KR102627563B1 - High modulation metamaterial structure - Google Patents
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Abstract
본원은 제어 신호에 의해 가변성 유전율을 갖는 전도체 및 유전체를 포함하는 고변조 메타물질 구조체에 관한 것이다.The present application relates to a highly modulated metamaterial structure including a conductor and a dielectric having a variable dielectric constant by a control signal.
Description
본원은, 제어 신호에 의해 가변성 유전율을 갖는 전도체 및 유전체를 포함하는 고변조 메타물질 구조체에 관한 것이다.The present application relates to a highly modulated metamaterial structure including a conductor and a dielectric having a variable dielectric constant by a control signal.
외부 자극에 대해 광학적 특성이 변하는 물질은 센서, 레이저 등 광학기기의 제어장치, 디스플레이 소자, 스마트 창문과 같은 다양한 분야에서 쓰일 수 있다. 외부 자극에 따라 변화하는 광학적 특성은 대표적으로 광 손실(유전율의 허수부와 관련)이나 굴절률(유전율의 실수부와 관련), 편광특성(유전율 텐서의 변화와 관련) 등이 있다. 또한 이를 변화시키는 외부 자극으로는 전압, 온도, 압력 등이 있을 수 있다. 이러한 외부 자극을 제어 신호로 활용하여 다양한 방식으로 광 손실, 굴절률, 편광 특성을 제어하는 물질들이 있지만, 제어 신호에 따른 변화량이 작아 원하는 변화량을 달성하려면 상대적으로 부피가 큰 소자가 필요하거나, 광 손실, 유전율, 편광 특성 등을 자유롭게 조절하지 못하는 경우가 많았다.Materials whose optical properties change in response to external stimuli can be used in various fields such as control devices for optical devices such as sensors and lasers, display devices, and smart windows. Optical properties that change according to external stimulation typically include optical loss (related to the imaginary part of the dielectric constant), refractive index (related to the real part of the dielectric constant), and polarization characteristics (related to changes in the dielectric constant tensor). Additionally, external stimuli that change this may include voltage, temperature, and pressure. There are materials that control optical loss, refractive index, and polarization characteristics in various ways by using these external stimuli as control signals, but the amount of change due to the control signal is small, so a relatively bulky device is needed to achieve the desired amount of change, or optical loss is required. , dielectric constant, polarization characteristics, etc., could not be freely adjusted in many cases.
본 발명의 발명자는 선행연구에서 전기쌍극자의 증대와 이의 공간 채움 배열을 통해 1800 이상의 매우 큰 유효 굴절률을 가지는 메타물질을 완성한 바 있다 (대한민국 등록특허공보 제10-2246367호). 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위해 이를 응용하여 전압, 온도, 압력 등 제어 신호에 따라 물성이 매우 크게 바뀌는 고변조 메타물질 구조체를 구현하였다. In prior research, the inventor of the present invention has completed a metamaterial with a very large effective refractive index of 1800 or more through the increase of electric dipoles and their space-filling arrangement (Korean Patent Registration No. 10-2246367). In order to solve the above problems, the present invention applied this to implement a highly modulated metamaterial structure whose physical properties change significantly depending on control signals such as voltage, temperature, and pressure.
본원은, 제어 신호에 의해 가변성 유전율을 갖는 전도체 및 유전체를 통해 구조체 전체의 유전율이 조절되는 고변조 메타물질 구조체에 관한 것이다.The present application relates to a highly modulated metamaterial structure in which the dielectric constant of the entire structure is adjusted through a conductor and dielectric having a variable dielectric constant by a control signal.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본원의 제 1 측면은, 매트릭스 형태로 배열된 복수의 전도체 및 상기 복수의 전도체 사이에 위치하는 유전체를 포함하는, 복수의 전도체층; 및 상기 복수의 전도체층 사이에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층을 포함하고, 상기 복수의 전도체; 상기 유전체; 또는 이들 모두가 제어 신호에 의한 가변성 유전율을 갖는, 메타물질 구조체를 제공한다.A first aspect of the present disclosure includes a plurality of conductor layers, including a plurality of conductors arranged in a matrix and a dielectric positioned between the plurality of conductors; and a dielectric layer located between the plurality of conductor layers and including a dielectric, the plurality of conductors; The dielectric; Or, all of these provide a metamaterial structure having a variable dielectric constant by a control signal.
본원의 제 2 측면은, 하부층; 제 1 측면에 따른 메타물질 구조체; 및 상부층을 포함하고, 상기 하부층 - 상기 메타물질 구조체 - 상기 상부층 순으로 적층된, 유체채널 센서를 제공한다.The second aspect of the present application is a lower layer; A metamaterial structure according to the first aspect; and an upper layer, wherein the fluid channel sensor is stacked in the order of the lower layer - the metamaterial structure - the upper layer.
본원의 구현예들에 따른 메타물질 구조체는, 제어 신호에 따라 광학적 특성이 매우 민감하게 반응하여 원하는 물성 변화량을 상대적으로 작은 부피의 소자로 달성할 수 있으며, 메타물질 설계에 따라 광 손실, 굴절률, 편광 특성 등을 원하는 바에 맞춰서 변화할 수 있도록 설계될 수 있는 특징이 있다.The metamaterial structure according to the embodiments of the present application has optical properties that react very sensitively to control signals, so that the desired change in physical properties can be achieved with a relatively small volume device, and depending on the metamaterial design, light loss, refractive index, There is a feature that it can be designed so that polarization characteristics, etc. can be changed to suit what is desired.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 메타물질 구조체의 모식도(a) 및 이의 단면도(b)를 나타낸다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 제어 신호에 따라 가변성 유전율을 갖는 유전체를 사용한 경우에서 유전체의 유전율의 단위 변화량에 따른 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화량을 측정한 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 메타물질 구조체를 이용한 유체 채널 센서를 나타내는 개략도이다.Figure 1 shows a schematic diagram (a) and a cross-sectional view (b) of a metamaterial structure according to an embodiment of the present application.
Figure 2 is a graph measuring the effective dielectric constant change of the metamaterial structure according to the unit change in dielectric constant of the dielectric when a dielectric having a variable dielectric constant according to a control signal is used in an embodiment of the present application.
Figure 3 is a schematic diagram showing a fluid channel sensor using a metamaterial structure according to an embodiment of the present application.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case where it is “directly connected,” but also the case where it is “electrically connected” with another element in between. do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification of the present application, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where the member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary. As used throughout the specification, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and are used to convey the understanding of the present application. Precise or absolute figures are used to assist in preventing unscrupulous infringers from taking unfair advantage of stated disclosures.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The term “step of” or “step of” as used throughout the specification does not mean “step for.”
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term “combination(s) thereof” included in the Markushi format expression refers to a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means containing one or more selected from the group consisting of the above components.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, references to “A and/or B” mean “A or B, or A and B.”
본원 명세서 전체에서, "전도체"의 기재는, 본 발명의 기술분야에서 일반화된 전도성이 우수한 물질뿐만 아니라, 유전체에 비해 상대적으로 전도성이 큰 물질까지 포함하는 것을 의미할 수 있다. 즉, "전도체"의 기재는 전도성이 매우 우수한 금속 등에 한정되어 해석되지 않을 수 있다. Throughout the specification of the present application, the description of “conductor” may mean not only materials with excellent conductivity that are generalized in the technical field of the present invention, but also materials with relatively high conductivity compared to dielectrics. In other words, the description of “conductor” may not be interpreted as being limited to metals with excellent conductivity.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, implementation examples and examples of the present application will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present application may not be limited to these implementations, examples, and drawings.
본원의 제 1 측면은, 매트릭스 형태로 배열된 복수의 전도체 및 상기 복수의 전도체 사이에 위치하는 유전체를 포함하는, 복수의 전도체층; 및 상기 복수의 전도체층 사이에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층을 포함하고, 상기 복수의 전도체; 상기 유전체; 또는 이들 모두가 제어 신호에 의한 가변성 유전율을 갖는, 메타물질 구조체를 제공한다. A first aspect of the present disclosure includes a plurality of conductor layers, including a plurality of conductors arranged in a matrix and a dielectric positioned between the plurality of conductors; and a dielectric layer located between the plurality of conductor layers and including a dielectric, the plurality of conductors; The dielectric; Or, all of these provide a metamaterial structure having a variable dielectric constant by a control signal.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제어 신호는 온도 변화, 전압 변화 및 압력 변화 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 전도체층의 복수의 전도체, 상기 유전체층의 유전체 또는 이들 모두가 제어 신호에 따라 물성이 변하는 물질이 사용됨으로써 상기 제어 신호에 따라 상기 메타물질 구조체 전체가 매우 큰 유효 물성 변화를 일으키도록 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the control signal may include one or more selected from temperature change, voltage change, and pressure change. Specifically, the plurality of conductors of the conductor layer, the dielectric of the dielectric layer, or all of them are made of materials whose physical properties change according to the control signal, so that the entire metamaterial structure can cause a very large change in effective physical properties according to the control signal. You can.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가변성 유전율의 변화에 의해 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율이 조절되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제어 신호에 따라 상기 메타물질 구조체 전체는 물성 변화가 일어날 수 있으며, 이는 메타물질 구조체의 유효 유전율의 변화에 의해 물성 변화가 나타나는 것일 수 있다. 상기 변화하는 물성은 광 손실, 굴절률 또는 편광 특성을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present application, the effective dielectric constant of the metamaterial structure may be adjusted by a change in the variable dielectric constant. Specifically, the physical properties of the entire metamaterial structure may change depending on the control signal, and this may be due to a change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure. The changing physical properties may include light loss, refractive index, or polarization properties.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가변성 유전율 변화량에 비해 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율의 변화량이 큰 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율의 변화량은 상기 가변성 유전율의 단위 변화량에 민감하고 종래 기술에 비해 현저히 크게 반응하여 나타나는 것으로, 이를 통해 작은 부피 소자로도 목적하는 응용이 구현될 수 있는 특징이 있다.In one embodiment of the present application, the amount of change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure may be greater than the amount of change in the variable dielectric constant. Specifically, the amount of change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure is sensitive to the unit change amount of the variable dielectric constant and responds significantly larger than that of the prior art, which allows the desired application to be implemented even with a small volume device. there is.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제어 신호에 의한 상기 가변성 유전율의 단위 변화량에 대해 상기 메타물질 구조체가 일정한 유효 유전율 변화량을 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가변성 유전율의 단위 변화량에 대해 상기 메타물질 구조체가 일정한 유효 유전율을 변화량을 나타내므로, 목적하는 응용에 맞추어 메타물질 구조체의 설계가 용이하고 예측가능성이 높아 센서 등 유체채널 응용소자에 활용될 수 있는 특징이 있다.In one embodiment of the present application, the metamaterial structure may have a constant effective dielectric constant change amount with respect to the unit change amount of the variable dielectric constant due to the control signal. Specifically, since the metamaterial structure shows a constant amount of change in effective dielectric constant for a unit change in the variable dielectric constant, it is easy to design the metamaterial structure according to the intended application and has high predictability, so it can be used in fluid channel application devices such as sensors. There are features that can be done.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 전도체는 상기 유전체에 비해 유전율이 같거나 큰 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 전도체가 상기 유전체에 비해 유전율이 같거나 큰 것의 의미는, 상기 유전체에 비해 유전율이 현저히 크거나, 유사한 경우에 있어서도 근소하게 유전율이 큰 경우를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the plurality of conductors may have a dielectric constant equal to or greater than that of the dielectric. Specifically, the meaning that the plurality of conductors have the same or greater dielectric constant than the dielectric may include cases where the dielectric constant is significantly greater than that of the dielectric or when the dielectric constant is slightly greater even in similar cases.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 전도체층 각각에 존재하는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 전도체에서, 서로 이웃하는 전도체층 내부의 상기 전도체들은 서로 오버랩(overlap)되어 배치되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, in a plurality of conductors arranged in a matrix form present in each of the plurality of conductor layers, the conductors within adjacent conductor layers may be arranged to overlap each other.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 메타물질 구조체는 상기 복수의 전도체의 간격, 높이 및 종류; 상기 유전체층의 높이 및 종류; 상기 메타물질 구조체의 길이 및 높이; 및 작동 주파수 중 하나 이상이 조절될 수 있다. 상기 메타물질 구조체의 전도체층과 유전체층에서의 다양한 길이는 구조 파라미터로서, 종류 및 작동 주파수와 함께 목적하는 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화를 설계에 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, the metamaterial structure includes the spacing, height, and type of the plurality of conductors; Height and type of the dielectric layer; Length and height of the metamaterial structure; and operating frequency may be adjusted. The various lengths of the conductor layer and dielectric layer of the metamaterial structure are structural parameters and can be used to design the change in effective dielectric constant of the desired metamaterial structure along with the type and operating frequency.
도 1을 참조하여 본원 메타물질 구조체의 광학적 특성을 구성 물질의 광학 특성에 대한 함수로 나타내는 이론 모델을 통해 본원 메타물질 구조체의 광학적 특성 변화량을 정량적으로 나타낼 수 있다. 본원의 메타물질의 기본 구조는 도 1의 a와 같은 것으로서, 매트릭스 형태로 배열된 복수의 전도체와 이들 사이에 위치하는 유전체를 포함하는 전도체층이 2개의 층을 이루며 상기 전도체층 사이에 유전체층이 위치하고 있다. Referring to FIG. 1, the amount of change in the optical properties of the metamaterial structure herein can be quantitatively expressed through a theoretical model that represents the optical properties of the metamaterial structure herein as a function of the optical properties of the constituent materials. The basic structure of the metamaterial of the present application is as shown in a in FIG. 1, in which a plurality of conductors arranged in a matrix form and a conductor layer containing a dielectric located between them form two layers, and a dielectric layer is located between the conductor layers. there is.
일 구현예로서 상기 전도체는 금속, 상기 유전체는 제어 신호(전압, 온도, 압력)에 따라 유전율이 변하는 유전체(비제한적인 예로 액정)인 경우에서, 상기 유전체의 유전율 변화에 따른 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화를 확인할 수 있다. 금속(도 1의 a에서의 A, B 레이어)의 유전율 εm, 유전체의 유전율 εd(|εm| >> |εd|), 도 1의 b에서의 구조 파라미터에 따른 고변조 메타물질의 유효 유전율을 나타내면 아래와 같다.As an embodiment, in the case where the conductor is a metal and the dielectric is a dielectric whose dielectric constant changes according to a control signal (voltage, temperature, pressure) (a non-limiting example, liquid crystal), the metamaterial structure changes according to the dielectric constant of the dielectric. The change in effective permittivity can be confirmed. High modulation metamaterial according to the dielectric constant ε m of the metal (layers A and B in a in Figure 1), the dielectric constant ε d (|ε m | >> |ε d |) of the dielectric, and the structural parameters in b in Figure 1. The effective permittivity of is expressed as follows.
[식 1][Equation 1]
; ;
(여기서, , )(here, , )
상기 식 1을 εd에 대해 미분하여 ∂eff/∂d를 구하면, 메타물질 구조체의 유효 유전율이 유전체의 유전율의 변화에 따라 얼마나 민감하게 변화하는지 알 수 있다. 예를 들어, a = 750 μm, g = 120 μm, hm = 300 nm, hd = 300 nm, 작동 주파수 10 GHz를 가정하면, 유전체의 유전율 범위 2 내지 5에 대해서, ∂eff/∂d의 값은 도 2와 같이 구해진다. 도 2에서 살펴볼 수 있듯이, 유전체의 유전율이 2 내지 5의 범위에서 1만큼씩 변화할 때 메타물질 구조체의 유효 유전율은 5 X 105 만큼 매우 크게 변함을 알 수 있다. 상기 도 2의 결과는 하나의 예시이며, 상기 식 1로부터 다양한 물질, 작동 주파수, 구조 파라미터를 변경하더라도 메타물질 구조체의 유효 유전율의 변화량을 쉽게 계산할 수 있다. 또한, 다양한 실제 요구조건에 맞도록 사용되는 물질, 구조 파라미터, 작동 주파수 등을 최적화할 수 있다. By differentiating Equation 1 with respect to ε d to obtain ∂ eff /∂ d , it can be seen how sensitive the effective dielectric constant of the metamaterial structure changes depending on the change in dielectric constant of the dielectric. For example, assuming a = 750 μm, g = 120 μm, h m = 300 nm, h d = 300 nm, and an operating frequency of 10 GHz, for the dielectric constant range 2 to 5, ∂ eff /∂ d of The value is obtained as shown in Figure 2. As can be seen in Figure 2, when the dielectric constant of the dielectric changes by 1 in the range of 2 to 5, the effective dielectric constant of the metamaterial structure changes very significantly by 5 The result of FIG. 2 is an example, and from Equation 1, the change in effective dielectric constant of the metamaterial structure can be easily calculated even if various materials, operating frequencies, and structural parameters are changed. Additionally, the materials used, structural parameters, operating frequencies, etc. can be optimized to suit various actual requirements.
또 다른 일 구현예로서, 상기 전도체는 제어 신호에 따라 유전율이 변하는 전도체 또는 반도체, 상기 유전체는 실리콘 등 절연성 물질인 경우, 상기 전도체의 유전율 변화에 따른 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화를 확인할 수 있다. 전도체(도 1의 a에서의 A, B 레이어)의 유전율(εm)의 크기가 유전체의 유전율(εd)의 크기와 비슷한 경우와 전도체의 유전율(εm)의 크기가 유전체의 유전율(εd)의 크기보다 매우 큰 경우로 나누어서 메타물질 구조체의 유효 유전율을 구할 수 있다. 이 두가지 상태는 제어신호에 따라 변환될 수 있다.As another embodiment, when the conductor is a conductor or semiconductor whose dielectric constant changes according to a control signal, and the dielectric is an insulating material such as silicon, a change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure according to a change in the dielectric constant of the conductor can be confirmed. . When the size of the dielectric constant (ε m ) of the conductor (layers A and B in a in Figure 1) is similar to the size of the dielectric constant (ε d ) of the conductor and the size of the dielectric constant (ε m ) of the dielectric (ε) The effective dielectric constant of the metamaterial structure can be obtained by dividing it into cases that are much larger than the size of d ). These two states can be converted depending on the control signal.
1) 먼저, 전도체의 유전율의 크기가 유전체의 유전율의 크기와 대략적으로 비슷한 경우 메타물질 구조체의 유효 유전율은 아래와 같이 구할 수 있다. 금속 층의 유효 유전율은 εm,eff ≒ aεmεd[(a-g)εd + gεm]-1와 같이 나타낼 수 있으므로, 메타물질 구조체의 유전율은 아래와 같이 나타낼 수 있다.1) First, if the size of the dielectric constant of the conductor is approximately similar to that of the dielectric, the effective dielectric constant of the metamaterial structure can be obtained as follows. Since the effective dielectric constant of the metal layer can be expressed as ε m,eff ≒ aε m ε d [(ag)ε d + gε m ] -1 , the dielectric constant of the metamaterial structure can be expressed as follows.
[식 2][Equation 2]
2) 다음으로, 전도체의 유전율의 크기가 유전체의 유전율의 크기보다 매우 큰 경우, 메타물질 구조체의 유효 유전율은 상기 식 1과 같이 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전도체가 바나듐 산화물(VO2)의 경우, 주파수 2.5 GHz에서, 저온(20℃) 에서는 유전율이 대략 200 + 200i, 고온(100℃) 에서는 유전율이 대략 3.6 Х 105i이다. 이를 이용하면, 구조 파라미터를 a = 10 μm, g = 1 μm, hm = hd = 1 μm 로 가정하고, 유전체의 유전율 d = 100을 가정하면, 메타물질 구조체의 유효 유전율이 저온에서는 대략 150 + 70i, 고온에서는 대략 1750 + 17i 정도의 값으로 매우 큰 차이를 나타낸다. 특히, VO2 자체의 금속-절연체 전이(metal-insulator transition, MIT)와 달리, 메타물질 구조체는 변조 전후로 모두 (손실이 있는)절연체의 특성을 보일 수 있다. 2) Next, when the dielectric constant of the conductor is much larger than that of the dielectric, the effective dielectric constant of the metamaterial structure can be expressed as Equation 1 above. For example, if the conductor is vanadium oxide (VO 2 ), at a frequency of 2.5 GHz, the dielectric constant is approximately 200 + 200i at low temperature (20°C) and approximately 3.6 Х 10 5i at high temperature (100°C). Using this, assuming the structural parameters are a = 10 μm, g = 1 μm, h m = h d = 1 μm, and assuming the dielectric constant d = 100, the effective dielectric constant of the metamaterial structure is approximately 150 at low temperature. + 70i, and at high temperatures, the value is approximately 1750 + 17i, which is a very large difference. In particular, unlike the metal-insulator transition (MIT) of VO 2 itself, the metamaterial structure can exhibit the characteristics of a (lossy) insulator both before and after modulation.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도체는 도핑된 이산화 바나듐(VO2); 도핑 또는 도핑되지 않은 VxOy(x는 2 내지 4, y는 2 내지 10의 정수일 수 있음); 파라핀; 및 파라핀 계열의 유기 또는 무기 상변화 물질(PCM) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 유전체는 산화물, 질화물, 반도체 물질 및 중합체 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나열된 물질은 제어 신호에 따라 상기 전도체의 유전율이 변하는 경우의 메타물질 구조체를 구성하는 전도체와 유전체에 해당하는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 산화물은 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(III)(Al2O3), 산화은(II)(AgO) 및 산화주석(SnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 질화물은 사질화 규소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반도체 물질은 Ge, Sn, Si, SiC, Ge, Se, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, 및 CdTe에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유전체는 상기 산화물, 상기 질화물, 상기 반도체 물질 및 상기 중합체의 조합으로 구성될 수 있다.In one embodiment of the present application, the conductor is doped vanadium dioxide (VO 2 ); Doped or undoped V x O y (x can be an integer from 2 to 4 and y can be an integer from 2 to 10); paraffin; and one or more types selected from paraffin-based organic or inorganic phase change materials (PCMs), and the dielectric may include one or more types selected from oxides, nitrides, semiconductor materials, and polymers. Specifically, the materials listed above correspond to the conductors and dielectrics that make up the metamaterial structure when the dielectric constant of the conductor changes depending on the control signal. More specifically, the oxide may include at least one of silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum (III) oxide (Al 2 O 3 ), silver (II) oxide (AgO), and tin oxide (SnO 2 ). Nitride may include silicon tetranitride. Additionally, the semiconductor material may be selected from Ge, Sn, Si, SiC, Ge, Se, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, and CdTe. It may include more than one species. In one embodiment of the present application, the dielectric may be composed of a combination of the oxide, the nitride, the semiconductor material, and the polymer.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도체는 금속, 탄소화합물 및 도핑된 반도체 물질 중 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 유전체는 액정, 유기 액체, 고무, 반도체 물질 및 산화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나열된 물질은 제어 신호에 따라 상기 유전체의 유전율이 변하는 경우의 메타물질 구조체를 구성하는 전도체와 유전체에 해당하는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 금속은 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Zn, Ti, Fe, Cr, Ni, Mg, Na, K, Ir, Os, W, Re 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 탄소화합물은 그래핀일 수 있다. 상기 도핑된반도체 물질은 전도성이 우수한 반도체 물질로서, 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide) 또는 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide(IZO)을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 물질은 Ge, Sn, Si, SiC, Ge, Se, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, 및 CdTe에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유기 액체는 n-펜탄, n-헥산, n-옥탄, 시클로펜탄, 메틸시클로헥산 또는 2,2-디메틸부탄(DMB) 포함하는 탄화수소를 포함할 수 있으며, 상기 고무는 황이 첨가된 고무인 가황을 포함할 수 있다. 상기 산화물은 산화주석(SnO2)을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present application, the conductor includes one or more types selected from metals, carbon compounds, and doped semiconductor materials, and the dielectric includes one or more types selected from liquid crystals, organic liquids, rubber, semiconductor materials, and oxides. It may include. Specifically, the materials listed above correspond to the conductors and dielectrics that make up the metamaterial structure when the dielectric constant of the dielectric changes depending on the control signal. More specifically, the metal may include at least one of Al, Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Zn, Ti, Fe, Cr, Ni, Mg, Na, K, Ir, Os, W, and Re. . The carbon compound may be graphene. The doped semiconductor material is a semiconductor material with excellent conductivity and may include indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO). The semiconductor material is Ge, Sn, Si, It may include one or more selected from SiC, Ge, Se, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, and CdTe. In addition, the organic The liquid may contain hydrocarbons including n-pentane, n-hexane, n-octane, cyclopentane, methylcyclohexane, or 2,2-dimethylbutane (DMB), and the rubber may include vulcanization, which is a rubber to which sulfur has been added. The oxide may include tin oxide (SnO 2 ).
상기 메타물질 구조체를 구성하는 전도체 및 유전체의 물질 선정은 활용 주파수나 도핑 등 상황에 따라 달라질 수 있는 것으로서, 서로 동일한 물질은 쓰는 것이 아닌 한 적절한 조합을 통해 목적하는 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화를 달성할 수 있다. 구체적으로, 외부 자극인 제어 신호에 따라 전도체의 유전율, 유전체의 유전율, 또는 상기 둘 모두의 변화 조절을 통해 목적하는 메타물질 구조체의 유효 유전율 변화량을 달성할 수 있는 전도체와 유전체의 조합을 선정함으로써 제어 신호에 따른 목적하는 유효 유전율 변화를 달성할 수 있다.The selection of materials for the conductors and dielectrics that make up the metamaterial structure may vary depending on the circumstances such as utilization frequency or doping. Unless the same materials are used, an appropriate combination is used to achieve a change in the effective dielectric constant of the desired metamaterial structure. can do. Specifically, control is performed by selecting a combination of conductor and dielectric that can achieve the effective dielectric constant change of the desired metamaterial structure by controlling the change in the dielectric constant of the conductor, dielectric constant, or both according to the control signal, which is an external stimulus. The desired effective dielectric constant change according to the signal can be achieved.
본원의 제 2 측면은, 하부층; 제 1 측면에 따른 메타물질 구조체; 및 상부층을 포함하고, 상기 하부층 - 상기 메타물질 구조체 - 상기 상부층 순으로 적층된, 유체채널 센서를 제공한다. The second aspect of the present application is a lower layer; A metamaterial structure according to the first aspect; and an upper layer, wherein the fluid channel sensor is stacked in the order of the lower layer - the metamaterial structure - the upper layer.
상기 메타물질 구조체는 고변조 메타물질 유체채널로 사용될 수 있다. 또한, 상기 고변조 메타물질 유체채널은 센서 등 다양한 광학 장치로 활용 가능하다. 일 례로서, 상기 메타물질 구조체를 이용하여 유체의 유전율 변화를 감지할 수 있는 유체채널 센서를 도 3과 같이 구현할 수 있다. 구체적으로, 유전체의 유전율이 바뀌는 경우의 메타물질 구조체를 통해 구현되는 매우 큰 변조폭은 유전체의 미세한 유전율 변화를 감지하는 센서로의 활용이 가능하다. 이를 구현하기 위해서는, 전도체(금속판, 노란색)들이 공중에 떠있을 수 없고, 전도체 사이사이를 지지하는 미세 기둥이 형성되어야 한다. 유체의 유전율을 εd, 기둥을 구성하는 유전체의 유전율을 εdS라고 하면, 전도체 사이에서는 전기장의 방향이 거의 y 방향이므로, 유체와 기둥을 아우르는 유체의 유효 유전율은 메타물질 구조체 내부에서의 유체의 부피(f)와 기둥의 부피(1-f)의 비율로 다음과 같이 정해진다: εd,eff = fd + (1-f)εds. 따라서, 유체의 유전율 변화에 따른 메타물질 구조체의 유효 유전율의 정량적 변화는 도 2의 결과에 유체의 체적비 f(<1)만큼 곱해진 값으로 구할 수 있다. 즉, 기둥의 부피가 메타물질 구조체의 유전체층의 1-f만큼의 부피를 차지한다면, 메타물질 구조체의 변조폭은 f배만큼 곱해져서 작아진다. 하지만 기둥이 차지하는 체적 비율이 유체가 차지하는 체적 비율에 비해 크지 않을 경우, 그 영향이 미미함을 알 수 있다. 따라서, 본원의 메타물질 구조체를 이용하여 유체채널 센서를 구현할 경우 유체의 유전율의 미세한 변화를 정량적으로 나타내어 유체를 판단할 수 있다.The metamaterial structure can be used as a high modulation metamaterial fluid channel. Additionally, the high modulation metamaterial fluid channel can be used in various optical devices such as sensors. As an example, a fluid channel sensor capable of detecting changes in the dielectric constant of a fluid can be implemented as shown in FIG. 3 using the metamaterial structure. Specifically, the very large modulation width realized through the metamaterial structure when the dielectric constant changes can be used as a sensor to detect minute changes in dielectric constant. To implement this, the conductors (metal plates, yellow) cannot float in the air, and fine pillars must be formed to support the space between the conductors. If the dielectric constant of the fluid is ε d and the dielectric constant of the dielectric constituting the pillar is ε dS , the direction of the electric field between conductors is almost in the y direction, so the effective dielectric constant of the fluid encompassing the fluid and the pillar is that of the fluid inside the metamaterial structure. The ratio of the volume (f) and the volume of the column (1-f) is determined as follows: ε d,eff = f d + (1-f)ε ds . Therefore, the quantitative change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure according to the change in dielectric constant of the fluid can be obtained by multiplying the result of FIG. 2 by the volume ratio f (<1) of the fluid. That is, if the volume of the pillar occupies 1-f the volume of the dielectric layer of the metamaterial structure, the modulation width of the metamaterial structure is multiplied by a factor of f and becomes smaller. However, if the volume ratio occupied by the column is not greater than the volume ratio occupied by the fluid, the effect can be seen to be minimal. Therefore, when a fluid channel sensor is implemented using the metamaterial structure of the present application, the fluid can be judged by quantitatively indicating minute changes in the dielectric constant of the fluid.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하부층 및 상기 상부층은 진공, 공기 또는 균질 유전체를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the lower layer and the upper layer may include vacuum, air, or a homogeneous dielectric.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.
Claims (10)
상기 복수의 전도체층 사이에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층을 포함하고,
상기 복수의 전도체; 상기 유전체; 또는 이들 모두가 제어 신호에 의한 가변성 유전율을 갖는, 메타물질 구조체로서,
상기 복수의 전도체층 각각에 존재하는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 전도체에서, 서로 이웃하는 전도체층 내부의 상기 전도체들은 서로 오버랩되어 배치되는 것이며,
상기 메타물질 구조체의 유효 유전율은 하기 식 1에 따라 결정되는 것이고,
상기 전도체는 도핑된 이산화 바나듐(VO2); 도핑되지 않은 VO2; 파라핀; 및 파라핀 계열의 유기 또는 무기 상변화 물질(PCM) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하고,
상기 유전체는 산화물, 질화물, 반도체 물질 및 중합체 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인,
메타물질 구조체:
[식 1]
,
상기 식 1에서,
이고, 이며,
εm은 상기 전도체의 유전율이고, εd은 상기 유전체의 유전율이며,
hm은 상기 전도체의 높이이고, hd은 상기 유전체의 높이이며,
g는 상기 복수의 전도체 사이의 간격이고, a는 상기 메타물질 구조체의 길이임.
A plurality of conductor layers including a plurality of conductors arranged in a matrix and a dielectric positioned between the plurality of conductors; and
It is located between the plurality of conductive layers and includes a dielectric layer including a dielectric,
the plurality of conductors; The dielectric; Or as a metamaterial structure, all of which have a variable dielectric constant due to a control signal,
In the plurality of conductors arranged in a matrix form present in each of the plurality of conductor layers, the conductors within adjacent conductor layers are arranged to overlap each other,
The effective dielectric constant of the metamaterial structure is determined according to Equation 1 below,
The conductor is doped vanadium dioxide (VO 2 ); undoped VO 2 ; paraffin; and at least one selected from paraffin-based organic or inorganic phase change materials (PCMs),
The dielectric includes one or more types selected from oxides, nitrides, semiconductor materials, and polymers,
Metamaterial structure:
[Equation 1]
,
In equation 1 above,
ego, and
ε m is the dielectric constant of the conductor, ε d is the dielectric constant of the dielectric,
h m is the height of the conductor, h d is the height of the dielectric,
g is the gap between the plurality of conductors, and a is the length of the metamaterial structure.
상기 제어 신호는 온도 변화, 전압 변화 및 압력 변화 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 메타물질 구조체.
According to claim 1,
The control signal includes one or more selected from temperature change, voltage change, and pressure change.
상기 가변성 유전율의 변화에 의해 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율이 조절되는, 메타물질 구조체.
According to claim 1,
A metamaterial structure in which the effective dielectric constant of the metamaterial structure is adjusted by changes in the variable dielectric constant.
상기 가변성 유전율 변화량에 비해 상기 메타물질 구조체의 유효 유전율의 변화량이 큰 것인, 메타물질 구조체.
According to claim 3,
A metamaterial structure in which the amount of change in the effective dielectric constant of the metamaterial structure is greater than the amount of change in the variable dielectric constant.
상기 제어 신호에 의한 상기 가변성 유전율의 단위 변화량에 대해 상기 메타물질 구조체가 일정한 유효 유전율 변화량을 갖는, 메타물질 구조체.
According to claim 3,
A metamaterial structure wherein the metamaterial structure has a constant effective dielectric constant change amount for a unit change amount of the variable dielectric constant due to the control signal.
상기 하부층 - 상기 메타물질 구조체 - 상기 상부층 순으로 적층된,
유체채널 센서.lower layer; The metamaterial structure according to claim 1; and an upper layer,
Stacked in the following order: the lower layer - the metamaterial structure - the upper layer,
Fluid channel sensor.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210018864 | 2021-02-10 | ||
| KR20210018864 | 2021-02-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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