메타 재료 제조 및 전기적 특성 평가

Abstract

현재 전자기 및 통신용 소자들의 특성 향상은 이에 사용되는 재료들의 물리적인 한계에 부딪히고 있다. 이런 한계를 극복하기 위한 여러 가지 시도들이 대두되고 있는데, 그 중 가장 활발한 것이 자연계에서 구현되지 않는 새로운 전자기 특성을 갖는 인공적인 메타재료의 개발에 관한 연구이다. 메타재료는 재료의 유전율 및 투자율 특성이 모두 음의 값을 갖는 LHM (Left-Handed Material) 또는 NRIM(Negative Refractive Index Material)을 포함하여 기존 재료들의 특성을 개선할 수 있는 재료를 말한다. 일반적인 재료들은 유전율 및 투자율이 모두 양의 값을 갖는 형태이고, 전자기 특성을 표현함에 있어서는 두 파라미터의 곱의 형태로 나타나기 때문에 두 파라미터가 모두 음의 값을 갖는 메타재료의 경우 에너지 전달을 위한 소자로서의 응용은 크게 문제가 되지 않는다. 하지만 전자기파의 전달에 있어서는 유전율 및 투자율이 모두 양의 값을 갖는 경우와는 다르게 굴절상수가 음의 값을 가지게 되고 전자기파의 전달시 위상이 반대가 되는 형태를 나타낸다. 유전율 및 투자율이 모두 음의 값을 갖는 인위적인 재료들의 제조 후 특성을 평가하기 위해 기존의 측정방법을 그대로 이용하는 것은 올바르지 않다. 그렇기 때문에 최우선적으로 선행연구가 필요한 것이 메타재료의 측정방법에 관한 부분이다. 본 연구에서는 고주파용 전송선을 활용한 broadband CPW (Coplanar Waveguide) 방법을 개발하고 검증함으로써, 메타재료의 특성 평가를 위한 측정법을 개발하였다. 이것은 고주파용 전송선로인 CPW와 회로망 분석기를 이용하여 투과 및 반사특성을 나타내는 산란파라미터를 측정하고, 이 값들로부터 투자율을 계산해내는 방법이다. 메타재료는 자성체를 도체로 감싸는 형태의 구조로 제조되었다. 도체는 skin depth이하의 두께를 가지고 있어서 전자기파의 전달이 이루어지는 형태이다. 또한, 도체와 자성체 층간에 절연층을 삽입한 형태와 삽입하지 않은 두가지 형태로 제조되었는데 두 가지 형태 모두 개발한 측정법으로 측정하여 특성을 평가하였을 때 음의 투자율을 보여주었다. 그러나 절연층이 삽입되어 있는 형태는 측정범위인 100MHz ~ 20GHz에서 매우 일정한 음의 투자율이 보여주었지만, 절연층이 삽입되지 않은 경우는 1.5GHz ~ 17GHz 범위에서만 음의 투자율이 보여 지고 그 값은 절연층 삽입의 경우에 비해 일정치 않은 값을 보여주었다. 하지만 절연층 삽입여부에 상관없이 음의 투자율을 갖는 메타재료가 제조되었음을 알 수 있다. 본 연구에서 제조된 음의 투자율을 갖는 재료를 기본으로 하여, 유전율 또한 음의 값을 갖는 LHM의 제조가 가능해지면 그 파급효과는 상당할 것으로 기대된다. 인위적으로 투자율 및 유전율 값을 바꿀 수 있기 때문에 응용 주파수 범위는 MHz 로부터 THz 에 이르는 매우 광범위한 영역에 걸쳐 응용이 가능하고, 기존 전자기 및 통신 소자를 제조하는 경우에 기존재료의 특성을 훨씬 상회하는 특성을 가진 재료를 사용이 가능하다는 것도 의미한다.; In recent, electromagnetic and communication devices are faced with the physical limitation of electro-magnetic materials. This physical limitation is suggested to be overcome by the development of new artificial meta-materials, which have negative value permittivity and permeability. Thus these meta-materials are generally known as LHM(Left-Handed Material) and NRIM(Negative Index Refractive Material). Materials founded in nature have positive values of permittivity and permeability, and the electro-magnetic propagation in these materials can be characterized by the production of their permittivity and permeability. Although they show the similar propagation behaviors of the materials with positive negative permittivity and permeability, meta-materials with negative permittivity and permeability should have opposite phase velocity, which results in negative refractive constant. In order to characterize meta-materials, it is required to develop and suggest a new measurement method because of a lack of high frequency characterization of permeability. In this study, a broadband CPW method was developed for the characterization of the meta-materials. The broadband CPW method was using high frequency transmission line and network analyzer and then scattering parameters were measured. These parameters were converted into permeability by transmission line theory and equivalent circuit. Meta-materials were designed and fabricated as conductor/magnetic/ conductor and conductor/insulator/magnetic/insulator/conductor sandwiched structures. The conducting layer thickness were kept below the skin depth thickness, so electromagnetic wave could be propagated. Two types of meta-material was shown to have negative permeability values in measurement frequency ranges (100MHz ~ 20GHz). Permeability of the five layer type showed constant negative value up to 20GHz but that of the three layer structure negative permeability value in the frequency range between 1.5 GHz and 17 GHz. The above experimental results showed that meta-materials with negative permeability could be fabricated by a multi-layer structure. This finding suggested that LHM could be very innovative materials for EM and communication devices.