다층구조 서브파장 단위 셀로 구성된 메타물질 흡수체

Metamaterial Absorber Composed of Multi-layered Sub-wavelength Unit Cell

Abstract

본 논문에서는 다층구조를 활용한 서브파장 크기의 단위 셀로 구성된 메타물질 흡수체를 제안한다. 제안된 흡수체는 4개 층으로 이루어져 있으며, 각 층에는 비아홀로 연결된 스파이럴 공진기가 위치한다. 이는 단위 셀의 인덕턴스 값을 증가시켜, 공진 주파수를 낮추는 효과를 보인다. 본 논문에서 제안한 구조는 제작을 고려하여 최적화한 결과 단위 셀의 전기적 크기를 파장의 0.013배로 크게 줄일 수 있었다. 제안된 흡수체는 시뮬레이션과 시제품 측정을 통하여 성능을 검증하였다. 측정결과 1.74GHz에서 97% 이상의 흡수율을 확인하였으며, 편파 및 입사각도의 변화에 대해서도 90% 이상의 우수한 흡수율을 확인하였다.

In this paper, we propose a novel sub-wavelength unit cell metamaterial absorber using multi-layer structure. The proposed absorber consists of 4 layers, and each layer has a spiral resonator connected by a via hole. This structure increases inductance of the unit cell, and therefore the resonant frequency can shift to lower frequency. We optimized the proposed absorber, and the electrical size of the unit cell is dramatically reduced to 0.013 times of the wavelength. The performance of the proposed absorber is demonstrated with full-wave simulation and measurement results. An absorption rate exceeding 97% is achieved at 1.74GHz. In addition, the proposed absorber attains a high absorption rate of 90% for different polarization and incident angles.

Ⅰ. 서론

최근 다양한 무선통신 기기와 센서들이 사용됨에 따라 전자기 환경은 점점 복잡해지고 있는 실정이다. 따라서 안정적인 전자기 환경을 달성하기 위해, 무선통신 기기 및 센서 간 전자파간섭을 최소화하는 기술의 중요성은 나날이 커지고 있다. 또한 국방 분야에서는 아군의 생존성 향상을 위해 적의 레이더에게 탐지되지 않도록 레이더 반사 면적(RCS : Rader Cross Section)을 줄이는 기술이 중요하게 다뤄지고 있다. 이러한 기술적 요구를 충족시키기 위한 방안으로, 메타물질 기반의 전자파 흡수체가 제안되었고, 국내외에서 다양한 연구가 수행되고 있다.

메타물질은 주기적인 구조를 배치하여, 물질 고유의 특성인 유전율과 투자율을 조절할 수 있도록 설계된 인공 구조물을 뜻한다. 이러한 메타물질의 특성을 활용하여 전자파 기기의 소형화^[1,2], 전자파간섭/적합성 기술^[3], 슈퍼렌즈^[4], 음향기술^[5-7] 등 다양한 분야에 적용하기 위한 연구가 수행되었다. 메타물질을 전자파 흡수체로 응용하는 연구는 N. I. Landy에 의해서 최초로 제안되었다.^[8] 기존의 전자파 흡수체는 전파 손실이 큰 물질을 사용하여 설계되었다. 대표적으로 페라이트 물질 기반의 wedge tapered 흡수체가 있으며, 매우 우수한 흡수 성능을 보이지만 두껍고 가격이 비싼 단점을 가지고 있다.^[9-13] Jaumann 흡수체는 이러한 단점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 1/4파장의 두께를 가지는 유전체와 저항성 필름을 사용하여 구현할 수 있다.^[14,15] Wedge-tapered 흡수체에 비해 두께를 줄일 수 있으나, 저주파 대역에서는 여전히 두꺼운 단점을 가지고 있다. 메타물질 기반 전자파 흡수체는 주기적인 단위 셀을 사용하여, 앞서 설명한 기존의 전자파 흡수체에 비해 매우 얇은 두께로 우수한 전자파 흡수 성능을 보일 수 있으며, PCB(Printed Circuit Board) 공정을 활용하여 저렴하게 구현 가능한 이점을 가지고 있다.

메타물질 기반 전자파 흡수체는 분할고리공진기(SRR : Split Ring Resonator). 예루살렘 십자가 공진기 등과 같은 LC 공진기를 사용하여 구현한다.^[16,17] 공진기의 inductive 및 capacitive 성분에 의한 공진현상을 이용하기 때문에 단위 셀의 크기는 파장에 의해 결정되며, 목표 주파수가 낮아질수록 공진기의 크기는 커지게 된다. 메타물질 흡수체에 입사하는 전파의 편파가 고정되어 있고 수직으로 입사하는 경우, 흡수체 단위 셀의 크기는 설계 시 중요한 요소가 아니다. 하지만 다양한 편파 및 입사각도에 대해 균일한 흡수성능을 보이기 위해서는 단위 셀구조의 크기를 줄이는 것이 필요하며, 이를 위해 다양한 방안이 제안되어 왔다.^[18-20]

본 논에서는 다층구와 스파이럴 금속패턴을 활용하여 기존 연구들에 비해 단위 셀의 크기를 줄일 수 있는 메타물질 기반 전자파 흡수체를 제안한다. 제안한 흡수체는 4층의 FR4 기판으로 구성되어 있으며, 각 층에는 비아홀로 연결된 스파이럴 금속패턴이 배치되어 있다. 이렇게 제안한 메타물질 흡수체의 흡수성능은 시뮬레이션 및 시제품 측정을 통해 확인하였다.

Ⅱ. 흡수체 설계

메타물질 기반 전자파 흡수체는 반사파를 최소화하고, 흡수체 내부로 투과된 전자기파를 유전손실을 통해 열로 소모시킨다. 따라서 흡수체의 반사계수(Γ(ω))를 최소화하기 위해서는 식(1)에 따라 공기의 임피던스(Z₀)와 메타 물질 흡수체의 임피던스(Z_M(ω)) 정합이 필요하다.

\(\Gamma(\omega)=\frac{Z_{M}(\omega)-Z_{0}}{Z_{M}(\omega)+Z_{0}}\)       (1)

메타물질 흡수체의 임피던스는 식(2)와 같이 유전율(ε)과 투자율(μ)의 비에 의해 결정된다. 따라서 메타물질의 상대 유전율(ε_r(ω))과 상대 투자율(μ_r(ω))을 같은 값으로 설계하면 공기와의 임피던스 정합을 달성할 수 있다.

\(Z(\omega)=\sqrt{\frac{\mu_{0} \mu_{r}(\omega)}{\epsilon_{0} \epsilon_{r}(\omega)}}\)       (2)

메타물질 흡수체는 공진현상을 이용하여 유전율과 투자율을 조절해 공기와의 임피던스 정합을 이루게 된다.^[7] 공진기의 공진 주파수(f_r)는 식(3)에 의해 결정된다. 따라서 저주파수 대역의 메타물질 흡수체를 설계하기 위해서는 단위 셀에 사용되는 공진기의 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)을 증가시켜야 하며, 이는 단위 셀의 크기가 커지는 원인이 된다.

\(f_{r}=\frac{1}{2 \pi \sqrt{L \times C}}\)       (3)

본 논문에서 제안한 메타물질 기반 전자파 흡수체의 단위셀 그림 1에 나타내었다. 총 4개의 층으로 나뉘어 있으며, 바닥면은 구리로 덮여있어 입사된 전자기파가 흡수체를 투과하지 못하게 한다. 각 층에는 비아홀로 연결된 스파이럴 공진기가 위치한다.

그림 1. 제안한 메타물질흡수체의 3차원 구조

Fig. 1. Three-dimensional view of the proposed metamaterial absorber

메타물질 흡수체 단위 셀의 크기를 줄이기 위해 제안한 구조는 그림 2에서 보다 자세히 확인할 수 있다. 공진기의 인덕턴스 값을 증가시키기 위해 스파이럴 구조의 시작과 끝은 모두 비아홀로 연결되어 있는 징을 가진다. 또한 편파의 변화에 대해 일정한 성능일 보일 수 있도록 스파이럴 구조를 90°씩 회전시켜 배치하였다.

그림 2. 제안한 메타물질 흡수체의 측면 구조

Fig. 2. Side view and layout of the proposed metamaterial absorber

그림 3에서 최적화한 공진기 구조를 나타내고 있다. 각 층은 FR4 기판(상대 유전율: 4.2, loss tangent :0.02)을 사용하였으며, 상단 3개 층의 각 기판 두께 a=0.4mm, 최하단 기판 두께 b=3.4mm, 전체 두께 c=4.6mm이다. 공진기의 각 부분별 길이는 d=2.5mm, e=2.4mm, f=0.1mm, g=0.1mm, h=0.25mm, i=0.1mm, j=0.25mm, k=0.4mm, l=0.2mm이며, 기판 두께를 포함한 모든 수치는 일반적인 PCB 공정을 사용하여 제작 가능한 최소 길이를 고려하여 최적화하였다.

그림 3. 층별 공진기 구조

Fig. 3. Resonator structure of each layer

제안한 메타물질 흡수체의 설계 및 성능 예측을 위하여 FEM(Finite Element Method) 기반의 상용 시뮬레이터인 ANSYS HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하여 시뮬레이션하였다. 메타물질 흡수체의 동작은 단위 셀의 전자기적 응답특성과 내부에서의 전파 손실 밀도를 통하여 확인할 수 있다. 그림 4(a)와 (b)에서는 전자기적 응답 특성을 확인하기 위해 공진 주파수에서의 전계 및 자계분포 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 또한 그림 4(c)에서는 전파의 손실 밀도를 나타내고 있으며, 단위 셀 사이에서 대부분의 전파가 손실됨을 확인할 수 있다.

그림 4. 제안된 흡수체 공진 주파수에서의 (a) 전계분포, (b) 자계분포, (c) 손실밀도 시뮬레이션 결과

Fig. 4. Simulated results of the proposed metamaterial absorber. (a) Electric field, (b) magnetic field and (c) loss density distribution at the resonant frequency

그림 5. 제안된 흡수체 층의 변화에 따른 반사계수 시뮬레이션 결과

Fig. 5. Simulated reflection coefficient of the proposed absorber for different number of layers

Ⅲ. 시제품 측정 결과

제안한 흡수체의 흡수성능을 확인하기 위하여, 그림 6와 같이 시제품을 제작하였다. 시제품의 크기는 250mm × 250mm이며, 100×100개의 단위 셀로 구성되어 있다. 흡수체의 흡수성능을 자유공간에서 측정하기 위하여, 그림 7과 같이 측정 환경을 구축하였다. 측정을 위해 2개의 혼 안테나와 Anritsu MS2038C 벡터 네트워크 분석기를 사용하였다. 원거리장 조건을 만족하기 위하여, 시제품과 안테나는 2m의 거리를 두었다. 또한 시제품에서 반사된 신호만을 측정하기 위해 벡터 네트워크 분석기의 time gating method를 사용하였으며, 시제품 주변에는 wedge-tapered 흡수체를 배치하였다. 시제품 측정 시, 시제품과 동일한 크기의 구리판을 측정하여 전반사에 대한 기준으로 하였다.

그림 6. 제안한 흡수체 시제품

Fig. 6. Fabricated prototype sample

그림 7. 흡수율 측정 환경

Fig. 7. Experimental setup for measurements

흡수율은 반사성분(R(ω))과 투과성분(T(ω))을 측정하여 식(4)에 의해 구할 수 있다. 제안한 흡수체는 바닥면이 구리로 덮여 있어 투과성분은 고려하지 않아도 된다.

A(ω) = 1 - R(ω) - T(ω)       (4)

제안한 메타물질 흡수체에 전자기파가 수직입사 했을 경우, 흡수율에 대한 측정 및 시뮬레이션 결과를 그림 8에서 확인할 수 있다. 측정 및 시뮬레이션 결과 모두 1.74GHz에서 97% 이상의 흡수율을 보이고 있다. 시뮬레이션은 단위 셀이 무한히 펼쳐 있는 환경을 가정하여 수행하였지만 실제 측정은 제한된 크기의 시제품을 사용하였고, 다층구조를 제작하면서 발생한 오차에 의해 시뮬레이션과 측정값 사이의 차이가 발생하였다.

그림 8. 측정 및 시뮬레이션 결과

Fig. 8. Measured and simulated absorption rates of the proposed absorber

그림 9에서 제안한 메타물질 흡수체의 편파 및 입사도 변화에 대한 흡수율 측정결과를 나타내었다. 편파에 대한 측정은 φ 방향으로 시제품을 회전시켜 측정하였으며, 0° ∼ 90°의 편파에 대해 일정한 성능이 유지됨을 확인할 수 있다. 입사각도에 대한 측정은 두 개의 혼 안테나를 Snell의 법칙에 따라 0°를 기준으로 ±θ에 배치하여 측정하였다. 측정결과 0° ∼ 50° 내에서 90% 이상의 흡수율을 보임을 확인하였다.

그림 9. (a) 편파 및 (b) 입사각도 측정 결과

Fig. 9. (a) Measured absorption rates for different polarization angles and (b) different incident angles

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 다층구조를 활용한 서브파장 크기의 단위 셀로 구성된 메타물질 흡수체를 제안하였다. 제안한 흡수체는 4개 층으로 이루어져 있고, 각 층에는 스파이럴 공진기가 위치한다. 각 층의 공진기는 비아홀로 상호 연결되어 있어, 인덕턴스 값을 증가시키도록 설계했다. 따라서 기존의 메타물질 흡수체에 비해 단위 셀의 전기적 크기를 줄일 수 있는 효과를 가지며, 기존의 연구결과와 비교한 결과를 표 1에서 확인할 수 있다.

표 1. 메타물질 흡수체 단위 셀 크기 및 성능 비교표

Table 1. Comparison of metamaterial absorber unit cell size and performance

제안한 흡수체의 성능은 시뮬레이션과 시제품 측정을 확인하였다. 수직입사할 경우, 1.74GHz에서 97% 이상의 흡수율을 얻을 수 있었다. 대칭적 구조를 사용하여 편파의 변화에 대해 성능이 일정하게 유지됨을 확인하였으며, 입사각도 변화에 대해서는 0° ∼ 50° 범위에서 90% 이상의 흡수율이 유지됨을 확인하였다. 제안한 흡수체는 전자파간섭/적합성 분야 등에 사용 가능하며, 단위 셀의 크기 감소가 필요한 경우에도 응용 가능하다.