 구조를 갖는 전자파 흡수 장치의 평면 구성도이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 제 3 단위셀 패턴은 가장자리 단위셀 패턴(104a’)과 중앙 단위셀 패턴(104b’)을 포함한다.
중앙 단위셀 패턴(104b’)은 제 3 단위셀 패턴의 중앙에 위치하는 기본 패치로서, 정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 가진다.
또한, 슬롯 S1이 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 가운데에 형성되고, 길이가 일정한 정사각형 구조를 갖는 슬롯 S2가 슬롯 S1의 각 모서리에 형성되는데, 이는 도 5에 도시된 제 2 단위셀 패턴의 구조와 동일하다.
가장자리 단위셀 패턴(104a’)은, 반 직교 다이폴 패치 형태이며, 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 맞물려 배치되는 구조를 가진다.
제 3 단위셀 패턴은, 도 5의 제 2 단위셀 패턴의 구조와 비교하여 가장자리 단위셀 패턴(104a’) 각각이 슬롯 S3을 포함한다는 점에서 차이가 있다.
이러한 슬롯 S3은 각각의 가장자리 단위셀 패턴(104a’)의 형상과 동일한 형상, 즉, 반 직교 다이폴 패치의 형태를 지닌다.
이 경우에, 상술한 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a’)의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 접지층(100)으로부터 제 3 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층(102)의 재료 특성, 제 3 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 슬롯 S1의 크기, 슬롯 S2의 한 변의 길이, 슬롯 S3의 크기 등을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 슬롯 S1, 슬롯 S2 및 슬롯 S3의 크기를 조정함으로써 전자파 흡수 장치의 흡수 대역폭을 넓히고 최대 흡수 주파수도 더 높은 주파수로 설정할 수 있다.
여기서, 상술한 파라미터는, 제 3 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 가장자리 단위셀 패턴(104a’)이 제 3 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 가장자리 단위셀 패턴(104a’)에서 중앙 단위셀 패턴(104b’)와 맞물려 있는 부분 중 안쪽 변의 길이, 중앙 단위셀 패턴(104b’)의 정사각형의 한 변의 길이, 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a’)의 간격, 가장자리 단위셀 패턴(104a’)에서 제 3 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이 등을 포함할 수 있다.
또한, 중앙 단위셀 패턴(104b’)과 가장자리 단위셀 패턴(104a’)은 각각 상이한 표면 저항값을 가질 수 있으며, 주기적으로 배열된 서로 인접한 제 3 단위셀 패턴들이 서로 다른 표면 저항값을 가질 수 있고, 주기적으로 배열된 서로 인접한 제 3 단위셀 패턴들은 단위셀 구조 및 단위셀 표면 저항값 중 적어도 하나가 서로 다르게 교대로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 11는 도 10의 제 3 단위셀 패턴에서 가장자리 단위셀 패턴(104a’)의 슬롯 S3의 한 변의 길이 x를 변화시켜가면서 시뮬레이션한 흡수 성능 결과 그래프이다.
마찬가지로, 도 11로부터, 물리적 파라미터를 조정함으로써 전자파 흡수 성능을 쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 전자파 흡수 장치를 유리창에 적용하는 방법을 예시적으로 도시한 도면이다.
전자파 흡수 장치를 기존에 설치된 유리창의 양면에 간단히 부착함으로써 기존의 유리창의 기능을 유지하면서 원하는 전자파를 흡수 차단하는 기능을 가질 수 있다.
즉, 기존에 설치된 유리창(102)의 앞 뒷면에 투명 금속 도체층인 접지층(100)과 투명 전자파 저지대 패턴층인 단위셀 패턴(104)을 간단히 부착함으로써, 유리창(102)이 자신의 고유의 기능, 즉 투명성을 유지하면서 원하는 주파수 대역의 전자파를 흡수 차단하는 기능을 가지도록 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 단위셀 구조의 물리적 파라미터와 전기적 파라미터를 단순히 변경함으로써, 전자파 흡수체로서의 흡수 성능(흡수 대역폭과 최대 흡수 주파수)을 용이하게 조정할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 설계 과정에 의해 흡수 성능을 갖는 단위셀 구조들은 본 발명의 주기 구조를 기반으로 한 전자파 흡수 장치의 기본 단위셀 구조로써 서로 다른 주파수 대역들의 전자파들을 선택적으로 동시에 흡수하는 효과를 갖는다. 게다가, 80%이상의 투명성을 갖기 때문에 기존 전자파 흡수체의 흡수 성능을 유지 또는 이상의 성능을 유지하면서 기존 적용 범위보다 훨씬 다양한 분야에서 활용될 수 있어 산업 효과가 매우 크다 할 수 있다. 특히, 유리창에 적용할 경우 앞서 설명하였듯이, 기존 유리창을 활용할 수 없는 선행 기술의 단점을 보완하여 기존 유리창에도 바로 적용할 수 있는 구조이기 때문에 새로 제작하거나 설치하는 비용을 줄일 수 있어 넓은 건축 분야에 큰 효과가 있다 할 수 있다.
Claims (19)
- 금속 도체층으로 형성된 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 전자파 저지대 기반의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 단위셀 패턴층을 포함하는전자파 흡수 장치.
- 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하는전자파 흡수 장치.
- 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고,상기 단위셀 패턴은,정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과,상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하는전자파 흡수 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치는,상기 중앙 단위셀 패턴과 상기 가장자리 단위셀 패턴의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 상기 접지층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성 및/또는 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는전자파 흡수 장치.
- 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고,상기 단위셀 패턴은,정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과,상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되,상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 슬롯을 갖는전자파 흡수 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치는,상기 중앙 단위셀 패턴과 상기 가장자리 단위셀 패턴의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 상기 접지층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값 및/또는 상기 슬롯의 크기를 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는전자파 흡수 장치.
- 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고,상기 단위셀 패턴은,정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과,상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되,상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 제 1 슬롯과, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 형성된 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯을 갖는전자파 흡수 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치는,상기 중앙 단위셀 패턴과 상기 가장자리 단위셀 패턴의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 상기 접지층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기 및/또는 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이를 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는전자파 흡수 장치.
- 금속 도체층으로 형성된 투명 전극 소재의 접지층과,상기 접지층 상에 형성된 투명 유리 재질의 유전체층과,상기 유전체층 상에 형성되며, 저항성 재질로 이루어진 적어도 둘 이상의 단위셀 패턴이 주기적으로 배열되어 있는 투명 전극 소재의 단위셀 패턴층을 포함하고,상기 단위셀 패턴은,정사각형에서 각 변의 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태를 갖는 중앙 단위셀 패턴과,상기 중앙 단위셀 패턴의 각 변의 중앙에 일정 간격을 두고 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 배치되는 가장자리 단위셀 패턴을 포함하되,상기 중앙 단위셀 패턴은, 가운데에 형성된 제 1 슬롯과, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 형성된 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯을 가지고,상기 가장자리 단위셀 패턴은, 상기 가장자리 단위셀 패턴의 중앙에 형성된 상기 가장자리 단위셀 패턴과 동일한 형상의 제 3 슬롯을 갖는전자파 흡수 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 3슬롯은, 반 직교 다이폴 형태를 갖는전자파 흡수 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치는,상기 중앙 단위셀 패턴과 상기 가장자리 단위셀 패턴의 전기적 길이를 결정하는 파라미터, 상기 접지층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이 및/또는 상기 제 3 슬롯의 크기를 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는전자파 흡수 장치.
- 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 가장자리 단위셀 패턴은, 반 직교 다이폴 패치 형태를 갖는전자파 흡수 장치.
- 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 가장자리 단위셀 패턴과 상기 중앙 단위셀 패턴이 각각 다른 표면 저항 값을 가지는전자파 흡수 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 주기적으로 배열되어 있는 단위셀 패턴 중에서 서로 인접한 단위셀 패턴은, 서로 다른 표면 저항 값을 가지는전자파 흡수 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 주기적으로 배열되어 있는 단위셀 패턴은, 단위셀 구조 및 단위셀 표면 저항 값 중 적어도 하나가 서로 다르게 교대로 배치되는전자파 흡수 장치.
- 제 4 항 또는 제 6 항 또는 제 8 항 또는 제 11 항에 있어서,상기 파라미터는, 상기 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 상기 가장자리 단위셀 패턴이 상기 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 상기 가장자리 단위셀 패턴에서 상기 중앙 단위셀 패턴과 맞물려 있는 부분 중 안쪽 변의 길이, 상기 중앙 단위셀 패턴의 정사각형의 한 변의 길이, 상기 중앙 단위셀 패턴과 상기 가장자리 단위셀 패턴 간의 간격 및 상기 가장자리 단위셀 패턴에서 상기 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이를 포함하는전자파 흡수 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 투명 전극 소재는, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 카본나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 포함하는전자파 흡수 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치의 반사율은, R(dB) = 20 X log(rDUT/rG)의 수학식에 의해 구현되며,여기서, R은 상기 전자파 흡수 장치의 반사율, rDUT는 상기 전자파 흡수 장치의 반사계수, rG는 상기 접지층의 표면의 반사계수인전자파 흡수 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 전자파 흡수 장치는,상기 유전체층을 중심으로 그 양면에 상기 접지층과 상기 단위셀 패턴층을 부착 가능한 구조인전자파 흡수 장치.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 13996679 Country of ref document: US |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11850188 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |