(a) (b)
그림 16. 인셋구조를 가지는 안테나의 에칭공정 비교 (a) 비순환 방식 (b) 순환방식
그림 16은 비순환 방식과 공기노즐을 이용하여 에칭한 인셋구조를 가지는 안테나의 모습이다. 그림 16(a)는 비순환방식을 이용하여 인셋구조의 안테나를 에칭한 결과이며 인셋구조 안쪽으로 에칭이 진행되지 않은 것과 경계선 부분이 불규칙하게 에칭이 된 것을 볼 수 있다. 그림 16(b)는 공기노즐을 이용하여 에칭용액을 순환시켜 주었으며 그 결과 비순환 방식에 비해 인셋구조 내부까지 에칭이 진행된 것을 확인할 수 있다.
인셋구조의 안테나는 기존 안테나에 비해 안테나의 전체적인 길이를 줄일 수 있어 많 이 사용되는 구조이다. 에칭용액의 순환을 통해 문제를 해결하였으며 다양한 인셋구조 의 안테나도 에칭용액의 순환방식을 이용해 제작 가능할 것이라 생각된다.
3. 24 GHz 안테나 제작 및 특성 분석
기존의 안테나 제작 방법에는 리소그래피 공정 방식을 사용하여 제작하였다. 리소 그래피 공정을 이용하여 대량생산에 유리한 장점으로 많이 사용되었으나 공정 과정이 복잡하고 고주파수 대역의 안테나로 갈수록 안테나의 패턴이 작아져 24 GHz 의 안테 나를 설계, 제작하여 측정하였을 경우 주파수의 대역이 일정하게 나오지 않고 16 GHz
~ 27 GHz 로 다양하게 나와 불량률이 증가하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존에는 측정 결과를 보고 설계도면을 여러 가지로 만들어 제작하고 측정하면서 원하는 대역의 안테나가 나올 때 까지 반복하는 작업을 수행하였다. 하지만 이러한 방 법은 마스크를 다시 제작해야 된다는 단점이 있으며 많은 비용과 시간이 소요되었다.
이러한 문제점들을 개선하기 위하여 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 적용하였다.
그림 17. 기존 리소그래피 공정을 이용한 안테나 제작 과정 개념도
그림 17은 기존 리소그래피 공정을 이용하여 안테나를 제작하는 과정의 개념도이 다. 펨토초 레이저 테이프 가공방식을 적용하여 안테나를 가공하면 안테나의 설계도의 변경에 따라 실시간 반영이 가능하며 마스크와 PR 을 쓰지 않기 때문에 화학약품의 사용이 줄어 기존의 방법보다 친환경적이며 경제적이다. 또한 가공 공정이 단순화 되 어 대량생산에 용이하며 초기 설비비용이 기존 공정보다 낮을 것으로 기대 된다.
안테나는 Yb:KGW 펨토초 레이저 (모델명 : PHAROS)를 사용하여 제작하였다. 실 험에 사용된 펨토초 레이저는 1030 nm 의 중심파장을 가지고 250 fs 의 펄스폭과 1 kHz ~ 200 kHz 의 가변 가능한 반복률을 가진다. 안테나를 가공할 때 반복률을 100
0.26) 가지는 대물렌즈를 사용하였다. 또한 레이저의 펄스 에너지는 5 μJ 로 하였고, X, Y 스테이지의 이동 속도는 0.5 mm/s 속도로 제작하였다. 에칭 액에 10분 동안 담 가두어 테이프가 없는 부분만 구리가 반응하게 하여 제작하였다.
그림 18. 펨토초 레이저 스티커 가공 기술을 이용한 안테나 가공 개념도
그림 18는 펨토초 레이저 스티커 가공 기술을 이용하여 안테나를 제작하는 개념도 이다. 그림에서와 같이 기존 기술에 비해 마스크 제작과 PR 도포 및 PR 제거 공정이 생략되어 과정이 간편화 되었다. 기존 리소그래피 기술에서의 마스크와 PR 의 역할을 대체하기 위하여 테이프를 사용하였다. 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 안테나를 제작하면 기존 리소그래피 기술에서의 PR 도포 공정과 제거과정, 암실의 필 요성, UV노광, 마스크 제작 등의 공정과 설비가 필요 없으며, 안테나 제작에 사용하고 자 하는 기판에 테이프만 붙여서 바로 가공이 가능하다는 장점이 있다. 또한 안테나의 설계가 변경되거나 새로운 안테나를 제작해야 할 때 따로 마스크를 제작하지 않고 가 공 프로그램에 바로 적용하여 실시간으로 변경, 제작이 가능하다는 장점이 있다. 또한 네트워크 분석기를 통해 측정한 결과 동일한 측정값을 얻을 수 있었으며 이로 인해 기 존 리소그래피 공정 기술에 비해 재연성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
가공조건 최적화와 펨토초 레이저 테이프 가공기술의 안테나 제작 가능성을 확인하 기 위하여 23 GHz 안테나를 설계하여 제작하였다. 설계는 HFSS 프로그램을 이용하였
그림 19. 23 GHz 안테나 설계 및 수치
그림 19은 23 GHz 안테나의 설계를 보여준다. 안테나 제작에 사용한 기판은 ROGERS 사의 고주파수용기판 RO4003C 를 사용하였다. 기판의 유전율 은 3.55 이 며 두께 h 는 0.305 mm, 기판의 크기는 30 mm × 25 mm 이며 구리의 양은 0.5 oz (구리의 두께 : 약 17 μm)이다. 1 oz 는 단위면적당 g이며 1 oz 는 28.348523 g 이다.
그림 20. HFSS 프로그램을 이용한 23 GHz 안테나 설계
그림 21. 23 GHz 안테나의 시뮬레이션 결과
그림 21는 HFSS 프로그램을 이용하여 설계한 23 GHz 안테나의 시뮬레이션 결과 이며, 22.9 GHz, 반사손실이 -26 dB 로 나오는 것을 확인 할 수 있다. 설계 보정을 통 해 24 GHz 대역의 안테나를 설계하였다.
그림 22은 설계한 안테나의 입력 임피던스 급전 선로 길이변화에 다른 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 선로 길이의 변화에 따라 안테나의 중심 주파수와 반사손실인 dB의 변화가 생김을 알 수 있다.
급전 선로 길이 주파수 반사손실
1 mm 22.8 GHz -21 dB 1.5 mm 23.2 GHz -20 dB 2.1 mm 23.1 GHz -27 dB 2.75 mm 23 GHz -22 dB 3.3 mm 23.1 GHz -15 dB 3.9 mm 23.1 GHz -17 dB 4.5 mm 23.1 GHz -30 dB 5 mm 23.1 GHz -22.8 dB 5.6 mm 23 GHz -29.8 dB 6.25 mm 22.9 GHz -26 dB
표 5. 입력 입피던스 급전 선로길이에 따른 주파수와 반사손실
표 5에서 급전 선로의 길이가 길어질수록 안테나의 주파수의 변화는 거의 없었으 며, 반사손실의 값의 변화가 가장 큰 것을 볼 수 있다. 길이가 3.3 mm 일 때 –15 dB 로 가장 좋지 않았으며, 4.5 mm 일 때 –30 dB 로 가장 양호 하였으나 실제 제작은 6.25 mm 로 하였다. 그 이유는 이론값에 가장 근접한 길이여서 이다.
(a) (b) (c)
그림 23. 펨토초 레이저 테이프 가공기술을 적용한 안테나 제작결과, (a) 테이프 가공, (b) 안테나를 제외한 테이프 제거, (c) 에칭 공정 후
그림 23은 펨토초 레이저 테이프 가공기술을 적용하여 제작한 안테나의 단계를 저 배율 현미경을 이용하여 측정한 사진이다. 그림 23(a)에서 안테나의 패턴 외곽부분만을 따라 펨토초 레이저로 가공하였다. 그림 23(b)에서 안테나 패턴 부분을 제외한 나머지 부분의 테이프가 깔끔하게 떼어지는 것을 확인할 수 있었으며, 그림 23(c)에서 에칭 공 정 과정에서 테이프가 기존 리소그래피의 PR의 역할을 대신 하는 것을 확인할 수 있 다.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
그림 23는 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 실제 제작한 안테나의 측정 결과이다. 총 6개의 안테나를 제작하여 측정하였으며 주파수의 대역은 22.7 GHz 로 시 뮬레이션 값과 비슷하게 측정되었으며 반사손실 값은 평균 –19 dB 로 시뮬레이션 값 에 못 미치는 것을 확인 하였다. 또한 제작한 6개의 안테나가 모두 동일한 측정결과 값을 보여주어 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용한 안테나 제작에서의 재연성이 우수함을 확인 할 수 있었다. 그러나 주파수의 대역이 시뮬레이션 결과와 같이 한 개 만 존재하여야 하나 측정결과 20 GHz 주파수 대역과 반사손실 값 –7 dB ~ -9.8 dB 대역 값이 측정되었다. 안테나는 반사손실 –10 dB 이하에서 통상적으로 동작하며 사 용하고자 하는 주파수와의 반사손실 차이가 –10 dB 이상 차이가 있어 사용에는 무리 가 없다. 이는 실제 안테나 제품을 제작하였을 때 모듈이나 소프트웨어를 이용한 보정 으로 상쇄가 가능하다. 이러한 문제는 주변 주파수의 간섭, 안테나 제작 기판의 유전율 오차, 안테나 내부 공진에 의한 문제, 설계상의 문제 등 다양한 요인이 있다. 발생 요 인을 찾고 있으며, 향후 발생요인을 찾고 해결 방안을 모색할 예정이다. 위의 실험 결 과를 토대로 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 제작한 안테나는 오차값이 나오긴 하였으나 그 오차값 마저 동일하게 나오는 형상을 보여 재연성이 있는 것을 확 인할 수 있었다. 또한 위와 같은 안테나의 형태는 급전선로와 안테나 사이에 임피던스 변환부가 들어가 있어 안테나의 전체적인 길이가 증가하여 현제 소형화로 가는 추세에 맞지 않아 안테나의 전체적인 길이를 줄이고 인피던스 변환부를 사용하지 않은 인셋구 조를 가지는 24 GHz 안테나의 설계를 하여 측정 및 특성을 비교하였고 동일한 설계도 로 기존 리소그래피 기술을 이용하여 안테나를 제작하는 업체에 의뢰 및 제작하여 측 정을 통해 비교하였다.
펨토초 레이저 테이프 가공 기술로 기존 리소그래피 공정의 PR 과 마스크를 사용 하지 않고 테이프로 간편하게 안테나를 제작 할 수 있다는 가능성을 확인 하였으며 재연성도 우수함을 알 수 있었다. 실제 횡단보도나 자동차, 탐사기 등에 쓰이는 더블구 조 24 GHz 안테나를 설계 및 제작하여 특성을 비교 분석 하였다. 인셋구조의 형태를 가지며 안테나 두 개가 연결되어 있는 더블구조를 갖는다.
그림 25. 더블구조 24 GHz 안테나 설계 및 수치
그림 25는 인셋구조와 더블구조를 가지는 24 GHz 의 안테나 설계를 보여준다. 안 테나 제작에 사용한 기판은 ROGERS 사의 고주파수용 기판 RO4350B 를 사용하였다.
기판의 유전율 은 3.66 이며 두께 h 는 0.254 mm, 기판의 크기는 25 mm × 20 mm 이며 구리의 양은 1 oz (구리의 두께 : 약 36 μm)이다. 인셋구조의 안테나는 인피던스 변환부가 없어 안테나의 길이를 줄일 수 있으며, 다중구조의 연결이 간편하여 현재 가 장 많이 쓰이고 있는 안테나의 형태이다. 인셋구조의 안테나를 HFSS 프로그램을 이용 하여 설계 및 시뮬레이션을 진행하였다.
그림 27. 더블구조 24 GHz 안테나 시뮬레이션 결과
그림 27은 인셋구조를 가지는 24 GHz 안테나의 설계에 따른 시뮬레이션 결과이며, 주파수 24.1 GHz, 반사손실 –18.3 dB 로 나오는 것을 확인 할 수 있다.
그림 28은 설계한 안테나의 입력 임피던스 급전 선로 길이변화에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 선로 길이의 변화에 따라 안테나의 중심 주파수와 반사손실인 dB의 변화가 생김을 알 수 있다. 인셋구조 안테나의 경우 급전 선로 길에 큰 영향을 받는 것을 볼 수 있다.
급전 선로 길이 주파수 반사손실
0.29 mm 23.95 GHz -3.6 dB 0.39 mm 24 GHz -3.9 dB 0.52 mm 24.1 GHz -4.3 dB 0.58 mm 24.2 GHz -4.6 dB 0.65 mm 24.25 GHz -5 dB 0.78 mm 24.25 GHz -5.9 dB 0.87 mm 24.25 GHz -7.1 dB 0.91 mm 24.25 GHz -7.5 dB 1.04 mm 24.2 GHz -10 dB 1.17 mm 24.1 GHz -18.3 dB
표 6. 입력 입피던스 급전 선로길이에 따른 인셋구조 안테나 주파수와 반사손실
표 6은 인셋구조를 가지는 24 GHz 안테나의 입력 임피던스 급전 선로 길이에 따른 시뮬레이션 결과의 데이터 이며 급전 선로의 길이가 0.29 mm ~ 1.17 mm 가지 증가할 때 주파수의 변화는 크지 않음을 볼 수 있다. 반사손실은 급전 선로의 길이가 증가 할 수록 낮아졌으며 1.17 mm 일때가 –18.3 dB 로 가장 양호함을 알 수 있었다.