WO2017188504A1 - 능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법 - Google Patents

능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법 Download PDF

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selective surface
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flexible electrode
active frequency
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오일권
최준호
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    • H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
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Definitions

  • the present invention relates to an active frequency selective surface and a method of manufacturing the same.
  • Frequency selective surfaces have been suggested as a solution.
  • Frequency selective surfaces are widely used in stealth radomes, multiple antennas, electromagnetic wave absorbers, communication services, and wireless security systems.
  • Frequency Selective Surface is an electromagnetic filter in which conductors are periodically patterned over a dielectric. When any electromagnetic wave is incident in the designed driving frequency band, it selectively transmits or reflects the electromagnetic wave.
  • the existing frequency selective surface research has a limitation that transmits / reflects only electromagnetic waves of a single frequency by using a rigid metal dielectric substrate.
  • pin diodes, varactor diodes, liquid crystals, ferro-electric substrates, and radio-frequency microelectromechanical systems can be used to further extend the frequency-selective surface.
  • Active frequency selective surfaces with transmission / reflection frequency variability have been actively studied using -frequency microelectronimechanical systems.
  • an active element is applied to vary the electromagnetic characteristics of a frequency selective surface or to control a physical structure.
  • a switching frequency selective surface using a pin diode connects a pin diode to each electrode.
  • Use rectification there is a disadvantage in that the power consumption is very complicated due to the structural complexity and strong bias current.
  • only two frequencies can be tuned because they are on / off.
  • variable frequency range is small.
  • the conventional method is that the resonant frequency is not sufficiently adjusted in the driving band with the active frequency selective surface.
  • a frequency selective surface for transmitting or reflecting an electromagnetic wave having a specific frequency comprising: a dielectric elastic body, a first flexible electrode patterned with a conductive pattern on the top surface of the dielectric elastic body, and the dielectric elastic body And a second flexible electrode having the conductive pattern patterned on a lower surface thereof, and when voltage is applied to the first flexible electrode and the second flexible electrode, according to an electrical attraction between the first flexible electrode and the second flexible electrode. Due to the compressive force applied to the dielectric elastomer, the geometry of the conductive pattern is deformed, thereby changing the frequency characteristic.
  • It may be in a prestretched state before the voltage is applied.
  • Pre-stretch may be point by point in the X-axis and Y-axis directions.
  • It may be an intaglio pattern or an embossed pattern.
  • the first flexible electrode and the second flexible electrode are connected to each other.
  • It may include a metal nanowire electrode.
  • the ovals may be butterfly shapes that cross each other.
  • the frequency selection surface is
  • a plurality of cells may be connected and combined with each other.
  • the frequency characteristic may vary according to the magnitude of the voltage applied to the first flexible electrode and the second flexible electrode.
  • a method of manufacturing a frequency selective surface is a method of manufacturing a frequency selective surface that transmits or reflects electromagnetic waves having a specific frequency, the method comprising: mold clamping a dielectric elastomer, the predetermined surface on both sides of the dielectric elastomer Applying a patterned shadow mask, stacking flexible electrodes on both sides of the dielectric elastic body, and removing the shadow mask, and active frequency selection in which flexible electrodes having conductive patterns patterned on both surfaces of the dielectric elastic body are stacked. Manufacturing a surface;
  • the active frequency selective surface deforms the geometry of the conductive pattern due to the compressive force applied to the dielectric elastic body according to the electrical attraction between the flexible electrodes.
  • Metal nanowire electrodes may be coated on both sides of the dielectric elastomer.
  • the method may further include applying tension by mechanically prestretching the dielectric elastomer in the X-axis and Y-axis directions.
  • Each side may be pre-stretched point by point to allow uniform stretching in the plane direction of the dielectric elastic body.
  • the shadow mask is,
  • the oval shape may include a pattern in which a plurality of butterfly shapes intersecting with each other are arranged.
  • the active frequency selective surface is manufactured by periodically patterning a flexible electrode having excellent elasticity and excellent conductivity on a deformable dielectric elastomer, unlike the conventional passive element, and applying the patterned geometry to electric voltage.
  • an active frequency selective surface deforms its geometry using a flexible and deformable material, it is possible to vary the frequency characteristics in a wider band than the active frequency selective surface in the related art.
  • unit frequency selection surfaces are connected to each other in the form of a module, which can be expanded in size to be applicable to any size application.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a frequency selective surface according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a frequency selective surface according to an embodiment of the invention.
  • FIG 3 is an exploded side cross-sectional view of a frequency selective surface according to an embodiment of the invention.
  • FIG 5 shows an operating principle in which the frequency selective surface actively transmits electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a pattern shape when the voltage according to the embodiment of the present invention is applied to 0 kV.
  • FIG. 7 shows a pattern shape when the voltage according to an embodiment of the present invention is applied 2kV.
  • FIG 8 shows a pattern shape when the voltage according to an embodiment of the present invention is applied to 4 kV.
  • FIG. 9 is a flowchart sequentially illustrating a manufacturing process of a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention.
  • 10 and 11 are diagrams for describing operation S101 of FIG. 9.
  • FIG. 12 is a diagram for describing operation S103 of FIG. 9.
  • FIG. 13 is a diagram for describing operation S105 of FIG. 9.
  • FIG. 14 is a diagram for describing operation S107 of FIG. 9.
  • FIG. 15 is a diagram for describing operation S109 of FIG. 9.
  • FIG 16 illustrates a process in which the unit modules of the frequency selection surface are combined according to an embodiment of the present invention.
  • 17 and 18 show the results of frequency transmission selectivity and frequency transmission selectivity of an active frequency selective surface according to an embodiment of the present invention.
  • ... unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
  • the frequency selective surface means a plane or surface made to have a frequency selective characteristic of periodically arranging a pattern having a predetermined shape to selectively transmit or reflect a desired frequency.
  • the transmission and reflection characteristics of the frequency selective surface are characterized by the electromagnetic characteristics of the material used for the frequency selective surface, the geometrical structure such as the shape, size, length, width, etc. of the conductive pattern having a constant shape, and the arrangement interval spacing and arrangement of each pattern. Determined by the shape.
  • the transmission and reflection characteristics of the frequency selective surface can be varied.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded view of a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a side cross-sectional view, and FIG. 4 shows an operating principle of a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows an operating principle in which a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention actively transmits electromagnetic waves.
  • Figure 7 shows a pattern shape when the voltage according to an embodiment of the present invention is applied to 2kV
  • Figure 8 is according to an embodiment of the present invention The voltage shows a pattern shape when 4 kV is applied.
  • the structure of the frequency selective surface 100 includes a first flexible electrode 101, a second flexible electrode 103, and a dielectric elastomer 105.
  • the conductive pattern 107 is negatively patterned, but the embossed pattern in which the conductive pattern 107 protrudes is shown. May be patterned as: In case of transmitting the frequency, an intaglio pattern is used, but in the case of reflecting the frequency, an embossed pattern is used.
  • the conductive pattern 107 has a shape in which two ovals cross each other, that is, a butterfly shape.
  • the reason why the butterfly-shaped pattern is adopted among the patterns is related to the linear deformation of the dielectric elastic body 105.
  • the dielectric elastomer 105 is first linearly deformed in the X- and Y-axis directions, and then flexible electrodes 101 and 103 are patterned on both sides of the dielectric elastomer 105.
  • the dielectric elastic body 105 is linearly deformed in the X-axis and Y-axis.
  • the symmetrical and inward butterfly pattern (concave) in the X-axis and Y-axis is more deformed than the other-shaped pattern. have.
  • the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 are conductive flexible electrodes, and are made of a material having high conductivity and excellent elasticity and maintaining conductivity even in deformation.
  • the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 may include a metal nanowire electrode as a flexible conductive electrode having excellent conductivity.
  • the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 may include silver nanowire (AgNWs) electrodes.
  • AgNWs silver nanowire
  • the frequency selective surface 100 uses flexible dielectric elastomers.
  • the dielectric elastomer is a smart material to change the shape freely according to the flow of electricity.
  • the use of a dielectric elastomer makes it easier to apply the frequency selective surface 100 to a curved surface than in the prior art.
  • the frequency selective surface 100 has a dielectric elastomer 105 fixed in a rigid frame 109.
  • the first flexible electrode 101 is stacked on the top surface of the dielectric elastic body 105
  • the second flexible electrode 103 is stacked on the bottom surface of the dielectric elastic body 105. Is done. This is different from the conventional 2-Layer.
  • the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 are flexible electrodes coated on the upper and lower surfaces of the dielectric elastic body 105 to supply power for inducing deformation of the dielectric elastic body 105.
  • the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 may be formed by spraying a silver nanowire solution.
  • the length and width of the conductive pattern 107 are determined by the selected frequency, which is actively controlled by the electric voltage.
  • a voltage is applied to the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103.
  • a voltage may be applied to the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 using a copper tape.
  • the dielectric elastic body 105 which is incompressible due to electrical attraction between the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 is compressed. As a result, the structure of the frequency selective surface 100 is deformed in an in-plane direction.
  • the compressive force is generated by the dielectric elastomer 105, that is, by the electrical attraction, and the first flexible electrode 101 and the second flexible electrode 103 are deformed in the actuating direction due to the compressive force. This occurs, and the dielectric elastomer generates an elastic restoring force.
  • the actuating direction and the elastic restoring force direction are the same.
  • the deformation is better, which results in a change in the pattern of the frequency selective surface and also in the frequency characteristic by the deformation of the geometry.
  • the dielectric elastic body 105 extends in the plane direction, but the volume is constant but is not compressed, the shape of the conductive patterns 107 of the flexible electrodes 101 and 103 is deformed. At this time, all the conductive patterns 107 are uniformly deformed.
  • the dielectric elastomer 105 is linearly deformed, i.e., prestretched, to prevent further deformation and unstable phenomena such as buckling and wrinkles.
  • Pre-stretched dielectric elastomer 105 It may have a thickness (P1) of.
  • the thickness of the dielectric elastic body 105 is determined according to the selection frequency, and the frequency band is adjusted by the length, width, and thickness of the dielectric elastic body 105 of the conductive pattern 107.
  • the pre-stretched dielectric elastic body 105 may be uniformly stretched in the plane direction without wrinkles or buckling.
  • the intaglio pattern deformation is better.
  • the conductive pattern 107 when the voltage is 0 kV, the conductive pattern 107 has a length of 20 mm and a size of 5 mm.
  • the conductive pattern 107 when a voltage of 2 kV is applied, the conductive pattern 107 is reduced in length to 19.05 mm and reduced in width to 4.63 mm.
  • the conductive pattern 107 when a voltage of 4 kV is applied, the conductive pattern 107 is reduced to 17,69 mm and the width is reduced to 3.95 mm.
  • the frequency selective surface 100 applies a voltage to the flexible electrodes 101 and 103 so that the dielectric elastomer 105 having a periodic negative pattern can be reversibly deformed.
  • a mechanism for selectively transmitting electromagnetic waves in the X band is based on antagonistic functional control between expansion of the flexible electrodes 101 and 103 made of silver nanowires and contraction of the dielectric elastomer 105.
  • the conductive pattern 107 patterned on the frequency selective surface 100 has the conductive portion P7 stretched and the non-conductive portion P9 reduced when a voltage is applied, that is, when the voltage changes from 0 kV to 4 kV. That is, as described with reference to FIGS. 6 and 7, since the length and width of the conductive pattern 107 are contracted inward, the conductive portion P7 corresponding to the flexible electrodes 101 and 103 is extended and corresponding to the dielectric elastomer 105. The non-conductive portion P9 will be reduced.
  • the frequency transmission characteristic through the intaglio pattern has been described, a similar principle is applied to the embossed pattern.
  • the conductive pattern 107 is embossed, the conductive portion P7 corresponding to the flexible electrodes 101 and 103 increases, and the non-conductive portion P9 corresponding to the dielectric elastomer 105 decreases to form an embossed pattern. Increases in size Therefore, the frequency characteristic is affected.
  • the flexible electrodes 101 and 103 and the dielectric elastomer 105 are used to actively control the geometry, such as the shape and size of the frequency selective surface 100, and the array periodicity, thereby transmitting / transmitting the frequency selective surface 100. Reflective properties can be varied.
  • FIG. 9 is a flowchart sequentially illustrating a process of manufacturing a frequency selective surface according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 are views for explaining step S101 of FIG. 9, and FIG. 12 shows step S103 of FIG. 9.
  • FIG. 13 is a view for explaining step S105 of FIG. 9,
  • FIG. 14 is a view for explaining step S107 of FIG. 9, and
  • FIG. 15 is a view for explaining step S109 of FIG. 9.
  • 16 illustrates a process of combining unit modules of a frequency selection surface according to an embodiment of the present invention.
  • prestretching is performed to prevent larger deformation and unstable phenomena such as buckling and wrinkles when driving the flexible elastic body 105 ( S101).
  • the dielectric elastic body 105 is prestretched in the x and y axis directions using a mechanically equi-biaxial stretching apparatus 200.
  • the surface of the dielectric elastic body 105 is not stretched, but is prestretched in units of points 300.
  • This pre-stretching allows for greater compressive forces by reducing the thickness of the dielectric elastomer 105.
  • tension is applied to the dielectric elastic body 105, buckling and wrinkles do not occur during driving, and not only all patterns can be deformed evenly, but also larger deformations can be induced. Larger deformations affect the frequency characteristics. Larger variations increase the variable range of the frequency band.
  • mold clamping of the dielectric elastomer 105 to which tension is applied by pre-stretching is performed (S103). That is, as shown in FIG. 12, the dielectric elastic body 105 is fixed up and down with the rigid frame 109.
  • Shadow masking is performed on both surfaces of the dielectric elastic body 105 fixed to the rigid frame 109 (S105). As shown in FIG. 13, a shadow mask is attached to both sides of the dielectric elastomer 105 to form a conductive pattern 107 having an arbitrary shape.
  • the flexible electrodes 101 and 103 are stacked by spraying, spin-coating, printing, sputtering, or the like (S107).
  • silver nanowires are deposited on both sides of the shadow masked dielectric elastomer 105 in a spraying manner.
  • the conductive pattern 107 is periodically patterned with the flexible electrodes 101 and 103 and the dielectric elastic body 105.
  • the configured active frequency selective surface 100 is manufactured.
  • the manufactured active frequency selection surface 100 is in the form of a unit module as shown in FIG.
  • the unit modules When the unit modules are connected and combined with each other, they can be expanded as shown in FIGS. 16B and 16C to broaden frequency coverage.
  • the frequency selective surface manufactured as the unit module is easy to adjust in size to allow a variety of practical applications.
  • 17 and 18 show the results of frequency transmission selectivity and frequency transmission selectivity of an active frequency selective surface according to an embodiment of the present invention.
  • 17 and 18 show the change in the resonant frequency of the frequency selective surface FSS coated with silver nanowires (AgNW) as the input voltage increases.
  • the frequency response of the reflection and transmission of electromagnetic waves shifts from 9.6 GHz to 8.8 GHz towards lower frequency bands and reduced resonance frequencies. do. It can be seen that the frequency band of 0.8 to 1.0 GHz can be adjusted.
  • the transmission frequency can be varied in a more precise and wider frequency band because the geometry of the frequency selective surface, i.e., the shape and size of the unit cell, and the array cycle interval itself, is modified.

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Abstract

능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법이 제공된다. 여기서, 능동적 주파수 선택 표면은 특정 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 또는 반사시키는 주파수 선택 표면으로서, 유전 탄성체, 상기 유전 탄성체의 상부면에 도전성 패턴이 패터닝된 제1 유연 전극, 그리고 상기 유전 탄성체의 하부면에 상기 도전성 패턴이 패터닝된 제2 유연 전극을 포함하고, 상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극 간의 전기적 인력에 따라 상기 유전 탄성체에 가해진 압축력으로 인해 상기 도전성 패턴의 기하학 구조가 변형되어 주파수 특성이 가변된다.

Description

능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법
본 발명은 능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
무선 통신과 전자기기의 개발에 따른 무수한 전자기파의 발생으로 인해 통신오류, 기밀정보유출, 해로운 전자파에 대한 인체의 유해성 등의 많은 문제점이 발생한다. 주파수 선택 표면은 이에 대한 해결책으로 제시되고 있다.
주파수 선택 표면은 스텔스 레이돔, 다중 안테나, 전자기파 흡수체, 통신 서비스, 무선 보안 시스템 등 다양하게 널리 이용되고 있다.
주파수 선택 표면(Frequency Selective Surface, FSS)은 유전체 위에 전도체가 주기적으로 패턴화되어 있는 전자기적 필터이다. 설계된 구동 주파수 대역에서 임의의 전자기파가 입사될 때 전자기파를 선택적으로 투과 또는 반사한다.
그런데, 기존의 주파수 선택 표면 연구는 금속과 유전체로 구현된 수동 소자(rigid metal dielectric substrate)를 사용하여 단일한 주파수의 전자기파만을 투과/반사를 시키는 제한점이 존재한다.
이에 따라 주파수 선택 표면의 활용범위를 더 넓히기 위해 핀 다이오드(Pin Diode), 버랙터 다이오드(varactor diode), 액정(liquid crystal), 강유전성 물질(ferro-electric substrates), 무선 주파수 미세 전자기계 시스템(radio-frequency microelectronimechanical systems) 등을 이용하여 투과/반사 주파수 가변성을 갖는 능동적 주파수 선택 표면에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
종래에는 능동 소자를 적용하여 주파수 선택 표면의 전자기적 특성을 가변시키거나 물리적인 구조를 컨트롤하는데, 핀 다이오드(pin diode)를 이용한 스위칭(Switching) 주파수 선택 표면은 각 전극에 핀 다이오드를 각각 연결하여 정류작용을 이용한다. 따라서, 구조적으로 복잡하고, 강한 바이어스 전류(bias current)에 의해 전력 소모가 매우 큰 단점이 있다. 또한, 온/오프(on/off) 형식이라서 2가지의 주파수만을 튜닝 할 수 있다.
또한, 핀 다이오드(pin diode)와 캐패시턴스를 변화시킬 수 있는 버랙터(varactor) 다이오드를 사용하는 경우, 가변 가능한 주파수 영역이 작다.
또한, 전기적 재배열 주파수 선택 표면의 경우, 외부 인가 전압으로 인해 LC의 내부 구조가 변형되는데, 그에 따라 유전율과 같은 전기적 특성을 바꿀 수 있지만, 구조적으로 부피가 큰 것이 단점이고, 가변 가능한 주파수 대역이 넓지 않다.
이처럼, 종래에 주파수 선택 표면의 전자기적 특성을 가변하여 능동적 주파수 선택 표면을 구현하는 다양한 연구가 존재하지만, 높은 전력 소모, 높은 유전 손실, 복잡한 구조로 인한 비싼 비용과 복잡한 제작 그리고 제한된 주파수 능동적 제어 범위(수십 MHz)의 한계점이 있다. 더욱이, 가변 가능한 주파수 선택 대역이 아직까지 실용적으로 적용하기에는 부족한 단계에 있다.
또한, 종래의 방법은 능동적 주파수 선택 표면으로 구동 대역에서 충분히 공진 주파수가 조절되고 있지 않다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중 대역에서의 구동이 가능하도록 주파수 튜닝이 가능한 능동적 주파수 선택 표면 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 특정 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 또는 반사시키는 주파수 선택 표면으로서, 유전 탄성체, 상기 유전 탄성체의 상부면에 도전성 패턴이 패터닝된 제1 유연 전극, 그리고 상기 유전 탄성체의 하부면에 상기 도전성 패턴이 패터닝된 제2 유연 전극을 포함하고, 상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극 간의 전기적 인력에 따라 상기 유전 탄성체에 가해진 압축력으로 인해 상기 도전성 패턴의 기하학 구조가 변형되어 주파수 특성이 가변된다.
상기 유전 탄성체는,
상기 전압이 인가되기 전에 프리스트레칭(prestretching)된 상태일 수 있다.
상기 유전 탄성체는,
X축 및 Y축 방향으로 포인트 바이 포인트로 프리스트레칭될 수 있다.
상기 도전성 패턴은,
음각 패턴 또는 양각 패턴일 수 있다.
상기 제1 유연 전극 및 상기 제2 유연 전극은,
금속 나노 와이어 전극(metal nanowire electrode)을 포함할 수 있다.
상기 도전성 패턴은,
타원형이 서로 교차하는 나비 형상일 수 있다.
상기 주파수 선택 표면은,
단위 셀로 구현되고, 복수개의 셀이 서로 연결 및 조합될 수 있다.
상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극에 인가되는 전압의 크기에 따라 주파수 특성이 가변될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 주파수 선택 표면 제조 방법은 특정 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 또는 반사시키는 주파수 선택 표면을 제조하는 방법으로서, 유전 탄성체를 몰드 클램핑하는 단계, 상기 유전 탄성체의 양면에 소정의 패턴이 형성된 쉐도우 마스크를 붙이는 단계, 상기 유전 탄성체의 양면에 각각 유연 전극을 적층시키는 단계, 그리고 상기 쉐도우 마스크를 제거하여 상기 유전 탄성체의 양면에 각각 도전성 패턴이 패터닝된 유연 전극이 적층된 능동적 주파수 선택 표면을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 능동적 주파수 선택 표면은, 상기 양면에 적층된 유연 전극에 각각 전압이 인가되면, 각각의 유연 전극 간의 전기적 인력에 따라 상기 유전 탄성체에 가해진 압축력으로 인해 상기 도전성 패턴의 기하학 구조가 변형되어 주파수 특성이 가변된다.
상기 적층시키는 단계는,
금속 나노 와이어 전극(metal nanowire electrode)을 상기 유전 탄성체의 양면에 코팅시킬 수 있다.
상기 몰드 클램핑하는 단계 이전에,
상기 유전 탄성체를 X축 및 Y축 방향으로 기계적으로 프리스트레칭시켜 텐션을 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 텐션을 가하는 단계는,
상기 유전 탄성체의 면방향으로 균일한 스트레칭이 가능하도록 각 면을 포인트 바이 포인트로 프리스트레칭시킬 수 있다.
상기 쉐도우 마스크는,
타원형이 서로 교차하는 나비 형상이 복수개 배치된 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 능동적 주파수 선택 표면은 종래에 수동 소자를 이용하던 것과 달리 신축성이 뛰어나고 전도성이 우수한 유연 전극을 변형 가능한 유전 탄성체 위에 주기 패턴하여 제작되고, 그 패턴된 기하학 구조를 전기전압에 의해 능동적으로 제어함으로써, 다양한 투과 주파수 구현과 1GHz의 넓은 범위에서 실시간으로 주파수를 손쉽게 제어할 수 있다.
또한, 능동적 주파수 선택 표면의 제조 방법은 유연하고 변형 가능한 소재를 사용하여 그 기하학 구조를 변형하기 때문에 종래에 능동적 주파수 선택 표면 대비 더 넓은 대역에서 주파수 특성을 가변할 수 있다.
또한, 단위 주파수 선택 표면이 모듈 형태로 서로 연결되어 그 크기가 확장되어 어떤 크기의 응용에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 분해 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 동작 원리를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면이 능동적으로 전자기파를 투과하는 동작 원리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 0kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 2kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 4kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 S101 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 9의 S103 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 9의 S105 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 9의 S107 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 9의 S109 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 단위 모듈이 조합되는 과정을 나타낸다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 주파수 선택 표면의 주파수 투과 가변성과 주파수 투과 선택성의 결과를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 능동적 주파수 선택 표면(Frequency Selective Surface, FSS) 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
여기서, 주파수 선택 표면은 일정한 모양을 갖는 패턴을 주기적으로 배열하여 원하는 주파수를 선택적으로 투과 또는 반사시키는 주파수 선택적인 특성을 갖도록 만들어진 평면 또는 표면을 의미한다. 이러한 주파수 선택 표면의 투과와 반사 특성은 주파수 선택 표면에 사용된 재료의 전자기적 특성과, 일정한 모양을 갖는 도전성 패턴의 모양, 크기, 길이, 폭 등과 같은 기하학 구조 및 각 패턴의 배열 주기 간격 및 배열 형상에 의해 결정된다. 따라서, 주파수 선택 표면의 기하학 구조를 능동적으로 제어함으로써, 주파수 선택 표면의 투과 및 반사 특성을 가변할 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역에서의 구동이 가능하도록 주파수 튜닝이 가능한 능동적 주파수 선택 표면의 구조에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 분해 측단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 동작 원리를 나타내고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면이 능동적으로 전자기파를 투과하는 동작 원리를 나타내며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 0kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타내며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 2kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타내고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전압은 4kV 인가했을 때 패턴 모양을 나타낸다.
먼저, 도 1을 참조하면, 주파수 선택 표면(100)의 구조는 제1 유연 전극(101), 제2 유연 전극(103) 및 유전 탄성체(dielectric elastomer)(105)를 포함한다.
여기서, 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 도 2에 도시한 바와 같이, 도전성 패턴(107)이 음각으로 패터닝된 것을 도시하였지만, 도전성 패턴(107)이 돌출된 양각 패턴으로 패터닝될 수도 있다. 주파수를 투과시키고자 할 경우, 음각 패턴을 사용하지만, 주파수를 반사시키고자 할 경우, 양각 패턴을 사용한다.
이때, 도전성 패턴(107)은 두개의 타원형이 서로 교차하는 형상, 즉, 나비 형상을 가진다. 여러 패턴 중에서 나비 형상의 패턴이 채택된 이유는 유전 탄성체(105)의 선변형과 관련이 있다.
유전 탄성체(105)는 X축 및 Y축 방향으로 먼저 선변형이 된 후에 유전 탄성체(105)의 양면에 유연 전극(101, 103)이 패터닝된다.
이때, 유전 탄성체(105)의 선변형 효과로 인한 텐션으로 유전 탄성체(105)에 좌굴현상이나 주름이 발생하지 않는다. 그리고 균일하게 패턴 모양이 변형하며, 더 크게 변형 하는 특성이 있다. 이처럼 유전 탄성체(105)가 X축 및 Y축 선변형되어 있는데 X축 및 Y축으로 대칭적이고 안쪽으로 들어간 나비 모양 패턴(concave, 오목하게 들어간)이 다른 모양의 패턴보다 더 변형이 더 잘되는 특성이 있다.
제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 전도성있는 유연 전극으로서, 전도성이 높고, 신축성이 우수하여 변형에도 전도성이 유지되는 재질로 이루어진다.
한 실시예에 따르면, 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 전도성 우수한 유연 전극으로 금속 나노 와이어 전극(metal nanowire electrode)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 은나노 와이어(AgNWs) 전극을 포함할 수 있다.
또한, 종래에는 굳은(rigid) 메탈과 유전체를 사용했던 것과 달리, 주파수 선택 표면(100)은 플렉서블(flexible)한 유전 탄성체를 사용한다. 여기서, 유전 탄성체는 전기 흐름에 따라 모양이 자유자재로 바뀌도록 하는 스마트 물질이다.
이처럼, 유전 탄성체를 사용하면, 종래와 달리 주파수 선택 표면(100)을 곡면에 적용하기 용이하다.
도 3을 참조하면, 주파수 선택 표면(100)은 리지드 프레임(rigid frame)(109) 내에 유전 탄성체(105)가 고정되어 있다. 그리고 유전 탄성체(105)의 상부면에 제1 유연 전극(101)이 적층되고, 유전 탄성체(105)의 하부면에 제2 유연 전극(103)이 적층되어 있는 샌드위치 구조, 즉, 3-Layer로 이루어진다. 이는 종래에 2-Layer와 차별되는 점이다.
제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 유전 탄성체(105)의 변형을 유도하기 위한 전원을 공급하기 위해 유전 탄성체(105)의 상면과 하면에 도포된 연성 전극이다. 이러한 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 은나노와이어 용액을 스프레이하여 형성될 수 있다.
도전성 패턴(107)은 길이과 너비가 선택 주파수에 따라 결정되는데, 이때, 전기 전압에 의해 능동적으로 제어된다.
도 4를 참조하면, 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)에 전압을 인가한다. 예를들면, 구리 테이프를 이용해 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)에 전압을 인가할 수 있다.
제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)에 전압을 인가하면, 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103) 간에 전기적 인력에 의해 비압축성인 유전 탄성체(105)는 압축되면서 면방향(in-plane)으로 늘어나 주파수 선택 표면(100)의 구조가 변형된다.
유전 탄성체(105)는 즉, 전기적 인력에 의해 압축력(Compressive force)이 발생하고, 압축력으로 인해 제1 유연 전극(101)과 제2 유연 전극(103)은 액츄에이팅 방향(Actuating direction)으로 변형이 일어나고, 유전 탄성체는 탄성 복원력(Elastic restoring force)이 발생한다. 여기서, 액츄에이팅 방향과 탄성 복원력 방향은 동일하다. 따라서, 변형이 더 잘되고 이로 인해 주파수 선택 표면의 패턴이 변하고 그 기하학적 구조의 변형에 의해 주파수 특성 또한 변형되는 것이다.
유전 탄성체(105)는 면방향으로 늘어나는데 부피는 일정하나 압축되지 않는 물질이므로, 유연 전극(101, 103)의 도전성 패턴(107)의 모양이 변형된다. 이때, 모든 도전성 패턴(107)은 균일하게 변형된다.
여기서, 유전 탄성체(105)는 더 큰 변형과 불안정한 현상, 예컨대 좌굴 및 주름 발생 등을 방지하기 위해 선변형, 즉, 프리스트레칭(prestretching)되어 있다. 프리스트레칭된 유전 탄성체(105)는
Figure PCTKR2016006106-appb-I000001
의 두께(P1)를 가질 수 있다. 유전 탄성체(105)의 두께는 선택 주파수에 따라 결정되며, 도전성 패턴(107)의 길이, 폭, 유전 탄성체(105)의 두께에 의해 주파수 대역이 조정된다.
이처럼, 프리스트레칭된 유전 탄성체(105)는 균일하게 텐션을 가짐으로써, 주름이나 좌굴 현상 없이 면방향으로 균일하게 늘어 수 있다. 또한, 음각 패턴 변형이 더 잘되는 특성이 있다.
도 5를 참조하면, 전압이 0kV일 때 도전성 패턴(107)은 20mm의 길이와 5mm의 크기를 가진다. 도 6을 참조하면, 전압이 2kV가 인가되면, 도전성 패턴(107)은 길이가 19.05mm로 줄어들고, 폭은 4.63mm로 줄어든다. 도 7을 참조하면, 전압이 4kV가 인가되면, 도전성 패턴(107)은 17,69mm로 줄어들고, 폭은 3.95mm로 줄어든다. 이와 같이, 주파수 선택 표면(100)은 유연 전극(101, 103)에 전압을 인가함으로써, 주기적인 음각 패턴을 갖는 유전 탄성체(105)는 가역적으로 변형이 가능하다.
도 6, 7과 같은 변형은 유전 탄성체(105)에 패터닝된 모든 도전성 패턴(107)이 균일하게 이루어진다.
도 8을 참조하면, 은나노와이어로 이루어진 유연 전극(101, 103)의 팽창과 유전 탄성체(105)의 수축사이의 길항 기능적 제어에 기반하여 X 밴드에서 선택적으로 전자기파가 투과 되는 메커니즘을 나타낸다.
이때, 음각 패터닝된 주파수 선택 표면(100)에 전압을 인가한 상태에서 임의의 전자기파(P3)가 입사되면, 선택적으로 하나의 전자기파(P5)가 투과된다.
주파수 선택 표면(100)에 패터닝된 도전성 패턴(107)은 전압이 인가되면, 즉, 0kV에서 4kV로 전압이 변화하면 전도성 부분(P7)은 늘어나고 비전도성 부분(P9)은 줄어든다. 즉, 도 6, 7에서 설명한 것처럼, 도전성 패턴(107)의 길이와 폭이 안쪽으로 수축하므로, 유연 전극(101, 103)에 해당하는 전도성 부분(P7)은 늘어나고 유전 탄성체(105)에 해당하는 비전도성 부분(P9)은 줄어들게 된다.
음각 패턴을 통한 주파수 투과 특성에 대해 설명하였으나, 양각 패턴의 경우도 유사한 원리가 적용된다. 도전성 패턴(107)이 양각으로 패터닝된 경우, 마찬가지로 유연 전극(101, 103)에 해당하는 전도성 부분(P7)은 늘어나고 유전 탄성체(105)에 해당하는 비전도성 부분(P9)은 줄어들게 되어 양각 패턴의 크기가 늘어난다. 따라서, 주파수 특성에 영향을 준다.
이처럼, 유연 전극(101, 103)과 유전 탄성체(105)를 이용하여 주파수 선택 표면(100)의 모양과 크기, 배열주기간격과 같은 기하학적 구조를 능동적으로 제어하여 주파수 선택 표면(100)의 투과/반사 특성을 가변할 수 있다.
이제, 주파수 선택 표면(100)의 제조 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 10 및 도 11은 도 9의 S101 단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 도 9의 S103 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 9의 S105 단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 14는 도 9의 S107 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 15는 도 9의 S109 단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 선택 표면의 단위 모듈이 조합되는 과정을 나타낸다.
먼저, 도 9를 참조하면, 유연 탄성체(105)를 구동할 때 더 큰 변형과 불안정한 현상, 예를 들면, 좌굴(buckling) 및 주름(wrinkle) 발생을 방지하기 위한 프리스트레칭(prestretching)을 한다(S101).
도 10 및 도 11을 참조하면, 유전 탄성체(105)를 기계적 쌍방향 스트레칭 기구(mechanically equi-biaxial stretching apparatus)(200)를 사용하여 x, y축 방향으로 프리스트레칭한다.
이때, 유전 탄성체(105)의 면을 잡는 것이 아니라 포인트(300) 단위로 프리스트레칭한다. 즉, 포인트 바이 포인트로 늘려줌으로써 더 크고 고른 프리스트레칭 효과를 줄수 있다. 이러한 프리스트레칭으로 인해 유전 탄성체(105)의 두께를 줄여줌으로써 더 큰 압축력을 만들수 있다. 그리고 유전 탄성체(105)에 텐션이 가해져 있기 때문에 구동시에도 좌굴이나 주름이 발생 하지 않으며 고르게 모든 패턴이 변형이 가능할 뿐만 아니라 더 큰 변형을 유도할 수 있다. 더큰 변형은 주파수 특성에 영향을 미친다. 더 큰 변형으로 주파수 대역의 가변 범위가 커진다.
다음, 프리스트레칭으로 텐션이 가해진 유전 탄성체(105)를 몰드 클램핑(Mold clamping)한다(S103). 즉, 도 12에 보인 바와 같이, 리지드 프레임(109)으로 유전 탄성체(105)를 위, 아래로 고정시킨다.
다음, 리지드 프레임(109)으로 고정된 유전 탄성체(105)의 양면에 쉐도우 마스킹을 한다(S105). 도 13에 보인 바와 같이, 임의의 모양을 가진 도전성 패턴(107)을 형성하기 위해 쉐도우 마스크(shadow mask)를 유전 탄성체(105)의 양면에 붙인다.
이후, 스프레잉(spraying), 스핀-코팅(spin-coating), 프린팅(printing), 스퍼터링(sputtering) 기법 등으로 유연 전극(101, 103)을 적층한다(S107). 도 14에 따르면, 은나노와이어를 스프레잉 방식으로 쉐도우 마스킹된 유전 탄성체(105)의 양면에 증착시킨다.
마지막으로, 도 15와 같이 쉐도우 마스크를 적층된 유연 전극(101, 103)으로부터 양면 제거(S109)하면, 도전성 패턴(107)이 주기 패터닝된 유연 전극(101, 103)과 유전 탄성체(105)로 구성된 능동적 주파수 선택 표면(100)이 제조된다.
이때, 제조된 능동적 주파수 선택 표면(100)은 도 16의 (a)와 같이 단위 모듈 형태이다. 이러한 단위 모듈을 서로 연결 및 조합하면 도 16의 (b), (c)와 같이 확장되어 주파수 커버리지를 넓힐 수 있다.
이처럼, 단위 모듈로서 제조된 주파수 선택 표면은 크기 조절이 용이하여 다양한 실제적인 응용이 가능하다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 주파수 선택 표면의 주파수 투과 가변성과 주파수 투과 선택성의 결과를 나타낸다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 입력 전압이 증가할 때 은나노와이어(AgNW)로 코팅된 주파수 선택 표면(FSS)의 공진 주파수(resonant frequency)의 변화를 나타낸다.
첨부된 그래프에서 피크(Peak)를 보면, 전압이 증가할 때, 전자기파의 반사(reflection)와 투과(transmission)의 주파수 응답이 9.6 GHz에서 8.8GHz로 더 낮은 주파수 대역과 감소된 공진 주파수를 향해 쉬프트된다. 0.8~1.0 GHz의 주파수 대역만큼을 조정할 수 있음을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 주파수 선택 표면의 기하학 구조, 즉, 단위 셀의 모양과 크기, 배열 주기 간격 자체를 변형하기 때문에 더 정밀하고 더 넓은 주파수 대역에서 투과 주파수를 가변할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 특정 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 또는 반사시키는 주파수 선택 표면으로서,
    유전 탄성체,
    상기 유전 탄성체의 상부면에 도전성 패턴이 패터닝된 제1 유연 전극, 그리고
    상기 유전 탄성체의 하부면에 상기 도전성 패턴이 패터닝된 제2 유연 전극을 포함하고,
    상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극 간의 전기적 인력에 따라 상기 유전 탄성체에 가해진 압축력으로 인해 상기 도전성 패턴의 기하학 구조가 변형되어 주파수 특성이 가변되는 능동적 주파수 선택 표면.
  2. 제1항에서,
    상기 유전 탄성체는,
    상기 전압이 인가되기 전에 프리스트레칭(prestretching)된 상태인 능동적 주파수 선택 표면.
  3. 제2항에서,
    상기 유전 탄성체는,
    X축 및 Y축 방향으로 포인트 바이 포인트로 프리스트레칭되는 능동적 주파수 선택 표면.
  4. 제1항에서,
    상기 도전성 패턴은,
    음각 패턴 또는 양각 패턴인 것을 특징으로 하는 능동적 주파수 선택 표면.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 유연 전극 및 상기 제2 유연 전극은,
    은나노와이어(AgNWs)로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동적 주파수 선택 표면.
  6. 제1항에서,
    상기 도전성 패턴은,
    타원형이 서로 교차하는 나비 형상인 것을 특징으로 하는 능동적 주파수 선택 표면.
  7. 제1항에서,
    단위 셀로 구현되고, 복수개의 셀이 서로 연결 및 조합되는 능동적 주파수 선택 표면.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 유연 전극과 상기 제2 유연 전극에 인가되는 전압의 크기에 따라 주파수 특성이 가변되는 능동적 주파수 선택 표면.
  9. 특정 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 또는 반사시키는 주파수 선택 표면을 제조하는 방법으로서,
    유전 탄성체를 몰드 클램핑하는 단계,
    상기 유전 탄성체의 양면에 소정의 패턴이 형성된 쉐도우 마스크를 붙이는 단계,
    상기 유전 탄성체의 양면에 각각 유연 전극을 적층시키는 단계, 그리고
    상기 쉐도우 마스크를 제거하여 상기 유전 탄성체의 양면에 각각 도전성 패턴이 패터닝된 유연 전극이 적층된 능동적 주파수 선택 표면을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 능동적 주파수 선택 표면은,
    상기 양면에 적층된 유연 전극에 각각 전압이 인가되면, 각각의 유연 전극 간의 전기적 인력에 따라 상기 유전 탄성체에 가해진 압축력으로 인해 상기 도전성 패턴의 기하학 구조가 변형되어 주파수 특성이 가변되는 능동적 주파수 선택 표면 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 적층시키는 단계는,
    은나노와이어(AgNW)를 상기 유전 탄성체의 양면에 코팅시키는 능동적 주파수 선택 표면 제조 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 몰드 클램핑하는 단계 이전에,
    상기 유전 탄성체를 X축 및 Y축 방향으로 기계적으로 프리스트레칭시켜 텐션을 가하는 단계
    를 더 포함하는 능동적 주파수 선택 표면 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 텐션을 가하는 단계는,
    상기 유전 탄성체의 면방향으로 균일한 스트레칭이 가능하도록 각 면을 포인트 바이 포인트로 프리스트레칭시키는 능동적 주파수 선택 표면 제조 방법.
  13. 제9항에서,
    상기 쉐도우 마스크는,
    타원형이 서로 교차하는 나비 형상이 복수개 배치된 패턴을 포함하는 능동적 주파수 선택 표면 제조 방법.
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