Study on electromagnetic properties of perfect absorbers based on metamaterials

Abstract

지난 몇 년 동안 금속과 유전체와 같은 복합 소재를 사용하여 인위적으로 설계된 구조로 주기적으로 배치되는 메타물질은 일반적으로 볼 수 없는 비정상적인 특성을 가지고 있기 때문에 급격히 발전하였다. 1968년에 베셀라고는 이론적으로 특정 주파수에서 동시에 음의 유전율과 투과율을 갖는 왼손 법칙 물질을 처음으로 제안하였다. 2000년에는 스미스 연구실에서 실험적으로 왼손 법칙 물질을 구현했으며, 그 이후 많은 연구자들에게 상당한 과학적 관심을 이끌어 냈다. 메타물질은 처음에는 음의 굴절률 물질로 주목을 받았지만, 이들의 구성 단위인 메타원자의 구조와 매개 변수를 적절히 조정하여 원하는 전자기 특성을 얻는 큰 장점으로 인해 수퍼렌즈, 느린 빛, 완전 흡수체 등과 같은 다양한 분야에서 광범위하게 연구되어오고 있다. 다양한 메타물질 분야 중에서, 다양한 구조와 매개 변수의 최적화를 통해 메타물질 흡수체의 전자기 특성을 연구하였다. 우선, 전자기 편광 상태에 의해 제어되는 이중 대역을 갖는 메타물질 흡수체를 일반적인 메타물질 모델 (금속 패턴-유전체-연속된 금속)로 고안하였다. 이중 대역에서의 완전 흡수는 전자기 편광 상태에 따라 서서히 사라지며 고주파에서 다른 이중 대역에서의 흡수 모드가 동시에 나타난다. 이 메타물질 흡수체는 마이크로파 범위뿐만 아니라 테라헤르츠 범위에도 적용된다. 다음으로, 단일 공진기는 일반적으로 단일 흡수 대역을 보이고 있으며 삼중 흡수 대역을 얻기 위해서는 세 개의 공진기가 필요하지만, 단일 공진기 만을 사용하여 삼중 대역을 갖는 메타물질 흡수체를 구현하였다. 이 메타물질 흡수체는 또한 샌드위치 모델로 구성되며, 톱니바퀴 모양의 공진기가 주기적으로 금속 패턴 층에 배치된다. 삼중 대역에서의 흡수를 얻기 위해 두 개의 홈의 역할을 조사하였다. 마지막으로 다양한 광대역 메타물질 흡수체의 성능을 조사하였다. 금속-유전체 다층 원뿔대 구조는 이중 광대역 흡수를 나타내며 편광 상태와도 무관하다. 이 메타물질 흡수체는 소형화로 적외선 및 가시광선 범위에 적용할 수 있습니다. 또한, 다중 공진과 저항성 시트를 사용하는 두 개의 다른 메타물질 흡수체에 대한 성능과 흡수 방법이 연구되었다. 이 메타물질 흡수체는 또한 편광 각도와 무관하며 넓은 입사각에서도 작동한다. 내장형 저항 또는 전도성 섬유로 크기가 다른 공진기를 연결하여 광대역 메타물질 흡수체를 구현하였다. 이 메타물질 흡수체의 두께는 크게 감소되고, 전도성 섬유가 포함된 메타물질 흡수체는 유전체를 유연한 기판으로 바꾸면 유연성과 광대역 흡수를 동시에 갖을 수 있다. 다양한 메타물질 흡수체 연구는 마이크로파 범위 뿐만 아니라 다른 주파수 범위에도 적용될 수 있으며, 휴대폰 주파수 차폐 장치, 편광 필터, 군용 장치 등과 같은 미래의 전기/전자 소자나 장치에 기여할 수 있다.; Over past few years, metamaterials (MMs), which are periodically-arranged and artificially-designed structures by utilizing composite materials such as metals or dielectrics, have developed dramatically because they possess unusual characteristics that are not generally observable. In 1968, V. G. Veselago theoretically suggested the first left-handed material (LHM) with negative permittivity and permeability simultaneously at specific frequency. In 2000, Smith et. al experimentally implemented LHM, which led to considerable scientific interest by many researchers since then. MMs initially received the spotlight for negative-index materials, however, they have been extensively studied according to the great advantage of obtaining the desired electromagnetic (EM) properties by appropriately adjusting the structures and the parameters of meta-atoms, which are the constituent units of MMs, in various fields such as superlens, slow light, perfect absorber and so on. Among various MM fields, I studied the EM properties of MM absorbers (MMAs) through the optimization of various structures and their geometrical parameters. First of all, a dual-band MMA, controlled by EM polarization, was conceived by the conventional MMA model (metallic pattern-dielectric-continuous metal). Dual-band perfect absorption is gradually switched off according to the EM polarization, and another dual-band absorption mode simultaneously occurs at higher frequencies. This MMA is applied not only for the microwave range but for the THz one. Next, although a single resonator generally possesses a single absorption band, and three resonators are required to get triple absorption bands, I implemented a triple-band MMA by using only a single resonator. This MMA is also made of the sandwich model, and the toothed-wheel type resonators are periodically arranged at metallic pattern layer. The role of two grooves is investigated in order to obtain the triple-band absorptions. Finally, the performances of various broadband MMAs are confirmed. The metal-dielectric-multilayer truncated-cone structure exhibits dual broadband absorption and independent of polarization. This MMA is applicable in the infrared and the visible ranges with miniaturization. In addition, the performances and the absorption mechanism for two different MMAs by using multiple resonance and resistive sheet are investigated. These MMAs are also independent of polarization angle and work for wide incident angles. The broadband MMAs by connecting resonators of different sizes with embedded resistors or conductive fibers are demonstrated. The thicknesses of these MMAs are greatly reduced, and the MMA with conductive fibers also employ a flexible substrate for the dielectric, so that it has flexibility and broadband absorption simultaneously. The studies on various MMA can be applied not only to the microwave range but other frequency ranges, and contribute to future electric devices such as cell-phone-frequency shielding devices, polarization filters, military devices and so on.