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문제 정의
- 본 논문에서는 두께가 수～수십 마이크로 단위의 전도성 와이어로 제작된 정방형 메탈메쉬(Square Metal Mesh: SMM)의 투명도를 이론적으로 계산한 값과 실험적으로 측정한 값을 비교 분석하였다. 복수의 메탈메쉬와 투명기판으로 구성되어 있을 때, 투명도의 이론적 계산법의 특징을 확인하였다.
가설 설정
- 2 mm 동선(w)을 1 mm(l) 간격으로 엮은 평직구조이다. 그림 1(a)의 정방형 메탈메쉬 투명전극 구조의 투명도는 그림 1(b) 단위셀의 투명도와 같다. 일반적으로 투명도는 전체면적에 대한 개구부의 비로 나타낼 수 있으며, 다음의 식 (2)와 같이 계산된 OT를 구할 수 있다.
제안 방법
- SMM으로 구현 되는 투명 사각 패치 안테나는 그림 6과 같이 투명 아크릴(εr=2.6, tan δ=0.009) 기판 상에 정방형 메탈메쉬(SMM)로 구현되며, 2 GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다.
- 표 2에서는 전극의 전기적 특성인 전도도와 면저항 측정값을 정리하였다. 각 전극소재의 전도도는 각각 홀-효과 측정시스템(ECOPIA, HMS-3000)을 사용하여 측정되었다. 전기 전도도는 일반적인 전송선로의 전극인 구리가 각 투명전극(Multi Layered Electrode Film: MLF, Micro Metal Mesh Film: MMF, Squared Metal Mesh: SMM)에 비해 10배 이상 크며, MLF의 전도도가 2.
- 복수의 메탈메쉬와 투명기판으로 구성되어 있을 때, 투명도의 이론적 계산법의 특징을 확인하였다. 또한 정방형 메탈메쉬를 이용하여 패치 안테나를 설계 및 제작하여, 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교 분석하였다.
- . 또한 표 5는 안테나의 이득, 반전력빔폭(HPBW), 전후빔 비율(F/B)을 정리하였다. 측정된 안테나의 최대 이득은 l=1 mm일 때 4.
- 이는 기존의 다층형 투명전극에 비해 매우 우수한 값을 가지나, SMM의 경우 정방형 금속망 구조이므로 다층 투명 전극에 비해 투명전극의 시인성이 떨어지며, 모아레(moire) 현상의 단점이 있다. 또한, 2 GHz 대역에서 동작하는 투명 패치 안테나설계 및 측정하였으며, 광 투과도를 높이기 위해 얇은 구리선(w=0.2 mm)을 사용하였으며, 망(mesh) 크기(l=1, 2 mm)에 따른 안테나 성능(방사이득, 방사패턴)을 비교 하였다. 측정된 안테나의 최대 이득은 l=1 mm일 때 4.
- 또한, 광학적 투명도를 측정하기 위해 그림 3과 같이 가시광선 투과스펙트럼(SCINCO S-3100)으로 그림 2의 두 가지 메탈메쉬를 측정하였다. 측정한 시료는 아크릴기판(acrylic), 단층의 메탈메시(1 MM), 아크릴 기판 상부에 단층 메탈메시(1 MM+acrylic), 아크릴 기판 상하부에 두 개의 메탈메시가 있는 상태이며, 이는 정렬(aligned 2 MM+ acrylic)과 비정렬(misaligned 2 MM+acrylic)로 두 가지를 제작 측정하였다.
- 본 논문에서는 두께가 수～수십 마이크로 단위의 전도성 와이어로 제작된 정방형 메탈메쉬(Square Metal Mesh: SMM)의 투명도를 이론적으로 계산한 값과 실험적으로 측정한 값을 비교 분석하였다. 복수의 메탈메쉬와 투명기판으로 구성되어 있을 때, 투명도의 이론적 계산법의 특징을 확인하였다. 또한 정방형 메탈메쉬를 이용하여 패치 안테나를 설계 및 제작하여, 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 고주파 소자에 가장 일반적으로 사용되는 도체인 구리선(copper wire)으로 구현되는 정방형 메탈메쉬(Square Metal Mesh: SMM)를 이용하여 투명전극을 구현하였고, 이를 기본 단위로 하여 투명 패치 안테나를 구현하였다. SMM의 투명도 계산값과 측정값을 비교 분석하였으며, 단층의 경우 64 %의 광 투과도 값을 얻었다.
- 009) 기판 상에 정방형 메탈메쉬(SMM)로 구현되며, 2 GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다. 정방형 메탈메쉬에 사용되는 구리선은 그림 2에서와 같이 0.2 mm 두께의 동선(w)을 성능 비교를 위해 1 mm(l-1, w-0.2)와 2 mm(l-2, w-0.2) 두 가지 간격(l)으로 엮은 평직구조로 하였으며, 또한 안테나 제작 시 두 가지 모두 상 하부 메탈메쉬는 정렬 상태로 하였다. 패치안테나의 크기(L×W)는 34.
- 또한, 광학적 투명도를 측정하기 위해 그림 3과 같이 가시광선 투과스펙트럼(SCINCO S-3100)으로 그림 2의 두 가지 메탈메쉬를 측정하였다. 측정한 시료는 아크릴기판(acrylic), 단층의 메탈메시(1 MM), 아크릴 기판 상부에 단층 메탈메시(1 MM+acrylic), 아크릴 기판 상하부에 두 개의 메탈메시가 있는 상태이며, 이는 정렬(aligned 2 MM+ acrylic)과 비정렬(misaligned 2 MM+acrylic)로 두 가지를 제작 측정하였다. 투명 아크릴(acrylic) 기판은 두께 1 mm이고 전기적 특성은 유전율 εr=2.
대상 데이터
- . 본 연구에 사용된 정방형 메탈메쉬 투명전극은 그림 1과 같이 0.2 mm 동선(w)을 1 mm(l) 간격으로 엮은 평직구조이다. 그림 1(a)의 정방형 메탈메쉬 투명전극 구조의 투명도는 그림 1(b) 단위셀의 투명도와 같다.
- 009이다. 측정 시 가시광선 영역은 380～800 nm이며, 비교분석을 위해 455 nm(청), 535 nm(녹), 570 nm(적) 등 3원색 주파장을 기준으로 비교분석하였다. 측정된 투과도와 계산된 투과도를 표 1과 같이 정리하였다.
- 투명 아크릴(acrylic) 기판은 두께 1 mm이고 전기적 특성은 유전율 εr=2.6, 손실 탄젠트 tan δ=0.009이다.
성능/효과
- 99 %)과 차이가 있었다. Aligned 2 MM+acrylic의 측정값과 유사한 계산 값을 구하기 위해 1 MM+acrylic의 계산 값(60.99 %)에 1 MM의 계산 값(66.29 %)을 곱하여 주었을 경우 40.43 %의 계산 값을 얻을 수 있으며, 이는 aligned 2 MM+acrylic의 RGB 평균 측정값(39.42 %)과 유사하다. 따라서 두 장의 MM이 정렬(aligned) 되어 있다고 하더라도, 실제 측정 시에는 조사되는 빛이 추가 MM에 의한 회절 등으로 영향을 받는 것으로 판단된다.
- SMM의 면저항은 1.87E-03 Ω/sq로 본 논문에서 언급된 타 투명전극(MLF, MMF)에 비해 우수한 값을 가지며 SMM의 성능지수(FOM)는 약 6.7이다.
- 본 논문에서는 고주파 소자에 가장 일반적으로 사용되는 도체인 구리선(copper wire)으로 구현되는 정방형 메탈메쉬(Square Metal Mesh: SMM)를 이용하여 투명전극을 구현하였고, 이를 기본 단위로 하여 투명 패치 안테나를 구현하였다. SMM의 투명도 계산값과 측정값을 비교 분석하였으며, 단층의 경우 64 %의 광 투과도 값을 얻었다. 이는 위에서 언급한 비정질의 메탈메쉬와 비슷한 수준의 투명도이다.
- 계산된 투과도 값은 위의 방법으로 얻은 값들이 측정 값과 전반적으로 유사하나, Aligned 2 MM+acrylic의 경우에는 RGB 평균 측정값은 39.42 %의 투과도 값을 가지며 이는 계산 값(60.99 %)과 차이가 있었다. Aligned 2 MM+acrylic의 측정값과 유사한 계산 값을 구하기 위해 1 MM+acrylic의 계산 값(60.
- (dB)을 나타내었고, 표 4에서는 반사손실 6 dB 이상의 대역폭을 정리하였다. 두 가지(l=1, 2 mm) 경우, 모두 2 GHz 대역에서 6 dB 이상의 동작 대역폭을 가지며, 주파수에 따른 반사손실은 시뮬레이션과 측정 결과에서 비슷하나, 시뮬레이션 결과가 측정 결과 모두 비해 전반적으로 손실이 높게 나타났으며, 실제 측정에서의 대역폭이 시뮬레이션에 비해 넓게 나타났다. 이는 실제 제작 시 이상적인 시뮬레이션 환경에 비해 구리선의 평탄도 및 선과 선이 겹치는 부위에 있어서 시뮬레이션과 차이가 있으나, 동작 주파수의 파장에 비해 상대적으로 그 차이가 미약하다고 판단된다.
- 또한, 가시광선 대역(400～750 nm)내 평균 광 투과도는 MLF가 81 %로 가장 우수하며, MMF이 62 % 그리고 SMM이 64 %이다. 따라서 세 가지 투명전극의 광학적 특성은 MLF가 가장 우수한 광학적 특성을 갖지만 전기적 특성은 가장 열등하여 광학적 투명도 특성이 보다 더 요구되는 응용에 적합하며, 다른 두 투명 소재는 광학적 특성이 MLF에 비해 열등 하지만 전기적 특성이 50배 이상 우수하므로 광학적 투명도 보다 전기적인 특성이 보다 더 요구되는 응용에 적합하다고 판단된다. 또한 SMM의 면저항은 1.
- 또한 약 60 %대의 광투과도를 갖는 메탈메쉬형 투명 안테나(SMM, MMF)에 비해 80 % 이상의 광 투과도를 갖는 다층 투명 전극(MLF)을 사용한 안테나는 우수한 광 투과도에 비해 약 5 Ω/sq의 높은 면저항 값을 가지며, 이는 메탈메쉬 형 투명전극보다 약 50배 이상 높은 값이며, 이러한 취약한 전기적 특성에 의해 표 6에서처럼 -4 dB의 매우 낮은 이득을 갖는 등 전반적인 안테나 특성이 매우 취약하다.
- 이는 위에서 언급한 비정질의 메탈메쉬와 비슷한 수준의 투명도이다. 또한 패치 안테나 구조의 상하부 메쉬의 정렬 및 비정렬 상태에 따른 투과도를 측정하였으며, 측정치에서는 RGB에서 6～7 %의 광 투과도 차이를 보이며 예상대로 정렬상태의 광 투과도가 더 우수함을 보였다. SMM의 면저항은 1.
- 또한, 가시광선 대역(400～750 nm)내 평균 광 투과도는 MLF가 81 %로 가장 우수하며, MMF이 62 % 그리고 SMM이 64 %이다. 따라서 세 가지 투명전극의 광학적 특성은 MLF가 가장 우수한 광학적 특성을 갖지만 전기적 특성은 가장 열등하여 광학적 투명도 특성이 보다 더 요구되는 응용에 적합하며, 다른 두 투명 소재는 광학적 특성이 MLF에 비해 열등 하지만 전기적 특성이 50배 이상 우수하므로 광학적 투명도 보다 전기적인 특성이 보다 더 요구되는 응용에 적합하다고 판단된다.
- 또한, 본 논문에서 사용되는 정방형 메탈메쉬의 성능지수(FOM)는 l=1 mm의 경우에 RGB 평균 광 투과도가 64 %, 면저항이 1.87×10-3 Ω/sq로 식 (1)에 대입하면 6.165이다.
- 전기 전도도는 일반적인 전송선로의 전극인 구리가 각 투명전극(Multi Layered Electrode Film: MLF, Micro Metal Mesh Film: MMF, Squared Metal Mesh: SMM)에 비해 10배 이상 크며, MLF의 전도도가 2.15E+06(S/m)으로 전기적 특성이 투명전극 중 상대적으로 가장 우수하게 보이나, 실제로는 두께(100 nm)가 다른 두 투명전극(MMF, SMM)에 비해 훨씬 얇으므로, 실제 전기적 특성인 면저항 4.65E+00(Ω/sq)은 다른 두 투명전극(MMF, SMM)에 비해 50～2,000배 이상 높다.
후속연구
- l=2 mm일 때, 상대적으로 l=1 mm일 때보다 메탈메쉬의 간격이 더 크므로 최대 이득이 저하되며, 방사 빔이 넓게 퍼지며, 이로 인해 HPBW는 더 넓으며, 또한 그라운드(back) 쪽으로 방사가 더 많이 되어 전후면 방사 비(F/B)가 낮게 나타난다. SMM으로 구현되는 투명 안테나의 성능 측정결과, 안테나 성능은 정방형 메탈메쉬의 광학적 특성과 반비례하며, 실제 활용 시에는 광학적 특성, 전기적 특성, 제작비용을 종합적으로 고려하여, 응용에 따른 투명 안테나의 활용이 필요하다.
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