JP7470950B2

JP7470950B2 - アンテナ及びその製造方法

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Publication number: JP7470950B2
Application number: JP2023044811A
Authority: JP
Inventors: 晋二黄; 祥平小菅; 良介須賀; 修橋本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-21
Filing date: 2023-03-21
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP2023082035A

Description

特許法第３０条第２項適用１．発行者名ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ２．刊行物名ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌｕｍｅ１１０，Ｉｓｓｕｅ２３３．発行日平成２９年６月５日４．該当ページ第２３３１０２－１頁から第２３３１０２－３頁〔刊行物等〕１．発行者名公益社団法人応用物理学会２．刊行物名第７８回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集３．発行日平成２９年８月２５日４．該当ページ第１０００００００１－１４０頁〔刊行物等〕１．学会名第７８回応用物理学会秋季学術講演会２．開催日平成２９年９月６日３．開催場所福岡国際センター

本発明は、グラフェンをアンテナエレメントとして用いたマイクロ波帯アンテナに関する。

透明な基板上に、透明導電膜からなるアンテナエレメントを形成した透明なアンテナが知られている。現在、透明導電膜として主流であるＩＴＯ（indium tin oxide）は、レアメタルを含有していることや、可塑性が低いといった問題があり、ＩＴＯに代わる透明導電膜が求められている。

特許文献１には、グラフェンベースの層を含む各種電子デバイスが提案され、電子デバイスの１つとしてアンテナが例示されている。特許文献１では、グラフェンベースの層を基板に支持させ、グラフェンベースの層の一部をエッチングし、グラフェンベースの層の他部と比較して薄くしてアンテナとしている。

特表２０１３－５０２０４９号公報

しかしながら、特許文献１のアンテナは具体的構造が不明であり、当業者によりこのアンテナを作ることができるようには記載されていない。また、グラフェンをアンテナエレメントに使用した際に、アンテナとして利用可能な帯域などは一切明らかにされていない。本願発明者らはグラフェンのアンテナエレメントへの適用について鋭意研究を重ねていた。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、グラフェンをアンテナエレメントとして使用したアンテナを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、基体と、前記基体上に形成され、単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなる透明なアンテナエレメントと、を有するマイクロ波帯アンテナが提供される。本願発明者らは、グラフェンがマイクロ波帯アンテナのアンテナエレメントとして動作することを実験的に確認した。

上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記基体は、透明であってもよい。

上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記アンテナエレメントは、単層のグラフェンからなってもよい。

上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記マイクロ波帯アンテナは、ダイポールアンテナであってもよい。

本発明によれば、グラフェンをマイクロ波帯アンテナのアンテナエレメントとして使用することができる。

本発明の一実施形態を示すマイクロ波帯アンテナの平面図である。マイクロ波帯アンテナの製造過程を示す説明図である。比較例のマイクロ波帯アンテナの平面図である。実施例及び比較例の反射特性の測定結果を示すグラフである。実施例の反射特性の測定結果に、実施例の放射特性の測定結果を重ねて示したグラフである。

図１及び図２は本発明の一実施形態を示すものであり、図１はマイクロ波帯アンテナの平面図、図２はマイクロ波帯アンテナの製造過程を示す説明図である。尚、図１及び図２では、理解を容易とするため、透明なグラフェンの部分をハニカム模様で示している。

図１に示すように、マイクロ波帯アンテナ１は、基体としての基板２と、基板２上に形成されたアンテナエレメント３及び給電線４と、を有する。本実施形態のマイクロ波帯アンテナ１は、ダイポールアンテナである。

基板２は、平面視矩形状の透明材料からなる。本実施形態においては、基板２は石英ガラスからなる。本明細書中で「透明」とは透過率が８０％以上であることをいうものとする。尚、基板２を石英ガラス以外のガラス材料としてもよい。さらに、基板２を、例えばポリエチレンテレフタラートのような透明な樹脂材料とする等、ガラス材料以外の透明材料とすることもできる。本実施形態においては、基板２の表面の算術平均表面粗さ（Ｒａ）は、２．０ｎｍ以下である。それは、基板２の表面のＲａが２．０ｎｍを超えると、グラフェンからなるアンテナエレメント３の電気的特性が損なわれるおそれがあるからである。アンテナエレメント３のアンテナとしての電気的特性を考慮すると、基板２の表面のＲａは、好ましくは１．０ｎｍ以下であり、より好ましくは０．８ｎｍ以下である。

アンテナエレメント３は、透明であり、単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなる。本願発明者らは、グラフェンがマイクロ波帯アンテナ１のアンテナエレメント３として動作することを実験的に確認した。グラフェンが形成される基板２上の表面は、グラフェンの基板２への良好な固着を実現するため、親水性であることが好ましい。アンテナエレメント３は、基板２上の仮想線２１について対称に設けられた２つの直線部３１を有する。本実施形態においては、２つの直線部３１が仮想線を挟んで長手方向に並んで形成されている。グラフェンの透過率Ｔ（％）は、層数をＮとすると、Ｔ（％）＝１００－２．３Ｎとなる。従って、例えば、アンテナエレメント３の透過率を８０％以上とするには８層以下に積層されたグラフェンとすればよいし、９０％以上とする場合は４層以下に積層されたグラフェンとすればよい。本実施形態においては、アンテナエレメント３は単層のグラフェンであり、透過率は９７．７％である。

給電線４は、導電材料からなり、アンテナエレメント３に高周波電力を伝送するため、及び／又は、アンテナエレメント３から高周波電力が伝送されるために用いられる。本実施形態においては、給電線４はＡｕ／グラフェンからなる。本実施形態においては、給電線４は、コプレーナ線部４１と、コプレーナ線部４１及びアンテナエレメント３を接続する伝送線部４２と、を有する。コプレーナ線路４１は、信号線４１ａと、信号線４１ａと間隔をおいて形成される一対の接地線４１ｂとから構成される。本実施形態においては、伝送線部４２は、コプレーナ線路４１の信号線４１ａと、一方の接地線４１ｂと、をアンテナエレメント３側へ延長することにより構成される。

次に、本実施形態のマイクロ波帯アンテナ１の製造方法について、図２を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、銅箔１０１上に単層のグラフェン膜１０３を、化学気相成長法（ＣＶＤ法）により作製する。次いで、図２（ｂ）に示すように、作製されたグラフェン膜１０３を基板２上へ転写する。具体的に、転写は、例えば、樹脂材料からなる支持層を銅箔１０１上に形成し、銅箔１０１を酸等により除去してグラフェン膜１０３と支持層からなる積層体とした後、基板２上に積層体を載置して支持層を溶融させることにより行われる。ここで、基板２は石英ガラスからなり、転写に先立って親水性となるよう予め表面処理が施されている。

この後、図２（ｃ）に示すように、グラフェン膜１０３上にＡｕ膜１０４を蒸着する。そして、図２（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、Ａｕ膜１０４にアンテナエレメント３及び給電線４のパターニングを行い、Ａｕ膜１０４の不要な部分を除去する。さらに、図２（ｅ）に示すように、露出しているグラフェン膜１０３をＵＶ－オゾン処理により除去する。そして、図２（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、Ａｕ膜１０４に給電線４のパターニングを行い、アンテナエレメント３上のＡｕ膜１０４を除去して、マイクロ波帯アンテナ１が完成する。

以上のように構成されたマイクロ波帯アンテナ１によれば、アンテナエレメント３をグラフェンとしたので、ＩＴＯのようにレアメタルを用いることなく透明なアンテナエレメント３を実現することができる。また、グラフェンはＩＴＯと比較して可塑性に富んでいることから、平坦面だけでなく湾曲面にアンテナエレメント３を形成することも可能となる。さらに、基板２を可撓性を有する樹脂材料とした場合にも、アンテナエレメント３を基板２の変形に追従させることができ、アンテナ全体に可撓性を付与することができる。

尚、前記実施形態においては、ダイポールアンテナとして構成したマイクロ波帯アンテナ１を示したが、アンテナエレメント３の形状、配置等を変更すれば、例えばモノポールアンテナ、ループアンテナ、ログペリオディックアンテナのようなダイポールアンテナ以外の線状アンテナとすることも可能である。さらには、例えばパッチアンテナのような平面アンテナとしてもよく、アンテナの種類は特に限定されるものではない。

また、前記実施形態においては、基板２上に給電線４を形成したものを示したが、基板２上に給電線４を形成せずに、アンテナ外部から非接触でアンテナエレメント３に給電するよう構成してもよい。この場合、透明な基板２及び透明なアンテナエレメント３からなるマイクロ波帯アンテナ１を全体的に透明とすることができる。尚、給電線４が不透明であっても、給電線４を基板２の外縁付近に配置することによって、給電線４を目立たないようにすることは可能である。

また、前記実施形態においては、基板２上にアンテナエレメント３が形成されたものを示したが、基板２以外の基体にアンテナエレメント３を形成してマイクロ波帯アンテナ１とすることも可能である。さらに、基板２が透明であるものを示したが、基板２は不透明であってもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

実施例として実際に図１に示すマイクロ波帯アンテナ１を作製し、マイクロ波帯アンテナ１の入力電力に対する反射特性及び放射特性を測定した。

マイクロ波帯アンテナ１の作製にあたり、まず、銅箔１０１上に単層のグラフェン膜１０３を化学気相成長法（ＣＶＤ法）により作製した。グラフェンの成長は、温度を１０００℃、圧力を１５００Ｐａとし、２ｓｃｃｍのＣＨ_４ガス及び２０ｓｃｃｍのＨ_２ガスを３０分流通させて行った。そして、このグラフェン膜１０３を、ポリメタルクリル酸メチルの支持層を用いて、石英ガラスの基板２上へ転写した。転写後のグラフェン膜１０３のラマンスペクトルを測定したところ、２ＤバンドとＧバンドの強度比が３．５であり、２Ｄバンドがローレンツ関数でフィッティング可能であったことから、単層のグラフェンであることが確認された。

続いて、電子ビーム蒸着法を用いて、グラフェン膜１０３上へ７００ｎｍのＡｕ膜１０４を形成した。そして、フォトリソグラフィによりＡｕ膜１０４にアンテナエレメント３及び給電線４のパターニングを行い、ＫＩ水溶液を用いて６０℃でＡｕ膜１０４のエッチングを行った。さらに、露出しているグラフェン膜１０３を、３００ｓｃｃｍのＯ_２ガスを流通させて１２０℃でＵＶ－オゾン処理により除去した。そして、フォトリソグラフィによりＡｕ膜１０４に給電線４のパターニングを行い、ＫＩ水溶液を用いて６０℃でアンテナエレメント３上のＡｕ膜１０４を除去した。このように作製されたマイクロ波帯アンテナ１における、基板２上のグラフェンの存在領域をラマンイメージングにより確認したところ、設計上のアンテナエレメント３の領域とほぼ一致した。

具体的なアンテナエレメント３の寸法は、２つの直線部を含めた全体の長手方向寸法を１０．７ｍｍ、幅方向寸法を１．０ｍｍとした。また、給電部４のコプレーナ線部４１の特性インピーダンスは、５０Ωとした。

また、比較例として、図３に示すような、石英ガラスの基板２０２上のアンテナエレメント２０３にＡｕを使用したマイクロ波帯アンテナ２０１を作製した。図３に示すように、比較例のアンテナエレメント２０３のパターンは、実施例と同様に、２つの直線部２３１を有する。比較例の給電部２０４のパターンは、実施例と同様に、コプレーナ線部２４１と、コプレーナ線部２４１及びアンテナエレメント２０３を接続する伝送線部２４２と、を有する。アンテナエレメント２０３及び給電部２０４の材質は、Ａｕ／Ｃｒ（７００ｎｍ／５０ｎｍ）とし、電子ビーム蒸着法及び熱蒸着法を用いて作製した。

図４は、実施例及び比較例の反射特性の測定結果を示すグラフである。図４では、横軸を周波数、縦軸を反射係数としている。具体的に、給電部４，２０４への入力電力を０．３２ｍＷとし、１００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数で反射係数を測定した。

図４に示すように、実施例のアンテナでは、反射損失が最小となる動作周波数は２０．７ＧＨｚであることが確認された。尚、比較例のアンテナでは、動作周波数は９．２ＧＨｚであった。また、実施例においても比較例においても、動作周波数において－１０ｄＢを下回っていることから、９０％以上の電力が給電されていることが確認された。

図５は、実施例の反射特性の測定結果に、実施例の放射特性の測定結果を重ねて示したグラフである。放射特性は、アンテナエレメント３に対して水平な主偏波と、垂直な交差偏波を別個に測定した。図５では、横軸を周波数、縦軸を反射係数及び透過係数としている。

図５に示すように、実施例のアンテナは、動作周波数帯における主偏波の放射量が他の周波数帯より比較的大きいため、アンテナからマイクロ波が放射されていることが理解される。特に、動作周波数帯において、主偏波の放射量は交差偏波と比べて約２０ｄＢ大きいため、アンテナがダイポールアンテナとして動作していることが示された。

１マイクロ波帯アンテナ
２基板
３アンテナエレメント
４給電部
２１仮想線
３１直線部
４１コプレーナ線部
４１ａ信号線
４１ｂ接地線
４２伝送線部
１０１銅箔
１０３グラフェン膜
１０４Ａｕ膜
２０１マイクロ波帯アンテナ
２０２基板
２０３アンテナエレメント
２０４給電部
２３１直線部
２４１コプレーナ線部
２４２伝送線部

Claims

単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなるアンテナエレメントと、導電材料を含む給電線と、が基体上に形成されるアンテナであって、
前記アンテナエレメント及び前記給電線は、前記基体上で隣接して形成され、
前記給電線は、グラフェンを含み、
前記アンテナエレメントの前記グラフェンと、前記給電線の前記グラフェンは、連続的に形成されているアンテナ。
請求項１に記載のアンテナの製造方法であって、
パターンニング前のグラフェン膜を前記基体へ転写する工程と、
前記グラフェン膜上に前記導電材料を蒸着する工程と、
前記導電材料に前記アンテナエレメント及び前記給電線のパターニングを行い、前記導電材料における前記アンテナエレメント及び前記給電線以外の部分を除去する工程と、
前記導電材料から露出している前記グラフェン膜を除去する工程と、
前記導電材料に前記給電線のパターニングを行い、前記アンテナエレメント上の前記導電材料における前記給電線以外の部分を除去する工程と、を有するアンテナの製造方法。
前記グラフェン膜の前記基体への転写を、樹脂材料からなる支持層を用いて行う請求項２に記載のアンテナの製造方法。