[논문]3차원 인쇄 기술 기반 안테나/RF 기술동향

윤익재; 이수현; 공명준; 신건영

3차원 인쇄 기술 기반 안테나/RF 기술동향 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.4, 2017년, pp.7 - 15

윤익재 (충남대학교 전기공학과) , 이수현 (충남대학교 전기공학과) , 공명준 (충남대학교 전기공학과) , 신건영 (충남대학교 전기공학과)

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문제 정의

하지만 후자의 경우, 그 대상을 특정 짓기에는 그 기준이 명확하지 않고, 보고 사례에 한계가 있다. 따라서 본 글에서는 다양한 RP 기술의 제조 방식을 알기 쉽게 전파(傳播)하고, 각 해당 기술을 사용한 사례를 소개하는데 중점을 두고자 한다. 구체적으로 vat photopolymerization, material jetting, power bed fusion, binder jetting, material extrusion, aerosol jet printing, 그리고 laser direct structuring의 7개 RP 기술 및 해당 기술의 안테나, RF 소자 분야에서의 활용 사례를 소개한다.
본 글에서는 다양한 RP 기술에 대하여 간략하게나마 그 제작 원리를 설명하고, 해당 기술을 활용한 안테나와 RF 소자 관련 논문 몇 편을 소개하였다. 제작 원리에 대한 설명은 비전문가, 사용자의 입장에서 그간 다양한 문서와 자료를 통해 이해했던 내용을 글과 그림으로써 알기 쉽게 전달하고자 노력하였다.
하나는 이미 존재하는 다양한 형태의 안테나 및 RF 소자를 RP 기술을 활용하여 그 성능을 재현하는 것이다. 여기에는 기존의 안테나와 RF 소자를 보다 싸고 빠르게, 그리고 가벼운 무게로 제작하겠다는 목적이 있다^[6]. 다른 하나는 RP 기술을 활용하여 기존에는 생각하지 못했던, 혹은 설계하였더라도 쉽사리 구현할 수 없었던 3차원 구조의 안테나, RF 소자를 설계하고, 실험적으로 증명하는 것이다^[7]～[9].
본 글에서는 다양한 RP 기술에 대하여 간략하게나마 그 제작 원리를 설명하고, 해당 기술을 활용한 안테나와 RF 소자 관련 논문 몇 편을 소개하였다. 제작 원리에 대한 설명은 비전문가, 사용자의 입장에서 그간 다양한 문서와 자료를 통해 이해했던 내용을 글과 그림으로써 알기 쉽게 전달하고자 노력하였다.

제안 방법

따라서 본 글에서는 다양한 RP 기술의 제조 방식을 알기 쉽게 전파(傳播)하고, 각 해당 기술을 사용한 사례를 소개하는데 중점을 두고자 한다. 구체적으로 vat photopolymerization, material jetting, power bed fusion, binder jetting, material extrusion, aerosol jet printing, 그리고 laser direct structuring의 7개 RP 기술 및 해당 기술의 안테나, RF 소자 분야에서의 활용 사례를 소개한다. 본 글이 RP 기술에 관심을 갖고 있는 전자파 분야의 동료들에게 도움이 되기를 바란다.
이 기술은 선택적 소결 방식을 통해 3D 형상을 제작한다. 다시 말해, [그림 5]에 보이는 바와 같이 고체입자의 파우더를 재료로 사용하며, 레벨링 롤러(leveling roller)에 의해 평평하게 정리된 파우더 상에 레이저 광원을 선택적으로 조사하여 재료를 부분적으로 용융시켜 접합하는 방식을 취한다. 고운 모래 입자상에 물을 뿌려 그림을 그리고, 그 위에 모래를 살짝 덮어가며 또 다시 그림을 그리는 과정을 반복하는 것으로 생각하면 이해가 쉽다.
이와 유사하게 참고문헌^[15]에서도 동일한 프린터를 사용하여 비교적 저가의 저손실, 고이득 THz dielectric reflect array 안테나를 제작하였다. 다양한 높이 구성 및 변화를 갖는 reflect array 구조를 RP 기술을 통해 손쉽게 구현하였다. 이렇게 프린트된 polymer 형상에 금박(gold layer)을 100 nm의 두께로 얇게 입힌 후, 금 용액(gold solution)에 넣어 전기 도금을 하는 방식으로 도금을 진행하였으며, main beam에서 설계 값에 근접하는 실험 결과를 얻었다.
에서는 [그림 2]에 보이는 바와 같이 새로운 형상의 고주파 파워 컨버터용 air-core 인덕터를 설계하고, 그 성능을 실험을 통해 검증하였다. 시제품 제작을 위해 SLA 기술을 사용하여 형상을 제작하고, 이를 토대로 거푸집을 만든 후 liquid silver를 부어 굳히는 방식으로 도금을 진행하였다. 이와 같은 도금 방식을 lost-wax casting이라고 한다.
이 기술은 선택적 소결 방식을 통해 3D 형상을 제작한다. 다시 말해, [그림 5]에 보이는 바와 같이 고체입자의 파우더를 재료로 사용하며, 레벨링 롤러(leveling roller)에 의해 평평하게 정리된 파우더 상에 레이저 광원을 선택적으로 조사하여 재료를 부분적으로 용융시켜 접합하는 방식을 취한다.
다양한 높이 구성 및 변화를 갖는 reflect array 구조를 RP 기술을 통해 손쉽게 구현하였다. 이렇게 프린트된 polymer 형상에 금박(gold layer)을 100 nm의 두께로 얇게 입힌 후, 금 용액(gold solution)에 넣어 전기 도금을 하는 방식으로 도금을 진행하였으며, main beam에서 설계 값에 근접하는 실험 결과를 얻었다.
제안된 안테나의 제작을 위해 안테나 프레임을 polyamide PA2200 소재를 사용하여 3D프린팅 하였으며, 이때 SLS 방식을 활용하였다. 이를 통해 정교한 플라스틱 프레임을 제작하고, 이후 도금 과정을 통해 최종적인 안테나 형상을 완성하였다. 참고문헌^[7]에서는 nano crystalline copper 코팅 기술을 활용하여 도금을 진행하였으며, 참고문헌^[8]에서는 구리에 근접하는 도전성 확보를 위해 상용 은(silver) 페인트를 충분한 두께를 가지도록 수겹 도포하였다.
제법 많은 수의 RP 기술과 관련된 안테나/RF 분야의 논문이 이 기술을 활용하였다. 대표적으로 참고문헌^[22]에서는 Stratasys社의 Fortus 250 mc 3D 프린터를 활용하여 가볍고 저렴한 conical 혼 안테나를 설계 및 제작하였다.
에서는전기적 소형의 크기에서 방사 한계에 근접하는 새로운 형태의 안테나 구조를 제안하였다. 제안된 안테나의 제작을 위해 안테나 프레임을 polyamide PA2200 소재를 사용하여 3D프린팅 하였으며, 이때 SLS 방식을 활용하였다. 이를 통해 정교한 플라스틱 프레임을 제작하고, 이후 도금 과정을 통해 최종적인 안테나 형상을 완성하였다.

대상 데이터

에서는 polyjet 방식의 Objet Eden 350 프린터를 사용하여 3차원 Luneburg 렌즈 안테나를 제작하였다. 렌즈를 구성하는 모델 물질은 uncured acrylic polymer를 사용한 반면, 서포터로써는 물에 씻겨 나갈 수 있는 watersoluble 물질을 사용하였다. 이러한 물질 구성을 통해 프린트 후 높은 수압의 스프레이를 사용해 서포터를 제거하였다.
본 논문에서는 30 μm 직경의 stainless steel 파우더를 사용하였다.

성능/효과

또한, inkjet 프린팅 기술을 사용하여 V자 형태의 유전체 기판을 만들고, 그 표면에 meander 형태의 금속 라인을 동시에 프린트하여 제작한 안테나 역시 발표되었다^[13]. 설계값과 실험값이 잘 일치함을 실험을 통하여 증명하였다. 상용 도전성 ink 사용 시 RF 부품에 걸맞은 도전율 및 열, 기계적인 특성을 만족하는 것이 쉽지 않기 때문에, inkjet head의 분사 노즐을 막지 않고 충분한 전기적인 특성을 만족할 수 있는 도전성 ink를 개발하여 사용한 것이 특징이라 할 수 있겠다.
본 논문과 같은 경우는 도금 과정이 필요하지 않기 때문에, 보다 효과적으로 RP 기술을 활용할 수 있었던 것으로 판단된다. 시뮬레이션과 측정 결과 또한 설계값과 매우 잘 일치함을 확인하였다. 이와 유사하게 참고문헌^[15]에서도 동일한 프린터를 사용하여 비교적 저가의 저손실, 고이득 THz dielectric reflect array 안테나를 제작하였다.
NinjaFlex 필라멘트의 주입 비율을 통해 형성되는 기판의 유전율을 조절할 수 있다. 즉, 필라멘트의 주입 비율을 100 %에 가깝게 할수록 높은 유전율을 얻고, 이 비율을 낮출수록 1에 근접한 상대 유전율을 얻게 되는데, 본 논문에서 사용한 필라멘트를 통해서는 최대 3.0에 근접하는 상대유전율을 얻을 수 있다. 마지막으로 Projet HD 3000 프린터를 활용하여 틀을 만들고, 은 파티클(silver particle)로 이루어진 liquid metal paste을 부어 굳혀 RLC 소자를 제작한 논문 역시 발표되었다^[25].

후속연구

다만, 기술의 발전속도가 매우 빠르다는 점에서 그 발전 추이를 추적할 가치가 충분하다. 무엇보다, 3차원 공간에 대한 제조 기법의 자유로움을 통해 안테나, RF 소자 설계에 대한 사고의 확장이 가능하리라 기대한다.
RP 기술을 전자파 영역에 사용하는데 있어 어려움 중 하나로 낮은 도전성, 고가, 표면 균일성 등의 이유로 도금기술을 들 수 있다. 본 논문과 같은 경우는 도금 과정이 필요하지 않기 때문에, 보다 효과적으로 RP 기술을 활용할 수 있었던 것으로 판단된다. 시뮬레이션과 측정 결과 또한 설계값과 매우 잘 일치함을 확인하였다.
다만, 제작하고자 하는 안테나, RF 소자를 위하여 특정 RP 기술만이 사용될 수 있다거나, 혹은 가장 효율적이거나 하는 등에 대해서는 아직 가이드라인이 정해진 바가 없다. 향후 RP 기술을 활용한 샘플 제작 및 검증이 보다 활발해지면, 이와 같은 활용 가이드라인에 대한 지침도 세워질 수 있지 않을까 예상한다. 지금 우리나라에서도 각 대학, 연구소, 그리고 지역 센터를 중심으로 RP 기술에 대한 무료 강좌 및 사용이 활발히 진행되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자파 분야에서 RP 기술의 운용은 어떻게 나누어 볼 수 있는가?	전자파 분야에서의 RP 기술의 운용은 크게 두 가지로 나누어 파악할 수 있다. 하나는 이미 존재하는 다양한 형태의 안테나 및 RF 소자를 RP 기술을 활용하여 그 성능을 재현하는 것이다. 여기에는 기존의 안테나와 RF 소자를 보다 싸고 빠르게, 그리고 가벼운 무게로 제작하겠다는 목적이 있다[6]. 다른 하나는 RP 기술을 활용하여 기존에는 생각하지 못했던, 혹은 설계하였더라도 쉽사리 구현할 수 없었던 3차원 구조의 안테나, RF 소자를 설계하고, 실험적으로 증명하는 것이다[7]～[9]. 여기에는 성능 및 form-factor의 개선이라는 명제가 전제된다.
	Power bed fusion 방식은 어떤 물질을 재료로 사용하는가?	이와 같이 형성되는 3D 구조물은 파우더 내부에 쌓이는 형태로 존재하게 되기 때문에 (z-축 적층 원리), 추가적인 서포터를 필요로 하지 않는다. Power bed fusion 방식은 플라스틱, 금속, 세라믹, 유리 등의 다양한 미세 분말 형태의 소재를 사용할 수 있으며, 특히 금속 소재를 다루는 대부분의 3D 프린터가 파우더 형태의 물질을 재료로 사용하는 방식을 취한다. SLS, direct metal laser sintering(DMLS), laser beam melting (LBM), selective laser melting(SLM) 등이 power bed fusion 방식에 속한다.
	SLA 기술의 특징 및 장점은?	이 방식에서 광원의 위치는 고정되어 있으며, 광경화수지를 포함한 수지통(resin tray)이 아래에서 위로, 혹은 그 반대 방향으로 한차례 움직이며 수지를 굳혀 3D 구조물을 제작하기 때문에 구조물은 하부에서 상부로 쌓아올려지며 형성된다. 상대적으로 속도가 빠르고 정교하며, 섬세한 polymer 가공을 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 다만, 재료로 사용하는 광경화수지의 높은 가격과, 제작되는 형상을 지지할 수 있는 별도의 서포터(supporter)가 필요하다는 것은 단점으로 꼽힐 수가 있겠다.

참고문헌 (29)

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Available: http://www.emw.co.kr
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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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