초박형 삼중대역 메타물질 흡수체, 99.9% 효율과 광각 안정성으로 컨포멀 X/Ku 대역 응용 가능

요약

본 논문에서는 삼중 흡수 피크를 가진 초박형 플렉시블 메타물질 흡수체(MA)를 제안합니다. 제안된 흡수체는 8.5, 13.5, 17GHz(X 및 Ku 대역)에 세 흡수 피크가 위치하며 흡수율은 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%입니다. 구조 두께는 0.4mm로 각 흡수 주파수의 자유공간 파장의 약 1/88, 1/55, 1/44에 불과합니다. 대칭적 형상 덕분에 편광에 둔감합니다. 또한 TE 입사에서 60° 입사각까지 최소 86% 흡수율을, TM 입사에서는 60°까지 99% 이상 흡수율을 유지합니다. 표면 전류와 전기장 분포를 분석해 흡수 메커니즘을 규명했습니다. 흡수 최적화를 위한 파라미터 분석도 수행했습니다. 게다가 20×30 단위 셀로 제작된 플렉시블 유전체 시료로 자유공간에서 MA 성능을 실험적으로 입증했습니다. 정상 입사에서 모든 편광 각도에 대해 각 흡수 피크에서 근접 완전 흡수를 보이며, 실험 결과가 시뮬레이션과 일치했습니다. 광범위한 입사각에서 고효율 흡수 장점 덕분에 에너지 하베스팅과 전자파 차폐에 활용 가능합니다.

서론

최근 메타물질은 음의 굴절률[1], 완벽한 이미징[2], 역 도플러 효과[3] 같은 이색적 특성으로 폭넓은 관심을 받아왔습니다. 이러한 특성으로 전자기(EM) 클로킹[4], 초고감도 센싱[5], 필터[6, 7], 흡수체[8-12] 등 다양한 소자에 제안되었습니다. 특히 메타물질 흡수체(MA)는 기존 마이크로파 흡수체보다 경량이고 얇아 군사부터 가전까지 다양한 분야에 쓰입니다.

2008년 Landy 등이 최초의 완벽한 MA를 제시했습니다[13]. 이후 단일대역[14, 15], 이중대역[16-20], 다중대역[22-27], 광대역 흡수체[28-36] 등 다양한 MA가 연구되었습니다. 다중대역 MA는 여러 이산 주파수에서 완벽 흡수를 가능케 해 다중대역 센싱 등 응용이 가능합니다. 일반적으로 다중대역 MA는 두 방법으로 구성합니다. 첫째는 공면 구성법으로, 크기가 다른 여러 공진기를 슈퍼 단위 구조로 결합하는 것입니다[37, 38]. 둘째는 교대로 적층된 다층 구조를 수직으로 쌓는 것입니다[39, 40]. 하지만 두 방법 모두 이상적이지 않습니다. 공면 구성법은 MA 단위 크기 확대를 필연적으로 초래하고, 적층 설계는 큰 두께와 무게 단점을 해소 못 합니다. 최근 단순화된 구조 설계로 다중대역 흡수를 달성한 연구도 있습니다[41, 42]지만, 광각 입사 흡수 성능은 여전히 개선 필요합니다.

본 논문에서는 콤팩트한 크기, 초박형, 경량, 쉬운 제작 장점을 결합한 설계 방법을 제안합니다. 단위 셀 설계 덕분에 제안된 삼중대역 MA는 광각 입사에서도 높은 흡수율을 보입니다. 시뮬레이션 결과 8.5, 13.5, 17GHz에서 각각 99.9%, 99.5%, 99.9% 피크 흡수율을 가진 세 흡수 대역이 나타났습니다. MA의 대칭 구조로 편광 각도 변화에 둔감합니다. 게다가 TE/TM 편파 입사 시 60° 입사각에서 각각 86% 이상, 99% 이상 흡수율을 제공합니다. 다양한 기하학적 파라미터와 흡수 스펙트럼 관계를 분석했습니다. MA 흡수 성능 검증을 위해 20×30 단위 셀 시제품을 제작했고, 실험 결과가 시뮬레이션과 일치했습니다. 낮은 두께와 광각 입사 효과 덕분에 고플렉시블 폴리이미드 필름에 제작해 비평면 및 컨포멀 응용이 가능합니다.

방법/실험

그림 1은 제안된 MA 단위 셀 형상을 보여주며, 공진층, 유전체층, 금속 접지층으로 구성됩니다. 공진 구조는 스플릿 링 공진기(SRR), 변형 링 공진기(MRR), 단위 셀 중심을 따라 각각 45° 회전된 여덟 개의 동일한 7자 구조를 결합합니다. 상단 패턴층과 하단 접지층은 두께 0.02mm 구리, 전기전도도 5.8×10⁷ S/m입니다. 기판은 유전율 2.9, 손실 탄젠트 0.02인 폴리이미드로 제작했습니다. MA 최적화 파라미터는 표 1에 정리했습니다.

제안된 MA의 시뮬레이션 흡수 스펙트럼은 유한차분 시간영역(FDTD) 시뮬레이션으로 구했습니다. 시뮬레이션에서 x, y 방향에 단위 셀 경계 조건을, z 방향에 플로케 포트 조건을 적용했습니다. 평면 EM파가 MA 표면에 입사한다고 가정했습니다. 흡수율 A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|² - |S₂₁(ω)|²로 정의되며, S₁₁(ω)과 S₂₁(ω)은 반사 및 투과 계수입니다. 구리 접지판의 완전 반사로 투과 계수 S₂₁(ω)가 0이므로 흡수율은 A(ω) = 1 - |S₁₁(ω)|²로 단순화됩니다. 정상 입사에서 시뮬레이션 반사 및 흡수 스펙트럼은 그림 2a에 있습니다. 제안된 MA는 8.5, 13.5, 17GHz에서 각각 99.9%, 99.5%, 99.9% 흡수율로 세 흡수 피크를 보이며, 각 공진 모드의 Q 인자는 각각 26.8, 28.4, 27.1에 달합니다.

그림 2b는 다양한 편광 각도에 대한 MA 흡수 스펙트럼입니다. 0°~90° 편광 각도 범위에서 흡수율이 안정적입니다. 따라서 제안된 MA는 입사 EM파 편광에 둔감합니다. 또한 경사 입사각(θ)에서 흡수를 추가 조사했습니다. TE 편파에서(그림 2c) θ가 증가함에 따라 흡수율이 감소합니다. 이는 θ 증가로 TE파의 전기장 강도 수평 성분이 감소해 입사 전기장이 생성하는 순환 전류 효과가 점차 감소하기 때문일 수 있습니다. 하지만 세 흡수 피크는 θ=60°까지 86% 이상 유지됩니다. TM 편파에서(그림 2d) 각 공진 피크 흡수율이 θ=60°에서 99% 이상입니다. 이는 제안된 MA 흡수가 θ 증가로 인한 전기장 강도 변화에 덜 민감하기 때문입니다. 또 다른 장점은 흡수 주파수 안정성으로, 그림 2에서 세 흡수 피크가 θ 증가에 따라 유의미하게 변하지 않습니다.

결과 및 논의

흡수 메커니즘을 자세히 설명하기 위해 공진 구조 각 부분의 응답 스펙트럼을 그림 3에 제시했습니다. 그림 3에서 패턴층 내 각 요소가 개별적이고 강한 공진을 담당함을 알 수 있습니다. 이 요소들 조합이 완벽한 다중대역 흡수로 이어집니다. MRR 설계의 일환으로 폐쇄 링 공진기 각 모서리에 정사각형 패치를 추가해 링 공진기 전기 길이를 늘리고 구조 크기 증가 없이 흡수 주파수를 적색 편이시킵니다.

EM파 흡수 메커니즘을 더 탐구하기 위해 세 흡수 피크에 해당하는 상단 및 하단 금속층 표면 전류 밀도 분포를 그림 4에 보였습니다. 상단 패턴층 표면 전류가 8.5, 13.5, 17GHz에서 각각 MRR, SRR, 7자 그래픽 구조에 집중됨을 볼 수 있습니다. 표면 전류 분포는 그림 3에서 보인 흡수 기원도 드러냅니다. 상단층 표면 전류에 비해 하단 접지층 강도는 훨씬 약합니다. 상단층 표면 전류 방향이 접지면에 대해 반평행해 MA 내 동등 전류 루프를 형성해 자기 쌍극자를 여기시킵니다. 한편 그림 5는 TE 편파 입사 시 θ=0°, 30°, 60°에서 MA 내 전기장 진폭(|E|)을 보여줍니다. 8.5GHz에서 MRR이 흡수할 때 전기장이 MRR 수평 막대에 강하게 집중됩니다. 13.5GHz에서(그림 5b) SRR 내 LC 공진으로 완벽 흡수됩니다. 17GHz 흡수는 내부 패치의 쌍극자 공진 때문입니다. 상단층 공진기들도 전기 공진을 일으킵니다. 자기 및 전기 공진 모두 제안된 구조에서 강한 EM 흡수에 기여합니다. 또한 그림 5에서 θ 증가에 따라 전기장 강도가 감소함에 따라 EM파 흡수도 감소함을 알 수 있습니다.

그림 6은 MA 기하학이 흡수에 미치는 영향을 보여줍니다. 그림 6a에서 단위 주기 a 증가 시 공진 주파수가 고주파 쪽으로 이동합니다. SRR 간극 폭 b와 흡수 스펙트럼 관계는 그림 6b에 있습니다. b 증가 시 등가 정전용량 감소로 중심 공진 피크가 고주파로 이동하지만, 하위 및 상위 흡수 피크는 거의 변하지 않아 개별 흡수 주파수 조정 편리한 방법을 제공합니다. 링 바 폭 w₂ 의존성은 그림 6c에 있는데, w₂ 증가 시 하위 및 중심 공진 주파수가 적색 편이합니다. w₂ 증가로 SRR과 MRR 거리 감소해 등가 정전용량 증가하기 때문입니다. 마지막으로 바 폭 w₃ 증가는 상위 공진 주파수 적색 편이를 유발합니다(그림 6d). 공진 모드가 내부 7자 패치에 의해 결정되므로 w₃ 증가는 내부 공진기 등가 인덕턴스 증가시켜 공진 주파수 적색 편이시킵니다.

240mm×160mm 시제품(20×30 단위 셀)을 그림 7a처럼 제작했습니다. 시료 준비에서 폴리이미드 표면에 얇은 구리층을 증착 후 레이저 에이블레이션으로 패턴을 에칭했습니다. 측정 셋업은 그림 7b에 있는데, 자유공간 법으로 시료 흡수를 테스트했습니다. 한 쌍의 혼 안테나를 벡터 네트워크 분석기(로데슈바르츠 ZVA 40)에 연결해 시료 반사율을 측정했습니다. 제작 시료와 같은 크기 구리판 반사 스펙트럼을 측정해 기준 삼았습니다. 시료를 같은 위치에 놓고 두 측정된 반사 전력 차를 빼 실제 시료 반사를 계산했습니다. 그림 8a는 구리판과 제작 시료에서 측정된 반사 스펙트럼, 그림 8b는 MA 흡수율입니다. 측정된 흡수율은 8.7, 14.1, 17.6GHz에서 각각 96%, 97%, 94%입니다. 시뮬레이션 대비 흡수 피크 주파수가 제조 공차와 기판 유전율 차이로 약간 고주파 쪽으로 이동했습니다.

그림 9는 편광 각도 φ=0°, 30°, 60°에서 측정된 흡수율로, 제안 구조가 편광 각도에 둔감함을 보여줍니다. 그림 10은 TE/TM 편파에서 θ=30°, 60°일 때 측정된 흡수 스펙트럼입니다. 두 편파 모두 θ=60°에서 모든 흡수 피크 흡수율이 95% 이상 유지됩니다.

앞서 언급했듯 제안된 MA는 고플렉시블 폴리이미드 필름에 제작돼 비평면 응용 가능합니다. 그림 11a처럼 흡수체를 구부려 반경 8cm 실린더에 부착 후 흡수 측정했습니다. 그림 11b는 평평한 흡수체와 컨포멀 흡수체 흡수 스펙트럼입니다. 두 흡수체 흡수율이 유사함을 관찰할 수 있습니다. 게다가 세 공진 주파수에서 피크 흡수율이 굽힘 전후 비슷해 컨포멀 응용에 중요합니다.

결론

본 논문에서는 세 흡수 피크를 가진 초박형 플렉시블 MA를 제시했습니다. 이전 설계 대비 제안된 흡수체는 총 두께 0.4mm로 하위 흡수 주파수에 해당하는 자유공간 파장의 약 1/88에 불과한 초박형입니다. 제안된 삼중대역 흡수체는 60° 입사각까지 높은 흡수율(TE 편파 86% 이상, TM 편파 99% 이상)을 보입니다. 구조 대칭성으로 흡수율이 편광 변화에 둔감합니다. 20×30 단위 셀 MA를 제작해 다양한 입사각에서 측정했으며, 큰 입사각에서도 높은 흡수율을 보임을 확인했습니다. 흡수체는 플렉시블 폴리이미드 필름에 제작돼 비평면 및 컨포멀 응용에 쉽게 쓰일 수 있습니다. 제안된 흡수체는 에너지 하베스팅과 전자파 차폐에 큰 잠재적 용도가 있습니다.