단편논문/SHORT PAPERS
액체 소금물을 이용한 투명 전자파 차폐
판쥐뚱
1
, 정창원
1,†
Transparent Electromagnetic-Wave Shielding Using Liquid Saltwater
Tung Phan Duy
1, Chang Won Jung
1,†
1서울과학기술대학교 나노IT디자인융합기술대학원
1Graduate School of Nano IT Design Fusion, Seoul National University of Science and Technology
© Copyright 2021 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the
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Received: Nov 13, 2020; Revised: Nov 29, 2020; Accepted: Dec 09, 2020
Published Online: Feb 28, 2021
요약
광학적으로 투명한 ITO, MLF, 메탈메쉬 등의 기존 고체 투명전극(transparent electrode: TE)을 이용한 투명 안테나, 전자파 차폐(electromagnetic-wave shielding)등에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 본 논문에서는 기존 고체 투명전극(TE) 대비 광학적으로 우수하며, 가격이 저렴하고, 주변에서 쉽게 구할 수 있는 소금물을 이용한 액체 투명전극에 대한 광학적, 전기적 특성을 이론적, 실험적으로 분석하였다. 농도 35 ppt의 전도도 5 s/m을 갖는 소금물은 평균 95 % 이상의 가시광선 대역 광투과도를 가지며, 3 mm 두께의 평면형 소금물에서 22 dB 이상의 전자파 차폐도(shielding effectiveness: SE) 성능을 갖는다.
Abstract
Transparent antennas and electromagnetic-wave shielding using existing optically transparent electrodes (TEs) such as indium tin oxide, MLF, and metal mesh were investigated. We analyzed the optical and electrical characteristics of a liquid TE using saltwater compared to those of conventional solid TEs. Saltwater with a salinity of 35 ppt (conductivity=5 s/m) has an average transparency of >95% in the visible band. A planar saltwater layer with a 3 mm thickness has a shielding effectiveness performance of >22 dB.
Keywords: Transparent Electrode; Salt Water; Optical Transparency; Sheet Resistance; Em Shielding
Ⅰ. 서 론
최근 광학적으로 투명한 도체는 우수한 전기적, 광학적 성능으로 다양한 광․전기 응용에서 활용되어왔다[1],[2]. 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO)은 현재까지 가장 활용도가 높은 투명전극으로 사용되고 있으나, 부서지기 쉽고 희토류인 인듐의 가격이 높은 단점이 있다[1],[2]. 이러한 ITO를 대체하기 위해 다층투명전극(multi layered transparent electrode: MLF), 흑연(graphene)등의 투명전극에 대한 연구가 진행되어 왔다[1],[2]. 그러나 MLF는 ITO에 비해 기계적인 유연성과 전도도를 개선하기는 하였으나, 광투과도(optical transparency: OT)가 ITO에 비해 낮고, 흑연 또한 ITO에 비해 광투과도(OT)가 낮으며, ITO대비 가격상승의 단점을 가지고 있다. 이에 비해 가격 및 전기적 측면에서 우수한 메탈메쉬(metal mesh film: MMF)의 경우, 기계적으로도 안정정인 면이 있으나, 광학적 측면에서는 상대적으로 낮은 OT를 갖는다[1].
최근 소금물은 증류수에 가까운 우수한 OT(> 95 % @ salinity 35 ppt)와 비교적 낮은 재료 가격, 안전성 등으로 인하여 잠재적인 액체 투명전극으로 고려되고 있다[2]. 이온(ion) 형태의 전하입자를 가지는 소금물은 높은 OT를 가지며, 증류수에 비해 높은 전도도를 갖는 도체로써의 역할을 하며, 이로 인한 투명 안테나 및 전자파 차폐로써의 활용가능성이 있으며[2], 본 논문에서는 평면형 소금물의 광학적, 전기적 특성을 분석하였고, 소금물의 투명 전자파 차폐 활용 가능성을 조사하였다.
Ⅱ. 광학적 분석
2-1 이론적 예측
일반적인 매질에서 입사된 가시광선은 매질 표면에서 반사하며, 또한 매질 내부에서 흡수되며, 가시광선의 투과는 OT=1−A−R로 표현될 수 있으며, 이때 OT(optical transmittance)는 투과, A(absorption)는 흡수, R(reflection)은 반사성분이다. 여기서 그림 1은 두께(tsw)를 갖는 평면 소금물의 OT, A, R을 나타내며, nair, nsw는 각각 공기(air)와 소금물(sw)의 굴절율을 나타낸다. 공기와 물의 서로 다른 굴절률에 의해 입사되는 가시광선의 반사가 발생하며, 이때 그림 1의 가시광선의 입사면에서 보았을 때, 평면형 소금물의 왼쪽 입사경계면 (공기→소금물) 그리고 오른쪽 두 번째 경계면 (소금물→공기)의 두 개의 경계면이 존재하고, 두 평행 경계면에서 반사 및 투과가 발생 하며, 소금물과 공기에서의 가시광선 반사(R)에 대한 수식은 아래의 프레넬 공식 (1)에 의해 정의될 수 있다. 여기서, nsw와 nair는 앞에서 언급한 소금물과 공기의 굴절율이며, 일반적으로 nair 은 “1” 그리고, nsw는 가시광선의 파장, 소금물의 농도(salinity), 온도(T), 압력에 의해 결정되어진다[3].
그림 1. | Fig. 1.
평면형 소금물상의 가시광선 입사(Incidence), 반사(R), 흡수(A), 투과(OT) | Reflectance(R), absorbance(A), and optical transmittance (OT) of the incident light through a planar salt-water.
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가시광선은 그림 1에서처럼, 소금물의 표면을 통과하여 소금물로 흡수되며, 이때 소금물 내부 흡수는 비어-램버트법칙(Beer-Lambert’s law)[4]에 의해 소금물의 농도와 두께에 의해 결정된다. 평면형 소금물의 흡수도(A)와 두께(t)의 선형관계에서 두께 3 mm인 소금물의 흡수도는 전체 입사 가시광선 에너지의 0.06 %로 계산되며, 이는 반사 또는 투과되는 가시광선의 양에 비해 아주 작은 값으로 무시할 수 있으며, 따라서 대부분의 가시광선은 반사와 투과이며, 투과되는 가시광선의 양(OT)은 식 (2)에 정의되었다.
그림 2. | Fig. 2.
파장 632.8 nm인 가시광선의 소금물 농도(S), 온도(T)에 따른 소금물의 굴절율(nsw) | Refractive index of salt-water as a function of salinity and temperature at a radiation wavelength of 632.8 nm.
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소금물의 굴절율(nsw)은 그림 2에서와 같이 농도(S)와 온도(T)에 의해 결정되며, 농도와 온도가 증가할수록 증가하며, 상온(20°C)에서 농도 35 ppt, 200 ppt일 때 각각 1.34, 1.37의 굴절율을 가진다. 또한 식 (2)와 같이 소금물의 OT는 소금물의 농도와 온도의 함수가 되며, 표 1은 소금물로 수직 입사되는 파장이 632.8 nm인 가시광선의 소금물 농도(S) 및 온도(T)에 따른 광투과도(OT) 값이다. 이때 OT는 전반적으로 97 % 이상의 높은 값을 가지며, 농도가 낮을 때 온도가 높을 때 소폭 증가함을 알 수 있다.
표 1. | Table 1.
평면형 소금물로 수직 입사되는 632.8 nm 파장의 가시광선 농도(OS)와 온도(T)에 따른 광투과도 (OT) | Predicted OT of planar salt-water at the wavelength of 632.8 nm with different salinities and temperatures.
|
T(°C) |
0 |
35 |
80 |
200 |
|
S(ppt) |
|
10 |
97.93 |
97.88 |
97.78 |
97.43 |
|
20 |
97.94 |
97.88 |
97.79 |
97.50 |
|
30 |
97.96 |
97.89 |
97.81 |
97.55 |
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2-2 측정 결과
액체 전도도 미터 (HI 8633, Hanna Instrument Co.)를 이용하여 소금물의 농도가 35, 200 ppt일 때의 전도도 측정 시 각각 5, 20 S/m의 전도도 값을 갖는다. 그림 3(a)는 두 가지 35, 200 ppt 농도를 갖는 소금물의 측정된 OT이다. OT는 모두 91 % 이상의 높은 값을 가지며, 400~700 nm의 가시광선 대역에서는 비교적 일정한 값을 갖는다. 또한, 측정된 광투과도는 앞 절에서 언급한 대로 소금물 농도가 증가하면 소금 분자 증가에 의해 OT가 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 이러한 경향은 소금물 농도 증가에 따른 소금물과 공기의 임피던스 정합이 어긋나며 발생한다.
그림 3. | Fig. 3.
(a) 소금물 농도(S: 35, 200 ppt)에서의 OT 측정 결과, (b) UV스팩트로미터를 이용한 소금물 OT 측정 예 | (a) Measurement results of OT with salt-water salinity (S: 35, 200 ppt), (b) Example of OT measurement of salt water using UV spectrophotometer.
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가시광선 대역 내 평균 광투과도(OTav)는 각각 농도 35, 200 ppt에서 95.5 %, 91.8 %이며, 이 값은 표 1에서의 예측 값보다는 낮으며, 이는 예측 시 NaCl의 몰질량(molar- mass)이 58.5 g/mol 인데, 실제 측정시 소금물의 몰질량과의 차이 때문에 발생한다고도 볼 수 있으며, 광투과도 측정 시 진공이 아닌 공기 상에서의 측정 등에 기인한다고도 볼 수 있다. 그림 3(b)는 UV스팩트로미터 (UV-spectrophotometer: T60 model)를 이용한 소금물의 OT 측정의 예이며, 측정 시 투명 용기의 영향은 보정(calibration)되었다.
Ⅲ. 전자파 차폐를 위한 전기적 분석
그림 4는 PSS-78 스텐다드[5]의 면저항 값 데이터와 비교하기 위하여, 평면형 소금물의 소금물 두께(t) 변화(1, 3, 5 mm)에 따른 전도도(σ) 와 면저항(RS)을 나타낸 것이며, 그림상의 측정값은 면저항 계산 시 측정된 전도도값을 사용한 것이며, 측정값은 PSS-78의 측정 데이터와 잘 일치함을 보여준다[5]. 평면형 소금물의 면저항(RS)은 그림 4에서와 같이 소금물의 두께(tsw) 와 전도도(σ)가 증가함에 따라 감소한다. 두께 3 mm의 평면형 소금물은 전도도 20 S/m일 때 16.98 ohm/m2의 면저항값을 갖는다.
그림 5는 농도 200 ppt, 전도도 20 S/m, 두께 3 mm 를 갖는 평면형 소금물의 전자파 차폐(shielding effectiveness: SE) 시뮬레이션 및 측정 결과이다. 여기서 SE [dB]=−S21 [dB] 이며, 시뮬레이션은 EM 시뮬레이터인 HFSS를 사용하였다. 측정은 C 대역(4~8 GHz)용 도파관과 8 GHz까지 측정 가능한 네트워크 분석기(E5071B)를 사용하여 4~8 GHz 대역을 측정하였으며[1],[2], 평면형 소금물의 SE는 4~8 GHz 대역에서 22 dB 이상이며, 이 값은 평면형 소금물이 향후 고 투명 민용, 군용 전자파 차폐 창호 등에 적용되어질 수 있음을 보여준다.
그림 4. | Fig. 4.
두께(t) (1, 3, 5 mm)와 전도도(σ)의 함수인 평면형 소금물의 면저항(Rs) 계산값과 측정값 | Calculated and measured sheet resistance(Rs) of planar salt-water as a function of conductivity and thickness.
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그림 5.
농도 200 ppt, 전도도 20 S/m, 두께 3 mm를 갖는 평면형 소금물의 투과계수 (S21: SE) 시뮬레이션 및 측정결과, 그리고 E-field 분포 시뮬레이션 결과 | Simulation and measurement results of transmission coefficient through the planar salt-water with a thickness of 3 mm and salinity of 200 ppt and conductivity 20 S/m and simulated E-field distribution.
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Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 평면형 소금물의 광학적, 전기적 특성을 이론적, 실험적으로 분석하였으며, 평면형 소금물의 투명 전자파차폐 활용 가능성을 연구하였다. 소금물은 기존 상용 고체 투명전극에 비해 광학적으로 우수한 평균 광투과도(OTav=91.8 % @ salinity: 200 ppt, conductivity: 20 S/m)를 가지며, 비교적 저렴하고, 안전하며, 쉽게 구할 수 있으며, 농도 200 ppt, 전도도 20 S/m을 갖는 두께 3 mm의 평면형 소금물의 경우, 4~8 GHz 주파수 대역에서 22 dB 이상의 전자파 차폐(SE) 성능을 가지며, 추후 다양한 민용, 군용 전자파 차폐 등에 활용되어질 수 있음을 확인하였다.
Acknowledgements
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 연구비의 지원으로 연구되었음.
References
P. D. Tung, C. W. Jung, "High optical visibility and shielding effectiveness metal mesh film for microwave oven application,
" IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 62, no. 4, pp. 1076-1081.
D. T. Phan, C. W. Jung, "Optically transparent sea-water monopole antenna with high radiation efficiency for WLAN applications,"
Electronics Letters, vol. 55, no. 24, pp. 1269-1271, Nov. 2019.
M. A. Aly, E. Esmail, "Refractive index of saltwater: Effect of temperature,"
Optical Materials, vol. 2, no. 3, pp. 195-199, Jul. 1993.
N. G. Jerlov,
Marine Optics, Amsterdam, Elsevier Science, 1976.
E. L. Lewis, R. G. Perkin, "The practical salinity scale 1978: Conversion of existing data,"
Deep-Sea Research, vol. 28, no. 4, pp. 307-328, Apr. 1981.
