저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게
l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다:
l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.
l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.
저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.
Disclaimer
저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.
비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.
변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.
2018年 2月 碩士學位論文
극초단 레이저를 이용한 광대역 안테나 초정밀 가공 및 특성 연구
朝 鮮 大 學 校 大 學 院
光 技 術 工 學 科
丁 盈 準
극초단 레이저를 이용한 광대역 안테나 초정밀 가공 및 특성 연구
Study on micromachining and characterization of wide band antenna using an ultrashort laser
2018年 2月 23 日
朝 鮮 大 學 校 大 學 院
光 技 術 工 學 科
극초단 레이저를 이용한 광대역 안테나 초정밀 가공 및 특성 연구
指導敎授 金 珍 泰
이 論文을 工學碩士學位申請 論文으로 提出함
2017年 10月
朝 鮮 大 學 校 大 學 院
光 技 術 工 學 科
丁 盈 準
丁盈準의 碩士學位論文을 認准함
심사위원장 조선대학교 교수 주 기 남 인
심 사 위 원 고등광기술연구소 박사 손 익 부 인 심 사 위 원 조선대학교 교수 김 진 태 인
2017年 11月
목 차
ABSTRACT
제 1장 서 론 ··· 1
제
1절 연구 배경 ··· 1
제 2절 연구 목적 ··· 3
제 2장 이 론 ··· 7
제
1절 극초단 레이저 가공 기술 ··· 7
1. 극초단 펄스 레이저
··· 7
제
2절 안테나 제작 ··· 9
1. 마이크로스트립 안테나
··· 9
제 3장 실험장치 및 방법 ··· 14
제
1절 실험 장치 ··· 14
1. 펨토초 레이저 가공 시스템
··· 14
2. 에칭 공정 시스템
··· 17
3. 안테나 측정 시스템
··· 19
제 4장 실험 결과 ··· 22
제
1절 펨토초 레이저 테이프 가공 방법을 이용한
24 GHz 안테나 제작 및 특성 연구··· 22
1. 테이프에 따른 안테나 제작 특성
··· 22
2. 에칭공정 방법에 따른 제작 특성
··· 25
3. 24 GHz 안테나 제작 및 특성 분석
··· 27
제 5장 결 론 ··· 41
[참고 문헌] ··· 42
[감사의 글] ··· 45
그 림 목 차
그림 1. 리소그래피 공정 ··· 5
그림 2. 펨토초 레이저 테이프 공정··· 5
그림 3. 나노초와 극초단 레이저 펄스 가공 특성 비교 모식도··· 8
그림 4. 마이크로스트립 안테나 개념도··· 9
그림 5. 인셋구조의 마이크로스트립 안테나 개념도 ··· 12
그림 6. 안테나 측정 시 S-인자들··· 13
그림 7. 실험에 사용한 펨토초 레이저 모식도··· 15
그림 8. 펨토초 레이저 가공 시스템의 모습··· 16
그림 9. 에칭공정 시스템 ··· 17
그림 10. 안테나 에칭과정 개념도··· 17
그림 11. 실험에 사용한 네트워크 분석기 모식도··· 19
그림 12. 네트워크 분석기에 연결하여 사용한 장비 ··· 19
그림 13. 3M 사의 테이프를 이용한 가공 결과··· 23
그림 14. M팩킹 사의 특수 테이프를 이용한 가공 결과··· 23
그림 15. 안테나 에칭 공정의 비교··· 25
그림 16. 인셋구조를 가지는 안테나의 에칭공정 비교··· 26
그림 17. 기존 리소그래피 공정을 이용한 안테나 제작 과정 개념도··· 27
그림 18. 펨토초 레이저 스티커 가공 기술을 이용한 안테나 가공 개념도 ··· 28
그림 19. 23 GHz 안테나 설계 및 수치··· 29
그림 21. 23 GHz 안테나의 시뮬레이션 결과··· 30
그림 22. 23 GHz 안테나의 입력 임피던스 급전 선로 길이에 따른 시뮬레이션 결 과··· 30
그림 23. 펨토초 레이저 테이프 가공기술을 적용한 안테나 제작결과··· 32
그림 24. 실제 제작한 23 GHz 안테나 측정 결과··· 33
그림 25. 더블구조 24 GHz 안테나 설계 및 수치··· 35
그림 26. HFSS 프로그램을 이용한 더블구조 24 GHz 안테나 설계··· 35
그림 27. 더블구조 24 GHz 안테나 시뮬레이션 결과··· 36
그림 28. 더블구조 24 GHz 안테나의 급전 선로 길이에 따른 시뮬레이션 결과 36 그림 29. 더블구조 24 GHz 안테나 제작 결과··· 38
그림 30. 기존 리소그래피 기술로 업체에서 제작한 더블구조 안테나··· 38
그림 31. 더블구조 24 GHz 안테나 측정 결과··· 39
그림 32. 업체에서 제작한 더블구조 24 GHz 안테나 측정 결과··· 40
표 목 차
표 1. 리소그래피 공정과 펨토초 레이저 테이프 공정의 비교··· 4
표 2. 실험에 사용된 펨토초 레이저 사양··· 14
표 3. 실험에 사용한 펨토초 레이저 가공 시스템 스테이지 사양··· 15
표 4. 실험에 사용한 네트워크 분석기 사양··· 21
표 5. 입력 임피던스 급전 선로길이에 따른 주파수와 반사손실··· 30
표 6. 입력 임피던스 급전 선로길에 따른 인셋구조 안테나 주파수와 반사손실 36
ABSTRACT
Study on micromachining and characterization of wide band antenna using an ultrashort laser
Young-Jun Jeong
Advisor : Prof. Jin-Tae Kim, Ph.D.
Department of Photonic Engineering, Graduate School of Chosun University
Studies on compact, light antenna with high performance have been recently investigated due to rapid developments of wireless communication technology. A microstrip antenna with bandwidth of several GHz has provided secure ultra high-speed wireless transmission rate at low cost and low power. Various patterns of a microchip antenna have been designed and fabricated to increase the efficiency of the transmissions through an existing lithography process. However, it is difficult to fabricate complicated antenna patterns using the method and troublesome to manufacture various masks with respect to various antenna patterns. In order to solve these problems, various different process methods other than the lithography process have been researched and developed to reduce the process steps.
In this work, we fabricate a microstrip antenna using a femtosecond laser together with a tape processing technique. We use a tape and paste as a substitute instead of PR and mask used in existing lithography process. It is confirmed that the tape process method can simplify manufacturing processes compared to the lithography method. We design an antenna through the antenna design program and confirm that a microchip antenna can be manufactured using a femtosecond laser tape processing technology. The fabrication characteristics of the antenna fabricated between the lithography and the tape process
제 1장 서 론
제 1절 연구 배경
1842년 조지프 헨리가 최초 안테나의 방사 실험을 시작하였으며, 독일의 물리학 자 헤르츠가 1888년 멕스웰의 전자기파 존재를 입증하기 위해 안테나의 실험을 최 초로 수행하였다. 이 후 선형 안테나, 다이폴 안테나, 루프 안테나, 마이크로스트립 안테나, 개구면 안테나 등 다양한 형태의 안테나들이 개발되어 왔다. 최근 들어 무 선 통신 기술의 급격한 발전으로 고성능, 소형화, 경량화 등의 특성을 지닌 안테나 가 필요해짐에 따라 관련 연구 분야에 대한 관심이 높아지고 있다.(1) 광대역 고주파 수 대역의 안테나는 기저대역에서 수 GHz 대의 넓은 주파수를 사용가능하고 무선 으로 초고속 전송 속도를 확보할 수 있으며, 저렴한 가격과 저 전력에서 동작하는 장점이 있어 많은 기술 연구 개발이 이루어지고 있다. 또한 기존 리소그래피 공정 의 복잡한 과정을 줄이고 간편하게 다량의 안테나를 제작하기 위한 기술 연구 개발 이 활발하게 진행되고 있다.(2-5)
레이저 가공 기술은 가공도구가 물체에 접촉하여 가공하는 기존 가공방식과는 다르게 렌즈를 이용 레이저 빔을 물체표면에 집속시켜 가공하는 비접촉 기술이다.
기존 가공방식과 다르게 물체에 외력을 가하지 않으며, 수백 마이크로미터 ~ 수 나 노까지로 정밀하게 가공할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 디스플레이, 의료, 광통신, 자동차 부품 등 다양한 산업분야에서 레이저가 사용되고 있다. 일반 산업에서 많이 사용되고 있는 나노초 레이저나 CO2 레이저와는 다르게 펄스폭이 짧아 첨두 출력이 높은 피코초, 펨토초 레이저와 같은 극초단 레이저의 개발로 다 양한 분야에서의 레이저 가공기술 연구 개발이 진행되고 있다.(6-7)
본 연구에서는 여러 다양한 안테나 중 마이크로스트립 형태의 24 GHz 안테나를 펨토초 레이저로 제작하여 특성 연구를 진행하였다. 기존의 마이크로스트립 안테나 제작에는 리소그래피 공정방식을 대표적으로 사용하며, 동일한 안테나를 대량 생산 이 가능한 장점이 있기 때문이다. 하지만 기존의 리소그래피 제작 방식은 PR 코팅
계 및 실제 제작 특성 비교를 위해서는 소량 제작을 하게 된다. 하지만 소량 제작 은 업체에 의뢰를 할 경우 마스크의 제작과 공정의 복잡함으로 인해 높은 비용이 발생하게 된다. 또한 업체가 아닌 소량 제작 장비를 이용하여 제작 할 수 있으나 시간이 5 ~ 8 시간 정도로 오래 걸리며 마스크의 제작 단계에서 기계식 공정으로 인해 분진이 발생하며 화학약품의 처리 등의 문제가 있다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 본 논문에서는 마스크와 PR을 사용하는 대신 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 적용하여 안테나를 제작하였다. 테이프 가공 공정은 안테나를 레이저로 제 작할때의 단점인 초고속 대면적 가공속도가 느려 대량생산에 불리한 점을 보완하기 위하여 적용하였다. 마이크로스트립 안테나 제작 기초가 되는 구리가 코팅된 기판 에 테이프를 부착 후 펨토초 레이저 가공 기술을 이용하여 안테나 패턴 형상으로 테이프를 가공하여 가공된 안테나 패턴을 제외한 부분의 테이프를 제거 후 에칭 공 정을 거쳐 제작하는 방식을 이용하여 PR 코팅과 마스크 제작 공정을 줄였다. 이러 한 레이저 테이프 공정 방식으로 제작된 마이크로스트립 안테나의 측정을 통해 특 성을 분석하였으며, 가공 재연성을 확인하였다.
제 2 절 연구 목적
본 연구는 펨토초 레이저로 가공된 24 GHz 마이크로스트립 안테나 특성 평가에 연구 목적을 두고 있다. 기존의 마이크로스트립 안테나는 리소그래피 공정의 방법 을 사용하여 많이 제작되고 있다. 구리가 코팅되어 있는 기판에 PR을 코팅하고 PR 의 경화를 위해 고온으로 굽는 과정이 필요하며 안테나 패턴이 제작된 마스크에 자 외선 노광을 하여 감응시킨 다음 화학약품을 사용하여 제작하는 방식을 이용하고 있다. 이러한 방식은 대량 생산에 유리하다. 하지만 안테나의 설계가 변경될 때마다 마스크를 다시 제작하여야 하며 화학약품의 폐액처리와 재연성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 연구목적의 소량 제작이 필요할 경우 비용이 많이 발생한다는 단점이 있다. 반도체 리소그래피 공정과는 다르게 안테나제작에 사용하는 리소그래피 공정 은 nm 단위의 정밀도가 요구되지 않으며, 안정적인 최소 미세 선폭은 100 μm 까지 이다. 이는 안테나의 단가를 낮추려는 목적이 있으며 고도의 기술이 필요 없이 손 쉽게 안테나를 제작하기 위함이다.
마이크로스트립 안테나는 소형, 경량의 특성이 있으며, 대량생산이 용이하며 어 레이 안테나 구현이 쉽다. 이러한 특성으로 인해 여러 가지의 패턴조합과 배열을 통해 다양한 특성을 나타내게 할 수 있는 안테나의 한 종류이다. 기존에는 리소그 래피 공정을 이용하여 다양하게 제작되고 있다. 자율주행 차량, 횡단보도, 지질탐사 측정, 무선통신 등 다양한 분야에서 응용 및 사용되고 있다.(8-11)
기존의 마이크로스트립 안테나 제작 방식인 리소그래피 공정의 단순화와 높은 재연성을 얻기 위해 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 적용하였다. 펨토초 레이저 테이프 가공 공정 순서로는 안테나 기판위에 테이프를 부착 후 안테나 패턴 모양으 로 테이프를 가공하였다. 그 후, 가공이 되지 않은 부분의 테이프를 제거 및 에칭 공정만을 이용하여 안테나를 제작하였다. 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 통해 기존 리소그래피 공정에서 필요한 PR 코팅 및 마스크제작 공정과 PR Develop, Strip 공정을 생략할 수 있었으며, 안테나 설계도 수정 및 변경에 따라 실시간으로 적용하여 손쉽게 다양한 안테나의 가공이 가능하였다. 또한 안테나 측정을 통해 기 존 리소그래피 공정 방식보다 제작 재연성이 높은 것을 확인하였다.
리소그래피 공정 펨토초 레이저 테이프 공정
1 안테나 설계 안테나 설계
2 마스크 제작 테이프 부착
3 PR 코팅 레이저 가공
4 자외선 노광 테이프 제거
5 PR 현상 Etching
6 Etching 완료
7 PR 스트립
8 완료
표 1. 리소그래피 공정과 펨토초 레이저 테이프 공정의 비교
표 1은 기존 리소그래피 공정 기술과 펨토초 레이저 테이프 가공 공정의 순서를 비 교한 도식표이다. 표에서 확인할 수 있듯이 기존 리소그래피 공정은 안테나를 설계 하고 그 설계도면대로 마스크를 제작한다. 그 후 PR을 제작하고자 하는 안테나의 기판위에 코팅작업을 하게 된다. 코팅작업은 스핀코터 방식, 필름형 PR 코팅방식 등이 사용되며 스핀코터 방식의 경우 경화를 위해 고온에서 굽는 방식이 필요하다.
안테나 형상으로 제작한 마스크를 사용하여 암실에서 UV 노광을 통해 PR을 반응 시킨 후 반응된 부분을 제거하기 위해 PR 현상 공정을 사용한다. 세척과정을 거친 후 에칭공정을 하게 되며 에칭공정 완료 후 잔류 에칭액을 없애기 위해 세척과정을 거치게 되며 그 후 남아있는 PR을 제거하기 위해 PR 스트립 공정을 거쳐 제작하 게 된다. 이와 같이 기존 리소그래피 공정은 많은 과정을 거치게 된다.
펨토초 레이저 테이프 가공 기술은 안테나를 설계하고 안테나 제작 기판위에 테 이프를 붙이는 공정을 거쳐 설계도대로 레이저 가공 공정을 진행한다. 그 후 안테 나 패턴 모양부분을 제외한 나머지 부분의 테이프를 제거하고 에칭공정을 하게 되 며 세척을 거친 후 남아있는 부분의 테이프를 제거하면 모든 공정이 끝나게 된다.
기존 리소그래피 공정에 비해 약품사용이 적으며 공정이 간단한 것을 알 수 있다.
그림 1. 리소그래피 공정
그림 2. 펨토초 레이저 테이프 공정
그림 1은 기존 리소그래피 공정 과정을 보여주고 있으며, 그림 2는 펨토초 레이 저 테이프 공정 과정을 보여주고 있다. 그림 1과 그림 2에서 볼 수 있듯이 펨토초 레이저 테이프 가공 기술이 기존 리소그래피 기술에 비해 공정 과정이 간단한 것을 확인할 수 있다. 펨토초 레이저 테이프 가공 공정이 기존 리소그래피 공정에 비해 마스크 제작이 필요 없으며, PR 코팅, PR 제거, 자외선 노광 및 암실의 필요성 등 이 없이 안테나를 제작하고자 하는 기판에 테이프를 붙여 펨토초 레이저를 이용 안 테나의 패턴모양으로 가공 후 테이프를 제거하고 에칭 공정을 거쳐 제작 할 수 있 어 공정 과정이 기존 리소그래피 과정에 비해 간편하다.
HFSS (High Frequency Structure Simulator) 프로그램을 이용하여 안테나 시뮬 레이션을 진행하여 제작결과와 비교하였다. HFSS 프로그램은 안테나의 S-인자 추 출을 위한 프로그램이며 전송 결로 손실, 임피던스 부정합에 따른 반사 손실, 신호 품질등을 평가 할 수 있으나 시뮬레이션의 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 이는 안테나를 제작하는 과정에서 생기는 사이드 에칭에 대한 변수를 고려하지 않으며 안테나를 제작하는 기판 유전율의 불균일성, 금속두께의 불균일성, 안테나가 동작할 때 발생하는 온도, 각 회사가 보유한 신호처리방법 등등 무수히 많은 변수가 적용 되어 있지 않아서 이다. 본 실험에서는 안테나의 S-인자와 주파수의 대역을 확인하 고자 시뮬레이션을 진행하였다.
제 2장 이 론
제 1절 극초단 레이저 가공 기술 1. 극초단 펄스 레이저
레이저는 단색성과 지향성 및 가간섭성이 우수하여 분광학 및 정보전달, 간섭계 등 의 광원으로 이용되어지고 있으며, 높은 에너지를 갖는 특성이 있어 재료의 가공 및 의료용 장비 등 여러 분야에 응용 및 사용되고 있다. 레이저 펄스를 생성하는 방법으 로는 일반적으로 Q-스위칭 방법과 모드잠금 (Mode-locking) 방법에 의해서 레이저 펄 스를 생성하고 있다. Q-스위칭 방법으로는 나노초 펄스를 생성하며 극초단 펄스의 생 성이 어려운 부분이 있다. 레이저 발진 시 매질에서 생성되는 종모드 사이의 위상을 일정하게 유지시켜 높은 세기를 방생시키는 모드 잠금 방법을 이용함에 따라 피코초 및 펨토초 영역의 극초단 펄스를 생성한다. 이러한 방식으로 생성된 극초단 레이저는 다양한 비선형 현상으로 인해 높은 첨두 출력을 내기 어려웠다. 이러한 문제를 해결하 기 위해 처프 펄스 증폭 (Chirped pulse amplification) 방법이 개발 되었으며, 이로 인 해 높은 첨두 출력을 가지는 펄스 생성이 가능해 졌다. 높은 첨두 출력에서 발생하는 비선형 다광자흡수 현상에 의해 가공 재료의 광 흡수 파장이 레이저의 파장대역과 일 치하지 않아도 가공이 가능한 장점이 있으며, 기존의 나노초, CO2 레이저에 비해 열 영향 영역 등을 최소화 할 수 있어 기존 가공이 불가능 했던 다양한 재질도 가공이 가 능하게 되었다.(15-16)
그림 3은 나노초와 극초단 레이저의 펄스 차이에 의한 재료 가공시 발생하는 특성 을 비교한 것이다. 나노초 레이저를 이용하여 물질을 가공하였을 때 극초단 레이저보 다 넓은 펄스폭과 긴 펄스 시간으로 인해 충격파에 의한 물질의 변형이 발생하게 되 며, 열 영향 영역이 커 가공부위가 깔끔하지 않다.
극초단 레이저를 이용한 가공은 좁은 펄스폭과 짧은 펄스 시간으로 인해 물질의 변 형이 극미하고 열 영향 영역이 없어 깔끔하고 정밀한 가공이 가능하다.
(a) (b)
그림 3. 나노초와 펨토초 레이저 펄스 가공 특성 비교 모식도, (a) 나노초 레이저 펄스, (b) 펨토초 레이저 펄스
극초단 레이저 가공 기술은 기존 레이저 가공 기술에 비해 가공 재료의 다양성 및 미세 가공이 가능하여 디스플레이, 의료장비, LDE, 반도체 등 많은 분야에 적 용 및 응용되어 사용되고 있다.
제 2절 안테나 제작
1. 마이크로스트립 안테나
무선통신에서 신호가 전달되어가는 경로는 유선의 선을 따라 전달되는 것이 아닌 자유공간이다. 안테나는 자유공간에 신호를 전송 및 수신하는 역할을 한다. 또한 전압, 전류로 표현되는 전기적 신호와 자기장, 전기장으로 표현되는 전자기파를 서로 변환하 는 역할을 한다. 마이크로스트립 안테나는 유전체 기판위에 안테나의 형태의 패치가 놓여 있으며 반대편은 접지면의 역할을 하는 평면형의 금속으로 되어있는 구조를 가지 고 있다. 대역폭이 작은 단점이 있으나 소형이며 가볍고 낮은 전력에서 동작이 가능하 며 여러 가지의 이중 공진 특성이 구현가능하다. 또한 선형 평면 배열로 구성 및 제작 하기 간편하다는 장점이 있다. 또한 사각형의 구조 및 효율이 높은 특성이 있어 널리 사용된다(17).
그림 4. 마이크로스트립 안테나 개념도
그림 4는 마이크로스트립 안테나의 가장 기본적인 형태를 보여주고 있다. 패치안테 나의 전체적인 크기, 면적 등은 파장과 반비례의 관계를 가지는 특성을 지니고 있다.
즉 고주파수의 안테나일수록 파장이 짧아져 안테나의 크기는 작아진다.
마이크로스트립 안테나의 폭 W는 설계하고자 하는 안테나의 주파수와 유전체의
(2-1-1)
패치 길이 L은 (2-1-2)식으로 결정되며
∆ (2-1-2)
여기에서 c는 광속, 는 유효 유전율, 는 설계하고자 하는 안테나의 주파수,
∆은 패치에 대한 선로 확장 길이, 는 유전체의 두께, 은 유전체의 유전율을 나타 낸다. 유효 유전율 는 (2-1-3)식으로 결정되며 패치 선로 확장 길이 ∆는 (2-1-4) 식으로 결정된다.
(2-1-3)
∆
(2-1-4)
의 길이에 해당하는 부분을 임피던스 변환기라고 하며 이 부분의 임피던스 값을
라고 정의 하면 (2-1-5) 식으로 구할 수 있다.
(2-1-5)
은 입력임피던스이며 통상 50 Ω을 기준으로 설계한다. 은 안테나의 임피던스
는 설계하고자 하는 안테나의 주파수의 파장이며, (2-1-7) 식으로 정의된다.
(2-1-7)
w1의 폭은 입력 입피던스의 값 50 Ω을 적용하여 대신 50 Ω을 대입하여 (2-1-8) 식으로 구할 수 있다.
ln
≥
ln
≤ (2-1-8)
w2의 폭은 (2-1-9) 식 으로 구할 수 있으며 의 값은 위 (2-1-5) 식으로 구한 값 을 이용한다. w2는 입력임피던스를 안테나에 손실과 부하를 주지 않기 위해 입력임피 던스를 변환시켜주는 임피던스 변환부이다.(18-19)
ln
≥
ln
≤ (2-1-9)
위 식들을 이용하여 HFSS 프로그램을 통하여 24 GHz 의 주파수를 가지는 마이크 로스트립 안테나의 설계 및 시뮬레이션을 진행 하였다. 다른 두 연결에서의 임피던스 차이에 의한 반사를 줄이기 위해 임피던스 변환을 해주어야 한다. 이는 안테나에서 전체적인 길이를 길게 만들게 되며 이는 기판의 낭비를 가져오게 되어 대량생산으로 갈수록 경제적 손실이 된다. 이를 보완하기 위하여 인셋구조를 가지는 안테나를 많이 사용한다.(20-21)
그림 5. 인셋구조의 마이크로스트립 안테나 개념도
그림 5는 인셋구조를 가지는 마이크로스트립 안테나의 형태를 보여주고 있다. 위의 마이크로스트립 안테나와 동일한 특성을 지니고 있으나 급전선로가 인셋의 구조로 되 었어 안테나의 전체적인 길이는 짧아지게 된다. 이러한 구조변경으로 인해 안테나의 전체적인 길이가 줄어들게 되며 임피던스 변환부가 없어 손실이 적다.
인셋구조 마이크로스트립 안테나의 폭인 W와 길이 L, 급전선로의 폭 w1은 (2-1-1)
~ (2-1-8) 식으로 동일하게 구할수 있다. 인셋구조의 폭 w2은 설계하고자 하는 안테나 주파수 파장의 절반 값을 가지며 (2-1-10) 식으로 정의된다.
(2-1-10)
Y0는 인셋의 길이를 나타내며 (2-1-11) 식으로 정의된다.
력 임피던스를 나타낸다. 안테나의 임피던스는 보통 200 Ω으로 계산하며 (2-1-11) 식 에서의 L은 안테나 패치의 길이 L이다.(22-25)
안테나의 측정은 네트위크 분석기(Network analyzer)을 이용하여 하였으며, 기존 방식으로 제작된 24 GHz 마이크로스트립 안테나와 펨토초 레이저 테이프 방식으로 제 작된 24 GHz 마이크로스트립 안테나의 특성을 비교 분석하였다.
그림 6. 안테나 측정 시 S-인자들
그림 6는 안테나 측정 시 나오는 S-인자들 형태를 보여준다. 여기에서 S11 이 나 타내는 것은 1번 포트에서 입력된 전압이 1번 포트로 얼마만큼 전달되는가를 뜻한다.
만약 S21 라면 1번 포트에서 입력된 전압이 2번 포트로 얼마만큼 전달되었는지를 나 타내는 것이다. 본 실험에서의 안테나는 기본적으로 입력포트가 한 개이므로 입력 반 사계수인 S11 값만을 본다. 안테나가 동작하는 주파수에서 S11 값이 낮아지며, 설계한 주파수 대역에서 S11 값이 더 깊게 내려갈수록 안테나의 복사효율과 매칭이 잘 나온 다는 의미이다. 또한 공진 그래프의 폭은 안테나의 대역폭을 의미한다. dB스케일에서 의 0 dB는 입력된 기준전력을 의미하며 출력된 전력은 0보다 낮은 값을 가지는 것이 정상이다. 주파수를 가지는 신호의 특성은 전압이나 전류등과 같은 측정값에 비례하는 것이 아니며, 그 dB스케일에 정량적으로 비례하는 특성을 가지고 있다.
제 3장 실험장치 및 방법
제 1절 실험장치
1. 펨토초 레이저 가공 시스템
본 연구에서는 광주과학기술원 고등광기술연구소 에서 보유하고 있는 펨토초 레이 저 시스템을 사용하였다. LightCoversion 사의 Pharos (모델명) 펨토초 레이저를 사용 하였으며 1 kHz ~ 200 kHz 의 가변 반복률, 250 fs 의 펄스폭, 1030 nm 의 중심파장, 6 W 의 출력을 가지는 레이저 이다. 본 연구에서는 안테나 기판위에 테이프만을 가공 하기 위하여 사용하였으며, 그 이유는 반복률이 높아 고속가공이 용이해 향후 안테나 의 대량 생산에 적용 가능성이 있기 때문이다.
제 품 명 Pharos (LightCoversion)
파 장 1030 nm
평 균 출 력 6 W
반 복 률 1 kHz ~ 200 kHz 펄 스 폭 250 fs
펄 스 에 너 지 60 μJ
빔 경 6 mm
빔 질 M2 < 1.2 퍼 짐 각 < 1.2 mrad
표 2. 실험에 사용된 펨토초 레이저 사양
표 2는 실험에 사용한 펨토초 레이저 사양을 보여주고 있다. Yb:KGW 다이오드 펌 핑 펨토초 레이저이며, 방출된 레이저 빔은 선편광 및 가우시안 형태를 가진다.
도를 가진다. 각 축의 스테이지는 독립적으로 구동된다.
X-Y 스테이지 Z 스테이지 스 테 이 지 선형 모터 스테이지 Ballscrew 스테이지 이 동 거 리 300 (mm) × 300 (mm) 100 (mm)
분 해 능 20 nm / count 0.5 μm / count 최 대 속 도 300 (mm/s) 20 (mm/s)
표 3. 실험에 사용한 펨토초 레이저 가공 시스템 스테이지 사양
그림 7. 실험에 사용한 펨토초 레이저 모식도
하였다. 이는 이색거울로 조정 할 수 있으며, 레이저의 빔 제어를 위해 On/Off 셔터를 이용하였다. 샘플의 위치와 이동은 X, Y 스테이지를 이용하여 진행하였으며, Z 축은 동일 위치에 고정된 CCD 카메라를 이용하여 가공물체의 표면에 레이저 빔의 초점을 맺는데 사용하였다.
그림 8. 펨토초 레이저 가공 시스템의 모습
그림 8은 본 연구에 사용한 실제 펨토초 레이저 가공 시스템의 모습이다. 가공에 사용한 펨토초 레이저 초점의 크기는 (3-1-1) 식으로 계산 할 수 있다. D 는 입사빔의 크기, 는 레이저의 중심파장, 는 빔 품질이다.
(3-1-1)
2. 에칭 공정 시스템
펨토초 레이저 테이프 가공 방법을 사용하여 제작된 안테나의 완성을 위해 에칭 공 정 시스템을 직접 꾸며 사용하였다. 실험에 사용된 에칭 약품은 SME교역 사의 가루 형태의 제품을 사용하였다. 30 ~ 40°C 의 적정에칭 온도를 가지고 10분의 에칭시간, 사이드 에칭이 극히 미비 하다는 특성을 가지고 있다.
그림 9. 에칭공정 시스템
그림 9은 직접 꾸민 에칭공정 시스템을 나타내며 그림10은 에칭공정 시스템의 개념 도를 나타내고 있다. 에칭용액에 안테나가 담겨있는 모습이다. 내열성과 내산성에 강한 용기를 사용하였고 용기 내부에 1L의 50°C 의물을 넣고 에칭에 사용하는 에칭가루를 완전히 용해시켰다. 용기 아래에 에칭과정에서 용액의 온도를 유지하거나 높이기 위해 가열기를 사용하였다. 에칭과정에서 에칭용액의 온도가 떨어지면 에칭시간이 길어지고, 에칭용액의 온도가 높을수록 에칭의 시간은 줄어든다. 하지만 적정온도(30 ~ 40°C)를 벗어날 경우 사이드 에칭이 발생하였다. 또한 공기노즐을 사용하여 에칭용액을 순환시 켰다. 그 이유는 에칭 용액을 순환시키지 않으면 에칭의 시간이 늘어나며 이는 사이드 에칭의 발생을 유발하며 인셋구조를 가지는 안테나에서 인셋부분 에서의 에칭이 되지 않는 문제가 발생하였다. 공기노즐을 사용하여 에칭용액을 순환시키는 방식을 사용하 여 안테나를 제작하였을 경우 비순환방식보다 에칭시간이 줄어들어 사이드 에칭이 발 생하지 않았으며, 인셋구조에서도 비교적 깔끔한 안테나의 형상을 얻을 수 있었다.
3. 안테나 측정 시스템
본 연구에서는 대구경북과학기술원에서 보유하고 있는 네트워크 분석기 (Network analyzer)를 이용하여 안테나의 측정을 하였다. Agilent Technologies 사의 N5247A (모델명)을 사용하였다.
그림 11. 실험에 사용한 네트워크 분석기 모식도
(a) (b) (c)
그림 12. 네트워크 분석기에 연결하여 사용한 장비 (a) 전자교정모듈, (b) 범용테스트 비품 (c) 안테나를 장착한 범용테스트 비품
그림 11은 실험에 사용한 측정방법을 모식도로 표현한 것이다. 측정 순서로는 전자 교정모듈과 네트워크 분석기를 케이블로 연결하여 네트워크 분석기의 기준점을 잡아준 다. 기준점을 잡은 후 전자교정모듈을 분리하고 주파수의 측정범위를 설정한 후 안테 나를 장착한 범용테스트 비품 (Anritsu 36801K Universal Test Fixture Right Angle Launcher)을 네트워크 분석기와 케이블로 연결하면 S-Parameters 형태의 측정값이 나오게 된다. 이후 다른 안테나를 측정할 때에는 범용테스트 비품에 안테나만 교체 해 주면 된다.
그림 12는 네트워크 분석기에 연결하여 측정 시 사용한 장비를 보여주고 있다. 그 림 12(a)는 전자교정모듈 이며 KETSIGHT 사의 N4694A (모델명)을 사용하였으며 최 대 67 GHz 까지 교정이 가능하다. 통상적으로 Ecal (Electronic Calibration Module) 이라고 하며 Ecal 은 설정 주파수 범위에 있는 시스템상의 알려진 디바이스를 측정하 여 시스템적으로 발생할 수 있는 오류를 탐지하고 그러한 오류들을 교정해 주는 장치 이다. 네트워크 분석기를 사용하여 안테나를 측정하기 측정 범위를 지정하고 Ecal 을 연결하여 측정범위 내의 오류를 교정하며 교정이 완료되면 기준값은 0 으로 교정된다.
그림 12 (b)는 범용테스트 비품 이며 통상 UTF 라고 한다. UTF 는 제작한 안테나를 측정가능하게 고정시켜주는 역할과 네트워크 분석기에서 보낸 신호를 안테나와 연결해 주는 연결부 역할을 하는 장치이다. 측정가능한 주파수는 40 GHz 이며, 반사손실은 20 GHz 의 범위까지는 16 dB 이며, 20 GHz ~ 40 GHz 범위에서는 12 dB 의 특성을 가 지고 있다. 반사손실은 UTF에서 안테나를 접속시켜주는 접속부나 네트워크 분석기와 의 케이블 연결부에서 발생 할 수 있다. 그림 12(c)는 UTF 에 안테나를 장착한 모습 이다. 같은 대역대의 주파수를 가지는 다른 안테나를 측정 할 때 처음부터 기준점을 잡고 케이블을 연결할 필요가 없이 UTF 에 안테나만 교체장착 하면서 측정하면 된다.
제 품 명 N5247A (Aglient Technologies) 측정 주파수 10 Hz ~ 67 GHz
동 적 범 위 129 dB 출 력 전 력 13 dBm 고 조 파 -60 dBc 노이즈 플로어 -118 dBm
어플리케이션 s-파라미터, 노이즈 피겨, 이득 포화, Pulsed RF 컴 포 넌 트 안테나, 믹서/주파수 컨버터, 앰프
표 4. 실험에 사용한 네트워크 분석기 사양
표 4는 실험에 사용한 네트워크 분석기 사양을 보여주고 있다. 측정 가능한 주파수 대역은 10 Hz ~ 67 GHz, 동적범위 129 dB, 출력전력 13 dB 을 가지고 있다. 본 연구 에서는 주파수의 측정범위를 15 GHz ~ 25 GHz 로 설정하여 측정하였으며 그 이유는 23 GHz 의 안테나를 설계 제작 하였으나 실제 측정결과 22 GHz 대역이 나와 측정범 위를 줄여서 측정하였다. 설계대로 원하는 대역의 주파수를 얻지 못하는 이유는 주변 의 주파수의 간섭이나 에칭에서의 문제, 설계상의 오류 등 다양한 원인이 있을 수 있 다. 본 연구에서는 정확한 원인을 분석 중에 있으며 향후 추가 할 예정이다.
제 4장 실험결과
제 1절 펨토초 레이저 테이프 가공 방법을 이용한 24 GHz 안테나 제작 및 특성 연구
1. 테이프에 따른 안테나 제작 특성
기존 리소그래피공정에서의 PR 과 마스크의 역할을 대체하기 위하여 테이프를 붙 여서 가공하는 방법을 적용하였다. 본 실험에서 사용한 테이프는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 3M 사의 유리테이프와 M팩킹 사의 특수 테이프를 사용하였다.
일반 시중에서의 3M 사의 유리테이프는 두께 50 μm 의 특성을 가지고 있으며 M 팩킹 사의 특수테이프는 두께 40 μm, 접착 후 떼어 냈을 때 접착본드가 접착물에 남 아있지 않는 특성이 있다.
시중에서 판매하는 일반 유리테이프로 안테나를 제작하였을 때 테이프가 PR 의 기 능을 수행하는 것을 확인할 수 있었으나 10분간의 에칭 공정에서 테이프의 접착력의 한계로 인하여 사이드 에칭이 생기는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 레이저 가공 후 테이프를 떼어낼 때 낮은 내구성으로 인해 자주 찢어지는 현상이 발생하였으며 특히 인셋구조를 가지는 안테나에서 인셋의 폭이 좁아 테이프가 찢어져 떼어지지 않는 문제 가 있었다.
그림 13은 3M 사의 일반 테이프를 사용하여 제작한 안테나의 결과를 저배율 현미 경으로 측정한 결과이다. 그림 13(a)에서 테이프의 접착력의 한계로 에칭용액이 스며들 어 안테나의 가장자리 부분이 에칭되어 불규칙한 사이드 에칭이 발생한 것을 볼 수 있 다. 그림 13(b)에서 검정색으로 보이는 가운데 부분이 인셋구조이며 검정색으로 보이 는 이유는 인셋구조를 가지는 안테나에서 테이프를 가공 후 떼어 낼 때 인셋구조 부분 에서 테이프의 내구성의 한계로 같이 떼어져야 하나 인셋 부분의 경계부분에서 테이프 가 찢어져 인셋 부분은 남아있는 모습을 볼 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여
(a) (b)
그림 13. 3M 사의 테이프를 이용한 가공 결과 (a) 사이드 에칭이 발생, (b) 인셋구조 부분에서 테이프가 떼어지지 않음
(a) (b)
그림 14. M팩킹 사의 특수 테이프를 이용한 가공 결과 (a) 사이드 에칭이 없음, (b) 인셋구조 부분에서 잘 떼어져 나감
그림 14은 M팩킹 사의 특수 테이프를 이용하여 안테나를 제작한 저배율 현미경 측 정 사진이다. 그림 14(a)에서 테이프가 안테나의 가장자리에서 에칭용액에 대한 보호역 활을 잘 해주어 사이드 에칭 없이 깔끔하게 제작이 된 것을 볼 수 있다. 그림 14(b)에
부분까지 깔끔하게 잘 떨어져 나간 것을 볼 수 있다.
위 실험 결과로 기존 리소그래피 공정에서의 PR 과 마스크의 역할을 펨토초 레이 저 테이프기술을 이용함으로서 테이프가 충분히 그 기능의 대체 가능성을 확인하였다.
펨토초 레이저 테이프 기술은 마스크를 사용하지 않는 장점이 있어 대량생산 뿐만 아 니라 소량생산에도 유리하다. 그 이유는 소량생산의 경우 대학에서의 연구나 시제품 테스트의 경우 많이 사용하는데 마스크를 제작하는 비용이 높아 다양한 방법으로 제작 후 측정 및 분석이 힘들었다. 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 적용하면 이러한 문 제를 보완 할 수 있어 향 후 안테나의 발전에 크게 기여하고 산업체에 적용이 가능할 것이라고 기대된다.
2. 에칭공정 방법에 따른 제작 특성
펨토초 레이저 테이프 가공 기술로 테이프를 가공 후 안테나 패턴을 제외한 부분의 테이프를 떼어내고 안테나를 완성하기 위하여 에칭 공정을 진행하였다. SME교역 사의 가루 형태의 제품을 사용하였다. 30 ~ 40°C 의 적정에칭 온도를 가지고 10분의 에칭시 간, 사이드 에칭이 극히 미비하다는 특성과 물 1L 당 한 봉지를 사용하였다.
에칭 시간은 10분, 에칭용액은 40°C, 가열기의 설정 온도는 70°C 로 동일하게 진행 하였으며, 에칭용액을 비순환 방식과 공기노즐을 이용한 순환방식을 이용한 에칭특성 을 비교하였다.
(a) (b)
그림 15. 안테나 에칭 공정의 비교 (a) 비순환 방식, (b) 순환방식
그림 15는 비순환 방식과 공기노즐을 이용하여 에칭한 안테나의 모습이다. 그림 15(a)에서 확인 할 수 있듯이 일반 안테나의 제작에서도 에칭용액을 비순환방식으로 제작하였을 경우 안테나의 경계부분에서 깔끔하게 에칭이 불규칙하게 된 것을 확인 할 수 있었으며, 그림 15(b)에서는 에칭용액의 순환방식을 적용하여 제작하였다. 그 결과 경계부분에서 사이드 에칭이 발생하지 않았으며, 깔끔하게 에칭이 되는 것을 확인 할 수 있었다.
(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.
(a) (b) (c)
그림 29. 더블구조 24 GHz 안테나 제작 결과
(a) (b) (c)
그림 30. 기존 리소그래피 기술로 업체에서 제작한 더블구조 안테나
그림 29은 더블구조 24 GHz 안테나를 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여
에칭이 발생한 것을 보여주고 있다. 그림 30은 같은 설계도를 이용, 기존 리소그래피 공정을 이용하여 제작하는 업체에 의뢰하여 제작한 더블구조 24 GHz 안테나 결과를 현미경으로 측정한 것을 나타낸다. 그림 30(a)는 제작된 안테나의 전체적인 모습이며 업체에서는 효율 증가를 위해 금도금 공정을 진행하고 있다. 그림 30(b)는 모서리 부 분을 확대하여 측정한 결과이며, 레이저 가공과는 다르게 모서리가 라운드 모양으로 제작되는 것을 볼 수 있으며, 이는 에칭공정과정이나 노광과정에서의 오차로 예상된다.
그림 30(c)는 제작된 안테나를 절단하여 고배율 현미경으로 동일하게 사이드 에칭이 발생한 것을 측정한 것이며, 레이저 가공 결과인 사선모양과는 다르게 렌즈의 형상과 비슷한 형태로 발생한 것을 확인 하였다.
안테나 모서리의 제작 특성과 사이드에칭의 특성으로 인해 기존 리소그래피 공정을 이용하여 제작한 안테나와 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용한 안테나 제작 측 정 결과가 다르게 나왔다고 판단된다.
(a) (b)
그림 31. 더블구조 24 GHz 안테나 측정결과
(a) (b)
그림 32. 업체에서 제작한 더블구조 24 GHz 안테나 측정 결과
그림 31은 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 제작한 더블구조 안테나의 측정결과이며 시뮬레이션 결과와 다르지 않고 비슷하게 나온 것을 확인 할 수 있으며 24.2 GHz 로 동일하게 나온 것을 볼 수 있다. 그림 32는 업체에서 제작한 더블구조 안
제 5장 결 론
펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 24 GHz 안테나를 제작 및 특성평가 에 대한 연구를 진행하였다. 테이프에 따른 안테나의 제작 특성을 비교 하였고, 에칭 용액의 순환 방식과 비순환방식의 안테나 제작 특성을 비교하였다.
현재 안테나는 리소그래피 공정 방식을 이용하여 많이 제작되어지고 있다. 리소 그래피 공정을 이용한 안테나 제작에는 마스크 제작과 PR 코팅 및 PR 제거 약품, UV노광, 에칭 등의 공정이 필요하다. 또한 기존 리소그래피 공정은 대량생산에 유리 하나 안테나의 설계나 형태가 바뀔 때마다 마스크를 다시 재작해야 되는 번거로움이 있으며, PR을 사용하기 때문에 약품의 사용이 많아 비용이 많이 발생한다. 이러한 단점을 보완하기 펨토로 레이저 테이프 가공 기술을 적용 하였다. 기존 리소그래피 기술에서의 PR 과 마스크의 역할을 대체하기 위하여 일반 테이프를 사용하였으나 에칭 과정에서 테이프의 접착력이 낮아 안테나의 경계선 부분에서 사이드 에칭이 발 생함을 확인할 수 있었으며, 인셋구조의 안테나에서 테이프의 내구도가 낮아 인셋부 분에서 테이프가 찢어지는 현상이 발생함을 알 수 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 특수 테이프를 사용하였으며, 충분한 접착력과 내구성으로 에칭공정에서 에칭 용액이 안테나의 경계부분에서 안테나로 스며드는 것을 방지해 주어 사이드 에칭이 없었으며 인셋구조 안테나에서도 인셋부분의 경계부에서 찢어지지 않고 잘 떼어지는 것을 확인 하였다. 이로 인하여 테이프를 사용함으로써 기존 리소그래피 공정에서의 PR 과 마스크의 역할을 테이프로 대체 가능한 것을 확인하였다.
에칭공정에서 에칭용액의 비순환방식과 순환방식의 안테나 제작 특성을 비교하였 다. 에칭공정에서의 온도의 유지나 증가를 위해 가열기를 에칭용액이 담겨있는 용기 밑에 놓아두었으며 에칭용액의 순환방식을 사용할 때에는 공기노즐을 사용하여 에칭 용액에 공기를 넣어 순환을 시켜 주었다. 비순환방식을 사용하였을 경우 순환방식에 비해 에칭시간이 증가하여 사이드 에칭이 발생하여 안테나의 경계부분에서의 형상이 좋지 않음을 확인 할 수 있었고, 인셋구조를 가지는 안테나에서 인셋부분의 폭이 좁 아 에칭이 원활하게 되지 않는 현상을 확인 할 수 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 에칭용액의 순환방식을 적용하여 제작하였으며, 이는 비순환방식의 에칭방법보 다 에칭시간이 줄어들었으며 이로 인해 사이드 에칭의 발생이 없었으며 인셋구조의
여 에칭공정에서 에칭용액의 비순환방식보다 순환방식이 안테나의 제작에 있어 유리 함을 알 수 있고, 향 후 다른 구조의 안테나도 이 방법을 사용하여 제작이 가능할 것이라고 생각된다.
안테나의 설계프로그램의 한 종류인 HFSS 를 사용하여 23 GHz 안테나와 인셋 구조와 더블구조의 24 GHz 안테나의 설계를 하였으며, 급전 선로 길이에 따른 변화 를 각각 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과 23 GHz 설계는 22.9 GHz 와 -26 dB 가 나왔으며 인셋구조 24 GHz 안테나는 24.1 GHz 와 –18.3 dB 의 결과값 이 나왔다. 펨토초 레이저 테이프 가공 기술을 이용하여 실제 제작하여 측정한 결과 23 GHz 안테나의 경우 22.65 GHz ~ 22.7 GHz 로 시뮬레이션 값과 비슷하게 측정되 었으며 반사손실 값은 평균 –19 dB 로 시뮬레이션 값에 못 미치는 것을 확인 하였 으며. 20 GHz 대역의 오차가 발생한 것을 확인 하였다. 또한 제작한 안테나 모두 비 슷한 값을 가져 재연성이 있음을 확인 할 수 있었다. 더블구조 24 GHz 안테나는 동 일 설계도를 사용하여 펨토초 레이저 테이프 가공기술과 기존 리소그래피 공정으로 제작하는 업체에 의뢰하여 각각 제작하여 측정을 통해 비교 하였으며 펨토초 레이저 테이프 가공 기술로 제작한 더블구조 안테나는 시뮬레이션 값인 24.1 GHz 에 근접 한 24.2 GHz 가 나왔으며, 기존 리소그래피 기술로 제작된 안테나의 경우 각각 23.7 GHz 와 23.64 GHz 로 시뮬레이션 값보다 작게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 이 와 같은 결과로 인해 펨토초 레이저 가공 기술이 기존 리소그래피 공정에 비해 설계 도에 가깝게 나온다는 것을 확인 하였다.
펨토초 레이저 테이프 가공기술은 기존 리소그래피 공정에 비해 설계도 변경 시 즉시 적용가능하다는 장점과 소량제작에도 높은 비용이 발생하지 않아 향후 다양한 안테나의 연구개발 및 발전에 기여할 것이라고 생각되며, 안테나의 분야뿐 아니라 다양한 분야에 적용이 가능할 것이라 기대된다.
【참고문헌】
[1] C. H. Lee, D. S. Jun, S. S. Lee, and T. G. Choy, “Technical Trends of Antennas,”
Electronics and Telecommunications Trends 10, 173-182 (1995).
[2] J. I. Moon and S. I. Jeon, “Antenna Technology Trends for Telecommunications and Broadcasting Conversion Services,” Electronics and Telecommunications Trends 23, 138-140 (2008).
[3] S. B. Jang and D. K. Park, “A Small Microstrip Patch Antenna,” Journal of Korea Electromagnetic Engineering Society 14, 351-355 (2003).
[4] B. J. Lee, “Technical trends of Antennas,” Bulletin of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers 13, 18-23 (2000).
[5] K. V. Seshagiri Rao, P. V. Nikitin, and F. L. Sander, “Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation 53, 3870-3876 (2005).
[6] M. K. Oh and K. Y. Kim, “Micro Application with Ultra Short Pulse Laser,” Journal of Welding and Joining 26, 348-350 (2008).
[7] H. Takahashi, S. Hasegawa, and Y. Hayasaki, "Holographic Femtosecond Laser Processing using Optimal-Rotation-Angle Method with Compensation of Spatial Frequency Response of Liquid Crystal Spatial Modulator." Applied Optics 46, 5917-5923 (2007).
[8] B. C. Nam and G. S. Chae, “Design of a K-band CW Radar Transceiver,” Journal of Korea Academia-industrial Cooperation Society 10, 1532-1535 (2009).
[9] J. Y. Yu, Y. S. Oh, and Y. G. Koo, “Optimum Size for the Inset Cut Feed of Microstrip Antennas,” Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 11, 143-150 (2000).
[10] S. H. Eom and S. J. Lim, “Paper-Based Pattern Switchable Antenna Using Inkjet-Printing Technology,” Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 26, 613-619 (2015).
[11] I. S. Gregory, C. Baker, W. R. Tribe, I. V. Bradley, E. H. Linfield, A. G. Davies, and M. Missous, “Optimization of Photomixers and Antennas for Continuous-Wave
[12] Y. J. Won, Y. J. Lee, Y. K. Kong, and Y. S. Kim, “Design and Fabrication of 24 GHz 3-Beam Scan Antennas for ACC Applications,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 14, 81-88 (2003).
[13] B. H. Park, Y. S. Choi, and H. K. Seong, “A Study on Design of Microstrip Patch Antenna for Dedicated Short Range Communication,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 19, 393-400 (2015).
[14] J. G. Kim, K. G. Nam, S. H. Cho, W. S. Chang, S. J. Na, and K. H. Whang,
“Micromachining Characteristics inside Transparent Materials using Femtoseocond Laser Pulses,” Journal of the Korean Society of Precision Engineering 23, 190-196 (2006).
[15] M. Xia and Y. Tu, “An Investigation of Femtosecond Laser Micromachining,”
International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems 21, 1-5 (2005).
[16] J. P. Hong, B. M. kim, H. W. Son, and Y. K. Cho, “A Study on the Inset Fed Rectangular Microstrip Patch Antenna for S-band Applications,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 18, 2359-2366 (2014).
[17] C. L. Mak, K. M. Luk, K. F. Lee, and Y. L. Chow, “Experimental Study of a Microstrip Patch Antenna with an L-Shaped Probe,” IEEE Transactions on Antennas and Propgation 48, 777-783 (2000).
[18] V. S. Tripathi, “Micro strip Patch Antenna and its Applications: a Survey,”
International Journal of Circuit Theory and Application 2, 1595-1599 (2011).
[19] S. H. Park, “Design of The Microstrip patch array antenna for the anti-crash Radar system,” Master’s Thesis (2001).
[20] K. S. Kim, T. W. Kim, and J. H. Choi, “Design of a Dual-Frequency Microstrip Patch Antenna,” The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 10, 1131-1137 (1999).
[21] S. W. Kim, G. B. Kim, J. H. Yun, and D. Y. Choi, “Design of Koch Curve Microstrip Patch Antenna for Miniaturization Structure,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 18, 2823-2830 (2014).
(2008).
[24] R. H. Chen and J. S. Row, “Single-Fed Microstrip Patch Antenna With Switchable Polarization,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation 56, 922-926 (2008).
[25] M. Park, P. J. Park, D. Y. Kim, C. S. Kim, B. T. Koo, H. B. Jung, and H. K. Yu,
“Technology Trends of 77 GHz Automotive Radar Component,” Electronics and Telecommunications Trends 27, 101 (2012).
