응답시간이 개선된 액정 기반 능동 반사 배열 안테나 단위 셀 구조

Ⅰ. 서 론

5G 통신의 출현과 급속한 발전에 따라 고이득 빔 조향 안테나의 수요가 증가하고 있다. 반사 배열 안테나는 안테나의 고이득 특성을 얻을 수 있고, 저비용, 저중량, 제작의 용이함, 얇은 두께 등의 장점이 있기 때문에 널리 사용되어 왔다^[1]~[4]. 반사 배열 안테나는 피드 안테나에서 방사된 전파의 위상이 반사 배열의 각 단위 셀에서 적절하게 보상이 되어 이득이 증가하는 원리로 작동한다. 반사 배열에 액정을 주입하여 빔 조향까지 가능하게 하는 안테나에 관한 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있다^[4]~[6]. 단위 셀에 주입된 액정 분자의 배향 방향이 바뀌면 액정 유전율이 변하고, 단위 셀의 반사 특성이 변화하게 되며, 이로써 반사 배열의 반사 특성이 변화하게 되어 빔 조향이 가능하게 된다.

그러나 기존 액정 기반 단위 셀 내부에 있는 액정 분자의 방향이 바뀌는 응답시간에 불균형이 있으므로 고이득 빔 조향 안테나가 안정적으로 작동하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는 기존 구조에 있는 응답시간 불균형을 해소하여 액정 기반 안테나의 상용화에 이바지하고자 한다.

Ⅱ. 종래 액정 기반 단위 셀 구조 및 한계

액정 분자의 방향이 변화하면서 반사 배열의 반사 특성이 변화하게 되어 빔 조향을 할 수 있다. 액정 분자의 방향이 수평에서 수직으로 정렬되는 시간을 상승시간 (t_rise), 수직에서 수평으로 정렬되는 시간을 하강시간(t_decay)이라고 각 응답시간을 정의한다. 이는 각각 그림 1(a) 및 그림 1(b)에 해당한다.

그림 1. | Fig. 1. (a) 상승시간 및 (b) 하강시간에서의 액정 분자 방향 변화 | Change of LC molecule alignement at (a) rise time and (b) decay time.

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종래의 구조에서는 그림 2(a)와 같이 상승시간에 액정 층과 닿아 있는 상부 및 하부 금속에 바이어스 전압 V₁, 0 V가 각각 인가되어 그림 1(a)와 같이 액정 분자가 수직 방향으로 배향되도록 한다. 반면, 하강 시간 동안에는 단위 셀에 그림 2(b)와 같이 두 금속 모두 전압 0 V를 인가하여 액정 분자는 폴리이미드로 이루어진 배향막과 금속의 잔존 전압에 의해 그림 1(b)와 같이 수평으로 정렬된다. 그림 1의 구조와 인가된 바이어스 전압으로부터, 종래의 액정 기반 단위 셀에서 상승 및 하강 시간은 서로 다른 변수에 의존함을 알 수 있다. 상승 및 하강 시간을 결정하는 식은 식 (1) 및 식 (2)와 같다.

그림 2. | Fig. 2. 종래의 액정 기반 반사 배열 단위 셀 구조에서의 (a) 상승시간 및 (b) 하강시간에서의 바이어스 전압 및 액정 분자 배열 방향 | Bias voltage and LC molecule alignment at (a) rise time and (b) decay time in a conventional LC-based reflectarray unit cell structure.

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V_rem은 바이어스 전압이 제거된 후 잔존 전압을, V_th은 액정 분자가 회전하기 위한 문턱전압을, γ₁은 LC의 회전 점도(rotation viscosity)를, d는 액정 층의 두께, κ₁₁은 토크^[7],[8]를 나타낸다. 상승시간은 식 (1)에서 볼 수 있듯 동일한 단위 셀 구조 및 동일한 종류의 액정을 사용했다고 가정했을 때 인가된 바이어스 전압의 크기에 따라서 달라진다. 이와 다르게 하강시간은 같은 가정하에서 잔존 전압의 크기에 따라 결정된다.

이처럼 상승 및 하강시간을 결정하는 요소가 다르고, ms 단위의 상승시간 대비, 하강시간은 분 단위로, 상승 및 하강시간 길이가 현저하게 다르다. 이러한 종래의 단위 셀을 빔 조향 가능한 반사 배열 안테나에 사용하기에는 하강시간에 해당하는 빔 조향 시간이 과도하게 오래 걸린다는 단점이 있다. 응답시간의 균형을 이루기 위해서 새로운 단위 셀 구조를 제안한다.

Ⅲ. 응답시간 불균형 개선을 위한 구조 제안

제안하는 단위 셀 구조는 종래의 구조에서 수직 전기장뿐만 아니라, 수평 전기장도 형성될 수 있게 하였다. 수평 전기장을 형성하기 위해 액정과 접촉하고 있는 두 개의 금속층을 각각 두 부분으로 나누어 그림 3과 같이 바이어스 전압을 인가할 수 있는 피드를 2개에서 4개로 증가시켰다. 따라서 제안된 구조에서는 4개의 금속에 바이어스 전압을 적절하게 인가하여 액정 분자 정렬에 걸리는 시간을 감소시킬 수 있다. 액정 분자를 수직으로 정렬시키는 상황에 해당하는 그림 3(a)는 그림 2(a)에서 형성된 전기장과 큰 차이가 없다. 위의 두 금속에 바이어스 전압 V₁을 인가하고, 아래 두 금속을 접지시키면 수직인 전기장이 형성된다. 기존 구조와 다른 점은 좌측의 두 금속에 바이어스 전압 V₂를, 우측의 두 금속을 접지시키면 수평 전기장이 형성되고, 이에 따라 형성된 전기장에 의해 액정 분자가 수평으로 정렬된다는 점이다. 이는 배향막과 잔존 전압에 의존했던 종래의 구조와 다르므로 하강 시간이 식 (2)가 아닌 식 (1)에 의해서 계산된다. 다만 기판 너비 및 기둥 두께에 의해서 수평 및 수직 전기장의 강도가 다르므로 식 (1)에서 V₁를 V₂로 바꾸는 것은 무리가 있다. 따라서 기판 너비 및 기둥 두께를 고려하여 식을 변경할 필요가 있다. 상측 기판 V₂ 금속판에서 하측 기판 0 V 금속판으로 형성되는 전기장과 하측 기판 V₂에서 상측 기판 0 V로 형성되는 전기장을 고려하면 근사하면 식(3)과 같이 변경될 것으로 예상된다. 해당 식에서 s는 기판 너비를 나타낸다. 이에 따라 상승 및 하강시간 간 불균형이 개선된다.

그림 3. | Fig. 3. Bias voltage and LC molecule alignment at (a) rise time and (b) decay time in a proposed LC-based reflectarray unit cell structure.

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Ⅳ. 측정 결과

4-1 측정 샘플

단위 셀은 28 GHz 기준으로 설계되었다. 그림 4는 설계된 액정 기반 반사 배열 단위 셀의 분해도이며, 크기는 3.5 mm×3.5 mm(0.35 λ × 0.35 λ)이다. 그림 3에서와 다르게 상부 기판의 상부에 있는 금속판도 두 개로 분할되어 있는데, 이는 단위 셀이 높은 반사 계수를 가지도록 하여 전체 이득을 증가시키기 위함이다. 금속판 사이의 너비는 0.1 mm이다. 상부 및 하부 기판은 Taconic TLY를 사용하였으며, 액정 층은 250 μm으로 설정하였다.

그림 4. | Fig. 4. 설계된 액정 기반 반사 배열 단위 셀 분해도 | Explosion view of the designed LC-based reflectarray unit cell.

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그림 5는 설계된 액정 기반 반사 배열 단위 셀의 샘플이다. 해당 샘플의 제조 공정은 다음과 같다^[9]. 상하 기판에 polyimide를 사용하여 100 nm 두께의 배향막을 spin coater를 이용하여 형성한다. 250 μm의 기판에 단위 셀이 있는 부분에 단위 셀 크기의 구멍을 내어 상하 기판 사이의 기둥으로 사용한다. 상하 기판 및 기둥으로 사용되는 기판을 에폭시를 사용하여 부착한 후 주입기를 사용하여 LC를 구조 내부로 주입한다. 샘플에 있는 4개의 피드를 통해서 상승 및 하강시간에 다르게 전압이 인가된다.

그림 5. | Fig. 5. 설계된 액정 기반 반사 배열 단위셀 샘플 | Prototype of the designed LC-based reflectarray unit cell.

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4-2 측정 방법 및 결과

도파관 시뮬레이터는 도파관 끝에 두 개의 단위 셀을 배치하여 반사 배열 단위 셀의 반사 계수를 측정할 때 주로 사용된다^[10]~[13]. 도파관 끝에 배치하는 샘플은 두 개의 단위 셀이므로 단위 셀 간 상호 간섭 효과도 측정 결과에 포함된다. 그림 6은 WR-28 도파관 끝에 단위 셀을 위치시킨 것이며, 도파관은 VNA 포트에 연결되어 있다. VNA를 spectrum analyzer와 같이 활용하여 28 GHz에서 S₁₁를 10 ms 주기로 측정하였고, 이 과정에서 응답 시간 불균형이 개선되는지 여부를 확인하였다. 상승시간에 해당하는 바이어스 전압을 단위 셀에 5초 동안 인가하여 평형 상태에 이르게 한 후 하강시간에 해당하는 바이어스 전압을 인가하여 S₁₁ 임피던스를 측정하였다. 그림 3의 방식으로 바이어스 전압을 인가하여 상승 및 하강 시간을 측정하여 제안된 구조에 대한 실험을 하였다. 또한, 액정 층 상부 및 하부의 각 두 개씩의 금속을 각각 하나로 취급하여 그림 2와 같이 바이어스 전압을 인가하면 종래의 구조에 대한 실험이 가능하므로 이를 비교군으로 설정하였다. 식 (1)과 식 (3)에서의 차이를 고려하여 V₁은 20 V, V₂은 30 V로 설정하였다.

그림 6. | Fig. 6. 도파관 시뮬레이터로 측정 중인 단위 셀 | Unit cells being measured by waveguide simulator.

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측정 결과, 기존 구조에 비해 개선된 구조에서 하강시간이 약 1/3로 감소한 것을 볼 수 있었으며, 이는 응답 시간 간 불균형이 개선되었다는 것을 의미한다. 그림 7은 시간에 따른 S₂₁ 임피던스의 위상을 측정한 것이다. 상승시간은 종래 구조와 제안한 구조가 같으나, 하강시간은 제안된 구조의 경우에 개선된 것을 볼 수 있다. 인가되는 전압 V₂를 안전하게 증가시킬 수 있다면 하강시간을 더욱 감소시킬 수 있을 것이다.

그림 7. | Fig. 7. 종래 및 제안한 구조의 응답시간 비교 | Comparison of response time of conventional and proposed structures.

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Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 액정 기반 반사 배열 단위 셀 구조를 제안하여 응답시간 불균형을 완화하고, 액정 기반 안테나 상용화에 이바지하였다. 기존 액정 기반 단위 셀 구조는 상승 및 하강시간에 액정 분자가 정렬하는 방식이 달라 응답시간에 불균형이 있었다. 이를 개선하기 위해 액정에 맞닿은 금속을 각각 둘로 분리하여 전압을 인가할 수 있는 바이어스 라인을 4개로 증가시켜 수평 전기장을 만들어낼 수 있는 구조를 제안하였다. 측정 결과, 하강시간이 기존 구조에 비해 1/3로 감소하여 응답시간 불균형을 해소할 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 논문에서 설계된 구조는 액정 기반 반사 배열 안테나의 상용화에 이바지할 수 있을 것이다.