[논문]투명안테나

정창원

투명안테나
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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.29 no.2, 2018년, pp.27 - 41

정창원 (서울과학기술대학교)

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문제 정의

광 투과도의 측정은 [그림 4]의 본 연구실에서 사용한 광 투과도 측정기(SINCO S-3100)의 측정 예처럼 광 투과도 측정기를 사용하여 측정하며, 일반적인 광 투과도는 가시광선 대역 투과도의 평균값을 의미한다. 또한, 태양 전지용 투명전극은 가시광선뿐만 아니라, 자외선 및 적외선의 투과도도 중요하므로 이에 대한 투과도도 측정된다.
일반적으로 투명전극은 가시광선(visible light)영역의 빛을 투과하여 시각적으로 투명하면서도 전기전도도(conductivity)를 가지는 막(membrane, film)을 의미하며, 이를 이용한 투명 전기회로를 유리(glass), 폴리이미드(polyimide), 아크릴(acrylic) 등의 투명 기판(transparent substrate)상에 설계하여 다양한 투명 전자 소자/부품/기기를 구현할 수 있다. 이러한 투명 전자소자/부품/기기는 투명한 특성을 이용하여 기존의 전기적 성능을 유지하면서도 공간적/시각적 제약을 해소하려는 목적을 가지고 있다.

가설 설정

[그림 15], [그림 16]은 ① 단일 평면형의 예로써 구글 글래스 같은 안경을 이용한 무선제품의 경우 안테나가 안경의 유리면에 설계될 경우를 가정하여 설계하였으며(실제로는 구글 글래스의 경우 RF 회로 및 안테나가 안경테에 장착되어 있음), 시야각 등을 고려하여 안경 유리면 위치에 따른세 가지 타입의 투명안테나 위치를 설정하였고, 투명전극으로는 투명도는 높지만 선로 저항 값이 높은 MLF를 사용하였으며, 안경유리상에 안테나가 있을 때 35～45 % 효율과 2.9～3.6 dB의 최대 이득을 가지며, 또한 이 안경이 인체 두부 팬텀에 장착되어 있을 경우(실제 사람이 안경을 쓰고 있을 경우) 25～38 %의 효율과 0.8～2.6 dB의 최대 이득을 갖는다. 최대 이득은 안테나의 위치에 따른 약간의 지향성이 발생 하여 모노폴 안테나의 최대 이득인 2.

제안 방법

<표 5>는 본 연구실에서 투명안테나 및 전송선로 설계시 비교적 전기적 성능이 우수하며, 제작비용이 저렴한 세 가지 투명전극(MLF, MLF, WMM)을 사용하였고, 이에 대한분류표이다. [그림 11]은 각 투명전극들의 시각적 시인성을 보여주기 위해 책의 글씨 위에서 찍은 사진(윗줄)과 또한, 각 투명전극의 구조를 보여주기 위해 MLF 및 MMF는 주사전자현민경(scanning electron microscopy: SEM)으로, WMM은 128배 광학 현미경(microscope)으로 찍은 사진(아랫줄)이다.
[그림 13]은 세 가지 투명전극(MLF, MMF, WMM)을 사용한 투명전송선로의 측정된 반사손실 S₁₁(dB) 및 삽입손실 S₂₁(dB)을 보여주고 있으며, <표 6>에서는 삽입손실 S₂₁(dB)을 정리하였다. 대조군으로 전형적인 마이크로스트립 전송선로 기판인 FR-4(copper)상에 제작된 전송선로의 특성을 이와 비교하였다. 또한, 투명전송선로의 기판은 ε_r = 2.
그러나 WMM의경우는 복층의 경우 모아레 현상이 있으며, 또한 구리 전극을 사용할 경우 일반적으로 붉은색 계열의 빛을 반사하는 단점을 가지고 있다. 또한 전기적 성능을 대표하는 면저항의 경우 WMM, MMF, MLF의 순으로 시각적 특성이 가장 우수하였던 MLF가 MMF, MLF에 비해 50～250배 정도 많이 취약하며, 각 면저항은 MLF의 경우 면저항 측정기로 측정되었고, 메탈메쉬(MMF, WMM)의 경우는 II절에서 언급되었듯이 면저항 측정기에 의한 측정이 불가하므로 RLC 미터로 측정된 도선의 저항값으로부터 계산되었다. 또한 제작비용은 투명전극이 상용으로 대량생산될 경우의 제작비용이 중요하겠지만, 본 연구에서는 MLF, MMF, WMM의 순이며, 일반적으로 박막공정과 희토류(인듐) 사용에 의해 MLF가 제작비용이 가장 많이 들며, WMM의 경우는 투명전극용도가 아닌 일반적인 평직직조방식으로 제작되는 메탈메쉬로 제작비용이 가장 저렴하다.
표에서는 투명전극(TE)의 형태(MLF, MMF, WMM)를 표시하였고, 각 투명안테나의 전기적 성능인 전도도, 면저항(Rs), 그리고 시각적 성능인 광 투과도(OT), 투명기판의 광 투과도를 90 %로 가정하였을 때 투명안테나와 투명기판을 모두 포함하는 광 투과도(OTS), 그리고 최종 투명전극의 성능인 FOM을 표시하였으며, 최종 FOM 값의 광 투과도는 실제 안테나의 투명기판까지 포함한 OTS를 사용하여 계산되었다. 또한 투명안테나의 종류(모노폴, 패치 등)와 그 성능(이득, 효율)을 정리하였다. 표의 배열순서는 위에서부터 투명전극의 성능지수(FOM)가 가장 큰 값을 갖는 투명안테나 순으로 하였다.
이러한 투명전송선로의 성능은 투명성을 유지하면서도 투명전극의 전도도와 투명전극 및 기판의 손실을 줄이는데(투명전극의 전극 또한 이상적인 도체가 아니므로 손실 고려) 그 핵심이 있다. 본 연구실에서는 이러한 취지로 위에서 언급한 세 가지 투명전극에 대해 투명 마이크로스트립(microstrip) 전송선로를 설계 및 제작하였고, 그 성능을 분석하였다. [그림 13]은 세 가지 투명전극(MLF, MMF, WMM)을 사용한 투명전송선로의 측정된 반사손실 S₁₁(dB) 및 삽입손실 S₂₁(dB)을 보여주고 있으며, <표 6>에서는 삽입손실 S₂₁(dB)을 정리하였다.
<표 4>에서는 대표적인 유연한(flexible) 그리고 딱딱한(rigid) 재질의 투명기판의 상대 유전율과 손실 값을 안테나 설계 시 범용으로 많이 사용되는 FR-4 기판과 비교하였다. 투명기판은 전반적으로 FR-4와 비교 시 조금 높거나 낮은 2～7 사이의 상대 유전율(ε_r) 값을 갖는다.
[그림 22]에서는 최근 2015년 이후 게재된 투명전극 안테나관련 논문을 정리하였다. 표에서는 투명전극(TE)의 형태(MLF, MMF, WMM)를 표시하였고, 각 투명안테나의 전기적 성능인 전도도, 면저항(Rs), 그리고 시각적 성능인 광 투과도(OT), 투명기판의 광 투과도를 90 %로 가정하였을 때 투명안테나와 투명기판을 모두 포함하는 광 투과도(OTS), 그리고 최종 투명전극의 성능인 FOM을 표시하였으며, 최종 FOM 값의 광 투과도는 실제 안테나의 투명기판까지 포함한 OTS를 사용하여 계산되었다. 또한 투명안테나의 종류(모노폴, 패치 등)와 그 성능(이득, 효율)을 정리하였다.

대상 데이터

또한 복수평면형 패치형태 안테나는 투명전극의 복수면 사용에 의해 효율은 다소 떨어지나, 선로저항이 MLF에 비해 우수한 MMF 또는 WMM 형태의 투명전극을 사용할 때^[12]～[16]에는 40 % 이상의 효율 값을 얻을 수 있다. 또한 참고문헌 [14], [15], [21]에서 사용된 투명전극은 PDMS, AgHT-8 등의 전도성 고분자를 사용하였다.
또한, 투명전송선로의 기판은 εr = 2.6, tan δ = 0.009 그리고 광 투과도 90 %의 아크릴을 사용하였다.
[그림 5]는 본 연구실에서 측정한 투명전극 및 투명기판의 광 투과도 측정의 예이며, 진공상태의 공기(vacuum)의 투명도가 100 % 일 때, 가시광선 대역에서 유리(glass)와 아크릴(acrylic) 등의 투명기판의 투명도는 90 % 정도이며, 실제 ITO, IZTO 등 투명도가 우수한 투명전극의 경우, 거의 유리와 같은 정도의 투명도를 가지고 있다. 본 실험실에서 사용한 투명전극은 다층투명전극필름(multi-layered TEfilm: MLF), 마이크로 메탈메쉬 필름(micro metal mesh film:MMMF), 와이어 메탈메쉬(wired metal mesh: WMM)의 세 가지 투명전극이며, MLF, WMM, MMF 각각 80 %, 70 %, 60% 이상의 평균 투과도를 갖는다. 또한, 일반적으로 투명소자는 투명기판 상에 투명전극을 이용하여 구현되므로, 투명소자의 투명도는 기판과 전극의 두 투명도를 곱한 값이 되어(투명소자의 투명도 = 투명기판의 투명도 × 투명전극의 투명도) 투명전극 자체의 투명도보다는 낮아진다.
사용된 세 가지 투명전극은 다층투명전극(multilayered TE film: MLF), 메탈메쉬 필름(metal mesh film:MMF), 와이어 메탈메쉬(wired metal mesh: WMM)의 세 종류이며, 자세한 구조, 공정방법, 각 전기적 시각적 성능은 에 표시하였다.
투명전송선로는 FR-4기판(tan δ = 0.02)보다 손실 값이 적은 투명기판인 아크릴(tan δ = 0.01)을 사용하였다.

성능/효과

(Ω/□)는 면저항이다. 따라서 광 투과도는 높을수록 그리고 면저항 값이 낮을수록 높은 FOM을 갖는 우수한 투명전극이라 할 수 있다.
또한 전기적 성능을 대표하는 면저항의 경우 WMM, MMF, MLF의 순으로 시각적 특성이 가장 우수하였던 MLF가 MMF, MLF에 비해 50～250배 정도 많이 취약하며, 각 면저항은 MLF의 경우 면저항 측정기로 측정되었고, 메탈메쉬(MMF, WMM)의 경우는 II절에서 언급되었듯이 면저항 측정기에 의한 측정이 불가하므로 RLC 미터로 측정된 도선의 저항값으로부터 계산되었다. 또한 제작비용은 투명전극이 상용으로 대량생산될 경우의 제작비용이 중요하겠지만, 본 연구에서는 MLF, MMF, WMM의 순이며, 일반적으로 박막공정과 희토류(인듐) 사용에 의해 MLF가 제작비용이 가장 많이 들며, WMM의 경우는 투명전극용도가 아닌 일반적인 평직직조방식으로 제작되는 메탈메쉬로 제작비용이 가장 저렴하다.
투명기판은 전반적으로 FR-4와 비교 시 조금 높거나 낮은 2～7 사이의 상대 유전율(ε_r) 값을 갖는다. 또한, 기판의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소인 손실 값은 FR-4보다 우수한(낮은) 값을 가지며, 특히 폴리머 계열의 투명 유연기판은 손실 값이 0.005 이하의 매우 우수한 값을 갖는다. 따라서 표에 열거된 대표적인 투명기판들은 투명안테나의 응용으로 사용되기에는 손색이 없다.
또한, [그림 17], [그림 18]의 경우는 ➁ 복수 평면형의 예로써 우선 광 투과도는 [그림 17]에서 MLF와 MMF의 경우에서 볼 수 있듯이, 안테나 방사체와 그라운드가 겹쳐진 부위에 색깔이 어둡게 나타나며, 광 투과도가 두 투명전극의 광 투과도의 곱으로 떨어지는 것을 볼 수 있으며, 안테나의 방사성능은 [그림 18]에서와 같이 일반적인 구리 도체를 사용하였을 때와 비교 시, 투명전극(MLF, MMF)을 사용하였을 때 이보다 효율과 이득이 떨어지는 것을 볼 수 있다. 또한, 메탈메쉬형 MMF의 경우는 박막형 MLF에 비해 선로 저항이 낮으므로 구리를 사용한 안테나에 비해 효율은 떨어지지만 높은 선로 저항을 갖는 MLF에 비해서는 상당히 높으며, 광 투과도보다는 전기적 성능이 우선시 되는 응용에 사용되어질 가능성이 높다.
세 가지 투명전극의 광 투과도는 MLF, WMM, MMF 순이며, MMF 및 WMM의 차이는 미미하다. 그러나 WMM의경우는 복층의 경우 모아레 현상이 있으며, 또한 구리 전극을 사용할 경우 일반적으로 붉은색 계열의 빛을 반사하는 단점을 가지고 있다.
일반적으로, 메탈메쉬 투명전극은 폴리머 계열의 유연한 투명전극 상에 구리 또는 은 등의 두께 수 μm 이하의 얇은 도선을 도포하거나(비정방형 메탈메쉬), 또는 메탈메쉬를 프린팅, 직조, 또는 에칭(정방형 메탈메쉬)하여 제작되며, 메쉬의 투명도는 (투명한 면적: 투명전극 전체의 면적 — 불투명 메탈의 면적)/(투명전극 전체의 면적)으로 계산할 수 있으며, 본 연구실의 실험 결과, 실제 계산된 값과 측정값이 상당히 일치함을 확인 하였다.
01)을 사용하였다. 측정된 삽입손실은 선로 저항값이 비교적 우수한 메탈메쉬형 투명전극의 경우에도, 일반적인 전송 선로보다 2배 정도의 손실 값을 갖는다. 따라서 투명전극으로 구현되는 투명 고주파 회로는 선로길이를 상대적으로 작게 하여 설계하거나(소형화) 또는 대면적에 사용할 경우를 대비하여 가능한 선로 저항이 적은 투명전극의 개발이 필요한 실정이다.
<표 3>은 ITO를 포함한 현재 연구되고 있는 대표적인 투명전극의 특성 비교이다. 투명전극의 성능지수를 결정하는 투과도 및 면저항은 메탈메쉬 계열이 우수하고, 또한 공정비용측면에서도 저렴하나, 모아레 현상 등에 의한 시인성이 취약하며, 은나노와이어의 경우에는 다른 부분은 모두 우수하나, 공정비용이 상대적으로 높다. 또한, 가장 범용으로 많이 사용되고 있는 ITO의 경우는 전반적으로 우수하나, 유연성이 취약하여 투명 플랙서블 터치패널 등의 제품 등에는 적합하지 않다.

후속연구

그러나 일반적으로 투명전극은 광 투과도와 면저항 값이 상충관계이며, 또한 투명전극의 투명도가 아무리 우수하다고 하더라도 선로의 저항 값이 높다면 상대적으로 대면적을 사용하는 안테나, 전송선로 등의 고주파 수동 소자로 사용하기 매우 어렵다. 따라서 투명제품의 응용에 따라 낮은 면저항이 요구되는 고주파 무선 분야 등에서는 광 투과도가 다소 낮더라도 전기적 성능이 우수한 투명전극을 사용하여야 하며, 상대적으로 디스플레이와 같은 높은 광 투과도가 요구되는 분야에서는 면저항이 다소 높더라도 우수한 광 투과도를 갖는 투명전극이 요구된다고 볼 수 있으며, 각 투명제품의 응용에 따라 전도도, 투과도, 유연성, 가격 등을 종합적으로 고려하여 각 투명제품에 적합한 투명전극의 활용이 필요하다.
현재 투명안테나는 아직까지 그 절대필요성에 대한 부족으로 현재 사용되거나 또는 상용화 수준까지 개발된 안테나는 거의 없다고 봐도 무방하다. 현재까지는 외장형 UHF 디지털 TV용 안테나, 항공기 및 자동차 유리면에 부착되어 사용가능한 투명안테나 등이 사용면에서 가장 근접한 어플리케이션 형태이며, 추후 투명 전자소자/부품/기기의 투명한 특성을 이용하여 기존의 전기적 성능을 유지하면서도 시각적 제약에 자유로운 다양한 무선어플리케이션들의 요구가 발생하고 확장된다면 그 필요성에 의한 투명 무선어플리케이션의 가장 기본 소자인 투명안테나의 요구 또한 확대되리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 기판에는 어떤 소재들이 있는가?	최근 디스플레이, 태양전지, 스마트 글래스 기술 등의 발달로 시각적인 광 투과도(optical transmittance)가 높으면서도 전기적인 면저항(sheet resistance)이 낮은 성능이 우수한 투명전극(transparent electrode: TE)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 일반적으로 투명전극은 가시광선(visible light)영역의 빛을 투과하여 시각적으로 투명하면서도 전기전도도(conductivity)를 가지는 막(membrane, film)을 의미하며, 이를 이용한 투명 전기회로를 유리(glass), 폴리이미드(polyimide), 아크릴(acrylic) 등의 투명 기판(transparent substrate)상에 설계하여 다양한 투명 전자 소자/부품/기기를 구현할 수 있다. 이러한 투명 전자소자/부품/기기는 투명한 특성을 이용하여 기존의 전기적 성능을 유지하면서도 공간적/시각적 제약을 해소하려는 목적을 가지고 있다.
	투명전극이란 무엇인가?	최근 디스플레이, 태양전지, 스마트 글래스 기술 등의 발달로 시각적인 광 투과도(optical transmittance)가 높으면서도 전기적인 면저항(sheet resistance)이 낮은 성능이 우수한 투명전극(transparent electrode: TE)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 일반적으로 투명전극은 가시광선(visible light)영역의 빛을 투과하여 시각적으로 투명하면서도 전기전도도(conductivity)를 가지는 막(membrane, film)을 의미하며, 이를 이용한 투명 전기회로를 유리(glass), 폴리이미드(polyimide), 아크릴(acrylic) 등의 투명 기판(transparent substrate)상에 설계하여 다양한 투명 전자 소자/부품/기기를 구현할 수 있다. 이러한 투명 전자소자/부품/기기는 투명한 특성을 이용하여 기존의 전기적 성능을 유지하면서도 공간적/시각적 제약을 해소하려는 목적을 가지고 있다.
	디스플레이 분야에서 투명기기의 연구는 무엇을 기반으로 진행되고 있는가?	현재까지 투명기기의 응용은 가장 대표적으로 디스플레이분야에서 이루어졌다. 80 % 이상의 높은 광 투과도를 갖는 투명전도 산화물(transparent conducting oxide: TCO) 투명전극을 이용한 투명 트랜지스터(transparent thin film transistor:TTFT)를 기반으로 이를 이용한 다양한 투명 디스플레이가 연구되고 있으며, 최근 변형이 자유로우며, 유연하고 휴대가 간편한 플렉시블 전자 기기의 개발이 진행되면서 투명플랙서블(flexible) 디스플레이에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 또한, 광 효율이 중요한 이슈가 되는 태양전지에도 투명전극 기술이 활용되고 있다[1],[2]([그림 1]).

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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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