WO2023128267A1 - 적정 동작 대역폭을 가지고, 유연하고 얇은 5.8ghz 및 10ghz용 메타물질 흡수체의 단위셀 및 이를 포함하는 메타물질 흡수체 - Google Patents

적정 동작 대역폭을 가지고, 유연하고 얇은 5.8ghz 및 10ghz용 메타물질 흡수체의 단위셀 및 이를 포함하는 메타물질 흡수체 Download PDF

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WO2023128267A1
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WO
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intermediate layer
unit cell
layer
metamaterial absorber
ghz
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PCT/KR2022/017944
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French (fr)
Inventor
이영백
정해옥
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L79/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon only, not provided for in groups C08L61/00 - C08L77/00
    • C08L79/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C08L79/08—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices

Definitions

  • the present invention relates to a metamaterial absorber, and more particularly, to a unit cell of a metamaterial absorber having flexible and thin characteristics and an appropriate operating bandwidth at 5.8 GHz and 10 GHz, and a metamaterial absorber including the same.
  • electromagnetic wave absorbers are devices that greatly reduce reflected or transmitted electromagnetic waves by absorbing electromagnetic waves incident on the surface and consuming them as heat, and are used for purposes such as blocking electromagnetic waves.
  • electromagnetic wave absorbers are mainly based on mixed materials such as ferrite materials, but these electromagnetic wave absorbers have disadvantages in that they are bulky, heavy, and expensive. Therefore, recently, an electromagnetic wave absorber using a metamaterial has been proposed.
  • Metamaterials are artificially designed materials that include both electric and magnetic elements to have properties not found in nature, and have properties that facilitate electromagnetic wave absorption. That is, the metamaterial absorber is implemented by using a metamaterial having a high electromagnetic wave absorption rate.
  • the conventional metamaterial absorber has a high absorptance for electromagnetic waves incident vertically, while the absorptivity decreases for electromagnetic waves incident at different angles, and when the electromagnetic waves are incident at a large inclination angle, the absorptivity decreases. .
  • the conventional metamaterial absorber has no operating bandwidth or a very narrow operating bandwidth because the operating frequency is limited to a specific frequency. Therefore, there is a limit in that the electromagnetic wave absorption rate of the metamaterial absorber is maintained high only at a specific frequency in the form of a single peak.
  • metamaterial absorbers have limitations in that they are not flexible, have a large thickness, and have relatively high manufacturing costs.
  • One object of the present invention is to provide a unit cell of a metamaterial absorber for 5.8 GHz and 10 GHz that maintains a constant electromagnetic wave absorption even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed.
  • Another object of the present invention is to provide a unit cell of a metamaterial absorber for 5.8 GHz and 10 GHz in which the operating frequency has a constant operating bandwidth and the electromagnetic wave absorption rate is maintained constant within the operating bandwidth range.
  • Another object of the present invention is to provide a unit cell of a metamaterial absorber for 5.8 GHz and 10 GHz that is flexible, has a thin thickness, and has a relatively low manufacturing cost.
  • the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and may be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.
  • the unit cell of the metamaterial absorber is perpendicular to the square ring part and at least one side of the square ring part, and extends in the inner direction of the square ring part.
  • a first metal layer including a conductor pattern including first to fourth protrusions, a first intermediate layer disposed on a lower surface of the first metal layer and made of polyimide, a resistor layer disposed on a lower surface of the first intermediate layer, and the resistor layer It may include a second intermediate layer disposed on a lower surface of and made of polyimide, and a second metal layer disposed on a lower surface of the second intermediate layer.
  • the resistive layer may increase an operating bandwidth of an operating frequency.
  • the resistor layer may have a thickness of 0.05 mm to 0.15 mm.
  • a sheet resistance of the resistor layer may be 530 ⁇ sq -1 to 550 ⁇ sq -1 .
  • the operating bandwidth of the operating frequency may be a center frequency of 5.8 GHz and a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell of the metamaterial absorber may have an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for an incident angle of 45° within the operating bandwidth range.
  • the first metal layer has a length of at least one side of the square ring part is 11 mm to 14 mm, a width of the square ring part is 0.1 mm to 0.2 mm, and each of the first to fourth protrusions A first conductive pattern having a width of 0.2 mm to 0.4 mm and a length of each of the first to fourth protrusions is 4 mm to 5 mm.
  • the thickness of the first metal layer may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the horizontal length of the first intermediate layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the first intermediate layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the thickness of the first intermediate layer may be 1.5 mm to 1.9 mm.
  • the horizontal length of the resistor layer may be 11 mm to 14 mm.
  • a vertical length of the resistor layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the horizontal length of the second intermediate layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the second intermediate layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the second intermediate layer may have a thickness of 0.4 mm to 0.6 mm.
  • the dielectric constant of the first intermediate layer and the second intermediate layer may be 3.5.
  • a dielectric loss tangent of the first intermediate layer and the second intermediate layer may be 0.0027.
  • the horizontal length of the second metal layer may be 11 mm to 14 mm.
  • a vertical length of the second metal layer may be 11 mm to 14 mm.
  • the second metal layer may have a thickness of 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the operating bandwidth of the operating frequency may be a center frequency of 10 GHz and a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell of the metamaterial absorber may have an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for an incident angle of 45° within the operating bandwidth range.
  • the first metal layer has a length of at least one side of the square ring part is 8 mm to 11 mm, a width of the square ring part is 0.1 mm to 0.2 mm, and each of the first to fourth protrusions A second conductor pattern having a width of 0.2 mm to 0.4 mm and a length of each of the first to fourth protrusions is 2.0 mm to 2.4 mm.
  • the thickness of the first metal layer may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the horizontal length of the first intermediate layer may be 8 mm to 11 mm.
  • the vertical length of the first intermediate layer may be 8 mm to 11 mm.
  • the thickness of the first intermediate layer may be 1.0 mm to 1.2 mm.
  • the horizontal length of the resistor layer may be 8 mm to 11 mm.
  • a vertical length of the resistor layer may be 8 mm to 11 mm.
  • the horizontal length of the second intermediate layer may be 8 mm to 11 mm.
  • the second intermediate layer may have a vertical length of 8 mm to 11 mm.
  • the second intermediate layer may have a thickness of 0.4 mm to 0.6 mm.
  • the dielectric constant of the first intermediate layer and the second intermediate layer may be 3.5.
  • a dielectric loss tangent of the first intermediate layer and the second intermediate layer may be 0.0027.
  • the horizontal length of the second metal layer may be 8 mm to 11 mm.
  • a vertical length of the second metal layer may be 8 mm to 11 mm.
  • the second metal layer may have a thickness of 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • a metamaterial absorber may include a plurality of unit cells.
  • the plurality of unit cells may be arranged on the same plane to form a flat plate structure.
  • Each of the plurality of unit cells includes a first metal layer including a rectangular ring part and a conductor pattern including first to fourth protrusions perpendicular to at least one side of the square ring part and extending inwardly of the square ring part.
  • a first intermediate layer disposed on the lower surface of the first metal layer and composed of polyimide, a resistor layer disposed on the lower surface of the first intermediate layer, a second intermediate layer disposed on the lower surface of the resistor layer and composed of polyimide, and the A second metal layer disposed on a lower surface of the second intermediate layer may be included.
  • the resistive layer may increase an operating bandwidth of an operating frequency.
  • the resistor layer may have a thickness of 0.05 mm to 0.15 mm.
  • a sheet resistance of the resistor layer may be 530 ⁇ sq -1 to 550 ⁇ sq -1 .
  • the unit cell of the metamaterial absorber and the metamaterial absorber according to the present invention can maintain constant electromagnetic wave absorptivity even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed.
  • the unit cell of the metamaterial absorber and the metamaterial absorber according to the present invention have an operating bandwidth with a constant operating frequency, and can maintain a constant electromagnetic wave absorption within the range of the operating bandwidth.
  • the unit cell and metamaterial absorber of the metamaterial absorber according to the present invention may be flexible, thin, and have relatively low manufacturing cost.
  • the unit cell of the metamaterial absorber and the metamaterial absorber can maximize electromagnetic wave absorption efficiency.
  • the unit cell and metamaterial absorber of the metamaterial absorber according to the present invention are used in an automatic toll collection system such as a high-pass in a 5.8 GHz band, multiple reflections from ceilings, pillars, etc. of buildings around the automatic toll collection system Since performance degradation and malfunction of information communication devices due to signals are minimized, smooth passage of the automatic toll collection system can be secured.
  • an automatic toll collection system such as a high-pass in a 5.8 GHz band
  • the unit cell and metamaterial absorber of the metamaterial absorber according to the present invention are used in a naval vessel in the 10 GHz band, the false target of the radar due to the reflected wave by the mast or pier around the naval vessel is reduced, Radar performance of naval ships could be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a unit cell of a metamaterial absorber of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a stacked structure of unit cells of the metamaterial absorber of FIG. 1;
  • FIG 3 is a front view of a unit cell of a metamaterial absorber for 5.8 GHz according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a unit cell of the metamaterial absorber for 5.8 GHz of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a view showing the first intermediate layer separated from the perspective view of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a view showing the resistor layer separated from the perspective view of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a view showing the second intermediate layer separated from the perspective view of FIG. 4 .
  • FIG. 8 is a view showing the second metal layer separated from the perspective view of FIG. 4 .
  • FIG. 9 is a graph showing the electromagnetic wave absorptance according to the incident angle in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band when electromagnetic waves polarized in TE mode are incident on the unit cell of the 5.8 GHz metamaterial absorber of FIG. 3 .
  • FIG. 10 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band when electromagnetic waves polarized in the TM mode are incident on the unit cell of the 5.8 GHz metamaterial absorber of FIG. 3 .
  • FIG. 11 is a front view of a unit cell of a metamaterial absorber for 10 GHz according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view of a unit cell of the 10 GHz metamaterial absorber of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a view showing the first intermediate layer separated from the perspective view of FIG. 12;
  • FIG. 14 is a view showing the resistor layer separated from the perspective view of FIG. 12 .
  • FIG. 15 is a view showing the second intermediate layer separated from the perspective view of FIG. 12;
  • FIG. 16 is a view showing the second metal layer separated from the perspective view of FIG. 12 .
  • FIG. 17 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band when electromagnetic waves polarized in TE mode are incident on the unit cell of the 10 GHz metamaterial absorber of FIG. 11 .
  • FIG. 18 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band when electromagnetic waves polarized in TM mode are incident on the unit cell of the 10 GHz metamaterial absorber of FIG. 11 .
  • FIG. 19 is a view showing an example of a metamaterial absorber in which unit cells of the metamaterial absorber of FIG. 1 are arranged on the same plane.
  • FIG. 20 is a flowchart illustrating an operation of absorbing electromagnetic waves by the metamaterial absorber of FIG. 19 .
  • a (e.g., first) element When a (e.g., first) element is referred to as being "(functionally or communicatively) coupled to" or “connected to" another (e.g., second) element, that element refers to the other (e.g., second) element. It may be directly connected to the component or connected through another component (eg, a third component).
  • the expression “device configured to” can mean that the device is “capable of” in conjunction with other devices or components.
  • a processor configured (or configured) to perform A, B, and C may include a dedicated processor (eg, embedded processor) to perform the operation, or by executing one or more software programs stored in a memory device.
  • a dedicated processor eg, embedded processor
  • a general-purpose processor eg, CPU or application processor
  • FIG. 1 is a perspective view showing a unit cell 10 of the metamaterial absorber of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a laminated structure of the unit cell 10 of the metamaterial absorber of FIG. 1 .
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber of the present invention includes a first metal layer 100, a first intermediate layer 200, a resistor layer 300, a second intermediate layer 400, and a second intermediate layer 400. 2 metal layers 500 may be included.
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber includes a first metal layer 100, a first intermediate layer 200, a resistor layer 300, a second intermediate layer 400, and a second intermediate layer 400. It may have a five-layer structure in which the metal layer 500 is stacked.
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber includes a conductor pattern including a square ring part and first to fourth protrusions perpendicular to at least one side of the square ring part and extending inwardly of the square ring part.
  • a first metal layer 100 including a first intermediate layer 200 disposed on a lower surface of the first metal layer 100 and composed of polyimide, a resistor layer 300 disposed on a lower surface of the first intermediate layer 200, It may include a second intermediate layer 400 disposed on a lower surface of the resistor layer 300 and made of polyimide, and a second metal layer 500 disposed on a lower surface of the second intermediate layer 400 .
  • the prior art metamaterial absorber has no operating bandwidth because its operating frequency is limited to a specific frequency, or has a very narrow operating bandwidth. Therefore, the electromagnetic wave absorption rate of the prior art metamaterial absorber has a limit in that it is maintained high only at a specific frequency in the form of a single peak.
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber of the present invention has an operating bandwidth with a constant operating frequency, and the electromagnetic wave absorption rate can be maintained constant within the operating bandwidth range.
  • the resistor layer 300 may increase an operating bandwidth of an operating frequency for electromagnetic wave absorption.
  • the resistor layer 300 may have a thickness of 0.05 mm to 0.15 mm, and a sheet resistance of the resistor layer 300 may be 530 ⁇ sq ⁇ 1 to 550 ⁇ sq ⁇ 1 .
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber of the present invention can maintain a constant electromagnetic wave absorptivity even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed.
  • the unit cell 10 of the metamaterial absorber according to the present invention may be flexible, thin, and have a relatively low manufacturing cost.
  • FIGS. 3 to 10 an embodiment of the unit cell 10a of the metamaterial absorber for 5.8 GHz of the present invention will be described through FIGS. 3 to 10, and an embodiment of the unit cell 10b of the metamaterial absorber for 10 GHz of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 18 .
  • FIG. 3 is a front view of a unit cell 10a of a metamaterial absorber for 5.8 GHz according to embodiments of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of a unit cell 10a of a metamaterial absorber for 5.8 GHz of FIG. 5 is a view showing the first intermediate layer 200a separated from the perspective view of FIG. 4
  • FIG. 6 is a view showing the resistor layer 300a separated from the perspective view of FIG. 4
  • FIG. It is a view showing the intermediate layer 400a separated
  • FIG. 8 is a view showing the second metal layer 500a separated from the perspective view of FIG. 4 .
  • the electromagnetic wave absorption rate can be maximized in the 5.8 GHz band.
  • the operating frequency of the unit cell 10a of the metamaterial absorber may have a constant operating bandwidth.
  • the operating bandwidth of the operating frequency may be a center frequency of 5.8 GHz and a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber may have an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for an incident angle of 45° within the operating bandwidth range.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber includes a square ring part and first to fourth protrusions perpendicular to at least one side of the square ring part and extending inwardly of the square ring part.
  • a second intermediate layer 400a disposed on the lower surface of the resistor layer 300a and made of polyimide, and a second metal layer 500a disposed on the lower surface of the second intermediate layer 400a.
  • the metamaterial absorber unit cell can minimize electromagnetic wave reflection in the 5.8 GHz band depending on how the conductor pattern of the first metal layer 100a is designed. That is, since the impedance of the air is 1, it is sufficient to design the impedance of the entire conductor pattern to be 1 in the 5.8 GHz band.
  • the first metal layer 100a may include a first conductor pattern including a square ring portion and a protrusion portion.
  • the first conductor pattern may include a square ring portion and first to fourth protrusions.
  • a length (Pa) of at least one side of the square ring part may be 11 mm to 14 mm.
  • the width of the square ring portion (WSa) may be 0.1 mm to 0.2 mm.
  • a width WPa of each of the first to fourth protrusions may be 0.2 mm to 0.4 mm.
  • a length LPa of each of the first to fourth protrusions may be 4 mm to 5 mm.
  • the thickness of the first metal layer 100a may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the first intermediate layer 200a may be disposed on the lower surface of the first metal layer 100a and made of polyimide.
  • the horizontal length (Pa) of the first intermediate layer 200a may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the first intermediate layer 200a may be 11 mm to 14 mm.
  • the thickness TP1 of the first intermediate layer 200a may be 1.5 mm to 1.9 mm.
  • the resistor layer 300a may be disposed on the lower surface of the first intermediate layer 200a. Since the resistive layer 300a has a constant sheet resistance, an operating bandwidth of an operating frequency for electromagnetic wave absorption can be increased.
  • the sheet resistance of the resistor layer 300a may be 530 ⁇ sq ⁇ 1 to 550 ⁇ sq ⁇ 1 .
  • the thickness TR of the resistor layer 300a may be 0.05 mm to 0.15 mm.
  • the resistor layer 300a may be designed to have a thickness of 0.1 mm to minimize an effect on the flexibility of the unit cell 10a of the metamaterial absorber.
  • a horizontal length (Pa) of the resistor layer 300a may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the resistor layer 300a may be 11 mm to 14 mm.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber can maintain an operating frequency at which electromagnetic waves are absorbed in the 5.8GHz ⁇ 0.25GHz band even when the incident angle changes.
  • the second intermediate layer 400a may be disposed on the lower surface of the resistor layer 300a and made of polyimide.
  • the horizontal length (Pa) of the second intermediate layer 400a may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the second intermediate layer 400a may be 11 mm to 14 mm.
  • the thickness TP2 of the second intermediate layer 400a may be 0.4 mm to 0.6 mm.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber includes the first intermediate layer 200a and the second intermediate layer 400a made of polyimide, so that it is flexible, thin, and has a relatively low manufacturing cost.
  • the first intermediate layer 200a and the second intermediate layer 400a may electrically confine and store electromagnetic waves incident on the unit cell 10a of the metamaterial absorber and attenuate the electromagnetic waves in the 5.8 GHz band.
  • the size of the first intermediate layer 200a and the second intermediate layer 400a included in the unit cell 10a of the metamaterial absorber may be 12.5 ⁇ 12.5 mm 2 .
  • the dielectric constant of the first intermediate layer 200a and the second intermediate layer 400a may be 3.5.
  • the dielectric loss tangent of the first intermediate layer 200a and the second intermediate layer 400a may be 0.0027.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber in the 5.8 GHz band has an absorption rate of 99% or more for normally incident electromagnetic waves.
  • the second metal layer 500a may be disposed on the lower surface of the second intermediate layer 400a.
  • the second metal layer 500a may perform a function of preventing electromagnetic waves entering the unit cell 10a of the metamaterial absorber from escaping.
  • the second metal layer 500a may be formed of copper.
  • the horizontal length (Pa) of the second metal layer 500a may be 11 mm to 14 mm.
  • the vertical length of the second metal layer 500a may be 11 mm to 14 mm.
  • the thickness TC of the second metal layer 500a may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • FIG. 9 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band when electromagnetic waves polarized in the TE mode are incident on the unit cell 10a of the metamaterial absorber for 5.8 GHz of FIG. 3 .
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber can maintain an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for electromagnetic waves polarized in the TE mode even when the incident angle is changed in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.80% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.93% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.91% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 98.23% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • FIG. 10 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band when electromagnetic waves polarized in the TM mode are incident on the unit cell 10a of the metamaterial absorber for 5.8 GHz of FIG. 3 .
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber can maintain an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for electromagnetic waves polarized in the TM mode even when the incident angle is changed in the 5.55 GHz to 6.05 GHz band.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.80% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.75% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.23% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 97.40% or more in a band of 5.55 GHz to 6.05 GHz.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber according to the present invention can maintain a constant electromagnetic wave absorptivity even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed in the 5.8 GHz band.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber according to the present invention has an operating frequency of 5.8 GHz ⁇ 0.25 GHz, and can maintain a constant electromagnetic wave absorption rate within the operating bandwidth range.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber according to the present invention may be flexible, thin, and have a relatively low manufacturing cost. Therefore, the unit cell 10a of the metamaterial absorber can maximize electromagnetic wave absorption efficiency.
  • the unit cell 10a of the metamaterial absorber according to the present invention when used in an automatic toll collection system such as high-pass in the 5.8 GHz band, multiple signals reflected from ceilings and pillars of buildings around the automatic toll collection system Since performance degradation and malfunction of information and communication devices due to
  • FIG. 11 is a front view of a unit cell 10b of a metamaterial absorber for 10 GHz according to embodiments of the present invention
  • FIG. 12 is a perspective view of a unit cell 10b of a metamaterial absorber for 10 GHz of FIG. 13 is a view showing the first intermediate layer 200b separated from the perspective view of FIG. 12
  • FIG. 14 is a view showing the resistor layer 300b separated from the perspective view of FIG. 12
  • FIG. 15 shows the second intermediate layer 200b from the perspective view of FIG. It is a view showing the intermediate layer 400b separated
  • FIG. 16 is a view showing the second metal layer 500b separated from the perspective view of FIG. 12 .
  • the electromagnetic wave absorption rate can be maximized in the 10 GHz band.
  • the operating frequency of the unit cell 10b of the metamaterial absorber may have a constant operating bandwidth.
  • the operating bandwidth of the operating frequency may be a center frequency of 10 GHz and a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber may have an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for an incident angle of 45° within the operating bandwidth range.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber includes a square ring part and second protrusions including first to fourth protrusions perpendicular to at least one side of the square ring part and extending inwardly of the square ring part.
  • a second intermediate layer 400b disposed on the lower surface of the resistor layer 300b and made of polyimide, and a second metal layer 500b disposed on the lower surface of the second intermediate layer 400b.
  • the metamaterial absorber unit cell can minimize electromagnetic wave reflection in the 10 GHz band depending on how the conductor pattern of the first metal layer 100b is designed. That is, since the impedance of the atmosphere is 1, it is sufficient to design the impedance of the entire conductor pattern to be 1 in the 10 GHz band.
  • the first metal layer 100b may include a second conductor pattern including a square ring portion and a protruding portion.
  • the second conductor pattern may include a square ring portion and first to fourth protrusion portions.
  • a length Pb of at least one side of the square ring part may be 8 mm to 11 mm.
  • the width (WSb) of the square ring portion may be 0.1 mm to 0.2 mm.
  • a width WPb of each of the first to fourth protrusions may be 0.2 mm to 0.4 mm.
  • a length LPb of each of the first to fourth protrusions may be 2.0 mm to 2.4 mm.
  • the thickness of the first metal layer 100b may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the first intermediate layer 200b may be disposed on the lower surface of the first metal layer 100b and made of polyimide.
  • the horizontal length Pb of the first intermediate layer 200b may be 8 mm to 11 mm.
  • the vertical length of the first intermediate layer 200b may be 8 mm to 11 mm.
  • the thickness TP1 of the first intermediate layer 200b may be 1.0 mm to 1.2 mm.
  • the resistor layer 300b may be disposed on the lower surface of the first intermediate layer 200b. Since the resistive layer 300b has a certain sheet resistance, an operating bandwidth of an operating frequency for electromagnetic wave absorption can be increased.
  • the sheet resistance of the resistor layer 300b may be 530 ⁇ sq ⁇ 1 to 550 ⁇ sq ⁇ 1 .
  • the thickness TR of the resistor layer 300b may be 0.05 mm to 0.15 mm.
  • the resistor layer 300b may be designed to have a thickness of 0.1 mm to minimize an effect on the flexibility of the unit cell 10b of the metamaterial absorber.
  • a horizontal length (Pa) of the resistor layer 300b may be 8 mm to 11 mm.
  • the vertical length of the resistor layer 300b may be 8 mm to 11 mm.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber can maintain an operating frequency at which electromagnetic waves are absorbed in the 10GHz ⁇ 0.5GHz band even when the incident angle changes.
  • the second intermediate layer 400b may be disposed on the lower surface of the resistor layer 300b and made of polyimide.
  • the horizontal length (Pa) of the second intermediate layer 400b may be 8 mm to 11 mm.
  • the vertical length of the second intermediate layer 400b may be 8 mm to 11 mm.
  • the thickness TP2 of the second intermediate layer 400b may be 0.4 mm to 0.6 mm.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber may include a first intermediate layer 200b and a second intermediate layer 400b made of polyimide, so that it is flexible, thin, and has a relatively low manufacturing cost.
  • the first intermediate layer 200b and the second intermediate layer 400b electrically confine and store the electromagnetic waves incident on the unit cell 10b of the metamaterial absorber and attenuate the electromagnetic waves in the 10 GHz band.
  • the size of the first intermediate layer 200b and the second intermediate layer 400b included in the unit cell 10b of the metamaterial absorber may be 9.5 ⁇ 9.5 mm 2 .
  • the dielectric constant of the first intermediate layer 200b and the second intermediate layer 400b may be 3.5.
  • the dielectric loss tangent of the first intermediate layer 200b and the second intermediate layer 400b may be 0.0027.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber has an absorption rate of 99% or more for normally incident electromagnetic waves in the 10 GHz band.
  • the second metal layer 500b may be disposed on the lower surface of the second intermediate layer 400b.
  • the second metal layer 500b may perform a function of preventing electromagnetic waves entering the unit cell 10b of the metamaterial absorber from escaping.
  • the second metal layer 500b may be formed of copper.
  • the horizontal length (Pa) of the second metal layer 500b may be 8 mm to 11 mm.
  • the vertical length of the second metal layer 500b may be 8 mm to 11 mm.
  • the thickness TC of the second metal layer 500b may be 30 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • 17 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band when electromagnetic waves polarized in TE mode are incident on the unit cell 10b of the 10 GHz metamaterial absorber of FIG. 11 .
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber can maintain an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for electromagnetic waves polarized in the TE mode even when the incident angle changes in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.84% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.95% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.88% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 98.10% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • FIG. 18 is a graph showing the electromagnetic wave absorption rate according to the incident angle in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band when electromagnetic waves polarized in the TM mode are incident on the unit cell 10b of the 10 GHz metamaterial absorber of FIG. 11 .
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber can maintain an electromagnetic wave absorption rate of 97% or more for electromagnetic waves polarized in the TM mode even when the incident angle changes in the 9.5 GHz to 10.5 GHz band.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.83% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.78% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 99.41% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber shows an electromagnetic wave absorption rate of 97.73% or more in a band of 9.5 GHz to 10.5 GHz.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber according to the present invention can maintain a constant electromagnetic wave absorptivity even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed in the 10 GHz band.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber according to the present invention has an operating frequency of 10 GHz ⁇ 0.5 GHz, and can maintain a constant electromagnetic wave absorption within the operating bandwidth range.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber according to the present invention may be flexible, thin, and have a relatively low manufacturing cost. Therefore, the unit cell 10b of the metamaterial absorber can maximize electromagnetic wave absorption efficiency.
  • the unit cell 10b of the metamaterial absorber according to the present invention when used in a naval vessel in the 10 GHz band, false targets of radar due to reflected waves by masts or piers around the naval vessel are reduced, The ship's radar performance can be improved.
  • FIG. 19 is a view showing an example of a metamaterial absorber 1000 in which unit cells 10 of the metamaterial absorber of FIG. 1 are arranged on the same plane
  • FIG. 20 is a view showing an example of the metamaterial absorber 1000 of FIG. It is a flowchart showing the operation of absorbing
  • the metamaterial absorber 1000 may include a plurality of unit cells 10 having a rectangular shape.
  • the plurality of unit cells 10 may be arranged on the same plane to form a flat plate structure to constitute the metamaterial absorber 1000.
  • each of the plurality of unit cells 10 constituting the metamaterial absorber 1000 may have the same shape and size.
  • the metamaterial absorber 1000 can absorb incident electromagnetic waves in a wide range.
  • the metamaterial absorber 1000 forms an induced current (S200), forms a magnetic field (S300), and absorbs electromagnetic waves (S400) when electromagnetic waves are incident (S100).
  • the meaning of absorbing electromagnetic waves may mean that the metamaterial absorber 1000 absorbs energy included in electromagnetic waves.
  • the absorption of electromagnetic waves by the metamaterial absorber 1000 is not an active operation of the metamaterial absorber 1000 for absorbing electromagnetic waves, but a passive effect according to the physical components and electromagnetic characteristics of the metamaterial absorber 1000.
  • electromagnetic waves of a broadband frequency may be incident at various incident angles to the metamaterial absorber 1000 (S100).
  • an induced current may be simultaneously formed in the first metal layer 100 and the second metal layer 500 (S200).
  • An induced magnetic field may be formed in the region of the intermediate layers 200 and 400 by the induced current of the first metal layer 100 and the induced current of the second metal layer 500 (S300). Electromagnetic waves incident to the metamaterial absorber 1000 and the induced magnetic field may magnetically resonate by impedance matching.
  • the metamaterial absorber 1000 may absorb the electromagnetic wave (S400).
  • the operating frequency of the meta-material absorber 1000 may be determined according to the size and shape of the plurality of unit cells 10 constituting the meta-material absorber 1000. Since the magnitude of the induced magnetic field is maximized when the operating frequency is the resonant frequency, the metamaterial absorber 1000 can absorb electromagnetic waves at the resonant frequency to the maximum.
  • each of the plurality of unit cells 10 included in the metamaterial absorber 1000 is perpendicular to a square ring part and at least one side of the square ring part, and extends in the inner direction of the square ring part.
  • 2 metal layers 500 may be included.
  • the resistor layer 300 may increase an operating bandwidth of an operating frequency.
  • the resistor layer 300 may have a thickness of 0.05 mm to 0.15 mm.
  • the sheet resistance of the resistor layer 300 may be 530 ⁇ sq ⁇ 1 to 550 ⁇ sq ⁇ 1 .
  • the metamaterial absorber 1000 according to the present invention can maintain a constant electromagnetic wave absorptivity even when the incident angle of the incident electromagnetic wave is changed.
  • the metamaterial absorber 1000 according to the present invention has an operating bandwidth with a constant operating frequency, and can maintain a constant electromagnetic wave absorption rate within the operating bandwidth range.
  • the metamaterial absorber 1000 according to the present invention may be flexible, thin, and have a relatively low manufacturing cost. Therefore, the metamaterial absorber 1000 can maximize electromagnetic wave absorption efficiency.

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Abstract

메타물질 흡수체의 단위셀은 5.8GHz 대역용 또는 10GHz 대역용 전자기파 흡수체일 수 있다. 메타물질 흡수체의 단위셀은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층, 상기 제1 금속층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층, 상기 제1 중간층의 하면에 배치되는 저항체층, 상기 저항체층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층, 및 상기 제2 중간층의 하면에 배치되는 제2 금속층을 포함할 수 있다. 상기 저항체층은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 상기 저항체층의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 상기 저항체층의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.

Description

적정 동작 대역폭을 가지고, 유연하고 얇은 5.8GHZ 및 10GHZ용 메타물질 흡수체의 단위셀 및 이를 포함하는 메타물질 흡수체
본 발명은 메타물질 흡수체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연하고 얇은 특성을 가지고, 5.8GHz 및 10GHz에서 적정 동작 대역폭을 가지는 메타물질 흡수체의 단위셀 및 이를 포함하는 메타물질 흡수체에 관한 것이다.
기존의 전자기파 흡수체는 표면에 입사되는 전자기파를 흡수하여 열로 소모함으로써 반사되거나 투과되는 전자기파를 크게 감소시키는 장치로, 전자기파 차단 등의 용도로 사용되고 있다. 일반적으로 전자기파 흡수체는 주로 페라이트 물질과 같은 혼합 물질을 기반으로 하였으나, 이러한 전자기파 흡수체는 부피가 크고, 무거우며, 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 최근, 메타물질을 이용한 전자기파 흡수체가 제안되었다.
메타물질은 자연에서 발견되지 않는 특성을 가지도록 전기적 요소와 자기적 요소를 모두 포함하여 인공적으로 설계한 소재로서, 전자기파 흡수에 용이한 특성을 가진다. 즉, 메타물질 흡수체는 높은 전자기파 흡수율을 가지는 메타물질을 이용하여 전자기파 흡수체를 구현한 것이다.
그러나, 종래의 메타물질 흡수체는 수직으로 입사된 전자기파에 대해서는 높은 흡수율을 가지는 반면, 다른 각도로 입사된 전자기파에 대해서는 흡수율이 저하되고, 전자기파가 큰 경사 각도로 입사되는 경우 흡수율이 감소하는 문제가 있다.
또한, 종래의 메타물질 흡수체는 동작주파수가 특정 주파수로 한정되어 동작 대역폭이 없거나, 동작 대역폭이 매우 협소하다. 따라서, 메타물질 흡수체의 전자기파 흡수율은 싱글 피크(single peak) 형태로 특정 주파수에서만 높게 유지되는 한계가 있다.
또한, 종래의 메타물질 흡수체는 유연하지 않고, 두께가 크며, 제조 비용이 상대적으로 높다는 한계가 있다.
본 발명의 일 목적은 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지하는 5.8GHz 및 10GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 동작주파수가 일정한 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율이 일정하게 유지되는 5.8GHz 및 10GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유연하고, 두께가 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮은 5.8GHz 및 10GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기한 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층, 상기 제1 금속층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층, 상기 제1 중간층의 하면에 배치되는 저항체층, 상기 저항체층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층, 및 상기 제2 중간층의 하면에 배치되는 제2 금속층을 포함할 수 있다. 상기 저항체층은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 상기 저항체층의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 상기 저항체층의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 5.8 GHz, 및 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역일 수 있다. 메타물질 흡수체의 단위셀은 상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 금속층은 상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이는 11 mm 내지 14 mm이고, 상기 사각링부의 폭이 0.1 mm 내지 0.2 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭이 0.2 mm 내지 0.4 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이가 4 mm 내지 5 mm인 제1 도체패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 중간층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제1 중간층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제1 중간층의 두께는 1.5 mm 내지 1.9 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저항체층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 저항체층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 중간층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제2 중간층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제2 중간층의 두께는 0.4 mm 내지 0.6 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5일 수 있다. 상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제2 금속층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 상기 제2 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 10 GHz, 및 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역일 수 있다. 메타물질 흡수체의 단위셀은 상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 금속층은 상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이는 8 mm 내지 11 mm이고, 상기 사각링부의 폭이 0.1 mm 내지 0.2 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭이 0.2 mm 내지 0.4 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이가 2.0 mm 내지 2.4 mm인 제2 도체패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 중간층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제1 중간층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제1 중간층의 두께는 1.0 mm 내지 1.2 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저항체층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 저항체층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 중간층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제2 중간층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제2 중간층의 두께는 0.4 mm 내지 0.6 mm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5일 수 있다. 상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제2 금속층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 상기 제2 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 메타물질 흡수체는 복수의 단위셀을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위셀은 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 형성할 수 있다. 상기 복수의 단위셀 각각은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층, 상기 제1 금속층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층, 상기 제1 중간층의 하면에 배치되는 저항체층, 상기 저항체층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층, 및 상기 제2 중간층의 하면에 배치되는 제2 금속층을 포함할 수 있다. 상기 저항체층은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 상기 저항체층의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 상기 저항체층의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체는 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체는 동작주파수가 일정한 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체는 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다.
따라서, 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체는 전자기파 흡수 효율을 극대화할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체가 5.8 GHz 대역의 High-pass등 자동 요금 징수 시스템에 사용되는 경우, 자동 요금 징수 시스템 주변의 건물 천장, 기둥 등에서 반사되는 다중 신호로 인한 정보통신기기의 성능 저하 및 오작동이 최소화되므로, 자동 요금 징수 시스템의 원활한 통행성을 확보할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀 및 메타물질 흡수체가 10 GHz 대역의 해군 함정에 사용되는 경우, 해군 함정 주변의 마스트 또는 교각에 의한 반사파로 인한 레이더의 허위 표적이 저감되므로, 해군 함정의 레이더 성능이 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 메타물질 흡수체의 단위셀의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀의 정면도이다.
도 4는 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀의 사시도이다.
도 5는 도 4의 사시도에서 제1 중간층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 사시도에서 저항체층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4의 사시도에서 제2 중간층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4의 사시도에서 제2 금속층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 9는 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀에 TE 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀에 TM 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀의 정면도이다.
도 12는 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀의 사시도이다.
도 13은 도 12의 사시도에서 제1 중간층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 14는 도 12의 사시도에서 저항체층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 15는 도 12의 사시도에서 제2 중간층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 16은 도 12의 사시도에서 제2 금속층을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 17은 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀에 TE 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀에 TM 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 19는 도 1의 메타물질 흡수체의 단위셀들이 동일 평면상에 배열된 메타물질 흡수체의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 19의 메타물질 흡수체가 전자기파를 흡수하는 동작을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 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.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 제1 금속층(100), 제1 중간층(200), 저항체층(300), 제2 중간층(400), 및 제2 금속층(500)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 2에서 보듯이, 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 제1 금속층(100), 제1 중간층(200), 저항체층(300), 제2 중간층(400), 및 제2 금속층(500)이 적층된 5층 구조일 수 있다.
구체적으로, 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층(100), 제1 금속층(100)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층(200), 제1 중간층(200)의 하면에 배치되는 저항체층(300), 저항체층(300)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층(400), 및 제2 중간층(400)의 하면에 배치되는 제2 금속층(500)을 포함할 수 있다.
종래기술의 메타물질 흡수체는 동작주파수가 특정 주파수로 한정되어 동작 대역폭이 없거나, 동작 대역폭이 매우 협소하다. 따라서, 종래기술의 메타물질 흡수체의 전자기파 흡수율은 싱글 피크(single peak) 형태로 특정 주파수에서만 높게 유지되는 한계가 있다.
본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 동작주파수가 일정한 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율이 일정하게 유지될 수 있다.
구체적으로, 저항체층(300)은 전자기파 흡수에 대한 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 저항체층(300)의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm이고, 저항체층(300)의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
또한, 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10)은 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다.
이하, 본 발명의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 대한 실시예를 도 3 내지 10을 통해 설명하고, 본 발명의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 대한 실시예를 도 11 내지 18을 통해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)의 정면도이고, 도 4는 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)의 사시도이며, 도 5는 도 4의 사시도에서 제1 중간층(200a)을 분리하여 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 사시도에서 저항체층(300a)을 분리하여 나타낸 도면이며, 도 7은 도 4의 사시도에서 제2 중간층(400a)을 분리하여 나타낸 도면이고, 도 8은 도 4의 사시도에서 제2 금속층(500a)을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 크기, 형상, 및 도체패턴이 최적화되어 있으므로, 5.8 GHz 대역에서 전자기파 흡수율이 최대화될 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10a)의 동작주파수는 일정한 동작 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 5.8 GHz, 및 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역일 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상일 수 있다.
구체적으로, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 제1 도체패턴을 포함하는 제1 금속층(100a), 제1 금속층(100a)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층(200a), 제1 중간층(200a)의 하면에 배치되는 저항체층(300a), 저항체층(300a)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층(400a), 및 제2 중간층(400a)의 하면에 배치되는 제2 금속층(500a)을 포함할 수 있다.
메타물질 흡수체 단위셀은 제1 금속층(100a)의 도체패턴을 어떻게 설계하는가에 따라 5.8 GHz 대역에서 전자기파의 반사를 최소화시킬 수 있다. 즉, 대기의 임피던스가 1이므로, 도체패턴 전체의 임피던스가 5.8 GHz 대역에서 1이 되도록 설계하면 된다.
제1 금속층(100a)은 사각링부 및 돌출부를 포함하는 제1 도체패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 도체패턴은 사각링부, 및 제1 내지 제4 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이(Pa)는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다.
상기 사각링부의 폭(WSa)은 0.1 mm 내지 0.2 mm일 수 있다.
상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭(WPa)은 0.2 mm 내지 0.4 mm일 수 있다.
상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이(LPa)는 4 mm 내지 5 mm일 수 있다.
제1 금속층(100a)의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
도 4 및 5를 참조하면, 제1 중간층(200a)은 제1 금속층(100a)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 중간층(200a)의 가로 길이(Pa)는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제1 중간층(200a)의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제1 중간층(200a)의 두께(TP1)는 1.5 mm 내지 1.9 mm일 수 있다.
도 4 및 6을 참조하면, 저항체층(300a)은 제1 중간층(200a)의 하면에 배치될 수 있다. 저항체층(300a)은 일정한 면저항을 가짐으로써, 전자기파 흡수에 대한 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 저항체층(300a)의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
저항체층(300a)의 두께(TR)는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 예를 들어, 저항체층(300a)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)의 유연성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 0.1 mm 두께로 설계될 수 있다.
저항체층(300a)의 가로 길이(Pa)는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 저항체층(300a)의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다.
이와 같은 저항체층(300a)의 구성에 따라, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 입사각의 변경에도, 전자기파가 흡수되는 동작주파수를 5.8GHz±0.25GHz 대역으로 유지할 수 있다.
도 4 및 7을 참조하면, 제2 중간층(400a)은 저항체층(300a)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제2 중간층(400a)의 가로 길이(Pa)는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제2 중간층(400a)의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제2 중간층(400a)의 두께(TP2)는 0.4 mm 내지 0.6 mm일 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 폴리이미드로 구성된 제1 중간층(200a) 및 제2 중간층(400a)을 포함함으로써, 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다.
제1 중간층(200a)과 제2 중간층(400a)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 입사된 전자기파를 전기적으로 가두어 저장하고, 5.8 GHz 대역에서 전자기파를 감쇄시킬 수 있다. 이를 위해, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 포함된 제1 중간층(200a) 및 제2 중간층(400a)의 크기는 12.5Х12.5 mm2 일 수 있다.
예를 들어, 제1 중간층(200a) 및 제2 중간층(400a)의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5일 수 있다. 제1 중간층(200a) 및 제2 중간층(400a)의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027일 수 있다.
이러한 제1 중간층(200a)과 제2 중간층(400a)의 구성에 따라, 5.8 GHz 대역에서 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 수직 입사 전자기파에 대해서 99% 이상의 흡수율을 가질 수 있다.
도 4 및 8을 참조하면, 제2 금속층(500a)은 제2 중간층(400a)의 하면에 배치될 수 있다. 제2 금속층(500a)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 들어온 전자기파를 빠져나가지 못하게 하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 금속층(500a)은 구리로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제2 금속층(500a)의 가로 길이(Pa)는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제2 금속층(500a)의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm일 수 있다. 제2 금속층(500a)의 두께(TC)는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
도 9는 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 TE 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 9에서 보듯이, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각의 변경에도 TE 모드로 편광된 전자기파에 대해 97% 이상의 전자기파 흡수율을 유지할 수 있다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 수직 입사(또는 0°로 입사)될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.80%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 15°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.93% 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 30°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.91%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 45°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 98.23%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
도 10은 도 3의 5.8 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)에 TM 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 10에서 보듯이, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 입사각의 변경에도 TM 모드로 편광된 전자기파에 대해 97% 이상의 전자기파 흡수율을 유지할 수 있다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 수직 입사(또는 0°로 입사)될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.80%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 15°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.75% 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 30°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 99.23%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 45°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역에서 97.40%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
이와 같이, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 5.8 GHz 대역에서, 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 동작주파수가 5.8GHz±0.25GHz의 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)은 전자기파 흡수 효율을 극대화할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10a)이 5.8 GHz 대역의 High-pass등 자동 요금 징수 시스템에 사용되는 경우, 자동 요금 징수 시스템 주변의 건물 천장, 기둥 등에서 반사되는 다중 신호로 인한 정보통신기기의 성능 저하 및 오작동이 최소화되므로, 자동 요금 징수 시스템의 원활한 통행성을 확보할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)의 정면도이고, 도 12는 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)의 사시도이며, 도 13은 도 12의 사시도에서 제1 중간층(200b)을 분리하여 나타낸 도면이고, 도 14는 도 12의 사시도에서 저항체층(300b)을 분리하여 나타낸 도면이며, 도 15는 도 12의 사시도에서 제2 중간층(400b)을 분리하여 나타낸 도면이고, 도 16은 도 12의 사시도에서 제2 금속층(500b)을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 크기, 형상, 및 도체패턴이 최적화되어 있으므로, 10 GHz 대역에서 전자기파 흡수율이 최대화될 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10b)의 동작주파수는 일정한 동작 대역폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 10 GHz, 및 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역일 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상일 수 있다.
구체적으로, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 제2 도체패턴을 포함하는 제1 금속층(100b), 제1 금속층(100b)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층(200b), 제1 중간층(200b)의 하면에 배치되는 저항체층(300b), 저항체층(300b)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층(400b), 및 제2 중간층(400b)의 하면에 배치되는 제2 금속층(500b)을 포함할 수 있다.
메타물질 흡수체 단위셀은 제1 금속층(100b)의 도체패턴을 어떻게 설계하는가에 따라 10 GHz 대역에서 전자기파의 반사를 최소화시킬 수 있다. 즉, 대기의 임피던스가 1이므로, 도체패턴 전체의 임피던스가 10 GHz 대역에서 1이 되도록 설계하면 된다.
제1 금속층(100b)은 사각링부 및 돌출부를 포함하는 제2 도체패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 도체패턴은 사각링부, 및 제1 내지 제4 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이(Pb)는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다.
상기 사각링부의 폭(WSb)은 0.1 mm 내지 0.2 mm일 수 있다.
상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭(WPb)은 0.2 mm 내지 0.4 mm일 수 있다.
상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이(LPb)는 2.0 mm 내지 2.4 mm일 수 있다.
제1 금속층(100b)의 두께는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
도 12 및 13을 참조하면, 제1 중간층(200b)은 제1 금속층(100b)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 중간층(200b)의 가로 길이(Pb)는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제1 중간층(200b)의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제1 중간층(200b)의 두께(TP1)는 1.0 mm 내지 1.2 mm일 수 있다.
도 12 및 14를 참조하면, 저항체층(300b)은 제1 중간층(200b)의 하면에 배치될 수 있다. 저항체층(300b)은 일정한 면저항을 가짐으로써, 전자기파 흡수에 대한 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 저항체층(300b)의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
저항체층(300b)의 두께(TR)는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 예를 들어, 저항체층(300b)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)의 유연성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 0.1 mm 두께로 설계될 수 있다.
저항체층(300b)의 가로 길이(Pa)는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 저항체층(300b)의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다.
이와 같은 저항체층(300b)의 구성에 따라, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 입사각의 변경에도, 전자기파가 흡수되는 동작주파수를 10GHz±0.5GHz 대역으로 유지할 수 있다.
도 12 및 15를 참조하면, 제2 중간층(400b)은 저항체층(300b)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제2 중간층(400b)의 가로 길이(Pa)는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제2 중간층(400b)의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제2 중간층(400b)의 두께(TP2)는 0.4 mm 내지 0.6 mm일 수 있다.
메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 폴리이미드로 구성된 제1 중간층(200b) 및 제2 중간층(400b)을 포함함으로써, 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다.
제1 중간층(200b)과 제2 중간층(400b)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 입사된 전자기파를 전기적으로 가두어 저장하고, 10 GHz 대역에서 전자기파를 감쇄시킬 수 있다. 이를 위해, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 포함된 제1 중간층(200b) 및 제2 중간층(400b)의 크기는 9.5Х9.5 mm2 일 수 있다.
예를 들어, 제1 중간층(200b) 및 제2 중간층(400b)의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5일 수 있다. 제1 중간층(200b) 및 제2 중간층(400b)의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027일 수 있다.
이러한 제1 중간층(200b)과 제2 중간층(400b)의 구성에 따라, 10 GHz 대역에서 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 수직 입사 전자기파에 대해서 99% 이상의 흡수율을 가질 수 있다.
도 12 및 16을 참조하면, 제2 금속층(500b)은 제2 중간층(400b)의 하면에 배치될 수 있다. 제2 금속층(500b)은 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 들어온 전자기파를 빠져나가지 못하게 하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 금속층(500b)은 구리로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제2 금속층(500b)의 가로 길이(Pa)는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제2 금속층(500b)의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm일 수 있다. 제2 금속층(500b)의 두께(TC)는 30 μm 내지 40 μm일 수 있다.
도 17은 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 TE 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 17에서 보듯이, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각의 변경에도 TE 모드로 편광된 전자기파에 대해 97% 이상의 전자기파 흡수율을 유지할 수 있다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 수직 입사(또는 0°로 입사)될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.84%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 15°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.95% 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 30°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.88%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TE 모드로 편광된 전자기파가 45°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 98.10%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
도 18은 도 11의 10 GHz용 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)에 TM 모드로 편광된 전자기파가 입사될 때, 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각에 따른 전자기파 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 10에서 보듯이, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 입사각의 변경에도 TM 모드로 편광된 전자기파에 대해 97% 이상의 전자기파 흡수율을 유지할 수 있다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 수직 입사(또는 0°로 입사)될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.83%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 15°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.78% 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 30°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 99.41%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
TM 모드로 편광된 전자기파가 45°로 입사될 때, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역에서 97.73%의 이상의 전자기파 흡수율을 보인다.
이와 같이, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 10 GHz 대역에서, 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 동작주파수가 10GHz±0.5GHz의 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)은 전자기파 흡수 효율을 극대화할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체의 단위셀(10b)이 10 GHz 대역의 해군 함정에 사용되는 경우, 해군 함정 주변의 마스트 또는 교각에 의한 반사파로 인한 레이더의 허위 표적이 저감되므로, 해군 함정의 레이더 성능이 향상될 수 있다.
도 19는 도 1의 메타물질 흡수체의 단위셀(10)들이 동일 평면상에 배열된 메타물질 흡수체(1000)의 일 예시를 나타내는 도면이고, 도 20은 도 19의 메타물질 흡수체(1000)가 전자기파를 흡수하는 동작을 나타내는 순서도이다.
도 19 및 20을 참조하면, 메타물질 흡수체(1000)는 사각형 형상을 가지는 복수의 단위셀(10)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위셀(10)은 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 형성하여 메타물질 흡수체(1000)를 구성할 수 있다.
예를 들어, 메타물질 흡수체(1000)를 구성하는 복수의 단위셀(10) 각각은 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
복수의 단위셀(10) 각각이 전자기파를 흡수함에 따라서, 메타물질 흡수체(1000)는 광범위하게 입사되는 전자기파를 흡수할 수 있다.
도 20에서 보듯이, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체(1000)는 전자기파가 입사(S100)되는 경우, 유도 전류를 형성(S200)하고, 자기장을 형성(S300)하며, 전자기파를 흡수(S400)할 수 있다.
여기서, 전자기파를 흡수한다는 의미는 메타물질 흡수체(1000)가 전자기파에 포함된 에너지를 흡수한다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 메타물질 흡수체(1000)의 전자기파 흡수는 전자기파를 흡수하기 위한 메타물질 흡수체(1000)의 능동적인 동작이 아니고, 메타물질 흡수체(1000)의 물리적 구성 요소 및 전자기적 특징에 따른 수동적인 효과일 수 있다.
구체적으로, 메타물질 흡수체(1000)에는 광대역 주파수의 전자기파가 다양한 입사각으로 입사(S100)될 수 있다. 메타물질 흡수체(1000)로 입사되는 경우, 제1 금속층(100)과 제2 금속층(500)에서 동시에 유도 전류가 형성(S200)될 수 있다.
상기 제1 금속층(100)의 유도 전류와 상기 제2 금속층(500)의 유도 전류에 의해, 중간층(200, 400) 영역에서 유도 자기장이 형성(S300)될 수 있다. 메타물질 흡수체(1000)로 입사된 전자기파와 유도 자기장은 임피던스 매칭에 의해 자기적 공진할 수 있다.
자기적 공진에 의해 메타물질 흡수체(1000)로 입사된 전자기파의 에너지가 흡수됨에 따라, 메타물질 흡수체(1000)는 전자기파를 흡수(S400)할 수 있다.
여기서, 메타물질 흡수체(1000)를 구성하는 복수의 단위셀(10)의 크기 및 형상에 따라 메타물질 흡수체(1000)의 동작주파수가 결정될 수 있다. 동작주파수가 공진 주파수일 때 유도 자기장의 크기가 최대가 되므로, 메타물질 흡수체(1000)는 공진 주파수에서 전자기파를 최대로 흡수할 수 있다.
일 실시예에서, 메타물질 흡수체(1000)에 포함된 복수의 단위셀(10) 각각은, 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층(100), 상기 제1 금속층(100)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층(200), 상기 제1 중간층(200)의 하면에 배치되는 저항체층(300), 상기 저항체층(300)의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층(400), 및 상기 제2 중간층(400)의 하면에 배치되는 제2 금속층(500)을 포함할 수 있다. 상기 저항체층(300)은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시킬 수 있다. 상기 저항체층(300)의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm일 수 있다. 상기 저항체층(300)의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1일 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질 흡수체(1000)는 입사되는 전자기파의 입사각의 변경에도 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체(1000)는 동작주파수가 일정한 동작 대역폭을 가지고, 동작 대역폭 범위 내에서 전자기파 흡수율을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메타물질 흡수체(1000)는 유연하고, 얇으며, 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 메타물질 흡수체(1000)는 전자기파 흡수 효율을 극대화할 수 있다.
다만, 이에 대해서는 상술한 바 있으므로, 그에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층;
    상기 제1 금속층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층;
    상기 제1 중간층의 하면에 배치되는 저항체층;
    상기 저항체층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층; 및
    상기 제2 중간층의 하면에 배치되는 제2 금속층을 포함하고,
    상기 저항체층은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시키고,
    상기 저항체층의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm이고,
    상기 저항체층의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 5.8 GHz, 및 5.55 GHz 내지 6.05 GHz 대역이고,
    상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이는 11 mm 내지 14 mm이고, 상기 사각링부의 폭이 0.1 mm 내지 0.2 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭이 0.2 mm 내지 0.4 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이가 4 mm 내지 5 mm인 제1 도체패턴을 포함하고,
    상기 제1 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 중간층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제1 중간층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제1 중간층의 두께는 1.5 mm 내지 1.9 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저항체층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 저항체층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 중간층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제2 중간층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제2 중간층의 두께는 0.4 mm 내지 0.6 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5이고,
    상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제2 금속층의 가로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제2 금속층의 세로 길이는 11 mm 내지 14 mm이고,
    상기 제2 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 동작주파수의 상기 동작 대역폭은 중심주파수 10 GHz, 및 9.5 GHz 내지 10.5 GHz 대역이고,
    상기 동작 대역폭 범위 내에서, 입사각 45°에 대한 전자기파 흡수율이 97% 이상인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 상기 사각링부의 적어도 하나의 변의 길이는 8 mm 내지 11 mm이고, 상기 사각링부의 폭이 0.1 mm 내지 0.2 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 폭이 0.2 mm 내지 0.4 mm이고, 상기 제1 내지 제4 돌출부 각각의 길이가 2.0 mm 내지 2.4 mm인 제2 도체패턴을 포함하고,
    상기 제1 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 중간층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제1 중간층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제1 중간층의 두께는 1.0 mm 내지 1.2 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저항체층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 저항체층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 중간층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제2 중간층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제2 중간층의 두께는 0.4 mm 내지 0.6 mm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 상수(dielectric constant)는 3.5이고,
    상기 제1 중간층 및 상기 제2 중간층의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)는 0.0027인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 금속층의 가로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제2 금속층의 세로 길이는 8 mm 내지 11 mm이고,
    상기 제2 금속층의 두께는 30 μm 내지 40 μm인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체의 단위셀.
  16. 복수의 단위셀을 포함하고,
    상기 복수의 단위셀은 동일 평면상에 배열되어 평판 구조를 형성하고,
    상기 복수의 단위셀 각각은,
    사각링부, 및 상기 사각링부의 적어도 하나의 변과 수직을 이루고, 상기 사각링부의 내측 방향으로 연장된 제1 내지 제4 돌출부를 포함하는 도체패턴을 포함하는 제1 금속층;
    상기 제1 금속층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제1 중간층;
    상기 제1 중간층의 하면에 배치되는 저항체층;
    상기 저항체층의 하면에 배치되고 폴리이미드로 구성되는 제2 중간층; 및
    상기 제2 중간층의 하면에 배치되는 제2 금속층을 포함하고,
    상기 저항체층은 동작주파수의 동작 대역폭을 증가시키고,
    상기 저항체층의 두께는 0.05 mm 내지 0.15 mm이고,
    상기 저항체층의 면저항은 530 Ω·sq-1 내지 550 Ω·sq-1인 것을 특징으로 하는,
    메타물질 흡수체.
PCT/KR2022/017944 2021-12-30 2022-11-15 적정 동작 대역폭을 가지고, 유연하고 얇은 5.8ghz 및 10ghz용 메타물질 흡수체의 단위셀 및 이를 포함하는 메타물질 흡수체 WO2023128267A1 (ko)

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