[논문]THz 대역에서 Cut Wire로 구성된 메타소재의 자기공진 및 전파흡수특성

류요한; 김성수

doi:10.4283/jkms.2017.27.2.049

초록
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THz 대역 전파흡수체를 구현하기 위해 split cut wire(SCW)와 배면 도체로 구성되는 단위 셀 구조를 제안하였다. 배면이 금속으로 단락된 유전체 기판 상에 SCW가 배열된 메타소재에서 SCW의 길이와 폭을 조절하여 THz 대역에서 완전 전파흡수체(5.5~6.0 THz에서 반사손실 -20 dB 이하)의 구현이 가능하였고, 인덕턴스-커패시턴스 (L-C) 공진기 회로이론으로 이를 설명하였다. 길이가 서로 다른 두 개의 SCW를 하나의 단위 셀 안에 같이 배치함으로써 두 개의 흡수 피크를 얻을 수 있었다. SCW 간의 간격이 넓어짐에 따라 두 번째 공진주파수는 거의 변화가 없지만 첫 번째 공진주파수는 저주파로 이동하면서 반사손실 값이 현저히 감소하는 경향이 나타났다.

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Metamaterials composed of split cut wire (SCW) on grounded polyimide film substrate have been investigated for the aim of electromagnetic wave absorbers operated in THz frequency band. Reflection loss and current density distributions are numerically simulated with variations of the SCW geometries u...

Metamaterials composed of split cut wire (SCW) on grounded polyimide film substrate have been investigated for the aim of electromagnetic wave absorbers operated in THz frequency band. Reflection loss and current density distributions are numerically simulated with variations of the SCW geometries using the commercial software. The minimum reflection loss lower than -20 dB has been identified at 5.5~6.5 THz. The simulated resonance frequency and reflection loss can be explained on the basis of the circuit theory of an inductance-capacitance (L-C) resonator. Dual-band absorption can be obtained by arrangement of two SCWs of different length on the top layer of the grounded substrate, which is due to multiple magnetic resonances by scaling of SCWs. With increasing the side spacing between SCWs, a more enhanced absorption peak is observed at the first resonance frequency that is shifted to a lower frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시제품 제작과 실제 시험결과를 통한 상기의 설계치 확인은 이루어지지 못하였다. THz 대역에서 완전전파흡수체를 구현하는 메타소재의 패턴 및 치수 설계 방안 제시에 본 연구의 의미가 있다.
본 연구의 목적은 메타소재의 자기공진을 이용하여 THz 대역에서 완전 전파흡수체를 구현하는 것이다. 배면이 금속으로 단락된 유전체 기판 상에 split cut wire(SCW)가 배열된 메타소재에서 SCW의 길이와 폭을 조절하여 흡수 주파수를 조절하고, 개수를 늘리는 방법을 도입하여 다중 밴드 흡수체 설계를 시도하였다.

제안 방법

SCW로 구성된 메타소재 흡수체에서 SCW 도체의 치수 변화에 따른 전파의 반사, 흡수 특성을 THz 대역에서 조사하였다. 유전체 기판(폴리이미드 필름)에 평행한 자기장에 대하여SCW-배면 도체 간에 반평행 전류가 유기되며 이는 자기공진을 일으킨다.
입/출력 port를 설정하여 S-parameter를 추출하고, 이를 통해 반사손실 및 투과손실을 복소수로 변환한다. 구조물이 지닌 전계(E), 자계(H) field 분포를 해석함으로써 실제 영역에서의 동작결과를 예측할 수 있다.
길이가 서로 다른 두 개의 SCWs를 하나의 단위 셀 안에 같이 배치함으로써 두 개의 흡수 피크가 나타나는 이중 밴드흡수체를 설계할 수 있었다. 이중 밴드 흡수체에서 SCW 간의 간격(g)이 넓어짐에 따라 두 번째 공진주파수는 거의 변화가 없지만 첫 번째 공진주파수는 저주파로 이동하면서 반사손실 값이 현저히 감소하는 결과를 보였다.
본 연구의 목적은 메타소재의 자기공진을 이용하여 THz 대역에서 완전 전파흡수체를 구현하는 것이다. 배면이 금속으로 단락된 유전체 기판 상에 split cut wire(SCW)가 배열된 메타소재에서 SCW의 길이와 폭을 조절하여 흡수 주파수를 조절하고, 개수를 늘리는 방법을 도입하여 다중 밴드 흡수체 설계를 시도하였다.

대상 데이터

금속 도체는 구리(전기전도도 = 5.8 × 107 S/m, 두께 =0.035 μm)이다.
사용한 유전체는 폴리이미드 필름으로 복수유전율은 εr = 2.88 + j0.09으로 주어진다.

이론/모형

메타소재 흡수체의 설계와 분석은 Ansoft 사의 고주파 구조 시뮬레이터(high frequency structure simulator: HFSS)를 사용하였다. HFSS는 유한요소 방법(finite elements method:FEM)을 이용한 3차원 전자기 해석 tool이다[16].

성능/효과

간격이 g=1 μm, 3 μm, 5 μm로 멀어짐에 따라 두번째 공진주파수는 거의 변화가 없는 반면(f2 = 6.20 THz), 첫번째 공진주파수는 각각 f1 = 4.80 THz, 4.75 THz, 4.15THz로, 저주파로 이동하면서 반사손실은 현저히 감소함을 볼수 있다.
길이가 서로 다른 두 개의 SCWs를 하나의 단위 셀 안에 같이 배치함으로써 두 개의 흡수 피크가 나타나는 이중 밴드흡수체를 설계할 수 있었다. 이중 밴드 흡수체에서 SCW 간의 간격(g)이 넓어짐에 따라 두 번째 공진주파수는 거의 변화가 없지만 첫 번째 공진주파수는 저주파로 이동하면서 반사손실 값이 현저히 감소하는 결과를 보였다. 전류밀도 분포로부터 첫 번째 공진주파수에서는 길이가 긴 SCW와 배면 도체간의 자기공진이 일어나고, 두 번째 공진주파수에서는 두개의 SCWs와 배면 도체 간의 자기공진이 일어남을 제시하였다.
이중 밴드 흡수체에서 SCW 간의 간격(g)이 넓어짐에 따라 두 번째 공진주파수는 거의 변화가 없지만 첫 번째 공진주파수는 저주파로 이동하면서 반사손실 값이 현저히 감소하는 결과를 보였다. 전류밀도 분포로부터 첫 번째 공진주파수에서는 길이가 긴 SCW와 배면 도체간의 자기공진이 일어나고, 두 번째 공진주파수에서는 두개의 SCWs와 배면 도체 간의 자기공진이 일어남을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테라헤르츠(terahertz: THz) 파는 sub-μm 파에 해당하는 어느부분에 걸쳐있는 파동인가?	테라헤르츠(terahertz: THz) 파는 1011~1013 Hz의 주파수대에 존재하는 전자기파로 파장으로 보면 sub-μm 파에 해당하는 적외선과 마이크로파 사이에 걸쳐 있는 파동이다. X-선과는 달리 생체에 안전하기 때문에 X-선 이미징의 대체 등, 광범위한 분야에 응용될 것으로 예상되고 있다[1-3].
	테라헤르츠 소자 개발에 있어 가장 큰 걸림돌은?	마이크로파나 가시 광에 비해 그 발생 기술이나 검출 기술이 미개척인 주파수 대역이어서 일명 테라헤르츠 갭이라 불려지고 있다. 테라헤르츠 소자 개발에 있어 가장 큰 걸림돌은 이 주파수 영역에서 자기 응답이 가능한 재료가 존재하지 않는다는 것이다. 고주파 특성이 우수한 페라이트의 경우에도 THz 대역을 넘어서면 자기특성을 잃어버린다(투자율 = 0).
	테라헤르츠 소자 개발에 있어 가장 큰 걸림돌을 해결하는 방안으로 이용하는 소재는?	이러한 문제점에 대한 해결 방안이 split cut wire(SCW)또는 split ring resonator(SRR)를 이용한 메타소재이다[4, 5]. 메타소재는 구성재의 화학조성보다는 인공적으로 제작한 단위 셀(도체 패턴)의 구조 및 배열에 의해 전자기적 성질(유전율, 투자율)을 변화시키거나 제어하는 특성을 갖는다.

참고문헌 (18)

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W. J. Padilla, A. J. Taylor, C. Highstrete, M. Lee, and R. D. Averitt, Phys. Rev. Lett. 96, 107401 (2006).

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H. Tao, N. I. Landy, C. M. Bingham, X. Zhang, R. D. Averitt, and W. J. Padilla, Opt. Express 16, 7181 (2008).

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N. I. Landy, C. M. Bingham, T. Tyler, N. Jokerst, D. R. Smith, and W. J. Padilla, Phys. Rev. B 79, 125104 (2009).

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H. Zhou, F. Ding, Y. Jin, and S. L. He, PIER 119, 449 (2011).

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K. Iwaszczuk, A. C. Strikwerda, K. Fan, X. Zhang, R. D. Averitt, and P. U. Jepsen, Opt. Express 20, 635 (2012).

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F. Costa and A. Monorchio, IEEE Trans. Antennas Propag. 60, 4650 (2012).

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F. Costa, S. Genovesi, A. Monorchio, and G. Manara, IEEE Trans. Antennas Propag. 61, 1201 (2013).

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