KR100818458B1 - 실리콘 복합체를 이용한 안테나 및 제조방법 - Google Patents

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KR100818458B1
KR100818458B1 KR1020060094345A KR20060094345A KR100818458B1 KR 100818458 B1 KR100818458 B1 KR 100818458B1 KR 1020060094345 A KR1020060094345 A KR 1020060094345A KR 20060094345 A KR20060094345 A KR 20060094345A KR 100818458 B1 KR100818458 B1 KR 100818458B1
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김현학
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Abstract

본 발명은, 원하는 유전율을 갖도록 유전체 분말과 실리콘 수지가 혼합된 실리콘 복합체로 이루어진 본체부와, 상기 본체부에 장착된 적어도 하나의 방사체를 포함하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나를 제공한다. 또한, 상기 안테나의 제조방법을 제공한다.
안테나(antenna), 유전체(dielectric substance), 실리콘(silicon)

Description

실리콘 복합체를 이용한 안테나 및 제조방법{ANTENNA USING SILICON COMPOSITE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도1은 종래기술에 따른 칩 안테나의 사시도 이다.
도2a 및 도2b는 본 발명에 따른 안테나의 구조도 이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나의 제조방법에 대한 플로우 차트이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 안테나의 사시도 및 정면도이다.
도5는 도4의 실시형태에 따른 안테나의 전압정재파비에 대한 그래프이다.
도6은 도4의 실시형태에 따른 안테나의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
21 : 안테나 본체부 22 : 평판 방사체
23 : 접지부 24 : 급전부
25 : 헬리컬 방사체
본 발명은, 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 복합체로 된 본체부를 이용하는 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대용 이동통신 단말기에 사용되는 안테나는 헬리컬 안테나 또는 평판형 안테나를 안테나 본체부과 접촉시켜 사용하고 있다.
세라믹 유전체를 이용하는 DRA(dielectric resonator antenna)의 경우에 사용 유전체로 고 비유전율을 갖는 것을 사용할 경우 같은 공진주파수를 갖는 다른 종류의 안테나보다 그 크기를 대폭 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.
도1은 종래기술에 따른 세라믹 유전체를 이용한 칩 안테나의 사시도이다.
도1을 참조하면, 종래의 칩 안테나(10)는, 육면체의 세라믹 안테나 본체부(11), 상기 안테나 본체부(11)의 상면에 형성된 평판형 방사체(12), 상기 방사체(12)의 일단에서 상기 안테나 본체부(11)의 하면까지 연장된 접지부(13), 상기 안테나 본체부(11)를 관통하여 상기 방사체(12)에 접하는 급전부(14)가 포함되어 있다.
상기 세라믹 안테나 본체부(11)가 일정한 유전율을 가지고 있어서, 상기 안테나 방사체(12)의 주파수 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 구조에 의해 안테나의 크기를 소형화 할 수 있다.
그러나, 세라믹은 그 특성상 충격에 약하고 임피던스 정합을 위한 튜닝이 곤란하며, 비유전율이 높은 물질을 사용하는 경우 주파수대역폭이 상대적으로 좁아지는 문제점이 있다. 또한 세라믹의 소성 공정을 거쳐야 하므로 안테나 제조 공정이 복잡하다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은, 실리콘 복합체를 사용한 안테나 본체부을 사용하여 충격에 강하고 임피던스 정합을 위한 튜닝이 용이한 안테나를 제공하며, 제조 공정이 단순화된 상기 안테나의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 원하는 유전율을 갖도록 유전체 분말과 실리콘 수지가 혼합된 실리콘 복합체로 이루어진 본체부와, 상기 본체부에 장착된 적어도 하나의 방사체를 포함하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나를 제공한다.
상기 유전체 분말은 강유전성 유전체 분말일 수 있으며, 바람직하게는, BaTiO3 계 유전체를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 복합체는, 상기 실리콘 수지를 10wt% 이상 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 실리콘 수지와 유전체 분말의 배합비가 1:1 일 수 있다.
본 발명은, 유전체 분말과 실리콘 수지를 원하는 유전율을 갖는 배합비로 혼합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계와, 주형 내의 원하는 위치에 적어도 하나의 방사체를 배치하는 단계와, 상기 실리콘 복합체를 상기 주형 내에 주입하여 방사체와 결합된 성형체를 형성하는 단계, 및 상기 성형체를 열경화시킴으로서 안테나 본체부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 유전체 분말과 실리콘 수지를 원하는 유전율을 갖는 배합비로 혼합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계와, 주형 내에 상기 실리콘 복합체를 주입함으로써 원하는 형태의 성형체를 형성하는 단계와, 상기 성형체를 열경화시킴으로써 안테나 본체부를 형성하는 단계, 및 상기 안테나 본체부 표면에 안테나 방사체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 주형 내에 상기 실리콘 복합체를 주입하기 전에, 상기 시릴콘 복합체를 진공상태에 탈포시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 안테나의 구조 사시도이다.
도2a를 참조하면, 실리콘 복합체로 된 안테나의 본체부(21) 내부에 헬리컬 형태의 안테나 방사체(25)가 삽입되어 있다.
상기 안테나 본체부(21)은 실리콘 수지와 고강유전성 유전체 분말을 배합하여 제조될 수 있다. 바람직하게는 상기 강유전성 유전체 분말은 BaTiO3 계열의 재료일 수 있다.
상기 안테나 본체부(21)의 재료인 실리콘 수지와 유전체 분말의 배합 비율에 따라 상기 안테나 본체부(21)의 유전율을 조절할 수 있으므로, 원하는 안테나의 특성에 따라 상기 배합비율을 조절할 수 있다.
도2b를 참조하면, 실리콘 복합체로 된 안테나 본체부(21)의 상면에 평판 형태의 안테나 방사체(22)가 형성되어 있고, 상기 안테나 방사체(22)의 일측면에는 상기 안테나 본체부(21)의 측면을 따라 상기 안테나 본체부(21)의 하면까지 각각 연장되는 접지단(23)과 급전단(2)이 연결되어 있다.
도2b에서의 안테나 본체부(21)는 도2a의 안테나 본체부과 동일한 재질로 이루어지며, 실리콘 수지와 고유전율을 갖는 유전체 분말이 배합된 실리콘 복합재로 되어 있다.
상기 안테나 본체부(21)상에 형성된 안테나는 급전단(24) 및 접지단(23)이 연결된 역F 형 안테나의 형태를 갖는다.
도3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 제조방법의 플로 차트이다.
도3을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나를 제조하기 위해서, 유전체 분말를 하소하는 단계, 상기 유전체 분말와 실리콘 수지를 배합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계, 일정한 형태를 갖는 주형틀에 안테나 방사체 및 상기 실리콘 복합체를 제공하여 성형체를 형성하는 단계, 상기 성형체를 경화시키는 단계를 포함한다.
상기 유전체 분말을 하소하는 단계(a)에서, 상기 유전체 분말은 BT 계열, BTCZ1 계열, 또는 K80 계열의 강유전율을 갖는 재료를 사용할 수 있다.
상기 유전체 분말이 소결되지 않는 고온으로 상기 유전체 분말를 가열하여 그 휘발성분의 일부 또는 전부를 제거하는 하소 공정을 거친다.
상기 하소된 유전체 분말을 실리콘 수지와 배합하여 실리콘 복합체를 제조하는 단계(b)에서, 상기 실리콘 수지는 입자 직경이 작고, 비표면적이 비교적 큰 것이 특징이다.
상기 실리콘 수지와 배합되는 유전체 분말의 종류와 배합비율에 따라 상기 실리콘 복합체의 유전율이 달라질 수 있다.
상기 실리콘 수지가 상기 유전체 분말을 경화시키는 경화제로 사용될 수 있도록 상기 실리콘 복합체는 상기 실리콘 수지를 10wt% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 실리콘 수지를 일정비율 이상으로 하는 것은, 유전체 분말을 혼합하여 경화시키기 위해서는 일정량의 실리콘 수지가 필요하기 때문이다.
본 실시형태에서 유전체 분말의 종류를 달리하거나, 배합비를 달리하여 측정한 유전율은 아래 표1과 같다.
BT 1:1 BT 3:1 BTCZ 1:1 K80 1:1
εr 7.18 12.9 5.59 10.8
Tan δ 0.11 0.22 0.005 0.02
상기 표1을 살펴보면, BT계열의 유전체 분말과 실리콘 수지를 1:1로 배합한 경우에 실리콘 복합체의 유전율은 7.18이고 손실값은 0.11 임에 비하여, BT계열의 유전체 분말과 실리콘 수지를 3:1로 배합한 실리콘 복합체의 유전율은 12.9 이고, 손실값은 0.22임을 알 수 있다.
또한, 배합 비율은 동일하더라도 유전체 분말의 종류가 달라짐에 따라서 실리콘 복합체의 유전율 및 손실값이 달라진다.
따라서, 실리콘 복합체의 유전체 분말의 배합비 또는 종류에 따라 다양한 유전율을 제어할 수 있다. 또한, 세라믹 소체가 갖는 전기적인 특성을 구현할 수가 있다.
상기 배합되는 공정이 끝난 후에는 배합시 발생되는 기포를 제거하는 진공 탈포 공정을 거칠 수 있다. 상기 탈포 공정을 통해 실리콘 수지와 유전체 분말이 배합된 실리콘 복합체 내의 기포를 제거할 수 있다.
주형틀에 안테나 방사체 및 실리콘 복합체를 제공하는 단계(c)는, 안테나 방사체와 결합된 성형체를 형성하는 단계이다. 상기 주형틀의 형태는 원하는 안테나 본체부의 형태로 할 수 있다.
본 단계에서는, 먼저 안테나 방사체를 주형틀 내의 원하는 위치에 배치한다. 제조하고자 하는 안테나가 도2a와 같이 안테나 본체부 내부에 방사체가 삽입되어 있는 안테나 형태라면, 안테나 방사체를 상기 주형틀의 중앙에 위치하도록 배치할 수 있다.
반면, 도2b의 형태와 같이 안테나 본체부의 일면에 방사체가 부착된 안테나를 제조하기 위해서는, 평판 형태의 안테나 방사체를 상기 주형틀의 내부 벽면에 밀착시켜 배치할 수 있다. 이러한 상태에서 실리콘 복합체를 주입하고 다음 공정을 거침으로서 평판형 방사체가 안테나 본체부의 일면에 부착된 칩 안테나를 제조할 수 있다.
평판형 방사체인 경우에도 상기 안테나 본체부의 내부에 삽입되는 형태로 제조될 수도 있다.
다음에 상기 주형틀에 실리콘 복합체를 주입한다. 상기 실리콘 복합체를 상기 주형틀 내에 주입하여 상기 안테나 방사체와 실리콘 복합체가 결합된 성형체가 형성된다.
상기 성형체를 경화시키는 단계(d)는, 상기 실리콘 복합체 및 안테나 방사체가 담긴 주형틀을 180℃의 오븐에서 1시간 동안 가열시켜 진행될 수 있다.
상기 경화 조건에서 실리콘 복합체가 경화되어 방사체가 안테나 본체부의 내부에 삽입된 칩 안테나 모듈을 형성하게 된다.
세라믹 소체를 사용하는 경우에는 안테나 본체부를 형성하기 위해 800 내지 1000℃의 고온에서 소성하는 공정을 거쳐야 하나, 본 발명과 같이 안테나 본체부를 형성하기 위해 실리콘 복합체를 사용하는 경우에는 고온 소결 공정이 필요 없게 된다. 따라서, 안테나를 제조하는 공정이 단순화되고 제조 단가를 줄일 수 있다.
상기 경화 단계를 거친 후에는 원하는 안테나 본체부의 형태를 얻기 위해 상기 경화된 유전체를 절단하는 공정이 더 포함될 수 있다.
실리콘 복합체를 사용한 경우에 상기 실리콘 복합체가 경화되더라도 세라믹 유전체를 사용한 경우보다 변형이 용이하다. 이러한 절단 공정은 제조하고자 하는 칩 안테나의 형태에 따라 선택될 수 있다. 따라서, 제조된 안테나의 튜닝에도 유리한 점이 있다. 즉, 원하는 주파수 특성을 얻기 위해 방사체를 둘러싸는 유전체 물질의 크기나 두께 등을 조절하는 것이 용이하다.
본 실시예에서는, 안테나 방사체가 안테나 본체부의 내부에 삽입되거나 또는 외부면에 부착되는 형태의 안테나를 제조할 수 있으나, 안테나 본체부의 표면에 안테나 방사체가 부착되는 안테나를 제조하는 경우에는 다른 실시형태를 취할 수 있다.
즉, 먼저 안테나 본체부을 형성하고, 평판형 방사체를 상기 안테나 본체부의 표면에 부착하는 단계를 거칠 수 있다.
구체적인 단계를 살펴보면, 안테나 본체부의 표면에 평판형 방사체가 부착된 안테나를 제조하기 위해서, 유전체 분말을 하소하는 단계, 상기 유전체 분말과 실리콘 수지를 배합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계, 일정한 형태를 갖는 주형틀에 상기 실리콘 복합체를 주입하여 원하는 형태의 성형체를 형성하는 단계, 상기 성형체를 경화시키는 단계, 및 상기 경화된 성형체의 표면에 평판형 방사체를 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 역F 형 칩 안테나의 사시도 및 정면도이다.
도4a 및 도4b를 참조하면, 실리콘 복합체로 된 안테나 본체부(41)의 상면에 평판형 안테나 방사체(42)가 형성되어 있고, 상기 안테나 방사체(42)의 일측면에는 상기 안테나 본체부(41)의 일측면을 따라 상기 안테나 본체부(41)의 하면까지 연장되는 접지단(43) 및 급전단(44)이 형성되어 있다.
본 실시예에서, 상기 평판형 안테나 방사체의 길이(S)는 14 ㎜, 방사체의 폭(W)은 3㎜, 안테나의 높이(h)는 1㎜ ,방사체의 두께(t)는 0.05㎜로 제작하였다.
도5는 도4의 실시예에서 제조된 안테나의 주파수에 따른 전압정재파비(VSWR) 특성을 세라믹 소자를 이용하여 제작된 동일한 형태의 안테나의 특성과 비교한 그래프이다.
본 실시형태에 따른 안테나에 사용되는 실리콘 복합체의 유전율은 7.18이고, 세라믹 소자를 이용해 LTCC 공정으로 제조된 유전체의 유전율은 6.9이다.
도5를 참조하면, 두 종류의 안테나 모두 공진주파수는 2.44GHz 이다. 또한, 전압정재파비 2:1에서의 주파수를 비교하면, 실리콘 복합체를 이용하여 제조된 안테나(A)의 대역폭은 130㎒ 이고, LTCC 공정에 의해 제조된 안테나의 대역폭은 120㎒이다. 따라서, 실리콘 복합체를 이용한 안테나가 LTCC 공정에 의한 유전체를 사용한 안테나보다 대역폭이 다소 넓은 것을 알 수 있다.
이렇게 대역폭이 넓은 것은 사용된 재료의 특성에서 비롯된 것으로, LTCC 공정에 사용된 세라믹(Q = 300)에 비해 본 실시형태의 실리콘 복합체(Q = 10)의 손실이 다소 크기 때문이다.
아래의 표2는 도4의 실시형태에 따라 제작된 역F 안테나의 측정 이득에 대한 결과를 보여주고 있으며, 도6은 본 실시형태에 따라 제작된 역F 안테나의 방사패턴을 나타낸다.
주파수 실리콘 복합체(dBi) LTCC(dBi)
2400 ㎒ 0.72 0.91
2421 ㎒ 0.85 0.95
2442 ㎒ 1.19 1.22
2463 ㎒ 1.27 1.30
2484 ㎒ 1.65 1.75
이러한, 측정이득과 방사패턴은 "Airlink 3D antenna measurement system"을 이용해서 측정하였으며, 송신 안테나로는 광대역(broad band)용 혼(horn) 안테나를 사용하였다. 이때 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 간격은 중심 주파수에서 먼 영역(far-field)의 조건(R ≥ 2D2 /λ : R은 송신 및 수신 안테나 사이의 간격, D는 안테나 최대 크기)을 만족하는 거리 이상으로 설정하였다.
표2에서, 실리콘 복합체를 사용한 안테나의 방사이득이 주파수별로 0.72dBi 에서 2.1dBi로 LTCC에 비하여 근소한 차이로 열화된 것을 알 수 있지만, 실제 사용 챔버의 일반적인 편차(0.25dBi)를 고려한다면, 재료 손실이 큰 실리콘 복합체로도 LTCC 안테나 수준의 이득을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도6을 참조하면, 주파수별 안테나 방사 지향 특성을 알 수 있다. 특히 -Z 방향에 대한 방사지향 특성의 감소는 측정 계측기의 축에 의하여 형성된 것으로서 안테나 방사에 의한 널(Null)과는 무관하며, -Y축 방향에 대한 널(Null)은 안테나 그라운드의 영향에 의한 것으로 전체적으로 등방향 지향성을 갖는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 즉, 방사체의 형태, 안테나 본체부의 형태 및 배합비율 등은 다양하게 구현될 수 있다.
첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명에 따르면, 실리콘 복합체를 사용한 안테나 본체부을 이용함으로써, 세라믹 소결과 같은 공정을 거치지 않아 칩 안테나 모듈의 제조 공정이 간소화되고 제조비용이 절감될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 복합체를 사용하여 유전 특성을 제어할 수 있으며, 내밀봉성 및 내식성이 양호하고, 파손의 위험이 적은 칩 안테나 모듈을 제조할 수 있다.

Claims (12)

  1. 원하는 유전율을 갖도록 유전체 분말과 실리콘 수지가 혼합된 실리콘 복합체로 이루어진 본체부와,
    상기 본체부에 장착된 적어도 하나의 방사체를 포함하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 분말은 강유전성 유전체 분말인 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 분말은 BaTiO3 계 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 복합체는,
    상기 실리콘 수지를 10wt% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 복합체는,
    상기 실리콘 수지와 유전체 분말의 질량 배합비가 1:1 인 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나.
  6. 유전체 분말과 실리콘 수지를 원하는 유전율을 갖는 배합비로 혼합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계;
    주형 내의 원하는 위치에 적어도 하나의 방사체를 배치하는 단계;
    상기 실리콘 복합체를 상기 주형 내에 주입하여 방사체와 결합된 성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 성형체를 열경화시킴으로서 안테나 본체부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  7. 유전체 분말과 실리콘 수지를 원하는 유전율을 갖는 배합비로 혼합하여 실리콘 복합체를 형성하는 단계;
    주형 내에 상기 실리콘 복합체를 주입함으로써 원하는 형태의 성형체를 형성하는 단계;
    상기 성형체를 열경화시킴으로써 안테나 본체부를 형성하는 단계; 및
    상기 안테나 본체부 표면에 안테나 방사체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 유전체 분말은 강유전성 유전체 분말인 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유전체 분말은 BaTiO3 계 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 실리콘 복합체는,
    상기 실리콘 수지를 10wt% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 복합체는,
    상기 실리콘 수지와 유전체 분말의 질량 배합비가 1:1 인 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 주형 내에 상기 실리콘 복합체를 주입하기 전에, 상기 실리콘 복합체를 진공상태에 탈포시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 복합체를 이용한 안테나 제조방법.
KR1020060094345A 2006-09-27 2006-09-27 실리콘 복합체를 이용한 안테나 및 제조방법 KR100818458B1 (ko)

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KR20010040604A (ko) * 1998-02-03 2001-05-15 도날드 디. 먼둘 강하며 유연한 플랫 안테나
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