KR20180102720A - 메타물질에 기반한 물질 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 관한 것으로서, 베이스 기판과, 제1메타물질층과, 제2메타물질층과, 가시화층을 포함한다. 베이스 기판은 테라헤르츠파에 대하여 투과성을 가진다. 제1메타물질층은 베이스 기판의 일면에 형성되어 측정하고자 하는 타겟 물질이 배치되고, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 최고값을 나타내는 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파를 타겟 물질의 농도에 대응하여 타겟 물질에 흡수시킨다. 제2메타물질층은 베이스 기판의 타면에 형성되어 제1메타물질층을 투과한 테라헤르츠파가 입사되고, 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파가 흡수되어 열이 발생된다. 가시화층은 제2메타물질층 상에 형성되고, 제2메타물질층에 발생된 열이 전달되어 제2메타물질층에 흡수되는 테라헤르츠파의 강도에 따라 서로 다른 색상을 표시한다.
Description
본 발명은 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 관한 것으로서, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 높은 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 가지는 메타물질층을 이용하여 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 메타물질은 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 달리 유전율(Permittivity), 투자율(Magnetic permeability), 굴절률(Refractive Index) 등의 특성을 임의로 제어할 수 있기 때문에 새로운 물질 또는 구조로서 다양하게 활용된다. 최근에는 이러한 메타물질을 이용하여 목표 대상의 성능 향상 및 최적설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 파동 형태의 에너지를 제어하는 기술과 관련하여 메타물질은 매우 중요한 요소로 활용되고 있다.
메타물질을 구성하는 단위 셀의 크기는 입사하는 파동의 파장에 대하여 대략 1/3 ~ 1/5 정도로 구성되어 있다. 메타물질은 입사하는 파동의 파장에 대하여 1/3 ~ 1/5 정도의 크기가 되어야, 음의 굴절률, 무반사, 완전 흡수 등과 같은 특이한 메타 현상이 발생한다. 참고로, 메타 현상은 주로 파동의 공진 현상에 의존하여 발생하며, 메타물질의 기하학적 특성에 따라 반응 주파수 대역을 선택할 수 있다.
2000년대 초반, 메타물질이 제안된 이래로 공진기, 전류필터, 센서, 편광자, 에너지 하베스터, 안테나 등과 같은 다양한 기술분야에서 메타물질이 적용되고 있고 이를 응용하는 분야가 갈수록 증가하고 있다. 또한, 여기서 제어하고자 하는 파동의 주파수 범위도 다양해지고 광범위해지고 있다.
한편, 테라헤르츠 과학기술은 인간 사망 원인의 가장 높은 비율을 차지하고 있는 암의 진단 및 치료, DNA구조 분석 등 생명과학 연구, 폭발물 및 향정신성 의약품 색출 등 국가안보, 차세대 근거리 통신시스템 구축 등의 분야에서 매우 큰 기여를 할 수 있는 기반기술로서 최근 테라헤르츠 기술분야에 관한 연구가 활발하다.
테라헤르츠파는 적외선과 마이크로웨이브 대역 사이에 위치한 전자기파영역으로 이웃한 주파수 대역에 비하여 신호의 발생, 변조, 검출에 이르기까지 모든 기술들이 현저히 뒤떨어진 상대적으로 미개척 영역으로 남아있는 스펙트럼 영역으로 매우 활발하게 사용되고 있는 인접 주파수 영역에 비하여 제한된 응용기술 및 부품, 시스템 기술로 인하여 테라헤르츠 영역은 RF 와 광파 사이에 간격을 형성하고 있어 테라헤르츠 간격(Terahertz Gap)으로 불리운다.
이러한 테라헤르츠파는 광파의 직진성과 전파의 투과성을 함께 가지고 있는 등 중간적 성질을 띠어 Photonics 및 Electronics 분야에서 사용하고 있는 신호의 발생, 변조, 검출기술을 그대로 적용하기 어려움이 따르는 문제점이 있다. 즉, 테라헤르츠파는 마이크로파 주파수 이하의 전파에 비해 전기장 및 자기장의 영향을 거의 받지 아니하여 신호의 제어가 어렵고, 광자학 분야의 기술이 현재 테라헤르츠 분야에서 가장 앞서 있는 기술이지만, 신호 발생 및 검출효율이 아직 만족할 만한 수준에 이르지 못했다. 특히, 극저온, kV 이상의 고전압 등을 요구하는 경우가 많으며, 체적이 크고 집적이 어려워 소형시스템 개발이 불가능하다는 근본적인 문제점을 가지고 있다.
이러한 테라헤르츠파를 이용한 물질 검출 결과는 주로 분광 장치로 얻어 처리되고 있으나, 이미지 처리 속도의 한계로 실시간 검출은 어려운 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 높은 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 가지는 제1메타물질층과 테라헤르츠파를 흡수하여 열을 발생시키는 제2메타물질층을 구비함으로써, 타겟 물질의 농도를 사용자가 용이하게 식별할 수 있는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 테라헤르츠파에 대하여 투과성을 가지는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성되어 측정하고자 하는 타겟 물질이 배치되고, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 최고값을 나타내는 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 상기 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파를 상기 타겟 물질의 농도에 대응하여 상기 타겟 물질에 흡수시키는 제1메타물질층; 상기 베이스 기판의 타면에 형성되어 상기 제1메타물질층을 투과한 테라헤르츠파가 입사되고, 상기 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 상기 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파가 흡수되어 열이 발생되는 제2메타물질층; 및 상기 제2메타물질층 상에 형성되고, 상기 제2메타물질층에 발생된 열이 전달되어 상기 제2메타물질층에 흡수되는 테라헤르츠파의 강도에 따라 서로 다른 색상을 표시하는 가시화층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제2메타물질층과 상기 가시화층 사이에 형성되고, 상기 제2메타물질층에 발생된 열을 흡수하여 상기 가시화층에 전달하며, 상기 가시화층의 가시성을 향상시키기 위한 블랙층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 가시화층은 콜레스테릭 액정층을 포함하고, 상기 가시화층은 상기 제2메타물질층에 흡수되는 테라헤르츠파의 강도에 따라 상기 콜레스테릭 액정층의 꼬임의 정도가 변화되면서 서로 다른 색상을 표시할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제1메타물질층의 단위 셀 및 상기 제2메타물질층의 단위 셀은, 상기 베이스 기판 상에 증착된 금속 박막에서 패턴으로 형성될 부분이 제거된 음각 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제1메타물질층의 단위 셀은 직선 형상의 슬릿으로 형성되고, 상기 제1메타물질층은, 타겟 물질이 떨어뜨려지는 홈부와, 상기 홈부와 연결되고 상기 제1메타물질층의 단위 셀이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제1메타물질층의 단위 셀의 중앙부를 관통하며 상기 제1메타물질층의 단위 셀의 폭보다 넓은 폭을 가지는 이송 유로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제2메타물질층의 단위 셀은, 폐곡선부와, 상기 폐곡선부의 제1변으로부터 상기 제1변이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 종점에서 상기 제1변이 형성된 방향으로 연장되는 제1교차연장부와, 상기 제1변과 마주보는 상기 폐곡선부의 제2변으로부터 상기 제2변이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제2연장부와, 상기 제2연장부의 종점에서 상기 제2변이 형성된 방향으로 연장되는 제2교차연장부와, 상기 제1교차연장부와 상기 제2교차연장부 사이에 마련된 갭부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제1교차연장부 및 상기 제2교차연장부의 길이가 길어질수록 상기 제2메타물질층의 흡수율이 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 갭부의 간격이 길어질수록 상기 제2메타물질층의 흡수율이 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제1메타물질층의 단위 셀은 직선 형상의 슬릿으로 형성되고, 상기 제1메타물질층의 슬릿의 길이가 짧아질수록 상기 제1메타물질층의 공진 주파수가 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제2메타물질층의 단위 셀의 크기가 작아질수록 상기 제2메타물질층의 공진 주파수가 증가할 수 있다.
본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 미량의 타겟 물질의 검출이 가능할 뿐만 아니라, 타겟 물질에 대한 반응속도 및 민감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 타겟 물질의 농도를 사용자가 용이하게 식별할 수 있다.
또한, 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 다양한 타겟 물질에 대하여 장치의 호환성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 타겟 물질의 테라헤르츠 분광 특성을 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고,
도 5는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 가시화층을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 제1교차연장부 또는 제2교차연장부의 길이와 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 갭부의 간격과 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 타겟 물질의 테라헤르츠 분광 특성을 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고,
도 5는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 가시화층을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 제1교차연장부 또는 제2교차연장부의 길이와 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 갭부의 간격과 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 타겟 물질의 테라헤르츠 분광 특성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층을 확대하여 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 가시화층을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 제1교차연장부 또는 제2교차연장부의 길이와 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 4의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 갭부의 간격과 제2메타물질층의 흡수율의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치(100)는, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 높은 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 가지는 메타물질층을 이용하여 타겟 물질의 농도를 측정하기 위한 것으로서, 베이스 기판(110)과, 제1메타물질층(120)과, 제2메타물질층(130)과, 가시화층(140)과, 블랙층(150)을 포함한다.
상기 베이스 기판(110)은 후술하는 제1메타물질층(120)과 제2메타물질층(130)을 지지하는 기능을 수행하며, 테라헤르츠파(W)에 대하여 투과성을 가지는 재질로 형성된다.
베이스 기판(110)으로는 실리콘(Si), 용융규소(fused silica), 폴리머, 석영 등의 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1메타물질층(120)은 베이스 기판(110)의 일면에 형성되어 측정하고자 하는 타겟 물질(1)이 배치되고, 복수의 단위 셀(121)을 포함한다.
예를 들어, 측정하고자 하는 타겟 물질(1)이 D-글루코스인 경우, 테라헤르츠파(W)에 대한 분광 특성을 살펴보면 도 2에 도시된 바와 같이 약 1.4 THz에서 흡수율이 가장 높게 나타난다. 본 명세서에서는 테라헤르츠파(W)의 스펙트럼 내에서 타겟 물질(1)의 흡수율이 최고값을 나타내는 주파수를 타겟 물질(1)의 고유 흡수 주파수(f0)라 정의한다.
제1메타물질층(120)은 타겟 물질의 고유 흡수 주파수(f0)와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀(121)을 포함한다.
타겟 물질(1)이 제1메타물질층(120)에 배치되고, 제1메타물질층(120)은 테라헤르츠파(W)가 제1메타물질층(120)으로 입사되면 공진에 의해 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파를 타겟 물질(1)의 농도에 대응하여 타겟 물질(1)에 흡수시킨다.
즉, 제1메타물질층(120)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높을 경우, 제1메타물질층(120)의 공진에 의해 타겟 물질(1)에 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 많아지고, 제1메타물질층(120)을 투과하는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 적어진다. 반면에 제1메타물질층(120)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮을 경우, 제1메타물질층(120)의 공진에 의해 타겟 물질(1)에 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 적어지고, 제1메타물질층(120)을 투과하는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 많아진다.
제1메타물질층(120)의 단위 셀(121)은, 베이스 기판(110) 상에 금속 박막(122)을 증착하고, 증착된 금속 박막(122)에서 패턴으로 형성될 부분을 제거하여 전체적으로 음각 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 베이스 기판(110)에 증착되는 금속 박막(122)의 재질로는 금 등이 이용될 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1메타물질층(120)의 단위 셀(121)은 직선 형상의 슬릿으로 500 nm 정도의 폭이 최적이기 때문에 전자빔 리소그래피, 이온빔 가공 또는 나노 임프린팅 등의 방법으로 형성할 수 있다.
제1메타물질층(120)의 단위 셀(121)이 형성된 표면에 떨어진 타겟 물질(1)이 단위 셀(121)에 유입되지 않으면, 제1메타물질층(120)에 의한 타겟 물질(1)의 검출이 불가능하게 되고 타겟 물질(1)을 어떻게 떨어뜨리느냐에 따라 단위 셀(121) 내에 유입되는 타겟 물질(1)의 양이 달라져 검출 신호가 달라지면서 재현성 있는 정량 분석이 매우 어려워지게 된다.
따라서, 타겟 물질(1)을 제1메타물질층의 단위 셀(121)로 원활하게 유입시키기 위하여, 제1메타물질층(120)은 홈부(126)와, 이송 유로부(127)를 더 포함한다.
홈부(126)는 타겟 물질(1)이 떨어뜨려지는 부분으로서 단위 셀(121), 이송 유로부(127)보다 상대적으로 큰 스케일을 가진다. 이송 유로부(127)는 홈부(126)와 연결되고, 제1메타물질층의 단위 셀(121)이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 단위 셀(121)을 관통하도록 형성되며, 제1메타물질층의 단위 셀(121)의 폭(a1)보다 넓은 폭(a2)을 가진다.
타겟 물질(1)을 홈부(126)에 떨어뜨렸을 때 타겟 물질(1)은 모세관 현상에 의해 이송 유로부(127)로 거쳐 이송 유로부(127)에 연결된 슬릿 형태의 단위 셀(121)로 자연스럽게 빨려들어가면서 타겟 물질(1)이 단위 셀(121) 내에 효과적으로 주입되도록 하여 측정의 재현성을 크게 높일 수 있다.
이때, 이송 유로부(127)는 제1메타물질층의 단위 셀(121)의 중앙부를 관통하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이송 유로부(127)가 단위 셀(121)을 관통하게 되면 단위 셀(121)이 이송 유로부(127)에 의해 분할된 영역에 모서리 형태의 불연속 지점이 발생하게 되고, 이러한 불연속 지점에서는 전하밀도가 높아지는 현상이 발생한다. 불연속 지점에서의 높은 전하밀도는 주변에 강한 전기장을 유도하게 되고 타겟 물질(1)과의 상호작용에 영향을 준다.
이송 유로부(127)가 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 단위 셀(121)의 중앙부를 관통하게 되면 고전하밀도 영역이 4개가 형성되고, 이송 유로부(127')가 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 단위 셀(121')의 단부를 관통하게 되면 고전하밀도 영역이 2개 형성된다.
예를 들어 동일한 1W의 테라헤르츠파(W)가 입사되는 조건에서, 고전하밀도 영역이 4개와 2개 존재하는 구조의 전기장의 세기를 계산하였을 때, 고전하밀도 영역이 4개 존재할 때가 2개일 때에 비해 전기장의 세기가 2.3배로 나타나 이송 유로부(127)가 단위 셀(121)의 중앙부를 관통하도록 형성되는 것이 보다 유리함을 알 수 있다.
상기 제2메타물질층(130)은, 베이스 기판(110)의 타면에 형성되어 제1메타물질층(120) 및 베이스 기판(110)을 투과한 테라헤르츠파(W)가 입사되고, 복수의 단위 셀(131)을 포함한다. 제2메타물질층(130)의 단위 셀(131)은 고유 흡수 주파수(f0)와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된다.
단위 셀(131)이 타겟 물질의 고유 흡수 주파수(f0)와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계되면, 공진에 의해 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파(W)가 흡수되어 열이 발생된다.
이때, 제1메타물질층(120)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도에 따라 제2메타물질층(130)에서 발생되는 열량은 차이가 난다. 예를 들어, 제1메타물질층(120)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높을 경우, 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 제1메타물질층(120)에 주로 흡수되어 제2메타물질층(130)에서 흡수되는 양이 상대적으로 적게 된다. 따라서, 제2메타물질층(130)에서 발생되는 열량은 상대적으로 낮다.
반면에, 제1메타물질층(120)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮을 경우, 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파가 제1메타물질층(120)에 흡수되는 양이 적게 되고 제2메타물질층(130)에서 흡수되는 양이 상대적으로 많게 된다. 따라서, 제2메타물질층(130)에서 발생되는 열량은 상대적으로 높다.
제2메타물질층(130)에 포함된 단위 셀(131)은, 베이스 기판(110) 상에 금속 박막(132)을 증착하고, 증착된 금속 박막(132)에서 패턴으로 형성될 부분을 포토리쏘그래피, 레이저 어블레이션 등의 방법으로 제거하여 전체적으로 음각 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
양각 패턴과 비교하여 음각 패턴으로 형성된 단위 셀(131)은 보다 넓은 면적에서 전기장을 집속할 수 있어 열을 발생시키는 효율 면에서 양각 패턴보다 우수하다. 한편, 베이스 기판(110)에 증착되는 금속 박막(132)의 재질로는 금 등이 이용될 수 있다.
도 4에는 이와 같이 제조되는 단위 셀(131)의 일례가 도시되어 있다.
전체적으로 단위 셀(131)은 폐곡선부(133)와, 제1연장부(134)와, 제1교차연장부(135)와, 제2연장부(136)와, 제2교차연장부(137)와, 갭부(138)로 구성된다. 폐곡선부(133)와, 제1연장부(134)와, 제1교차연장부(135)와, 제2연장부(136)와, 제2교차연장부(137)는 앞서 설명한 바와 같이 금속 박막(132)이 제거된 부분에 해당된다.
폐곡선부(133)는 폐곡선부(133) 내부의 금속 박막(132a)과 폐곡선부(133) 외부의 금속 박막(132b)을 구획한다. 제1연장부(134)는 폐곡선부의 제1변(133a)으로부터 제1변(133a)이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장된다. 제1교차연장부(135)는 제1연장부(134)의 종점에서 제1변(133a)이 형성된 방향으로 연장된다.
제2연장부(136)는 제1변(133a)과 마주보는 폐곡선부의 제2변(133b)으로부터 제2변(133b)이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장되고, 제1연장부(134)와 만나지 않는다. 제2교차연장부(137)는 제2연장부(136)의 종점에서 제2변(133b)이 형성된 방향으로 연장된다. 갭부(138)는 제1교차연장부(135)와 제2교차연장부(137) 사이에 마련된다.
단위 셀(131)의 형상은 도 4에 도시된 바와 같이 한정되지 않고, 공진 주파수의 대역에 따라 다양한 형상으로 설계될 수 있다.
상기 가시화층(140)은 제2메타물질층(130) 상에 형성되고, 제2메타물질층(130)에 발생된 열이 전달되어 제2메타물질층(130)에 흡수되는 테라헤르츠파(W)의 강도에 따라 서로 다른 색상을 표시한다.
본 실시예에서 가시화층(140)으로는 콜레스테릭 액정층이 이용될 수 있다. 제2메타물질층(130)에 흡수되는 테라헤르츠파(W)의 강도에 따라 콜레스테릭 액정층의 꼬임의 정도가 변화되면서 서로 다른 색상을 표시할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상대적으로 낮은 농도의 타겟 물질(1)이 제1메타물질층(120)에 배치될 경우, 제1메타물질층(120)에 흡수되는 테라헤르츠파(W1)의 양은 상대적으로 적고 제2메타물질층(130)에 흡수되는 테라헤르츠파(W1)의 양은 상대적으로 많게 된다. 따라서, 제2메타물질층(130)의 온도(T1)가 상대적으로 높아지며, 가시화층(140)을 형성하는 콜레스테릭 액정층은 높은 온도(T1)로 인해 상대적으로 더 많은 꼬임이 발생하여 외부적으로 청색(B) 계열의 색상을 표시할 수 있다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상대적으로 높은 농도의 타겟 물질(1)이 제1메타물질층(120)에 배치될 경우, 제1메타물질층(120)에 흡수되는 테라헤르츠파(W2)의 양은 상대적으로 많고 제2메타물질층(130)에 흡수되는 테라헤르츠파(W2)의 양은 상대적으로 적게 된다. 따라서, 제2메타물질층(130)의 온도(T2)는 상대적으로 낮아지며, 가시화층(140)을 형성하는 콜레스테릭 액정층은 낮은 온도(T2)로 인해 상대적으로 더 적은 꼬임이 발생하여 외부적으로 적색(R) 계열의 색상을 표시할 수 있다.
이러한 가시화층(140)은 온도에 반응하여 변색하는 물질, 예를 들어 콜레스테릭 액정층, 시온 잉크 등과 같은 물질을 이용하여 제2메타물질층(130) 상에 스핀 코팅 등의 방법으로 박막 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이, 단순한 제조 방법을 이용하여 제2메타물질층(130) 상에 가시화층(140)을 박막 형태로 형성함으로써, 타겟 물질(1)의 농도의 가시화를 위한 별도의 시스템을 구비할 필요가 없어 구성을 단순화시킬 수 있다. 또한, 가시화층(140)의 색상의 변화를 통해 입사되는 타겟 물질(1)의 농도를 사용자가 용이하게 식별할 수 있다.
상기 블랙층(150)은 제2메타물질층(130)과 가시화층(140) 사이에 형성되고, 제2메타물질층(130)에 발생된 열을 흡수하여 가시화층(140)에 전달하며, 가시화층(140)의 가시성을 향상시킨다.
블랙층(150)은 블랙 잉크 등과 같은 물질을 이용하여 제2메타물질층(130) 상에 스핀 코팅 등의 방법으로 박막 형태로 형성될 수 있다.
한편, 제2메타물질층(130)의 단위 셀(131)의 제1교차연장부(135) 및 제2교차연장부(137)의 길이(d1)가 길어질수록 제2메타물질층(130)의 흡수율이 증가할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 갭부(138)의 간격(d2)을 일정하게 유지한 상태에서 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 제1교차연장부(135)(제2교차연장부(137))의 길이(d1)가 길어질수록(가장 긴 경우(11), 중간 경우(12), 가장 짧은 경우(13)), 제2메타물질층(130)의 흡수율이 증가하는 것을 알 수 있다.
제1교차연장부(135)(제2교차연장부(137))의 길이(d1)가 길어지면서 전기저항이 증가하여 제2메타물질층(130)의 흡수율, 즉 제2메타물질층(130)의 발열량이 증가한다.
또한, 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 갭부(138)의 간격(d2)이 길어질수록 제2메타물질층(130)의 흡수율이 감소할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 제1교차연장부(135)(제2교차연장부(137))의 길이(d1)를 일정하게 유지한 상태에서 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 갭부(138)의 간격(d2)이 길어질수록(가장 짧은 경우(21), 중간 경우(22), 가장 긴 경우(23)), 제2메타물질층(130)의 흡수율이 감소하는 것을 알 수 있다.
갭부(138)의 간격(d2)이 길어짐에 따라 갭부(138)의 단면적이 증가하면서 전기저항이 줄어들어 제2메타물질층(130)의 흡수율, 즉 제2메타물질층(130)의 발열량이 감소한다.
이와 같이, 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 형상을 선택적으로 변경함으로써, 제2메타물질층(130)의 흡수율을 조정할 수 있다.
한편, 제1메타물질층(120)의 단위 셀(121)인 슬릿의 길이가 짧아질수록 제1메타물질층(120)의 공진 주파수가 증가할 수 있다.
제1메타물질층(120)의 공진 주파수는 타겟 물질(1)의 고유 흡수 주파수(f0)와 연동되므로, 고유 흡수 주파수(f0)가 상대적으로 높은 타겟 물질(1)을 측정하고자 할 경우 제1메타물질층의 단위 셀(121)인 슬릿의 길이를 상대적으로 짧게 형성하고, 고유 흡수 주파수(f0)가 상대적으로 낮은 타겟 물질(1)을 측정하고자 할 경우 제1메타물질층의 단위 셀(121)인 슬릿의 길이를 상대적으로 길게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제2메타물질층(130)의 단위 셀(131)의 크기가 작아질수록 제2메타물질층(130)의 공진 주파수가 증가할 수 있다.
제2메타물질층(130)의 공진 주파수는 타겟 물질(1)의 고유 흡수 주파수(f0)와 연동되므로, 고유 흡수 주파수(f0)가 상대적으로 높은 타겟 물질(1)을 측정하고자 할 경우 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 크기를 상대적으로 작게 형성하고, 고유 흡수 주파수(f0)가 상대적으로 낮은 타겟 물질(1)을 측정하고자 할 경우 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 크기를 상대적으로 크게 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 측정하고자 하는 타겟 물질(1)의 고유 흡수 주파수(f0)에 따라 제1메타물질층의 단위 셀(121)인 슬릿의 길이 또는 제2메타물질층의 단위 셀(131)의 크기를 선택적으로 변경함으로써, 다양한 타겟 물질(1)에 대하여 장치의 호환성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 높은 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 가지는 제1메타물질층을 구비함으로써, 미량의 타겟 물질의 검출이 가능할 뿐만 아니라, 타겟 물질에 대한 반응속도 및 민감도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 테라헤르츠파를 흡수하여 열을 발생시키는 제2메타물질층과 제2메타물질층의 열을 가시화하는 가시화층을 구비함으로써, 타겟 물질의 농도를 사용자가 용이하게 식별할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 측정하고자 하는 타겟 물질의 고유 흡수 주파수에 따라 제1메타물질층의 단위 셀인 슬릿의 길이 또는 제2메타물질층의 단위 셀의 크기를 선택적으로 변경함으로써, 다양한 타겟 물질에 대하여 장치의 호환성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 메타물질에 기반한 물질 검출 장치
110 : 베이스 기판
120 : 제1메타물질층
121 : 단위 셀
130 : 제2메타물질층
131 : 단위 셀
140 : 가시화층
W : 테라헤르츠파
110 : 베이스 기판
120 : 제1메타물질층
121 : 단위 셀
130 : 제2메타물질층
131 : 단위 셀
140 : 가시화층
W : 테라헤르츠파
Claims (10)
- 테라헤르츠파에 대하여 투과성을 가지는 베이스 기판;
상기 베이스 기판의 일면에 형성되어 측정하고자 하는 타겟 물질이 배치되고, 테라헤르츠파의 스펙트럼 내에서 타겟 물질의 흡수율이 최고값을 나타내는 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 상기 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파를 상기 타겟 물질의 농도에 대응하여 상기 타겟 물질에 흡수시키는 제1메타물질층;
상기 베이스 기판의 타면에 형성되어 상기 제1메타물질층을 투과한 테라헤르츠파가 입사되고, 상기 고유 흡수 주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함하며, 공진에 의해 상기 고유 흡수 주파수 대역의 테라헤르츠파가 흡수되어 열이 발생되는 제2메타물질층; 및
상기 제2메타물질층 상에 형성되고, 상기 제2메타물질층에 발생된 열이 전달되어 상기 제2메타물질층에 흡수되는 테라헤르츠파의 강도에 따라 서로 다른 색상을 표시하는 가시화층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2메타물질층과 상기 가시화층 사이에 형성되고, 상기 제2메타물질층에 발생된 열을 흡수하여 상기 가시화층에 전달하며, 상기 가시화층의 가시성을 향상시키기 위한 블랙층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 가시화층은 콜레스테릭 액정층을 포함하고,
상기 가시화층은 상기 제2메타물질층에 흡수되는 테라헤르츠파의 강도에 따라 상기 콜레스테릭 액정층의 꼬임의 정도가 변화되면서 서로 다른 색상을 표시하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1메타물질층의 단위 셀 및 상기 제2메타물질층의 단위 셀은,
상기 베이스 기판 상에 증착된 금속 박막에서 패턴으로 형성될 부분이 제거된 음각 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제4항에 있어서,
상기 제1메타물질층의 단위 셀은 직선 형상의 슬릿으로 형성되고,
상기 제1메타물질층은, 타겟 물질이 떨어뜨려지는 홈부와, 상기 홈부와 연결되고 상기 제1메타물질층의 단위 셀이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제1메타물질층의 단위 셀의 중앙부를 관통하며 상기 제1메타물질층의 단위 셀의 폭보다 넓은 폭을 가지는 이송 유로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제4항에 있어서,
상기 제2메타물질층의 단위 셀은, 폐곡선부와, 상기 폐곡선부의 제1변으로부터 상기 제1변이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 종점에서 상기 제1변이 형성된 방향으로 연장되는 제1교차연장부와, 상기 제1변과 마주보는 상기 폐곡선부의 제2변으로부터 상기 제2변이 형성된 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제2연장부와, 상기 제2연장부의 종점에서 상기 제2변이 형성된 방향으로 연장되는 제2교차연장부와, 상기 제1교차연장부와 상기 제2교차연장부 사이에 마련된 갭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제1교차연장부 및 상기 제2교차연장부의 길이가 길어질수록 상기 제2메타물질층의 흡수율이 증가하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 갭부의 간격이 길어질수록 상기 제2메타물질층의 흡수율이 감소하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1메타물질층의 단위 셀은 직선 형상의 슬릿으로 형성되고,
상기 제1메타물질층의 슬릿의 길이가 짧아질수록 상기 제1메타물질층의 공진 주파수가 증가하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2메타물질층의 단위 셀의 크기가 작아질수록 상기 제2메타물질층의 공진 주파수가 증가하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.
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|---|---|---|---|---|
| CN109856825A (zh) * | 2019-02-14 | 2019-06-07 | 合肥工业大学 | 一种基于双层金属微结构及液晶的太赫兹透射式调制器 |
| CN111123417A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-08 | 北京航空航天大学 | 一种高效宽频带的太赫兹波隐身装置 |
| KR20200057275A (ko) * | 2018-11-16 | 2020-05-26 | 한국과학기술원 | 멀티스케일 기법을 사용해 민감도가 증대된 그래핀 메타표면 기반 분자 감지 센서 및 그 제조 방법 |
| CN112326589A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-02-05 | 西南科技大学 | 一种太赫兹微流传感器 |
| CN114778481A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-07-22 | 首都师范大学 | 一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法 |
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2017
- 2017-03-07 KR KR1020170028922A patent/KR101918107B1/ko active IP Right Grant
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