[논문]유연성 기판을 사용한 광대역 메타 흡수체

이홍민

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.3.339

[국내논문] 유연성 기판을 사용한 광대역 메타 흡수체
A Broad-Band Metamaterial Absorber Using Flexible Substrate 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.3, 2014년, pp.339 - 347

초록
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본 논문에서는 유연성 기판을 이용한 새로운 광대역 메타물질 구조의 흡수체를 제안하였다. 제안된 메타 물질 구조의 단위 셀은 유연성 있는 폴리이미드 기판 위의 동일 평면상에 놓여진 ELC 공진기와 cut-wire 구조로 이루어졌으며, 설계 주파수 대역 밖에서 레이더 단면적(RCS) 값을 감소시키기 위하여 제안된 구조의 금속 패턴 층은 입사 전자파의 진행 방향과 평행하게 놓았다. 총 $33{\times}45$개의 단위 셀들의 배열로 이루어진 흡수체 시작품을 제작하고, 측정한 결과, 주파수 9.06 및 15.0 GHz에서 각각 92 % 및 93 % 이상의 최대 흡수율과 75 %의 full-width at half-maximum 대역폭을 나타내었다. 제안된 금속 접지 판이 없는 메타물질 구조는 마이크로파 주파수대 광대역 흡수체로 곡면 구조에도 응용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the authors present a new design for a broad-band metamaterial(MTM) absorber that utilizes flexible substrate. The proposed MTM unit cell is constructed by a electric-inducive-capacitive(ELC) resonator and a cut-wire on the same side of the flexible polyimide substrate. To reduce the radar cross section at frequencies other than the targeted frequency bands, the metallic pattern layer of the proposed structure is placed facing toward the incident wave propagation direction. A prototype absorber was fabricated with a planar array of $33{\times}45$ unit cells. Our experiments showed that the proposed absorber exhibits a peak absorption rate of 92 % and 93 % at 9.06 GHz and 15.0 GHz, respectively, and 75 % of the full-width at half-maximum(FWHM) bandwidth is achieved. The proposed backplane-less MTM structure can be used for a broad-band microwave absorber and irregular surface applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 비 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에는 설계 되어진 주파수 대역 이외의 주파수에서 메타 흡수체 구조의 금속 도체 패턴에 의한 RCS가 증가되는 현상을 최소화 시키는 메타 흡수체 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체이며 유연성 기판을 사용하여 설계 되어져 곡면 구조에도 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 새로운 구조의 메타 흡수체 구조이다.
그 동안 몇몇 연구에서는 곡면 구조에 적용이 가능하도록 유연성이 있는 polyimide 유전체 기판을 단독으로 사용하거나^[9] 실리콘 웨이퍼 위에 polyimide 유전체 기판을 부착시키고^[10], 사진 인쇄 기술(photo-lithography technology)을 적용하여 금(gold)으로 된 패턴을 형성시킨 테라헤르츠 대역에서 사용 가능한 메타물질 흡수체가 보고되었다. 본 연구에서 유연성 기판을 사용하여 곡면 구조에 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 새로운 구조의 마이크로파 대역 메타 흡수체 구조를 제안한다.
기존의 대부분에 연구에서는 초기에 제안된 ELC 공진기를 음의 유전율을 나타내는 소자로 사용하기 위하여 수직입사파를 갖는 전자계가 사용되어졌다. 본 연구에서는 ELC 공진기가 수평입사파 환경 하에서도 음의 유전율을 나타내는 소자로 사용할 수 있는지 여부를 파악하기 위하여 CST사의 상용 수치 해석 소프트웨어 Microwave Studio를 사용하여 그림1에 나타낸 두 가지 구조에 대하여 컴퓨터 모의실험을 수행하였다. 그림 2에 주파수 9 GHz에서 11 GHz까지 모의 실험된 ELC 공진기의산란 파라미터를 사용하여 얻어진 실효 유전율 및 실효 투자율 값을 나타내었다.

가설 설정

그러나 이와는 반대로 2차 공진 모드에서는 좌측 SRR에는 루프 전류가 발생하지 않으며, cut-wire 소자와 인접한 SRR 사이에는 서로 반대 방향으로 전류(antiparallel currents)가 흐르게 되므로, 이들 소자들 사이에 발생되는 루프 전류에 의하여 자기공진^[12]이 나타내며, 전기공진은 1차 공진 모드의 경우와 마찬가지로 cut-wire 프라즈마 공진 현상에 의하여 발생된다. 따라서 그림 6(b)에나타나 바와 같이 1차 공진 모드에서는 ELC 공진기의 좌측에 있는 SRR에는 루프 전류가 흐르고, 우측의 SRR의 인덕티브 암에는 전류가 거의 흐르지 못한다. 2차 공진 모드에서는 좌측에 있는 SRR과 cut-wire strip 소자 사이의 갭 부분에 루프 전류가 흐르게 되며, ELC 공진기의 중앙에 위치한 커패시터 및 우측의 SRR의 인덕티브 암에는 전류가 거의 흐르지 못하게 된다.

제안 방법

벡터 회로망 분석기(Wiltron사의 360B)와 두 개의 광대역 혼 안테나를 사용하여 7～17 GHz 주파수 대역에서 반사계수 및 투과 계수를 측정하기 위한 측정환경 구성도를 그림 10에 나타내었다. 제작된 흡수체 샘플의 반사특성 측정에서는 그림 10(a)에 나타낸 바와 같이 우선 두 개의 혼 안테나를 흡수체 앞뒤에 50 cm 정도의 거리를 이격 배치하여 근거리장의 영향을 최소화시키도록 하였으며, 지면에서 120 cm 높이에 흡수체와 혼 안테나들을 일렬로 배치하여 입사되는 전자파가 흡수체에 정규 입사되도록 위치시키고, 투과계수를 측정하였다. 다음으로 두 개의혼 안테나들을 흡수체 정면에 근접 배치하고, 전파가 흡수체 평면에 정규 입사(입사각=0°) 되었을 경우에 반사계수를 측정하였다.
Polyimide 필름 한 면에 45개의 흡수체 단위 셀들을 주기 배열하여 제작된 흡수체 필름을 silicone rubber 위에 접착시키어 4.3 mm×303 mm×4 mm 크기의 평판 스트립형 흡수체 스트립 구조들을 제작한 후에 33개의 흡수체 스트립을 평면 배열시키어 총 33×45개의 단위 셀들로 구성된 평판형 흡수체 샘플을 구현하였다.
003) 위에 설계되어졌다. 금속 도체로 된 ELC 공진기의 금속 패턴 위로 입사되는 평면파의 전파 방향은 k-벡터 방향이며, 두 개의 서로 상이한 입사 전자계에 대한 ELC 공진기의 특성을 조사하였다. 그림 1(a)에나타낸 바와 같이 수직입사파(perpendicular incident wave) 의 경우에는 자계(H)가 ELC 공진기에 평행하게 놓이며, 전계(E)는 ELC 공진기 중앙에 위치한 커패시터 소자에 평행하다.
다음으로 두 개의혼 안테나들을 흡수체 정면에 근접 배치하고, 전파가 흡수체 평면에 정규 입사(입사각=0°) 되었을 경우에 반사계수를 측정하였다.
단위 셀에 대한 컴퓨터 모의실험에서는 도파관 입력 포트의 좌우 및 상하 측벽들에 주기 경계조건을 적용하였으며, 인접된 두 개의 단위 셀 사이에는 silicone rubber(두께 t2=2 mm, 비유전율=2.7, 손실 탄젠트=1.5)를 사용하여 유연성을 갖도록 하였으며, 그림 4(b)에 나타난 바와 같이 단위 셀들을 주기 배열하여 평면형 메타 흡수체의 구조를 구현하였다.
평면 배열된 흡수체 단위 셀은 입사 전자파의 진행 방향과 평행하게 놓여졌다. 단위 셀에 인가되는 전자계는 포트 2에서 입사시키었으며, ELC의 커패시터의 갭(gap) 방향으로 전계가 평행하게 놓이며, ELC 평면에 수직한 방향으로 자계가 입사되도록 하였다.
본 연구에서 제시된 흡수체 구조와 참고문헌에 제시된 몇몇 기존의 메타물질 구조를 갖는 흡수체의 특성을 표 1에 나타내었다. 새롭게 제안된 구조는 상대적으로 얇은 두께를 가지며 콤팩트한 크기로 설계되었으며, 특히 광대역 특성을 나타내고 있다.
본 연구에서 비 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에는 설계 되어진 주파수 대역 이외의 주파수에서 메타 흡수체 구조의 금속 도체 패턴에 의한 RCS가 증가되는 현상을 최소화 시키는 메타 흡수체 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체이며 유연성 기판을 사용하여 설계 되어져 곡면 구조에도 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 새로운 구조의 메타 흡수체 구조이다. 제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 동일한 평면에 놓여진 ELC 공진기와 cut-wire strip 소자를 결합시키어 메타 흡수체를 구성하여 유전체 기판 양면을 사용하여 공진기를 구성하는 구조에서 발생될 수 있는 두 패턴의 정렬의 부정확성을 회피할 수 있는 장점을 갖는다.
제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 동일한 평면에 놓여진 ELC 공진기와 cut-wire strip 소자를 결합시키어 메타 흡수체를 구성하여 유전체 기판 양면을 사용하여 공진기를 구성하는 구조에서 발생될 수 있는 두 패턴의 정렬의 부정확성을 회피할 수 있는 장점을 갖는다. 제안된 구조는 서로 멀리 떨어진 주파수 대역에서 두 개의 공진 모드 특성을 나타내게 되므로, 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체로 동작하지만, 각각의 공진 중심주파수에서 낮은 Q 값을 나타내고 있어서 광대역 특성을 갖는다.
제안된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체이며 유연성 기판을 사용하여 설계 되어져 곡면 구조에도 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 새로운 구조의 메타 흡수체 구조이다. 제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 동일한 평면에 놓여진 ELC 공진기와 cut-wire strip 소자를 결합시키어 메타 흡수체를 구성하여 유전체 기판 양면을 사용하여 공진기를 구성하는 구조에서 발생될 수 있는 두 패턴의 정렬의 부정확성을 회피할 수 있는 장점을 갖는다. 제안된 구조는 서로 멀리 떨어진 주파수 대역에서 두 개의 공진 모드 특성을 나타내게 되므로, 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체로 동작하지만, 각각의 공진 중심주파수에서 낮은 Q 값을 나타내고 있어서 광대역 특성을 갖는다.

대상 데이터

5 mm. 각각의 ELC 공진기는 로저스 사의 R4003C 유전체 기판(두께=1.5 mm, 비유전율=3.37, 손실 탄젠트= 0.003) 위에 설계되어졌다. 금속 도체로 된 ELC 공진기의 금속 패턴 위로 입사되는 평면파의 전파 방향은 k-벡터 방향이며, 두 개의 서로 상이한 입사 전자계에 대한 ELC 공진기의 특성을 조사하였다.
제안된 구조는 polyimide 유전체 기판(두께 t1=125μm, 비유전율=3.5) 위의 동일 평면상에 두 개의 칩 저항이 장하된 ELC 공진기 소자와 thin-wire 소자로 구성되었다.

성능/효과

두 주파수 대역에서 높은 흡수율을 나타내고 있으나, 제작된 흡수체는 주파수 9.06 및 15.0 GHz에서 각각 92 %및 93 % 이상의 최대 흡수율을 나타내었으며, 설계 값과 비교하여 약 2 % 하향되어졌다. 제안된 흡수체의 fullwidth at half-maximum(FWHM) 대역폭은 7.
참고로 본 연구에서 제안된 흡수체 구조가 메타 물질 구조로 동작하고 있는가를 살펴보기 위하여 그림 5(b)에나타낸 산란 파라미터들을 사용하여 제안된 흡수체 구조에 대한 실효 매질 파라미터 값들을 추출한 결과를 그림 8에 나타내었다. 제안된 구조는 주파수 6～18 GHz 대역에서 실효 유전율과 실효 투자율의 실수부 값들이 모두 음의 값을 나타내고 있으므로(double negative), 메타 물질 구조로 동작하고 있음을 확인할 수 있다.
0 GHz에서 각각 92 %및 93 % 이상의 최대 흡수율을 나타내었으며, 설계 값과 비교하여 약 2 % 하향되어졌다. 제안된 흡수체의 fullwidth at half-maximum(FWHM) 대역폭은 7.8～17.2 GHz로약 9.4 GHz이며, 이는 기존의 공진형 메타 흡수체와 비교 하면 약 25배 정도 향상된 수치이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메타 물질 흡수체 구조의 분류는?	이는 음의 굴절율을 나타내도록 메타 물질이 갖는 복소 유전율 (ε = ε′ + jε″ ) 및 복소 투자율 (μ = μ′ + μ″) 값 중에서 매질의 손실 성분을 나타내는 허수부분 값 (ε″ , μ″)을 오히려 인위적으로 크게 하여 주면 전자파 흡수 구조체를 구현할 수 있다는 원리에 근거한 것이다. 메타 물질 흡수체 구조는 금속의 접지 면을 갖는 구조[1],[2]와 접지 면이 없는 구조[3],[4]로 분류된다. 그 동안 대부분의 메타 물질 흡수체 구조에는 금속의 접지 면이 사용되어져 왔다.
	테라헤르츠파 주파수 대역 이상에서 메타 물질 구조를 이용한 전파 흡수체에 대한 연구가 주로 진행된 이유는?	인위적인 전파 흡수체 구조에 대한 기존 연구들의 대부분은 자연계 상에 전파 흡수체 물질이 존재하지 않는 테라헤르츠파 주파수 대역 이상에서 메타 물질 구조를 이용한 전파 흡수체에 대한 연구가 주로 진행되어져 왔다. 이는 음의 굴절율을 나타내도록 메타 물질이 갖는 복소 유전율 (ε = ε′ + jε″ ) 및 복소 투자율 (μ = μ′ + μ″) 값 중에서 매질의 손실 성분을 나타내는 허수부분 값 (ε″ , μ″)을 오히려 인위적으로 크게 하여 주면 전자파 흡수 구조체를 구현할 수 있다는 원리에 근거한 것이다. 메타 물질 흡수체 구조는 금속의 접지 면을 갖는 구조[1],[2]와 접지 면이 없는 구조[3],[4]로 분류된다.
	인위적인 전파 흡수체 구조에 대한 기존 연구는 어떤 대상에 대해 연구가 진행되어 왔는가?	인위적인 전파 흡수체 구조에 대한 기존 연구들의 대부분은 자연계 상에 전파 흡수체 물질이 존재하지 않는 테라헤르츠파 주파수 대역 이상에서 메타 물질 구조를 이용한 전파 흡수체에 대한 연구가 주로 진행되어져 왔다. 이는 음의 굴절율을 나타내도록 메타 물질이 갖는 복소 유전율 (ε = ε′ + jε″ ) 및 복소 투자율 (μ = μ′ + μ″) 값 중에서 매질의 손실 성분을 나타내는 허수부분 값 (ε″ , μ″)을 오히려 인위적으로 크게 하여 주면 전자파 흡수 구조체를 구현할 수 있다는 원리에 근거한 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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