KR101627939B1 - 메타물질 흡수체 및 이를 이용한 측정 시스템 - Google Patents

메타물질 흡수체 및 이를 이용한 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타물질 흡수체에 관한 것으로, 본 발명의 일 양상에 따른 메타물질 흡수체는 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 다층 구조의 메타물질로 제공되는 복수의 유닛셀 및 유닛셀 하부에 제공되어 투과파를 방지하는 하부 기판을 포함하되, 유닛셀은, 일면에 슬릿을 포함하는 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판, 상기 제1 기판의 타면에 수분흡수 가능 소재의 평판으로 제공되어, 흡수된 수분의 양에 따라 유전율이 변화하여 분할 링 공진기에서 유도되는 정전용량을 조정하는 수분 흡수층을 포함할 수 있다.

Description

메타물질 흡수체 및 이를 이용한 측정 시스템{METAMATERIAL ABSORBER AND MEASUREMENT SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 메타물질 흡수체 및 이를 이용한 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수분 흡수율에 대응하여 공진주파수가 가변되는 메타물질 흡수체 및 이를 응용한 수분 측정 시스템에 관한 것이다.
전자파 흡수체는 표면에 입사되는 전자파를 흡수하여 열로 소모함으로써 반사되거나 투과되는 전자파를 크게 감소 시키는 장치로 전자파 차단 등의 용도로 사용되고 있다.
일반적으로 전자파 흡수체는 주로 페라이트 물질과 같은 혼합 물질을 기반으로 하였으나, 이러한 전자파 흡수체는 부피가 크고, 무거우며, 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 메타물질을 이용한 전자파 흡수체가 활발히 연구되고 있는 추세이다. 메타물질은 자연적으로 존재할 수 없는 전자기적 특정을 인공적으로 구현하는 것으로, 메타물질 흡수체는 메타물질을 이용하여 전자파 흡수체를 구현한 것이다.
종래의 메타물질 흡수체는 구조적인 특성 등에 의하여 공진주파수를 변경하기 때문에 메타물질 흡수체의 공진주파수 변경에 어려움이 발생하는 단점이 있었다.
따라서, 종래의 메타물질 흡수체는 공진 주파수에 따라 다른 메타물질 흡수체를 사용해야 하는 문제를 가지고 있으며, 이는 다양한 공진 주파수에 따른 메타물질 흡수체를 구비하는 것에 따른 비용적인 단점을 가지게 된다.
본 발명의 일 과제는 수분 흡수율에 따라 공진주파수를 가변적으로 제어하는 메타물질 흡수체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 입력 주파수로부터 공진 주파수를 검출하여 수분 흡수율을 측정하는 수분 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 슬릿이 형성된 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판 및 상기 제1 기판의 상부 또는 하부 중 적어도 일측에 수분을 흡수하는 소재로 이루어진 판 형태로 제공되어, 수분 흡수율에 따라 유전율이 변화됨에 따라 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전 용량을 조정함으로써 상기 수분 흡수율에 따라 공진 주파수를 가변적으로 제어하는 수분 흡수층;을 포함하는 메타물질 흡수체가 제공된다.
본 별명의 다른 양태에 의하면, 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 다층 구조의 메타물질로 제공되는 복수의 유닛셀; 및 상기 유닛셀 하부에 제공되어 투과파를 방지하는 하부 기판;을 포함하되, 상기 유닛셀은, 일면에 슬릿을 포함하는 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판, 상기 제1 기판의 타면에 수분흡수 가능 소재의 평판으로 제공되어, 흡수된 수분의 양에 따라 유전율이 변화하여 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전용량을 조정하는 수분 흡수층을 포함하는 메타물질 흡수체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 수분 흡수층을 포함하는 메타물질 흡수체,상기 메타물질 흡수체로 신호를 발신하는 신호발신부, 상기 메타물질 흡수체로부터 반사된 신호를 수신하는 신호수신부 및 상기 발신된 신호와 상기 수신된 신호의 스펙트럼 분석에 기초하여 수분 흡수율을 산출하는 제어부를 포함하는 수분 측정 시스템이 제공된다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 과제는 수분 흡수율에 따라 공진주파수를 가변적으로 제어하는 메타물질 흡수체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 메타물질 흡수체로 입력되는 전자기파의 공진 주파수를 검출하여 수분 측정 시스템이 수분 흡수율에 따른 공진 주파수 데이터에 기초하여 수분을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1기판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체의 흡수율 측정 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 메타물질 흡수체의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체를 이용한 수분 측정 시스템의 환경도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수분 측정 시스템의 수분 측정 장치의 블록도이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 되어진 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
이하, 본 발명과 관련된 전자기기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에서 설명되는 전자기기는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 및 네비게이션 등과 같은 이동 단말기를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 디지털 TV 및 데스크탑 컴퓨터 등과 같은 고정 단말기도 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 슬릿이 형성된 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판 및 상기 제1 기판의 상부 또는 하부 중 적어도 일측에 수분을 흡수하는 소재로 이루어진 판 형태로 제공되어, 수분 흡수율에 따라 유전율이 변화됨에 따라 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전 용량을 조정함으로써 상기 수분 흡수율에 따라 공진 주파수를 가변적으로 제어하는 수분 흡수층;을 포함하는 메타물질 흡수체가 제공될 수 있다.
또한, 상기 수분 흡수층은, 코르크, 종이, 나무, 멤브레인, 폴리에스테르메쉬, 제올라이트, 웁살라이트, 고분자 흡수체 및 합성수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수분 흡수층 하부에 투과파를 방지하는 제2 기판을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 기판은, 구리, 은, 동, 카본, 알루미늄 및 철판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분할 링 공진기는, 유전체 및 도체를 포함하고, 상기 유전체는 폴리에스테르, 에폭시, 테플론 및 합성수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 별명의 다른 양태에 의하면, 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 다층 구조의 메타물질로 제공되는 복수의 유닛셀; 및 상기 유닛셀 하부에 제공되어 투과파를 방지하는 하부 기판;을 포함하되, 상기 유닛셀은, 일면에 슬릿을 포함하는 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판, 상기 제1 기판의 타면에 수분흡수 가능 소재의 평판으로 제공되어, 흡수된 수분의 양에 따라 유전율이 변화하여 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전용량을 조정하는 수분 흡수층을 포함하는 메타물질 흡수체가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 기판은, 상기 복수의 유닛셀 각각의 하부에 대응되도록 복수 개로 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 기판은, 상기 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 복수의 유닛셀의 하부 전체에 대응되도록 단일한 기판으로 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 수분 흡수층을 포함하는 메타물질 흡수체,상기 메타물질 흡수체로 신호를 발신하는 신호발신부, 상기 메타물질 흡수체로부터 반사된 신호를 수신하는 신호수신부 및 상기 발신된 신호와 상기 수신된 신호의 스펙트럼 분석에 기초하여 수분 흡수율을 산출하는 제어부를 포함하는 수분 측정 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 신호발신부는 상기 발신되는 신호의 주파수를 가변하고, 상기 제어부는, 상기 스펙트럼 분석에 기초하여 상기 발신된 신호와 상기 수신된 신호의 차이가 가장 큰 주파수를 검출하고, 상기 검출된 주파수에 기초하여 상기 수분 흡수율을 산출할 수 있다.
또한, 상기 신호발신부는 상기 메타물질 흡수체로 광대역 주파수 신호를 발신할 수 있다.
이하에서는 도 1을 참조하여 메타물질 흡수체(1)에 대하여 설명하기로 한다. 여기서, 메타물질은 금속이나 유전물질 등을 주기적인 배열로 구성하여 자연적으로 존재할 수 없는 전자기적 특성을 인공적으로 구현하기 위한 인공적인 구조 또는 형상을 의미한다. 메타물질의 전자적인 특성은 사용되는 금속이나 유전물질 등의 물질조성 보다 구조적인 요소에서 얻어지는 것으로, 본 발명의 메타물질 흡수체에 사용되는 공진기를 구성하는 물질에 한정을 하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체(1)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 메타물질 흡수체(1)는 유닛셀(10)을 기본 구조로 제공될 수 있다. 다시 말해, 메타물질 흡수체(1)는 단일의 유닛셀(10)로 이루어지거나 또는 복수의 유닛셀(10)의 어레이 형태로 이루어질 수 있다.
메타물질 흡수체(1)가 하나의 유닛셀(10)의 유닛셀(10)로 제공되는 경우, 메타물질 흡수체(1)는 판 형상의 단일 유닛셀(10)로 제공될 수 있다. 또한, 메타물질 흡수체(1)가 복수의 유닛셀(10)로 제공되는 경우, 메타물질 흡수체(1)는 복수의 유닛셀(1)의 배열로 제공될 수 있다. 예를 들어, 메타물질 흡수체(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 유닛셀(10)이 6개의 행과 6개의 열의 배열로 제공될 수 있다.
예시로 설명된 메타물질 흡수체(1)는 설명의 편의를 위한 예시일 뿐이며, 사용자의 선택에 의해서 보다 많거나 적은 유닛셀(10)의 배열을 갖는 메타물질 흡수체(1)가 제공될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀(10)에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀(10)의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀(10)의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 유닛셀(10)은 제1 기판(100), 수분 흡수층(200) 및 제2 기판(300)을 포함할 수 있다. 제1 기판(100)은 전파가 입되는 상면을 제공하고, 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기(Split Ring Resonator, SRR)을 포함하여 공진주파수를 제공할 수 있다. 수분 흡수층(200)은 수분을 흡수하는 소재로 이루어진 판 형태로 제공되어 수분 흡수율에 따라 유전율이 변화하고, 이에 따라 분할 링 공진기에서 유도되는 정전 용량을 조정할 수 있다. 제2 기판(200)은 입사된 전파의 투과파를 방지할 수 있다.
제1 기판(100), 수분 흡수층(200) 및 제2 기판(300)은 전파가 입사되는 방향으로부터 제1 기판(100), 수분 흡수층(200) 및 제2 기판(300) 순으로 적층될 수 있다. 다만 여기서, 제1 기판(100), 수분 흡수층(200) 및 제2 기판(300)의 적층 순서는 상술한 실시예에 따른 예시적인 순서이며, 사용자의 선택에 따라서 다른 적층 순서로 적층된 유닛셀(10)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 전파가 입사되는 방향으로부터 수분 흡수층(200), 제1 기판(100) 및 제2 기판(200) 순으로 적층된 유닛셀(10)이 제공될 수 있으며, 이때, 수분 흡수층(200) 및 제1 기판(100) 사이에 추가적인 기판을 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1기판(100)의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 제1 기판(100)은 몸체(101) 및 도체 패턴(110)을 포함할 수 있다.
도체 패턴(110)은 몸체(101) 상에 제공될 수 있다. 몸체(101)는 도체 패턴(110)이 형성되는 베이스를 제공할 수 있으며, 도체 패턴(110)은 유닛셀(10)로 입사되는 전자기적 신호를 입력 받을 수 있으며, 분할 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator)를 구현할 수 있다.
몸체(101)는 유전율을 갖는 유전체 기판으로 제공될 수 있다. 몸체(101)의 유전체는 폴리에스테르(Polyester), 에폭시(Epoxy), 실리콘(Silicone), 테프론(Tefon) 등일 수 있으며, 일반적으로 FR4 기판으로 제공될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
몸체(101)는 사용자의 선택에 따라서 유전율을 갖는 다양한 종류의 유전체 기판으로 제공될 수 있으며, FR4 기판뿐만 아니라 다양한 형태의 기판으로 제공될 수 있다.
도체 패턴(110)는 소정의 도형 형상으로 형성될 수 있다. 도형의 형상은 원의 형상이나, 다각형의 형상일 수 있다. 또한, 도체 패턴(110)은 슬릿(Slit) 구조를 가질 수 있다. 여기서, 슬릿 구조는 도체 패턴(110)으로 구현되는 분할 링 공진기의 정전 용량을 제공하기 위한 틈새 구조로서 분할 링 공진기에 메타물질의 특성을 부여하는 부분이 될 수 있다. 도체 패턴(110)은 적어도 하나 이상의 슬릿 구조를 포함할 수 있으며, 슬릿 구조 각각은 서로 연결되지 않도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 도체 패턴(110)은 정사각형의 형상으로 제공될 수 있으며, 좌측 및 우측에 T형태의 슬릿 구조를 포함할 수 있으며, 좌측 및 우측의 슬릿 구조가 서로 연결되지 않도록 제공될 수 있다.
도 3에 도시된 구조는 실시예에 따른 예시일 뿐이며, 사용자의 선택에 따라서 다양한 형태의 슬릿 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도체 패턴(110)은 좌측 및 우측에 서로 연결되지 않은 직선 형태의 슬릿 구조를 포함할 수 있으며, 다른 예를 들어, 원, 곡선, 다각형 형태의 슬릿 구조를 포함할 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 수분 흡수층(200)은 제1 기판(100)의 하부에제공될 수 있다. 도 2 및 도3에는 수분 흡수층(200)이 제1 기판(100) 하부에 제공되는 것으로 도시하고 있으나, 수분 흡수층(200)은 사용자의 선택에 의하여 상부 또는 하부 중 적어도 일측에 제공될 수 있다.
수분 흡수층(200)은 수분을 흡수하여 수분 흡수율에 따라 유전율이 변화될 수 있다. 도체 패턴(110)으로 구현되는 분할 링 공진기의 정전 용량은 제1 기판(100)에 인접한 수분 흡수층(200)의 유전율의 영향을 받아 변화할 수 있어 수분 흡수층(200)은 그 수분 함량에 따라 분할 링 공진기의 정전 용량을 조정할 수 있다. 또 정전 용량이 변경됨에 따라 분할 링 공진기의 공진 주파수가 변경되어 메타물질 흡수체(1)의 흡수 주파수가 변경될 수 있다. 따라서, 수분 흡수층(200)의 수분 흡수율에 따라서 분할 링 공진기의 공진 수파수가 가변적으로 제어되고, 이에 따라 메타물질 흡수체(1)의 흡수 주파수가 가변적으로 제어될 수 있다.
이러한 수분 흡수층(200)은 수분을 흡수하는 소재로 이루어진 판 형태로 제공될 수 있다. 일반적으로 수분을 흡수하는 소재로는 코르크, 종이, 나무, 멤브레인, 폴리에스테르메쉬, 제올라이트, 웁살라이트, 고분자 흡수체 및 합성수지 등이 있을 수 있다.
다시 도 2 및 도 3를 참조하면, 제2 기판(300)은 수분 흡수층(200)의 하부에 제공될 수 있다. 이러한 제2 기판(300)은 메타물질 흡수체(1)로 입력된 전자파가 투과되는 것을 방지할 수 있다. 제2 기판(300)은 제1 기판(100)에 대응되는 형태의 판 형상으로 제공될 수 있으며, 그 재질로는 구리, 은, 동, 카본, 알루미늄, 철판 및 이들의 조합이 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체(1)의 흡수율 측정 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 5의 실험은 상기 유닛셀(10)을 5X5의 배열로 배치한 상기 메타물질 흡수체(1)를 구성하여 습윤상태 및 건조상태에 따른 공진 주파수와 흡수율을 측정한 실험이다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 메타물질 흡수체(1)는 습윤상태에서 3.4GHz의 공진 주파수를 나타내고, 90.5%의 흡수 비율을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 건조상태에서 4.8GHz의 공진 주파수를 나타내고, 78.5%의 흡수 비율을 나타냄을 알 수 있다.
이와 같은 실험결과는 본 발명에 따른 메타물질 흡수체(1)의 수분 흡수층(200)의 습윤 또는 건조 상태에 따라서, 상기 메타물질 흡수체(1)의 공진 주파수를 가변되어 메타물질 흡수체(1)의 흡수 주파수가 가변되는 것을 알 수 있다.
한편, 이상에서는 메타물질 흡수체(10)에서 각 유닛셀(10)이 각각 제2 기판(300)을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이와 달리 메타물질 흡수체(100’)는 제2 기판(300;)이 복수의 유닛셀(10’)에 공유되는 구조로 구현되는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 메타물질 흡수체(1’)의 사시도이다.
도 6을 참조하면 메타물질 흡수체(1’)는 유닛셀(10’) 및 제2 기판(300’)을 포함할 수 있다. 유닛셀(10’)은 입사되는 전파의 주파수에 따라 선택적으로 전파를 흡수하기 위한 구성일 수 있다.
유닛셀(10’)은 제1 기판(100’) 및 수분 흡수층(200’)을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유닛셀(10’)은 전파의 입사방향으로부터 제1 기판(100’) 및 수분 흡수층(200’)의 순서로 적층 되어 제공될 수 있다.
제1 기판(100’)은 전파가 입사되는 상면을 제공하고, 수분 흡수층(200’)은 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기(Split Ring Resonator, SRR)을 포함하여 공진 주파수를 제공할 수 있다.
제2 기판층(300’)은 투과파를 방지하기 위하여 제공될 수 있다.
제2 기판층(300’)은 유닛셀(10')의 하부에 제공되어 투과파를 방지하는 하부기판일 수 있다.
변형예에 따른 메타물질 흡수체(1’)는 하나의 제2 기판층(300’)상에 복수개의 유닛셀(10’)의 배열이 적층 되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 메타물질 흡수체(1’)는 제2 기판층(300’)상에 유닛셀(10’)이 4개의 행과 3개의 열의 배열로 제공될 수 있다.
예시로 설명된 메타물질 흡수체(‘1)는 설명의 편의를 위한 예시일 뿐이며, 사용자의 선택에 의해서 보다 많거나 적은 유닛셀(10’)의 배열을 갖는 메타물질 흡수체(1)가 제공될 수 있다.
본 발명의 변형예는 상술한 실시예와 비교하였을 때, 제작 과정에 있어서 하부를 형성하는 제2 기판층(300’) 상에 유닛셀(10’)의 배열을 적층하기 때문에 보다 용이하게 제작할 수 있는 효과가 발생할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 수분 측정 시스템에 관하여 설명하기로 한다. 여기서는 수분 측정 시스템이 상술한 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체(1)를 이용하는 것으로 설명하지만, 그 변형예에 따른 메타물질 흡수체(1’)나 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 다른 메타물질 흡수체를 이용하여 수분 측정 시스템을 설계하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 흡수체(1)를 이용한 수분 측정 시스템의 환경도이다.
도 7을 참조하면, 수분 측정 시스템은 메타물질 흡수체(1) 및 측정 장치(400)를 포함할 수 있다. 수분 측정 장치(400)는 수분 측정을 위하여 메타물질 흡수체(1)로 신호를 발신하고, 메타물질 흡수체(1)로부터 반사된 신호를 수신하여 메타물질 흡수체(1)의 수분 흡수율을 산출할 수 있다. 메타물질 흡수체(1)는 수분 측정 장치(400)로부터 발신되는 신호를 수신하고, 발신되는 신호의 주파수에 따라서 선택적으로 흡수 또는 반사할 수 있다.
여기서, 메타물질 흡수체(1)는 제1 기판(100)이 전파를 입사 받는 방향에 놓이도록 수분을 측정하고자 하는 위치에 적절하게 배치될 수 있다. 또 수분 측정 장치(400)는 메타물질 흡수체(1)로 신호를 발신하고, 메타물질 흡수체(1)로부터 반사된 신호를 원격으로 수신하기 위하여 메타물질 흡수체(1)와 충분히 이격 되어 배치될 수 있다.
이하에서는 수분 측정 장치(400)에 대하여 도 8을 참조하여 구체적인 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수분 측정 시스템의 수분 측정 장치(400)의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 수분 측정 장치(400)는 신호발신부(410), 신호수신부(420) 및 제어부(430)를 포함할 수 있다. 신호발신부(410)는 메타물질 흡수체(1)로 신호를 발신하고, 신호수신부(420)은 메타물질 흡수체(1)로부터 반사된 신호를 수신하고, 제어부(430)는 수분 흡수율을 산출할 수 있다.
신호발신부(410)는 메타물질 흡수체(1)로 신호를 발신하기 위한 신호발신장치일 수 있다. 일반적으로 신호를 발신하는 신호발신장치에는 광대역 주파수 송신기, 레이더, 광다이오드, 레이져 다이오드, 초음파 발신장치 등이 있을 수 있다.
신호발신부(410)는 이와 같이 발신하는 신호가 소정의 주파수를 띄도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 신호발신부(410)가 레이더인 경우 발신되는 전자기파에 주파수를 포함하여 발신할 수 있으며, 다른 예를 들어 신호발신부(410)가 광다이오드나 레이져 다이오드인 경우, 출력되는 빛에 주파수를 포함하여 발신할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 신호발신부(410)는 상기 메타물질 흡수체(1)로 광대역 주파수 신호를 발신할 수 있다.
신호발신부(410)는 발신되는 신호에 주파수를 포함하기 위하여 주파수를 생성하는 주파수 생성 장치를 포함할 수 있다. 주파수 생성 장치는 예를 들어 신호발생기 또는 파형발생기일 수 있다. 주파수 생성 장치에서 생성된 주파수는 발신신호에 포함되어 메타물질 흡수체(1)로 발신될 수 있다.
신호발신부(410)는 발신하는 신호의 주파수를 변경하여 메타물질 흡수체(1)로 발신할 수 있다. 신호발신부(410)가 발신하는 신호의 주파수는 제어부(430)의 제어신호에 의하여 가변될 수 있다. 예를 들어, 제어부(410)는 주파수 생성 장치로 제어신호를 발신하여 생성되는 주파수를 가변할 수 있다.
상술한 바와 같이, 신호발신부(410)는 발신하는 신호의 주파수를 변경하여 메타물질 흡수체(1)로 발신할 수 있으나, 신호발신부(410)가 발신하는 신호가 광대역 주파수 신호인 경우, 발신하는 신호의 주파수를 변경하지 않고 발신할 수 있다.
신호수신부(420)는 메타물질 흡수체(1)로부터 반사되는 신호를 수신할 수 있으며, 메타물질 흡수체(1)가 발신된 신호를 흡수한 경우, 신호를 수신하지 않을 수 있다.
신호수신부(420)는 메타물질 흡수체(1)로부터 반사된 신호를 수신하고 이에 대응하는 전기적 신호를 제어부(430)로 전송할 수 있다. 신호수신부(420)는 메타물질 흡수체(1)가 발신한 신호를 흡수하여 반사된 신호를 수신하지 못한 경우, 이에 대응하는 신호를 제어부(430)로 전송할 수 있다.
신호수신부(420)는 예를 들어 광대역 주파수 수신기, 레이더 수신기, 전자기파 수신기, 광수신기, 초음파수신기 등일 수 있다.
제어부(430)는 신호발신부(410)를 제어하여 신호발신부(410)가 발신하는 신호의 주파수를 가변하고, 신호발신부(410)가 발신한 신호와 신호수신부(420)가 수신한 신의 스펙트럼 분석에 기초하여 수분 흡수율을 산출할 수 있다.
제어부(430)는 수분 측정 장치(400)의 전반적인 동작을 총괄하는 컨트롤러일 수 있다. 예를 들어, 제어부(430)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(microcontrollers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 등의 전자적인 유닛 중 적어도 하나 일 수 있다.
제어부(430)는 신호수신부(420)로부터 전송 받은 전기적 신호와 신호발신부(410)가 발신한 신호를 비교할 수 있다. 이를 위하여 제어부(430)는 신호발신부(410)가 발신한 신호의 주파수를 확인할 수 있으며, 신호발신부(410)가 발신한 신호의 주파수가 저장된 저장부(미도시)로부터 신호발신부(410)가 발신한 신호의 주파수를 확인할 수 있다.
제어부(430)는 신호수신부(420)로부터 전송 받은 전기적 신호와 신호발신부(410)가 발신한 신호의 스펙트럼 분석에 기초하여 수분 흡수율을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(430)는 메타물질 흡수체로 발신한 광대역 주파수 신호의 주파수 대역 가운데 수신되지 않은 주파수를 검출하고, 검출된 주파수에 기초하여 상기 수분 흡수율을 산출할 수 있다. 다른 예를 들어, 제어부(430)는 수분 흡수율 산출을 위하여 계산된 수식을 통하여 수분 흡수율을 산출할 수 있다. 또한 제어부(430)는 신호수신부(420)로부터 전송 받은 전기적 신호와 신호발신부(410)가 발신한 신호를 비교한 결과에 대응하는 수분 흡수율을 저장부(미도시)로부터 확인하여 수분 흡수율을 산출할 수 있다. 이때에는 발신 신호 대비 수신 신호의 크기, 위상 지연값 등에 기초하여 메타물질 흡수체(1)에서 가장 많이 흡수된 주파수 대역(예를 들어, 발신 신호 대비 수신 신호의 크기비가 가장 큰 주파수)을 검출하고, 해당 주파수에 따라 정해진 수분 흡수율 값을 측정값으로 획득할 수 있다. 이를 위해 저장부(미도시)에는 비교 결과에 대응하는 수분 흡수율에 대한 데이터가 미리 저장될 수 있다.
제어부(430)가 수분 흡수율을 산출하는 동작은 프로그래밍된 프로그램에 의하여 동작할 수 있으며, 저장부(미도시)는 제어부(430)의 동작을 위한 프로그램이 저장될 수 있다.
이상에서는 수분 측정 장치(400)가 신호발신부(410), 신호수신부(420) 및 제어부(43)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정하지 않고, 신호발신부(410), 신호수신부(420) 및 제어부(43)가 별도의 장치에 독립적으로 구성되어 하나의 시스템으로 제공될 수 있다. 이 경우, 신호발신부(410), 신호수신부(420) 및 제어부(43)는 유선통신 또는 무선 통신방식으로 서로 연결되어 신호를 전송 또는 수신할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
1 메타물질 흡수체 10 유닛셀
100 제1 기판 110 도체패턴
200 수분 흡수층 300 제2 기판
400 측정장치 410 신호발신부
420 신호수신부 430 제어부

Claims (11)

  1. 공진 주파수에 따라 입사되는 신호 중 흡수 주파수의 신호를 흡수하는 메타물질 흡수체로
    슬릿이 형성된 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판; 및
    상기 제1 기판의 상부 또는 하부 중 적어도 일측에 수분을 흡수하는 소재로 이루어진 판 형태로 제공되어, 수분 흡수율에 따라 유전율이 변화됨에 따라 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전 용량을 조정함으로써 상기 수분 흡수율에 따라 공진 주파수를 가변적으로 제어하는 수분 흡수층;을 포함하되,
    상기 메타물질 흡수체는 상기 수분 흡수층의 습윤 또는 건조 상태에 따라서, 흡수 주파수가 가변되는 것을 특징으로하는
    메타물질 흡수체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수분 흡수층은, 코르크, 종이, 나무, 멤브레인, 폴리에스테르메쉬, 제올라이트, 웁살라이트, 고분자 흡수체 및 합성수지 중 적어도 하나를 포함하는
    메타물질 흡수체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수분 흡수층 하부에 투과파를 방지하는 제2 기판;을 더 포함하는
    메타물질 흡수체.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 기판은, 구리, 은, 동, 카본, 알루미늄 및 철판 중 적어도 하나를 포함하는
    메타물질 흡수체,
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기는, 유전체 및 도체를 포함하고,
    상기 유전체는 폴리에스테르, 에폭시, 테플론 및 합성수지 중 적어도 하나를 포함하는
    메타물질 흡수체.
  6. 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 다층 구조의 메타물질로 제공되는 복수의 유닛셀; 및
    상기 유닛셀 하부에 제공되어 투과파를 방지하는 하부 기판;을 포함하되,
    상기 유닛셀은,
    일면에 슬릿을 포함하는 도체 패턴으로 구현되는 분할 링 공진기가 제공되는 제1 기판, 상기 제1 기판의 타면에 수분흡수 가능 소재의 평판으로 제공되어, 흡수된 수분의 양에 따라 유전율이 변화하여 상기 분할 링 공진기에서 유도되는 정전용량을 조정하는 수분 흡수층을 포함하고,
    상기 유닛셀은 상기 수분 흡수층의 습윤 또는 건조 상태에 따라서, 흡수 주파수가 가변되는 것을 특징으로 하는
    메타물질 흡수체.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 하부 기판은, 상기 복수의 유닛셀 각각의 하부에 대응되도록 복수 개로 제공되는
    메타물질 흡수체.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 하부 기판은, 상기 미리 정해진 2차원 배열에 따라 제공되는 복수의 유닛셀의 하부 전체에 대응되도록 단일한 기판으로 제공되는
    메타물질 흡수체.
  9. 수분을 흡수하여 유전율이 변화하는 수분 흡수층을 포함하고, 상기 수분 흡수층의 유전률 변화에 따라 흡수 주파수가 가변되는 메타물질 흡수체;
    상기 메타물질 흡수체로 광대역 신호를 발신하는 신호발신부;
    상기 메타물질 흡수체로부터 반사된 신호를 수신하는 신호수신부; 및
    상기 신호발신부가 상기 메타물질 흡수체로 발신한 신호의 주파수와 상기 메타물질 흡수체로부터 수신한 반사 신호의 주파수간의 비교에 기초하여 수분 흡수율을 산출하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 상기 신호발신부가 발신한 신호의 주파수 중 상기 메타물질 흡수체에 흡수되어 상기 신호수신부에 수신되지 않은 주파수에 대응하는 값을 수분 흡수율로 산출하는
    수분측정 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 신호발신부는 상기 발신되는 신호의 주파수를 가변하고,
    상기 제어부는, 스펙트럼 분석에 기초하여 상기 발신된 신호와 상기 수신된 신호의 차이가 가장 큰 주파수를 검출하고, 상기 검출된 주파수에 기초하여 상기 수분 흡수율을 산출하는
    수분측정 시스템.
  11. 삭제
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