KR102448894B1 - Holographic metasurface gas sensors and wearable device including same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 홀로그래픽 메타표면 가스 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a holographic metasurface gas sensor and a wearable device including the same.
홀로그램은 빛의 간섭을 이용하여 구현된 영상을 의미한다. 구체적으로, 홀로그램은 입체 형상을 재현할 수 있는 기술로서, 레이저의 특성을 이용하여 물체로부터 반사되는 물체파와 또 다른 각도에서 직진되는 기준파의 간섭 현상에 의해 물체 각 부분의 정보를 그대로 입체 형상으로 재생할 수 있는 기술을 의미한다. 이와 같은 홀로그램은 기준파가 홀로그램 장치를 투과함에 따라 이미지가 형성되는 투과형 홀로그램과 기준파가 홀로그램 장치에 의해 반사됨에 따라 이미지가 형성되는 반사형 홀로그램으로 구분될 수 있으며, 일반적으로 전시장이나 콘서트장 등에 사용되거나, 위조 방지 등에 사용되는 홀로그램 기술은 반사형 홀로그램이다. A hologram refers to an image implemented using interference of light. Specifically, a hologram is a technology that can reproduce a three-dimensional shape, and by using the characteristics of a laser, the information of each part of an object is converted into a three-dimensional shape by the interference phenomenon between the object wave reflected from the object and the reference wave going straight from another angle. technology that can be regenerated. Such a hologram can be divided into a transmissive hologram, in which an image is formed as a reference wave passes through a hologram device, and a reflective hologram, in which an image is formed as the reference wave is reflected by the hologram device. The hologram technology used or used for anti-counterfeiting, etc. is a reflective hologram.
이러한 홀로그램 기술을 머리카락 두께보다 매우 얇은 나노 구조인, 메타표면을 통해서 구현할 수가 있는데, 종래의 반사형 메타표면 기반 홀로그램은 금속-비금속-금속 (Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 사용하거나, 비금속 구조를 사용하여 구현이 되어 왔으나, MIM 구조의 홀로그램은 금속의 단파장 가시광선 영역에서의 손실 특성 때문에, 가시광선 전 영역에서 사용될 수가 없다는 단점이 있다. This hologram technology can be implemented through a metasurface, which is a nanostructure that is much thinner than the thickness of a human hair. Conventional reflective metasurface-based holograms use a metal-insulator-metal (MIM) structure, Although it has been implemented using a structure, the hologram of the MIM structure has a disadvantage in that it cannot be used in the entire visible light region due to the loss characteristics of the metal in the short-wavelength visible light region.
또한 비금속의 경우에는, 이산화티타늄(TiO2)을 사용한 구조의 홀로그램은 금속보다 상대적으로 낮은 굴절률로 인해 높은 종횡비(aspect ratio)의 구조를 만들어야 하는 문제점이 있다. 또한, 높은 종횡비를 구현하기 위해, 홀로그램 제조 비용이 매우 증가하는 문제가 발생할 수 있다. In addition, in the case of a non-metal, a hologram having a structure using titanium dioxide (TiO 2 ) has a problem in that a structure having a high aspect ratio has to be made due to a relatively lower refractive index than that of a metal. In addition, in order to realize a high aspect ratio, a problem in that the manufacturing cost of the hologram is greatly increased may occur.
또한, 매년 공장, 하수도 및 전장에서 가스 사고사고가 발생하고 있으며, 기존의 위험감지 센서들은 복잡한 기계 및 전자소자로 구성되어 있어, 비싼 가격, 복잡한 사용법, 느린 반응속도, 감지요소 변경을 위한 소자의 구조/소재 변경 등과 같은 단점이 있다.In addition, gas accidents occur every year in factories, sewerage systems, and electric fields. Existing risk detection sensors are composed of complex mechanical and electronic devices. There are disadvantages such as structure/material change.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 외부 자극(예를 들어, 휘발성 가스)에 의해 서로 다른 홀로그램 이미지를 실시간으로 생성할 수 있는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 장치를 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention are proposed to solve the above problems, and include a holographic metasurface gas sensor capable of generating different holographic images in real time by an external stimulus (eg, volatile gas) and the same To provide a wearable device that
또한, 유독 가스(예를 들어, 휘발성 가스)를 실시간으로 탐지해 홀로그램 이미지 정보를 통해 시각적 알람 기능을 제공할 수 있는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 장치를 제공하고자 한다. Another object of the present invention is to provide a holographic metasurface gas sensor capable of detecting toxic gas (eg, volatile gas) in real time and providing a visual alarm function through holographic image information, and a wearable device including the same.
본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 나노 구조체가 제공되는 메타표면층; 상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 접촉하는 특정 물질에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 액정층은, 상기 특정 물질의 접촉에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, a meta-surface layer provided with a plurality of nanostructures; It is provided on one side of the meta-surface layer and includes a liquid crystal layer comprising a plurality of cells whose arrangement can be changed by a specific material in contact, wherein the liquid crystal layer comprises a plurality of cells by contact of the specific material. A holographic metasurface gas sensor capable of changing the polarization state of transmitted light passing through the liquid crystal layer by changing the arrangement can be provided.
또한, 상기 액정층에 상기 특정 물질을 포함하지 않는 공기가 접촉하는 경우, 상기 메타표면층과 인접하는 상기 액정층의 셀은 일방향으로 정렬되고, 상기 공기와 접촉하는 상기 액정층의 셀은 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, when air not containing the specific material is in contact with the liquid crystal layer, the cells of the liquid crystal layer adjacent to the meta surface layer are aligned in one direction, and the cells of the liquid crystal layer in contact with the air are in the one direction and A holographic metasurface gas sensor that aligns in a different direction may be provided.
또한, 상기 일방향으로 정렬된 셀은 폴리이미드 코팅층과 3° 내지 5° 각도를 이루고 배치되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, a holographic metasurface gas sensor may be provided in which the cells aligned in one direction form an angle of 3° to 5° with the polyimide coating layer.
또한, 상기 다른 방향으로 정렬된 셀은 폴리이미드 코팅층과 수직인 각도를 이루며 배치되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, there may be provided a holographic metasurface gas sensor in which the cells aligned in different directions are disposed at an angle perpendicular to the polyimide coating layer.
또한, 상기 공기와 접촉하는 상기 액정층의 셀로부터 메타표면층에 인접하는 상기 액정층의 셀로 근접함에 따라, 상기 셀과 폴리이미드 코팅층이 이루는 각도가 작아지는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, as the cell of the liquid crystal layer in contact with the air approaches the cell of the liquid crystal layer adjacent to the meta surface layer, a holographic meta surface gas sensor in which the angle between the cell and the polyimide coating layer becomes smaller can be provided. .
또한, 상기 액정층에 특정 물질이 확산되는 경우, 상기 액정층은, 4-시아노-4'-펜틸바이페닐이 등방성 상으로 변화된 등방성층; 및 특정 물질과 접촉하지 않은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐을 갖는 이방성층을 포함하는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, when a specific material is diffused into the liquid crystal layer, the liquid crystal layer may include an isotropic layer in which 4-cyano-4'-pentylbiphenyl is changed into an isotropic phase; and an anisotropic layer having 4-cyano-4'-pentylbiphenyl not in contact with a specific material may be provided.
또한, 상기 액정층에 특정 물질이 접촉하는 경우, 상기 특정 물질로 접촉하는 상기 셀을 포함하는 액정층의 적어도 일부는 등방성 상을 갖는 등방성층으로 변화되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, when a specific material is in contact with the liquid crystal layer, at least a portion of the liquid crystal layer including the cell in contact with the specific material is changed to an isotropic layer having an isotropic phase may be provided with a holographic metasurface gas sensor. .
또한, 상기 등방성 상을 갖는 등방성층은 시간이 경과함에 따라 상기 메타표면층을 향해 확장되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the isotropic layer having the isotropic phase may be provided with a holographic metasurface gas sensor that extends toward the metasurface layer over time.
또한, 상기 셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐로 제공되고, 이방성층에 포함된 4-시아노-4'-펜틸바이페닐은 상기 등방성층의 경계면에서 25˚ 내지 30˚각도를 갖는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the cell is provided with 4-cyano-4'-pentylbiphenyl, and 4-cyano-4'-pentylbiphenyl included in the anisotropic layer is at an angle of 25˚ to 30˚ at the interface of the isotropic layer. A holographic metasurface gas sensor with
또한, 상기 액정층에 상기 특정 물질을 포함하지 않은 공기가 접촉하는 경우, 상기 액정층과 메타표면층을 투과하는 투과광에 의해 제1 이미지(I1)가 생성되고, 상기 액정층에 특정 물질이 접촉하는 경우, 상기 액정층과 메타표면층을 투과하는 투과광에 의해 제2 이미지(I2)가 생성되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, when air not containing the specific material is in contact with the liquid crystal layer, the first image I1 is generated by the transmitted light passing through the liquid crystal layer and the meta surface layer, and the specific material is in contact with the liquid crystal layer In this case, a holographic metasurface gas sensor in which the second image I2 is generated by the transmitted light passing through the liquid crystal layer and the metasurface layer may be provided.
또한, 상기 제1 이미지(I1)와 상기 제2 이미지(I2)는 서로 다른 홀로그램으로 생성되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, a holographic metasurface gas sensor in which the first image I1 and the second image I2 are generated as different holograms may be provided.
또한, 상기 제1 이미지(I1)로부터 상기 제2 이미지(I2)로의 변화는 휘발성 가스에 노출 후 1초 이내에 발생되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, a change from the first image I1 to the second image I2 may be provided with a holographic metasurface gas sensor that occurs within 1 second after exposure to a volatile gas.
또한, 상기 특정 물질은 휘발성 가스로 제공되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, a holographic metasurface gas sensor in which the specific material is provided as a volatile gas may be provided.
또한, 상기 특정 물질은 아이소프로필 알코올(IPA)로 제공되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the specific material may be provided with a holographic metasurface gas sensor provided with isopropyl alcohol (IPA).
또한, 상기 메타표면층은, 상기 액정층과 접촉하는 폴리이미드 코팅층을 포함하는 기판층; 및 상기 기판층의 상측에 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the meta surface layer, the substrate layer comprising a polyimide coating layer in contact with the liquid crystal layer; and a holographic metasurface gas sensor including a plurality of nanostructures disposed on the upper side of the substrate layer.
또한, 복수 개의 나노 구조체는, 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체와, 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체를 포함하고, 상기 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체와 상기 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체는 서로 직교하도록 배열되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the plurality of nanostructures includes a nanostructure included in the first group of nanostructures and a nanostructure included in the second group of nanostructures, wherein the nanostructures and the second nanostructure included in the first group of nanostructures are included. The nanostructures included in the structure group may be provided with a holographic metasurface gas sensor arranged to be orthogonal to each other.
또한, 상기 메타표면층의 기판층은 변형가능한 플렉시블 기판으로 제공되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the substrate layer of the metasurface layer may be provided with a holographic metasurface gas sensor provided as a deformable flexible substrate.
또한, 상기 나노 구조체는 수소화 비정질 실리콘으로 제공되는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the nanostructure may be provided with a holographic metasurface gas sensor made of hydrogenated amorphous silicon.
또한, 상기 메타표면층은, 액정층과 마주보는 면에 셀을 일방향으로 정렬시키기 위한 폴리이미드 코팅층을 포함하는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the meta surface layer may be provided with a holographic meta surface gas sensor including a polyimide coating layer for aligning cells in one direction on a surface facing the liquid crystal layer.
또한, 상기 나노 구조체는 이산화티타늄 나노입자를 포함하는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 제공될 수 있다.In addition, the nanostructure may be provided with a holographic metasurface gas sensor including titanium dioxide nanoparticles.
본 발명의 일측면에 따르면, 사용자의 신체에 착용가능한 웨어러블 장치로서, 상기 웨어러블 장치의 일부에는 청구항 1에 기재된 홀로그래픽 메타표면 가스 센서가 부착된 웨어러블 장치가 제공될 수 있다. According to one aspect of the present invention, as a wearable device that can be worn on a user's body, a wearable device to which the holographic metasurface gas sensor described in
본 발명의 실시예들에 따른 홀로그래픽 메타표면 가스 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 장치는 외부 자극(예를 들어, 휘발성 가스)에 의해 서로 다른 홀로그램 이미지를 실시간으로 생성할 수 있다. A holographic metasurface gas sensor and a wearable device including the same according to embodiments of the present invention may generate different holographic images in real time by an external stimulus (eg, volatile gas).
또한, 유독 가스(예를 들어, 휘발성 가스)를 실시간으로 탐지해 홀로그램 이미지 정보를 통해 시각적 알람 기능을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a visual alarm function through holographic image information by detecting toxic gas (eg, volatile gas) in real time.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에 입사광(L1)이 투과되었을 때, 휘발성 가스의 접촉여부에 따라 서로 다른 이미지가 생성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)의 메타표면층(10)의 일부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 액정층(20)에 휘발성 가스의 접촉여부에 따른 셀(202)의 배열의 변경을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)와 휘발성 가스의 접촉에 따른 액정층(20)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)와 휘발성 가스의 접촉 후 시간이 지남에 따라 생성되는 등방성층(20B)의 두께와 셀(202)의 위상지연(τ)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1의 메타표면층(10)의 나노 구조체(102)의 크기 및 배치에 따른 나노 구조체(102)를 투과하는 빛의 위상 커버리지(phase coverage) 및 파면 변조(wavefront modulation)를 나타내는 도면이다.
도 8은 최적의 나노 구조체(102)의 크기를 설계하기 위한 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 실제 제작한 사진이다.
도 11은 도 10의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 곡면을 갖는 웨어러블 장치인 고글에 부착한 사진이다.
도 12는 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)와 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제작된 나노 구조체(102)의 입사광(L1)의 파장에 따른 이미지 해상도를 나타낸다.1 is a diagram schematically showing a holographic
FIG. 2 is a view showing that when incident light L1 is transmitted through the holographic
FIG. 3 is a diagram schematically showing a part of the
FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating a change in the arrangement of
FIG. 5 is a view showing changes in the
6 is a graph showing the thickness of the
FIG. 7 is a diagram illustrating phase coverage and wavefront modulation of light passing through the
8 is a diagram illustrating a simulation for designing an optimal size of the
FIG. 10 is a photograph of actually manufacturing the holographic
11 is a photograph of attaching the holographic
12 shows the wavelength of incident light L1 of the
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에 입사광(L1)이 투과되었을 때, 휘발성 가스의 접촉여부에 따라 서로 다른 이미지가 생성되는 것을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)의 메타표면층(10)의 일부를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 액정층(20)에 휘발성 가스의 접촉여부에 따른 셀(202)의 배열의 변경을 개념적으로 나타내는 도면이다. FIG. 1 is a view schematically showing a holographic
도 1 내지 도 4에 도시된 메타표면층(10)과 액정층(20)의 각 구성(예를 들어, 나노 구조체(102)와 셀(202)의 크기 등)은 이해를 돕기 위해 과장되게 도시되었다.Each configuration of the
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)는 복수 개의 나노 구조체(102)가 제공되는 메타표면층(10); 및 메타표면층(10)의 일측에 제공되고, 접촉하는 특정 물질에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀(202)을 포함하는 액정층(20)을 포함할 수 있다. 1 to 4, the holographic
여기서, 특정 물질은 휘발성 가스(volatile gas)일 수 있으며, 휘발성 가스는 아이소프로필 알코올(IPA)를 포함할 수 있다. Here, the specific material may be a volatile gas, and the volatile gas may include isopropyl alcohol (IPA).
아이소프로필 알코올(IPA)의 독성은 복통, 혼란, 현기증 및 느린 호흡을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 반도체 산업에서 백혈병의 주요 원인 중 하나로 의심되고 있다. The toxicity of isopropyl alcohol (IPA) is known to cause abdominal pain, confusion, dizziness and slow breathing, and is suspected as one of the leading causes of leukemia in the semiconductor industry.
본 실시예의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)는 이러한 독성을 갖는 아이소프로필 알코올(IPA)이 누출되었는지 홀로그램을 통해 시각적으로 즉시 알려줄 수 있는바, 유해가스에 노출될 수 있는 환경에서 작업하는 작업자의 위험을 제거할 수 있다. The holographic
다만, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 특정 물질은 기체 이외에, 독성을 갖는 액체 및 고체를 포함할 수 있다. However, the spirit of the present invention is not limited thereto, and specific substances may include toxic liquids and solids in addition to gases.
본 실시예의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)는 액정으로 제공되는 액정층(20)과 메타표면층(10)을 결합해, 미량(예를 들어, 0.82ppm 이하)의 가스가 탐지되더라도 즉시 액정층(20)의 셀(202)의 배열이 바뀌어 메타표면층(10)으로 입사되는 편광 상태를 조절해 홀로그램 이미지를 변경할 수 있다. The holographic
본 실시예의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)는 실리콘의 가시광선 영역에서의 이중 자기 공명 현상(dual magnetic resonances)과 기하학적 및 진행 위상(geometric and propagation phase)을 바탕으로 메타표면층(10)을 설계하였고, 편광 방향에 따라 2 가지 종류의 홀로그램 이미지를 공간 상에 띄울 수 있도록 하기 위해 2 종류의 메타표면 구조를 사용하였다. The holographic
하나의 종류는 좌원 편광된 빛을 비추었을 때 제2 이미지(I2)가 나타나고, 다른 하나의 종류는 우원 편광된 빛을 비추었을 때 제1 이미지(I1)를 띄울 수가 있다. One type may display the second image I2 when the left circularly polarized light is illuminated, and the other type may display the first image I1 when the right circularly polarized light is illuminated.
수소화 비정질 실리콘 기반의 투과형 홀로그램은 좌원/우원 편광된 입사광(L1)이 입사됨에 따라 특정 초점 영역에서 2 가지의 서로 다른 on-axis 홀로그램 이미지를 잔상 없이 매우 선명하게 생성할 수 있다. The hydrogenated amorphous silicon-based transmission hologram can generate two different on-axis holographic images very clearly without afterimage in a specific focal region as the incident light L1 polarized in left and right circles is incident.
구체적으로, 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에 입사광(L1)이 입사되는 경우, 특정 물질(예를 들어, 휘발성 가스)이 액정층(20)과 접촉하는지에 따라 서로 다른 이미지가 출력될 수 있다. Specifically, when the incident light L1 is incident on the holographic
예를 들어, 액정층(20)에 휘발성 가스가 포함되지 않은 공기가 접촉하는 경우, 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 투과하는 투과광에 의해 제1 이미지(I1)가 생성될 수 있고, 액정층(20)에 휘발성 가스가 접촉하는 경우, 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 투과하는 투과광에 의해 제2 이미지(I2)가 생성될 수 있다. For example, when air that does not contain a volatile gas comes into contact with the
본 실시예에서 제1 이미지(I1)와 제2 이미지(I2)는 서로 다른 이미지로서, 각각 스마일 형상의 홀로그램과 정삼각형 안에 있는 느낌표 형상의 홀로그램을 예시하나, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. In this embodiment, the first image I1 and the second image I2 are different images, respectively, exemplifying a smile-shaped hologram and an exclamation mark-shaped hologram in an equilateral triangle, but the spirit of the present invention is not limited thereto .
제1 이미지(I1)와 제2 이미지(I2)에 의해 나타나는 형상은 메타표면층(10)의 나노 구조체(102)의 형상 및 배열에 따라 달라질 수 있다. The shape represented by the first image I1 and the second image I2 may vary depending on the shape and arrangement of the
본 실시예에서 입사광(L1)은 제1 이미지(I1)로 향하는 빛으로 이해될 수 있고, 투과광(L2)은 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 투과하여 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)와 멀어지는 방향으로 향하는 빛으로 이해될 수 있다. In the present embodiment, the incident light L1 may be understood as light directed to the first image I1, and the transmitted light L2 transmits the holographic
입사광(L1)이 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에 입사되고, 휘발성 가스가 액정층(20)에 접촉함에 따라 편광상태가 바뀐 투과광(L2)이 메타표면층(10)에 도입될 수 있고, 편광상태가 바뀐 투과광(L2)이 메타표면층(10)을 투과함으로써, 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지가 출력될 수 있다. The incident light L1 is incident on the holographic
예를 들어, 휘발성 가스를 포함하지 않는 공기가 액정층(20)에 접촉하는 경우, 입사광(L1)이 액정층(20)을 투과한 후 편광상태가 변경되지 않은 투과광(L21)이 메타표면층(10)에 도입될 수 있고, 편광상태가 변경되지 않은 투과광(L21)이 메타표면층(10)을 투과하여 제1 이미지(I1)가 생성될 수 있다.For example, when air that does not contain a volatile gas contacts the
또한, 휘발성 가스가 액정층(20)에 접촉하는 경우, 입사광(L1)이 액정층(20)을 투과한 후 편광상태가 변경된 투과광(L22)이 메타표면층(10)에 도입될 수 있고, 편광상태가 변경된 투과광(L22)이 메타표면층(10)을 투과하여 제2 이미지(I2)가 생성될 수 있다. 액정층(20)에 대한 자세한 설명은 후술한다. In addition, when the volatile gas comes into contact with the
메타표면층(10)은 액정층(20)과 접촉하는 폴리이미드 코팅층(110)을 포함하는 기판층(100); 및 기판층(100)의 상측에 배치되는 복수 개의 나노 구조체(102)를 포함할 수 있다. The
기판층(100)은 평면 플레이트 형상일 수 있으며, 복수 개의 단위 요소(111)가 연속적으로 배열되어 형성될 수 있따. 여기서, 평면은 X축과 Y축 방향으로 연장되는 면이고, Z축은 평면과 수직한 방향으로 입사광(L1)이 진행하는 방향으로 이해될 수 있다. The
하나의 단위 요소(111)는 XY평면을 정면에서 보았을 때 한 변의 길이가 P인 정사각형 형상일 수 있다. One unit element 111 may have a square shape with a side length P when viewed from the front in the XY plane.
기판층(100)은 이산화규소(SIO2)로 제공될 수 있으며, 기판층(100)의 두께는 10nm 내지 100nm일 수 있다. The
기판층(100)의 상측에는 복수 개의 나노 구조체(102)가 제공될 수 있다. 여기서, 나노 구조체(102)는 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제공될 수 있다. A plurality of
하나의 나노 구조체(102)는 하나의 단위 요소(111) 상에 배치될 수 있으며, 연속적으로 배치된 단위 요소(111) 상에 배치된 나노 구조체(102)가 배열되어 메타표면층(10)을 형성할 수 있다. One
본 실시예에서 나노 구조체(102)는 길이(L), 폭(W), 높이(H)를 갖는 직육면체 형상을 가질 수 있다. In this embodiment, the
기판층(100)은 변형가능한 플렉시블 기판으로 제공될 수도 있으며, 이때 나노 구조체(102)는 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다. The
복수 개의 나노 구조체(102)는 메타표면층(10)을 투과하는 투과광(L2)의 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지가 출력되는 크기 및 배열로 제공될 수 있다.The plurality of
예를 들어, 입사광(L1)과 동일한 편광상태를 갖는 투과광(L21)이 메타표면층(10)을 투과하는 경우 제1 이미지(I1)가 생성되고, 입사광(L1)과 편광상태가 다른 투과광(L22)이 메타표면층(10)을 투과하는 경우 제2 이미지(I2)가 생성될 수 있다. For example, when the transmitted light L21 having the same polarization state as the incident light L1 passes through the
여기서, 편광상태의 변화는 액정층(20)에 접촉하는 휘발성 가스의 존재여부에 따라 달라질 수 있으며, 입사광(L1)의 파장은 633nm일 수 있다. Here, the change in the polarization state may vary depending on the presence or absence of a volatile gas in contact with the
복수 개의 나노 구조체(102)의 배열에 따른 서로 다른 이미지 생성에 대한 보다 자세한 설명은 후술한다.A more detailed description of the generation of different images according to the arrangement of the plurality of
액정층(20)은 복수 개의 셀(202)을 포함할 수 있다. The
여기서, 셀(202)은 네마틱 액정 셀(nematic liquid crystal)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 네마틱 액정 셀(nematic liquid crystal)은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB)로 제공될 수 있다. Here, the
도 4의 (a)는 휘발성 가스를 포함하지 않은 공기와 접촉하는 액정층(20)의 셀(202)의 배열을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 4의 (b)는 액정층(20)에 휘발성 가스가 접촉되었을 때 셀(202)의 변화를 개념적으로 나타내는 도면이다. Figure 4 (a) is a diagram conceptually showing the arrangement of the
액정층(20)에 휘발성 가스를 포함하지 않는 공기가 접촉하는 경우(도 4의 (a)참조), 메타표면층(10)과 인접하는 액정층(20)의 셀(202)은 일방향으로 정렬되고, 공기와 접촉하는 상기 액정층(20)의 셀(202)은 일방향과 다른 방향으로 정렬될 수 있다.When the
여기서, 일방향으로 정렬된 셀(202)은 폴리이미드 코팅층(110)과 3° 내지 5° 각도를 이루고 배치될 수 있고, 바람직하게는 3.8°를 이루며 배치될 수 있다. 이러한 각도는 기판층(100)에 코팅된 문질러진 폴리이미드 코팅층(110)에 의해 형성될 수 있다. Here, the
또한, 상기 다른 방향으로 정렬된 셀(202)은 폴리이미드 코팅층(110)과 수직인 각도를 이루며 배치될 수 있다. 여기서, 각도는 셀(202)의 장축과 폴리이미드 코팅층(110) 또는 기판층(100)이 이루는 각도일 수 있다. In addition, the
또한, 액정층(20)에 휘발성 가스를 포함하지 않는 공기가 접촉하는 경우, 공기와 접촉하는 액정층(20)의 셀(202)로부터 폴리이미드 코팅층(110)에 인접하는 액정층(20)의 셀(202)로 근접함에 따라, 셀(202)과 폴리이미드 코팅층(110)이 이루는 각도는 작아질 수 있다. 이러한 셀(202)들의 배열상태는 하이브리드 고정 구성(hybrid anchoring configuration)으로 명명될 수 있다. In addition, when the
이러한, 액정층(20)에 휘발성 가스를 포함하지 않는 공기가 접촉하는 경우, 셀(202)들은 상술한 배열을 가질 수 있고(도 4의 (a)), 그에 따라 편광상태가 변경되지 않은 투과광(L21)이 나올 수 있다. When the
액정층(20)에 휘발성 가스(예를 들어, 아이소프로필 알코올(IPA))가 접촉하는 경우(도 4의 (b)참조), 휘발성 가스 분자가 액정층(20)으로 확산되어, 셀(202)의 순서가 낮아질 수 있다(lowering the LC ordering). 즉, 네마틱 액정 셀(nematic liquid crystal)로 제공되는 셀(202)은 등방성 상(isotropic phase)으로 전이될 수 있고, 이러한 층을 등방성층(20B)이라 한다. When a volatile gas (eg, isopropyl alcohol (IPA)) comes into contact with the liquid crystal layer 20 (see FIG. 4 (b)), the volatile gas molecules diffuse into the
네마틱 액정 셀(nematic liquid crystal)로부터 등방성 상(isotropic phase)으로의 전이는 휘발성 가스와 접촉하는 면에서 시작되고, 시간이 경과함에 따라 등방성 상(isotropic phase)은 메타표면층(10)을 향해서 확장될 수 있다. The transition from the nematic liquid crystal to the isotropic phase starts at the side in contact with the volatile gas, and over time, the isotropic phase expands toward the
이러한 결과는 네마틱 액정 셀(nematic liquid crystal)로 제공되는 셀(202)이 휘발성 가스(또는 독성 가스)를 즉각적으로 감지하고, 투과된 빛의 편광을 변환하는 능력을 나타낸다. These results indicate the ability of the
이는 휘발성 가스에 대해 노출 시간이 지남에 따라 점진적으로 감소하는 셀(202)의 위상지연(τ)에 의해 입증될 수 있다. 또한, 등방성층(20B)의 두께는 셀(202)의 위상지연(τ)으로부터 추출될 수 있다.This can be evidenced by the phase delay τ of the
또한, 이방성층(20A)에 포함된 셀(202)로 제공되는 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB)은 상기 등방성층(20B)의 경계면에서 25°내지 30°의 각도를 가질 수 있고, 바람직하게는 26.5°의 각도를 가질 수 있다. In addition, 4-cyano-4'-pentylbiphenyl (5CB) provided to the
편광 변조를위한 셀(202)은 액정층(20)은 폴리이미드 코팅층(110)을 포함하는 유리판에 결합될 수 있다. 폴리이미드 코팅층(110)은 1000rpm에서 10 초 동안 스핀 코팅 한 다음 2500rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅하여 제조될 수 있다. The
그 후, 폴리이미드 코팅층(110)을 230° C에서 50 분 동안 베이킹하고, 폴리이미드 코팅층(110)을 문질러 셀(202)을 일방향으로 정렬시킬 수 있따. 셀(202)들 사이의 간격은 10μm 내지 30μm으로 제공될 수 있고, 바람직하게는 20μm로 제공될 수 있다. Thereafter, the
도 5는 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)와 휘발성 가스의 접촉에 따른 액정층(20)의 변화를 나타내는 도면이다. FIG. 5 is a view showing changes in the
도 6은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)와 휘발성 가스의 접촉 후 시간이 지남에 따라 생성되는 등방성층(20B)의 두께와 셀(202)의 위상지연(τ)을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the thickness of the
도 5는 액정층(20)을 상측에서 본 도면이고, 도 5의 좌측하단의 작은 네모는 측면에서 본 모습을 나타낸다. FIG. 5 is a view of the
도 5의 (a)는 액정층(20)에 휘발성 가스가 노출되지 않았을 때의 모습이고, 도 5의 (b)는 액정층(20)에 휘발성 가스에 노출된 후 몇 초(예를 들어, 1초) 후 의 모습이고, 도 5의 (c)는 액정층(20)에 휘발성 가스가 노출된 후 140초가 지난 후의 모습이다. 5 (a) is a view when the
도 5를 참조하면, 액정층(20)에 휘발성 가스가 노출됨에 따라 셀(202)을 포함하는 이방성층(20A)에서 등방성 상(isotropic phase)을 갖는 등방성층(20B)이 확장되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5 , it can be seen that the
도 6의 (a), (b), (c)는 각각 파란점, 녹색점, 빨간점에 대응될 수 있다. (a), (b), and (c) of FIG. 6 may correspond to a blue dot, a green dot, and a red dot, respectively.
도 6을 참조하면, 휘발성 가스의 노출시간이 지남에 따라 셀(202)의 위상지연(τ)이 감소하고, 등방성층(20B)의 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the phase delay τ of the
이하에서는 복수 개의 나노 구조체(102)를 포함하는 메타표면층(10)에 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the
복수 개의 나노구조체(102)는 비대칭-스핀 궤도 상호작용(asymmetric-spin orbit interaction, A-SOI) 헬리시티(helicity)를 이용하도록 배열되는 것으로 이해될 수 있다.It may be understood that the plurality of
도 7은 도 1의 메타표면층(10)의 나노 구조체(102)의 크기 및 배치에 따른 나노 구조체(102)를 투과하는 빛의 위상 커버리지(phase coverage) 및 파면 변조(wavefront modulation)를 나타내는 도면이고, 도 8은 최적의 나노 구조체(102)의 크기를 설계하기 위한 시뮬레이션을 나타내는 도면이다. FIG. 7 is a view showing phase coverage and wavefront modulation of light passing through the
도 7 및 도 8을 참조하면, 복수 개의 나노구조체(102)는 서로 수직방향으로 배열된 복수 개의 나노구조체를 포함할 수 있다. 7 and 8 , the plurality of
예를 들어, 복수 개의 나노구조체(102)는 제1 나노구조체그룹(102A)으로 제공되는 제1 나노구조체(1021), 제2 나노구조체(1022), 제3 나노구조체(1023), 제4 나노구조체(1024)와 제2 나노구조체그룹(102B)으로 공되는 제5 나노구조체(1025), 제6 나노구조체(1026), 제7 나노구조체(1027), 제8 나노구조체(1028)를 포함하고, 제1 나노구조체그룹(102A)의 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)는 제2 나노구조체그룹(102B)의 나노구조체(1025, 1026, 1027, 1028)와 직교하도록 배열될 수 있다. For example, the plurality of
또한, 제1 나노구조체그룹(102A)에 포함된 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)는 서로 다른 크기를 갖되 동일한 각도를 갖도록 배열될 수 있다. 또한, 제2 나노구조체그룹(102B)에 포함된 나노구조체(1025, 1026, 1027, 1028)도 서로 다른 크기를 갖되, 동일한 각도를 갖도록 배열될 수 있다.In addition, the
이와 같이 서로 직교하는 나노구조체를 포함하는 두개의 그룹은 8스텝으로 2π 위상 범위를 커버할 수 있다. 또한, 도 7에서 인접한 나노 구조체(102)를 투과한 빛의 위상차는 45도이다. As such, two groups including nanostructures orthogonal to each other can cover the 2π phase range in 8 steps. In addition, in FIG. 7 , the phase difference of light passing through the
제1 나노구조체그룹(102A)에 포함된 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)는 필요한 위상지연(τ)을 제공하고, 제2 나노구조체그룹(102B)에 포함된 나노구조체(1025, 1026, 1027, 1028)는 제1 나노구조체그룹(102A)에 포함된 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)와 동일한 크기를 갖되 서로 90도 각도를 갖도록 배치될 수 있다. The
제1 나노구조체그룹(102A)의 나노구조체들과 제2 나노구조체그룹(102B)의 나노구조체들이 서로 수직하게 배열하고, 나노구조체들의 크기를 최적화 함으로써, 나노구조체들이 배치된 방향과 무관한 추가 위상 이동(phase shift)을 달성할 수 있다. 이에 의해 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 출력할 수 있다. By arranging the nanostructures of the
또한, 도 8은 나노 구조체(102)의 길이(L) 및 폭(W)의 함수로서 우원편광(RCP)된 입사광(L1)이 나노 구조체(102)를 투과하고 난 후의 좌원편광된 빛의 투과효율(TLR)을 나타내는 도면이다. In addition, FIG. 8 shows the transmission of left circularly polarized light after right circularly polarized (RCP) incident light L1 has passed through the
흰색점은 해상도를 고려하면서 회절 효율이 높은 4개의 선택된 나노 구조체(102)를 나타낸다. White dots indicate four selected
나노구조체(102)는 길이(L) 180nm 내지 250nm 일 수 있으며, 폭(W)은 60nm 내지 120nm 일 수 있다. 또한, 나노구조체(102)의 높이(H)는 300nm 내지 500nm일 수 있으며, 바람직하게는 400nm 일 수 있다.The
또한, 단위 요소(111)의 한변의 길이(P)는 300nm일 수 있다.Also, the length P of one side of the unit element 111 may be 300 nm.
와 는 각각 LCP 및 RCP에서 두 개의 고유한 홀로그램 패턴을 생성하는 데 필요한 두 개의 별개 대상 이미지의 위상 분포를 나타내며 다음과 같이 표현될 수 있습니다. Wow represents the phase distribution of two distinct target images required to generate two distinct holographic patterns in LCP and RCP, respectively, and can be expressed as
상기 식은 및 의 값을 결정하는 데 사용할 수 있는 두 방정식의 조합이다.the above formula and It is a combination of two equations that can be used to determine the value of .
최적화된 모든 나노 구조체(102)는 메타표면층(10)에서의 위치에 해당하는 지연 위상(retardation phase) 및 방향각도(orientation angle) 로 암호화된다.All optimized
우리는 제1 이미지인 스마일 형상 및 제2 이미지인 경보 상태 형상을 나타내는 2 차원 이미지를 사용하여 각각 위상 분포 및 를 결정할 수 있다. 이와 같은 나노 구조체(102)들을 배치함으로써 편광상태에 따라 제1 이미지 또는 제2 이미지가 출력될 수 있다. We use a two-dimensional image representing the first image, the smile shape, and the second image, the alarm state shape, to distribute the phases, respectively. and can be decided By disposing the
이하에서는, 액정층(20)의 셀(202)의 설계에 대해 보다 자세히 검토한다.Hereinafter, the design of the
긴-분자 순서(long-rage molecular ordering)를 갖는 이방성 매체(anisotropic medium)의 셀(202)의 배치는 외부 자극(예를 들어, 휘발성 가스)에 의해 제어될 수 있다. The placement of the
셀(202)의 방향은 디렉터(director,)에 의해 설명되고, 회전의 정도(degree of orientation)는 순서 매개 변수(s)에 의해 다음과 같이 표현된다.The direction of the
여기서, 는 디렉터()와 셀(202)의 축(molecular axis) 사이의 각도이다.here, is the director ( ) and the angle between the molecular axis of the
S는 온도에 따라 달라지며, 온도가 증가함에 따라 감소하여, 무작위로 정렬된 상태가 유도될 수 있다. S varies with temperature, and decreases with increasing temperature, so that a randomly ordered state can be induced.
셀(202)이 디렉터(director, n)와 평행할 때 S=1일 수 있고, 등방성 상(isotropic phase)일때에는 S=0일 수 있다. S=1 when
액정층(20)을 통과하는 빛의 위상지연(τ)은 셀(202)의 순서 또는 배열에 의해 조절될 수 있다.The phase delay τ of the light passing through the
휘발성 가스의 접촉에 따른 셀(202)의 재배치는 셀(202)의 유효굴절율(effective refractive index)을 변경시킬 수 있으며, 유효굴절율(effective refractive index)의 변화는 하기 식으로 표현될 수 있다.Repositioning of the
여기서, ne는 extraordinary reflective index를 나타내고, no는 ordinary reflective index를 나타낼 수 있고, 는 접선 원점(tangential orientation)을 나타낼 수 있다. Here, ne may represent an extraordinary reflective index, n o may represent an ordinary reflective index, may represent a tangential orientation.
따라서, 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)을 실현할 수 있음에 따라 액정층(20)을 투과하는 투과광(L2)의 편광상태를 제어할 수 있다. Accordingly, the polarization state of the transmitted light L2 passing through the
여기서, 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.Here, the phase retardation of the
여기서, d는 액정층(20)의 두께, λ는 액정층(20)에 입사하는 입사광(L1)의 파장으로 이해될 수 있으며, 입사광(L1)과 투과광(L2)의 파장은 동일할 수 있다.Here, d may be understood as the thickness of the
이하에서는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 웨어러블 장치로 확장하기 위한 원스텝(one-step) 나노캐스팅(nanocasting) 프로세스를 활용하여 플렉시블한 메타표면층(10)을 제조하기 위한 방법을 나타낸다. Hereinafter, a method for manufacturing the
도 9는 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 웨어러블 장치로 확장하기 위한 원스텝(one-step) 나노 캐스팅 프로레스를 사용하여 플렉시블한 메타표면층(10)을 제조하기 위한 방법을 나타낸다. 9 shows a method for manufacturing a
도 9를 참조하면, 메타표면층(10)은 나노 구조체(102)의 형태 및 배열을 갖는 마스터 스탬프를 이용하여 폴리머 몰드를 제조하는 단계; 폴리머 몰드에 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 UV경화수지를 스핀코팅하는 단계; 상기 UV경화수지에 UV 및 압력을 가하여 경화하는 단계; 및 상기 폴리머 몰드를 분리하여 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)를 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다. Referring to FIG. 9 , the
이러한 과정에 의해 메타표면층(10)을 제작하는 경우, 나노 구조체(102)는 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함할 수 있다. When the
그 후, 나노 구조체(102)를 포함하는 기판층(100)과 폴리이미드 코팅층(110)을 결합하여 메타표면층(10)을 형성하고, 메타표면층(10)과 액정층(20)을 결합하여 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 제조할 수 있다. After that, the
여기서, 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)에 포함된 나노입자 수지 복합재(nanoparticle-resin composite, NPC)는 전체 가시스펙트럼에서 흡광계수(extinction coefficient)는 0이고, 굴절률 (n)은 1.5 내지 2.5를 가지므로, 유전체 메타표면으로 사용될 수 있다. Here, the nanoparticle-resin composite (NPC) contained in the titanium dioxide nanoparticles (TIO 2 NPs) has an extinction coefficient of 0 in the entire visible spectrum, and the refractive index (n) is 1.5 to 2.5. Therefore, it can be used as a dielectric metasurface.
따라서 유전체층 증착, 전자빔 리소그래피 및 후속 에칭 공정과 같은 복잡한 나노 제조 공정 없이도 1 단계 나노 캐스팅 공정을 사용하여 도 9에 도시된 기판층(100)에 나노 구조체(102)로 제공되는 메타표면층(10)을 구현할 수 있다. 이러한 공정에 의해 메타표면층(10) 및 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 대량생산할 수 있다. Therefore, the
도 9의 A와 같이 나노입자 수지 복합재(nanoparticle-resin composite, NPC)를 포함하는 메타표면층(10)을 제작하기 위해 마스터 스탬프를 SAM(self-assembled monolayer)으로 코팅하여 접착력을 줄임으로써 고분자 몰드를 쉽게 분리 할 수 있습니다.As shown in A of FIG. 9, the master stamp is coated with SAM (self-assembled monolayer) to produce a
또한, 경질 폴리디메틸 실록산 (Hard polydimethylsiloxane, h-PDMS)은 마스터 스탬프에 스핀 코팅되고 열 경화되어 나노 구조체(102)에 의해 구현되는 메타 표면 구조를 복제할 수 있다. 단일 h-PDMS 레이어는 강하게 접촉되어 파괴없이 마스터 스탬프에서 분리 할 수 없기 때문에 추가 PDMS가 h-PDMS 레이어에 코팅될 수 있다.In addition, hard polydimethylsiloxane (h-PDMS) can be spin-coated on a master stamp and heat-cured to replicate the meta-surface structure implemented by the
마스터 스탬프에서 폴리머 몰드를 분리 한 후 나노입자 수지 복합재(nanoparticle-resin composite, NPC)를 폴리머 몰드에 스핀 코팅하여 폴리머 몰드의 패턴을 균일하게 채우고 잔류 용매를 제거한다. 그 후, 폴리머 몰드를 유연한 폴리에틸렌 테레 프탈레이트(PET) 기판에 나노입자 수지 복합재(nanoparticle-resin composite, NPC)를 포함하는 면을 아래로 놓습니다. 폴리머 몰드의 기계적 안정성과 높은 UV 투명성은 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 적절한 압력으로 UV 노출을 사용하여 주조 할 수 있게한다. 경화 과정에서 UV 노출은 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)의 단량체를 중합할 수 있다. NPC의 잔류 용매는 높은 투과성으로 인해 폴리머 몰드로 확산되고, NPC는 표면 에너지가 낮은 폴리머 몰드보다 PET 기판에 더 강하게 부착되므로 쉽게 분리 할 수 있습니다. 폴리머 몰드가 방출 된 후 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)가 기판층(100)에 남을 수 있다. After separating the polymer mold from the master stamp, a nanoparticle-resin composite (NPC) is spin-coated on the polymer mold to uniformly fill the pattern of the polymer mold and remove the residual solvent. After that, place the polymer mold face down containing the nanoparticle-resin composite (NPC) on a flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate. The mechanical stability and high UV transparency of the polymer mold enable the casting of titanium dioxide nanoparticles (TIO 2 NPs) using UV exposure with appropriate pressure. UV exposure during the curing process can polymerize the monomers of titanium dioxide nanoparticles (TIO 2 NPs). The residual solvent of NPC diffuses into the polymer mold due to its high permeability, and the NPC adheres more strongly to the PET substrate than the polymer mold with low surface energy, so it can be easily separated. After the polymer mold is released, the
이와 같이 제작된 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 메타표면층(10)은 도 9의 C와 D에 나타나 있다. The meta-
도 10은 도 1의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 실제 제작한 사진이고, 도 11은 도 10의 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 곡면을 갖는 웨어러블 장치인 고글에 부착한 사진이다.10 is a photograph of the actual production of the holographic
이와 같은 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)가 부착된 웨어러블 장치를 쓰고 작업자가 작업을 하는 경우, 유해가스에 노출 시 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)를 통해 즉각 웨어러블 장치에 위험 표시가 표시될 수 있다. 이에 의해 유해가스에 노출될 수 있는 위험을 갖는 환경에서 작업하는 작업자에게 유해가스에 노출되어 발생할 수 있는 피해를 예방할 수 있다. When an operator wears a wearable device with such a holographic
도 12는 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)와 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제작된 나노 구조체(102)의 입사광(L1)의 파장에 따른 이미지 해상도를 나타낸다.12 shows a
도 12를 참조하면 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)는 입사광의 파장이 532nm이하 일때 선명한 이미지가 나타나고, 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제작된 나노 구조체(102)는 입사광(L1)의 파장이 600nm이상일 때 선명한 이미지를 나타낸다. 12 , the
따라서, 본 실시예에서 이산화티타늄 나노입자(TIO2NPs)를 포함하는 나노 구조체(102)를 ㄱ갖는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에는 파장이 532nm이하인 입사광(L1)이 조사될 수 있고,Therefore, in this embodiment, the holographic
수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제작된 나노 구조체(102)를 갖는 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1)에는 파장이 600nm이상인 입사광(L1)이 조사될 수 있다. The holographic
이상 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 메타표면 가스 센서(1) 및 이를 포함하는 웨어러블 장치을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.Above, the holographic
1 : 홀로그래픽 메타표면 가스 센서
10 : 메타표면층
100 : 기판층
102 : 나노 구조체
102A : 제1 나노구조체그룹
102B : 제2 나노구조체그룹
110 : 폴리이미드 코팅층
20 : 액정층
202 : 셀
20A : 이방성층
20B : 등방성층1: Holographic metasurface gas sensor
10: meta surface layer
100: substrate layer
102: nano structure
102A: first group of nanostructures
102B: second nanostructure group
110: polyimide coating layer
20: liquid crystal layer
202 : cell
20A: anisotropic layer
20B: isotropic layer
Claims (21)
상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 접촉하는 특정 물질에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고,
상기 액정층은,
상기 특정 물질의 접촉에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.A meta surface layer provided with a plurality of nano structures;
It is provided on one side of the meta surface layer and includes a liquid crystal layer including a plurality of cells whose arrangement can be changed by a specific material in contact,
The liquid crystal layer is
By changing the arrangement of the plurality of cells by contact of the specific material, it is possible to change the polarization state of transmitted light passing through the liquid crystal layer.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 액정층에 상기 특정 물질을 포함하지 않는 공기가 접촉하는 경우, 상기 메타표면층과 인접하는 상기 액정층의 셀은 일방향으로 정렬되고, 상기 공기와 접촉하는 상기 액정층의 셀은 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
When air not containing the specific material is in contact with the liquid crystal layer, the cells of the liquid crystal layer adjacent to the meta surface layer are aligned in one direction, and the cells of the liquid crystal layer in contact with the air are in a direction different from the one direction sorted by
Holographic metasurface gas sensor.
상기 일방향으로 정렬된 셀은 폴리이미드 코팅층과 3° 내지 5° 각도를 이루고 배치되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.3. The method of claim 2,
The cells aligned in one direction are arranged at an angle of 3° to 5° with the polyimide coating layer.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 다른 방향으로 정렬된 셀은 폴리이미드 코팅층과 수직인 각도를 이루며 배치되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.3. The method of claim 2,
The cells aligned in the other direction are arranged at an angle perpendicular to the polyimide coating layer.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 공기와 접촉하는 상기 액정층의 셀로부터 메타표면층에 인접하는 상기 액정층의 셀로 근접함에 따라, 상기 셀과 폴리이미드 코팅층이 이루는 각도가 작아지는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.3. The method of claim 2,
As the cell of the liquid crystal layer in contact with the air approaches the cell of the liquid crystal layer adjacent to the meta surface layer, the angle between the cell and the polyimide coating layer becomes smaller.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 액정층에 특정 물질이 확산되는 경우,
상기 액정층은,
4-시아노-4'-펜틸바이페닐이 등방성 상으로 변화된 등방성층; 및
특정 물질과 접촉하지 않은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐을 갖는 이방성층을 포함하는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
When a specific substance is diffused in the liquid crystal layer,
The liquid crystal layer is
an isotropic layer in which 4-cyano-4'-pentylbiphenyl is changed into an isotropic phase; and
Comprising an anisotropic layer having 4-cyano-4'-pentylbiphenyl not in contact with a specific material
Holographic metasurface gas sensor.
상기 액정층에 특정 물질이 접촉하는 경우, 상기 특정 물질로 접촉하는 상기 셀을 포함하는 액정층의 적어도 일부는 등방성 상을 갖는 등방성층으로 변화되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
When a specific material is in contact with the liquid crystal layer, at least a portion of the liquid crystal layer including the cell in contact with the specific material is changed to an isotropic layer having an isotropic phase
Holographic metasurface gas sensor.
상기 등방성 상을 갖는 등방성층은 시간이 경과함에 따라 상기 메타표면층을 향해 확장되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.8. The method of claim 7,
The isotropic layer having the isotropic phase expands toward the metasurface layer over time.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐로 제공되고,
이방성층에 포함된 4-시아노-4'-펜틸바이페닐은 상기 등방성층의 경계면에서 25°내지 30°의 각도를 갖는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.9. The method of claim 8,
The cell is provided as 4-cyano-4'-pentylbiphenyl,
4-cyano-4'-pentylbiphenyl included in the anisotropic layer has an angle of 25° to 30° at the interface of the isotropic layer
Holographic metasurface gas sensor.
상기 액정층에 상기 특정 물질을 포함하지 않은 공기가 접촉하는 경우, 상기 액정층과 메타표면층을 투과하는 투과광에 의해 제1 이미지(I1)가 생성되고,
상기 액정층에 특정 물질이 접촉하는 경우, 상기 액정층과 메타표면층을 투과하는 투과광에 의해 제2 이미지(I2)가 생성되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
When air that does not contain the specific material comes into contact with the liquid crystal layer, a first image I1 is generated by transmitted light passing through the liquid crystal layer and the meta surface layer,
When a specific material is in contact with the liquid crystal layer, the second image I2 is generated by the transmitted light passing through the liquid crystal layer and the meta surface layer.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 제1 이미지(I1)와 상기 제2 이미지(I2)는 서로 다른 홀로그램으로 생성되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.11. The method of claim 10,
The first image I1 and the second image I2 are generated as different holograms.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 제1 이미지(I1)로부터 상기 제2 이미지(I2)로의 변화는 휘발성 가스에 노출 후 1초 이내에 발생되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.12. The method of claim 11,
The change from the first image I1 to the second image I2 occurs within 1 second after exposure to a volatile gas.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 특정 물질은 휘발성 가스로 제공되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The specific substance is provided as a volatile gas
Holographic metasurface gas sensor.
상기 특정 물질은 아이소프로필 알코올(IPA)로 제공되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
This particular substance is provided as isopropyl alcohol (IPA).
Holographic metasurface gas sensor.
상기 메타표면층은,
상기 액정층과 접촉하는 폴리이미드 코팅층을 포함하는 기판층; 및
상기 기판층의 상측에 배치되는 복수 개의 나노 구조체를 포함하는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The meta surface layer,
a substrate layer including a polyimide coating layer in contact with the liquid crystal layer; and
comprising a plurality of nanostructures disposed on the upper side of the substrate layer
Holographic metasurface gas sensor.
복수 개의 나노 구조체는,
제1 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체와,
제2 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체를 포함하고,
상기 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체와 상기 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노 구조체는 서로 직교하도록 배열되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
A plurality of nanostructures,
Nanostructures included in the first group of nanostructures, and
and a nanostructure included in the second group of nanostructures,
The nanostructures included in the first group of nanostructures and the nanostructures included in the second group of nanostructures are arranged to be orthogonal to each other.
Holographic metasurface gas sensor.
상기 메타표면층의 기판층은 변형가능한 플렉시블 기판으로 제공되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The substrate layer of the meta surface layer is provided as a deformable flexible substrate
Holographic metasurface gas sensor.
상기 나노 구조체는 수소화 비정질 실리콘으로 제공되는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The nanostructure is provided with hydrogenated amorphous silicon
Holographic metasurface gas sensor.
상기 메타표면층은,
액정층과 마주보는 면에 셀을 일방향으로 정렬시키기 위한 폴리이미드 코팅층을 포함하는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The meta surface layer,
A polyimide coating layer for aligning cells in one direction on a surface facing the liquid crystal layer
Holographic metasurface gas sensor.
상기 나노 구조체는 이산화티타늄 나노입자를 포함하는
홀로그래픽 메타표면 가스 센서.The method of claim 1,
The nanostructure includes titanium dioxide nanoparticles
Holographic metasurface gas sensor.
웨어러블 장치.
A wearable device that can be worn on a user's body, wherein the holographic metasurface gas sensor according to claim 1 is attached to a part of the wearable device.
wearable devices.
Priority Applications (1)
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