KR20190080015A - Apparatus for detecting material based on metamaterial - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 관한 것으로서, 메타물질층에 테라헤르츠파를 조사하여 메타물질층에 놓여진 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a meta-material-based material detection apparatus, and more particularly, to a meta-material-based material detection apparatus capable of measuring a concentration of a target material placed on a meta-material layer by irradiating a terahertz wave to the meta-material layer.
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.In general, metamaterials are widely used as new materials or structures because they can arbitrarily control properties such as Permittivity, Magnetic Permeability, and Refractive Index unlike naturally occurring atoms and molecules. Recently, the performance improvement and the optimum design of the target object have been actively studied using such a meta material. Metamaterials have been used as a very important factor in relation to the technology for controlling the energy of the wave form.
메타물질을 구성하는 단위 셀의 크기는 입사하는 파동의 파장에 대하여 대략 1/4 ~ 1/10 정도로 구성되어 있고, 이러한 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.The size of the unit cell constituting the meta-material is approximately 1/4 to 1/10 of the wavelength of the incident wave, and a specific meta phenomenon such as negative refractive index, anti-reflection, . For reference, the meta phenomenon mainly occurs depending on the resonance phenomenon of the wave, and the reaction frequency band can be selected according to the geometrical characteristics of the meta material.
1990년대 후반, 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.Since the proposal of metamaterials in the late 1990s, metamaterials have been applied in various technical fields such as resonators, current filters, sensors, polarizers, energy harvesters, antennas and the like. Also, the frequency range of the wave to be controlled here has been varied and widening.
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.On the other hand, Terahertz science and technology has been used in the fields of diagnosis and treatment of cancer which is the highest cause of human death, research of life science such as analysis of DNA structure, detection of explosives and psychotropic drugs and national security, Recently, research on the terahertz technology field has been actively conducted as a base technology capable of making a large contribution.
테라헤르츠파는 적외선과 마이크로웨이브 대역 사이에 위치한 전자기파 영역으로 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 RF와 광파 사이에 간격을 형성하고 있어 테라헤르츠 간격(Terahertz Gap)으로 불리운다.The terahertz wave is very actively used as a spectral region in which electromagnetic waves are located between the infrared and microwave bands and the technologies are far behind in the relatively unexplored regions from generation to generation, Due to limited application technology and components and system technology relative to the adjacent frequency region, the terahertz region forms a gap between the RF and the light wave and is referred to as the Terahertz Gap.
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, 고전압 등을 요구하는 경우가 많으며, 체적이 크고 집적이 어려워 소형시스템 개발이 불가능하다는 근본적인 문제점을 가지고 있다.This terahertz wave has the intermediate nature such as having the linearity of the light wave and the permeability of the radio wave, which makes it difficult to apply the signal generation, modulation, and detection techniques used in the fields of Photonics and Electronics. In other words, terahertz wave is less affected by electric field and magnetic field compared to radio wave below microwave frequency, so it is difficult to control the signal and the technology of photomatical field is the most advanced technology in the terahertz field. However, Has not yet reached a satisfactory level. In particular, there are many cases in which cryogenic temperature and high voltage are required, and there is a fundamental problem that it is impossible to develop a compact system because of a large volume and difficult integration.
이러한 테라헤르츠파를 이용한 물질 검출 결과는 주로 분광 장치로 얻어 처리되고 있으나, 이미지 처리 속도의 한계로 실시간 검출은 어려운 상황이다.The detection result of the material using the THz wave is mainly obtained by the spectroscopic device, but it is difficult to detect in real time due to the limitation of the image processing speed.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 테라헤르츠파의 흡수량에 따라 열이 발생하는 메타물질층의 전기저항값을 측정하여 전기저항값을 통해 타겟 물질의 농도를 측정함으로써, 측정장치 주위의 온도에 영향을 받지 않고 타겟 물질의 농도의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of measuring a resistance value of a target material through measurement of an electric resistance value of a meta material layer generating heat according to absorption amount of a terahertz wave, The object of the present invention is to provide a substance detection device based on a meta-material capable of improving the measurement accuracy of the concentration of a target substance without being influenced by the temperature around the measurement device by measuring the concentration.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 측정하고자 하는 타겟 물질이 배치되는 다수의 관통홀을 구비하고, 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 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 제2메타물질층과 전기적으로 연결되고, 상기 제2메타물질층의 전기저항값을 측정하는 저항측정부;를 포함하고, 상기 저항측정부에서 측정한 제2메타물질층의 전기저항값을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a meta-material-based material detecting apparatus of the present invention comprises a plurality of through-holes through which a target material to be measured is disposed, and the absorption rate of a target material in a spectrum of a terahertz wave is a maximum value And a resonance frequency corresponding to a characteristic absorption frequency of the first absorption band, wherein the resonance frequency of the first unit cell corresponding to the concentration of the target material is absorbed by the resonance, A meta material layer; And a plurality of unit cells which are designed to have a resonance frequency coinciding with the characteristic absorption frequency, wherein a terahertz wave of the characteristic absorption frequency band is absorbed by resonance A second meta-material layer on which heat is generated; And a resistance measuring unit electrically connected to the second meta-material layer and measuring an electrical resistance value of the second meta-material layer, wherein the electrical resistance value of the second meta-material layer measured by the resistance measuring unit And the concentration of the target substance is detected through the detection unit.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 측정하고자 하는 타겟 물질이 배치되는 다수의 관통홀을 구비하고, 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 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; 상기 제2메타물질층의 일면에 형성되고, 상기 제2메타물질층의 저항 온도계수보다 큰 저항 온도계수를 가지는 온도감응층; 및 상기 온도감응층과 전기적으로 연결되고, 상기 온도감응층의 전기저항값을 측정하는 저항측정부;를 포함하고, 상기 저항측정부에서 측정한 온도감응층의 전기저항값을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a meta-material-based material detection apparatus including a plurality of through-holes through which a target material to be measured is disposed, wherein the absorption rate of a target material in a spectrum of a terahertz wave is And a plurality of unit cells designed to have a resonance frequency corresponding to a characteristic absorption frequency indicating a maximum value, wherein the resonance causes absorption of the terahertz wave of the characteristic absorption frequency band into the target material corresponding to the concentration of the target substance A first meta-material layer; And a plurality of unit cells which are designed to have a resonance frequency coinciding with the characteristic absorption frequency, wherein a terahertz wave of the characteristic absorption frequency band is absorbed by resonance A second meta-material layer on which heat is generated; A temperature responsive layer formed on one surface of the second meta-material layer and having a resistance temperature coefficient greater than a resistance temperature coefficient of the second meta-material layer; And a resistance measuring unit electrically connected to the temperature responsive layer and measuring an electrical resistance value of the temperature responsive layer, wherein the resistance measuring unit measures a resistance value of the target material through the resistance value of the temperature responsive layer measured by the resistance measuring unit, And the concentration is detected.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 저항측정부에서 측정한 복수의 전기저항값에서 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 산출하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출할 수 있다.A control unit for calculating a rate of change of an electric resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer from a plurality of electric resistance values measured by the resistance measuring unit, And the concentration of the target material can be detected through the rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 순간변화율을 산출할 수 있다.In the meta-material-based material detecting apparatus according to the present invention, the controller may calculate an instantaneous rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 평균변화율을 산출할 수 있다.In the material detecting apparatus based on the meta-material according to the present invention, the controller may calculate the average rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율과 상기 타겟 물질의 농도 간의 상관관계식을 저장하고, 상기 상관관계식을 통해 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 상기 타겟 물질의 농도로 환산하여 산출할 수 있다.The control unit may store a correlation equation between the rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer and the concentration of the target material, The rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer may be calculated by converting the concentration of the target material into the concentration of the target material through a relational expression.
본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 있어서, 상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층은 분리 가능하며, 상기 타겟 물질이 포함된 액상 샘플이 상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층 사이에 배치된 상태에서 상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층이 결합되고, 상기 타겟 물질이 포함된 액상 샘플은 상기 제1메타물질층의 관통홀로 이동될 수 있다.The first meta-material layer and the second meta-material layer are separable, and the liquid sample including the target material is separated from the first meta-material layer and the second meta- 2, the first and second meta-material layers are bonded to each other, and the liquid sample including the target material can be moved to the through-hole of the first meta-material layer.
본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 타겟 물질의 농도를 정밀하게 판별할 수 있으며, 검출 장치의 구성을 간소화할 수 있다.According to the substance detection apparatus based on the meta-material of the present invention, the concentration of the target substance can be accurately discriminated, and the configuration of the detection apparatus can be simplified.
또한, 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 주위 온도의 영향을 최소화할 수 있다.Further, according to the material detecting apparatus based on the meta-material of the present invention, the influence of the ambient temperature can be minimized.
또한, 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치에 따르면, 타겟 물질의 미세한 농도 변화도 검출할 수 있으며, 전체적으로 장치의 검출 분해능을 향상시킬 수 있다.Further, according to the material detecting apparatus based on the meta-material of the present invention, it is possible to detect a minute concentration change of the target material, and the detection resolution of the apparatus as a whole can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층과 제2메타물질층이 결합된 상태를 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 타겟 물질의 테라헤르츠 분광 특성을 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 시간에 대한 제2메타물질층의 전기저항값의 변화를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 6은 도 5의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층과 제2메타물질층이 결합된 상태를 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a meta-material-based material detection apparatus according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a view showing a state where a first meta-material layer and a second meta-material layer of a material detection apparatus based on the meta-material of FIG. 1 are combined,
FIG. 3 is a diagram showing the THz spectral characteristic of a target material of the material detecting apparatus based on the meta-material of FIG. 1,
FIG. 4 is a view showing a change in electrical resistance value of the second meta-material layer with respect to time in the second meta-material layer of the meta-material-based material detecting apparatus of FIG. 1,
FIG. 5 is a schematic view of a meta-material-based material detection apparatus according to another embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a view illustrating a state in which a first meta-material layer and a second meta-material layer of the material detection apparatus based on the meta-material of FIG. 5 are combined.
이하, 본 발명에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a material detection apparatus based on a meta-material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층과 제2메타물질층이 결합된 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 타겟 물질의 테라헤르츠 분광 특성을 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제2메타물질층에 있어서 시간에 대한 제2메타물질층의 전기저항값의 변화를 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a schematic view of a meta-material-based material detection apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a first meta-material layer and a second meta- FIG. 3 is a view showing the THz spectral characteristic of the target material of the material detection apparatus based on the meta-material of FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing the material- Fig. 5 is a graph showing the change in the electrical resistance value of the second meta-material layer with respect to time in the second meta-material layer of the device.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치(100)는, 메타물질층에 테라헤르츠파를 조사하여 메타물질층에 놓여진 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있는 것으로서, 제1메타물질층(110)과, 제2메타물질층(120)과, 저항측정부(130)와, 제어부(140)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 4, a meta-material-based
상기 제1메타물질층(110)은 측정하고자 하는 타겟 물질(1)이 배치되는 다수의 관통홀(111)을 구비하고, 복수의 단위 셀(미도시)을 포함한다.The first meta-
예를 들어, 측정하고자 하는 타겟 물질(1)이 D-글루코스인 경우, 테라헤르츠파(W)에 대한 분광 특성을 살펴보면 도 3에 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.For example, when the target substance (1) to be measured is D-glucose, the spectroscopic characteristic of the terahertz wave (W) is as shown in FIG. 3, and the absorption ratio is highest at about 1.4 THz. In this specification, the frequency at which the absorption rate of the
제1메타물질층(110)은 타겟 물질의 고유 흡수 주파수(f0)와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된 복수의 단위 셀을 포함한다.The first meta-
테라헤르츠파(W)가 타겟 물질(1)이 배치된 제1메타물질층(110)으로 입사되면, 타겟 물질(1)의 농도에 대응하여 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파를 타겟 물질(1)에 흡수시킨다.When the terahertz wave W is incident on the first meta-
즉, 제1메타물질층(110)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높을 경우, 제1메타물질층(110)의 공진에 의해 타겟 물질(1)에 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 많아지고, 제1메타물질층(110)을 투과하는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 적어진다.That is, when the concentration of the
반면에 제1메타물질층(110)에 배치된 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮을 경우, 제1메타물질층(110)의 공진에 의해 타겟 물질(1)에 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 적어지고, 제1메타물질층(110)을 투과하는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 상대적으로 많아진다.On the other hand, when the concentration of the
제1메타물질층(110)의 단위 셀은, 베이스 기판 상에 금속 박막을 증착하고, 증착된 금속 박막에서 패턴으로 형성될 부분을 제거하여 전체적으로 음각 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 베이스 기판에 증착되는 금속 박막의 재질로는 금 등이 이용될 수 있다.Preferably, the unit cell of the first meta-
제1메타물질층(110)의 단위 셀은 직선 형상의 슬릿으로 500 nm 정도의 폭이 최적이기 때문에 전자빔 리소그래피, 포토 리소그래피, 이온빔 가공, 나노 임프린팅 등의 방법으로 형성할 수 있다.Since the unit cell of the first meta-
상기 제2메타물질층(120)은, 제1메타물질층(110)을 투과한 테라헤르츠파(W)가 입사되고, 복수의 단위 셀(미도시)을 포함한다. 제2메타물질층(120)의 단위 셀은 고유 흡수 주파수(f0)와 일치하는 공진 주파수를 갖도록 설계된다.The second meta-
단위 셀이 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.If the unit cell is designed to have a resonant frequency that matches the intrinsic absorption frequency f0 of the target material, the terahertz wave W of the intrinsic absorption frequency (f0) band is absorbed by the resonance to generate heat.
이때, 타겟 물질(1)의 농도에 따라 제2메타물질층(120)에서 발생되는 열량은 차이가 난다. 예를 들어, 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높을 경우, 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파는 제1메타물질층(110)에 주로 흡수되어 제2메타물질층(120)에서 흡수되는 양이 상대적으로 적게 된다. 따라서, 제2메타물질층(120)에서 발생되는 열량은 상대적으로 낮다.At this time, the amount of heat generated in the second meta-
반면에, 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮을 경우, 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파가 제1메타물질층(110)에 흡수되는 양이 적게 되고 제2메타물질층(120)에서 흡수되는 양이 상대적으로 많게 된다. 따라서, 제2메타물질층(120)에서 발생되는 열량은 상대적으로 높다.On the other hand, when the concentration of the
본 실시예와 같이 제2메타물질층(120)의 전기저항값을 측정할 경우, 제2메타물질층(120)에 포함된 단위 셀은, 베이스 기판 상에 금속 박막을 증착하고, 증착된 금속 박막에서 패턴으로 형성될 부분을 남겨 두고, 패턴으로 형성되지 않을 부분을 포토리쏘그래피, 레이저 어블레이션 등의 방법으로 제거하는 양각 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 베이스 기판에 증착되는 금속 박막의 재질로는 금 등이 이용될 수 있다.When the electrical resistance of the second meta-
음각 패턴의 경우 단선 문제로 저항 측정이 곤란한 문제가 발생할 수 있으므로, 양각 패턴으로 형성하는 것이 바람직하다.In the case of the engraved pattern, it may be difficult to measure the resistance due to the disconnection problem. Therefore, it is preferable to form the pattern with a relief pattern.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1메타물질층(110)과 제2메타물질층(120)은 분리 가능하게 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the first and second meta-
도 1에 도시된 바와 같이, 타겟 물질(1)이 포함된 액상 샘플이 제1메타물질층(110)과 제2메타물질층(120) 사이에 배치된 상태에서 제1메타물질층(110)과 제2메타물질층(120)이 결합될 수 있다.1, a liquid sample including a
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 물질(1)이 포함된 액상 샘플은 제1메타물질층(110)의 관통홀(111)로 이동되고, 주요 증발 영역에 해당하는 관통홀(111)에서 타겟 물질(1)이 포함된 액상 샘플의 증발이 집중되면서 타겟 물질(1)은 관통홀(111) 영역에 남게 되고, 관통홀(111) 영역에 집중적으로 남게 되는 타겟 물질(1)로 인해 전체적인 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.2, the liquid sample including the
상기 저항측정부(130)는 제2메타물질층(120)과 전기적으로 연결되고, 제2메타물질층(120)의 전기저항값을 측정한다.The
예를 들어, 제2메타물질층(120)을 구성하는 물질에 따라, 제2메타물질층(120)의 온도가 높아져서 제2메타물질층(120)을 구성하는 원자의 열진동이 심하게 되면 전자의 흐름이 방해받게 되므로 제2메타물질층(120)의 전기저항값은 증가할 수 있다.For example, depending on the material constituting the second meta-
이와 같이 저항측정부(130)에서 측정한 제2메타물질층(120)의 전기저항값은 제2메타물질층(120)의 온도의 지표가 되고, 더 나아가 타겟 물질(1)의 농도를 검출할 수 있다.The electrical resistance value of the second meta-
즉, 제2메타물질층(120)의 전기저항값이 낮으면, 제2메타물질층(120)에서 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파의 양이 적어서 제2메타물질층(120)의 온도가 낮은 것을 의미하고, 이는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파가 타겟 물질(1)에 상대적으로 많이 흡수된 것이므로 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높음을 알 수 있다.That is, when the electrical resistance value of the second meta-
반면에, 제2메타물질층(120)의 전기저항값이 높으면, 제2메타물질층(120)에서 흡수되는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파의 양이 많아서 제2메타물질층(120)의 온도가 높은 것을 의미하고, 이는 고유 흡수 주파수(f0) 대역의 테라헤르츠파가 타겟 물질(1)에 상대적으로 적게 흡수된 것이므로 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다.On the other hand, if the electric resistance value of the second meta-
제2메타물질층(120)에 액정층을 결합하여 색상 변화를 통해 타겟 물질(1)의 농도를 판별할 수 있으나, 색상 변화의 경우 육안으로 판별할 때 타겟 물질량의 미세한 차이를 민감하게 판별하는 것은 불가능하고, 보다 미세한 정량 분석을 위해서는 색상 변화를 정량적으로 파악할 추가적인 광학 장치가 필요하다는 문제가 있다.The concentration of the
본 발명은 색상의 변화가 아닌 제2메타물질층(120)의 전기저항값을 통해 타겟 물질(1)의 농도를 판별할 수 있으므로, 타겟 물질(1)의 농도를 정밀하게 판별할 수 있으며, 검출 장치의 구성을 간소화할 수 있다.The present invention can discriminate the concentration of the
한편, 제2메타물질층(120)의 온도가 높아지면 제2메타물질층(120)의 전기저항값은 증가하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 제2메타물질층(120)을 구성하는 물질에 따라 제2메타물질층(120)의 온도가 높아지면 제2메타물질층(120)의 전기저항값이 감소할 수도 있다.Although the electrical resistance of the second meta-
상기 제어부(140)는 저항측정부(130)에서 측정한 복수의 전기저항값에서 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 변화율(11,12)을 산출한다.The
저항측정부(130)에서 측정한 전기저항의 절대값을 통해 타겟 물질(1)의 농도를 판별할 경우 주위 온도의 영향을 받게 되는 위험성이 있다. 즉, 제2메타물질층(120)에서 흡수되는 테라헤르츠파의 양은 동일하더라도 주위 온도가 높을 때는 전기저항값이 높게 나오고 주위 온도가 낮을 때는 전기저항값이 낮게 나올 수 있다.When the concentration of the
따라서, 이와 같은 주위 온도의 영향을 최소화하기 위하여, 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 변화율을 통해 타겟 물질(1)의 농도를 검출하는 것이 바람직하다. 이때, 제어부(140)는 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 순간변화율을 산출할 수도 있고, 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 평균변화율을 산출할 수도 있다.Therefore, in order to minimize the influence of such ambient temperature, it is preferable to detect the concentration of the
도 4를 참조하면, 2개의 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 변화 그래프(10, 20)에 있어서, 정해진 시간(t1)에서 전기저항값의 변화율이 큰 경우(11)는 제2메타물질층(120)의 온도 상승률이 큰 것을 의미하고, 이를 통해 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, when the change rate of the electrical resistance value at the predetermined time t1 is large in the
반면에, 전기저항값의 변화율이 작은 경우(12)는 제2메타물질층(120)의 온도 상승률이 작은 것을 의미하고, 이를 통해 타겟 물질(1)의 농도가 상대적으로 높음을 알 수 있다.On the other hand, in the case where the rate of change of the electrical resistance value is small (12), it means that the rate of temperature rise of the second meta-
제어부(140)에는, 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 변화율과 관통홀(111)에 배치되는 타겟 물질(1)의 농도 간의 상관관계식이 저장되어 있고, 이러한 상관관계식을 통해 제2메타물질층(120)의 전기저항값의 변화율이 타겟 물질(1)의 농도로 환산되어 산출되는 것이 바람직하다.The
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치의 제1메타물질층과 제2메타물질층이 결합된 상태를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a schematic view of a meta-material-based material detection apparatus according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic view illustrating a meta-material- FIG. 5 is a view showing a state where a meta-material layer is bonded.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 메타물질에 기반한 물질 검출 장치(200)는, 제1메타물질층(110)과, 제2메타물질층(120)과, 저항측정부(130)와, 제어부(140)와, 온도감응층(210)을 포함한다.5 and 6, the meta-material-based
제1메타물질층(110), 제2메타물질층(120), 저항측정부(130), 제어부(140) 등의 구성과 기능은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서 대응하는 구성요소와 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.The configuration and function of the first meta-
상기 온도감응층(210)은 제2메타물질층(120)의 일면에 형성되고, 제2메타물질층(120)의 저항 온도계수보다 큰 저항 온도계수를 가지는 것을 특징으로 한다.The temperature
제2메타물질층(120)의 저항 온도계수가 낮을 경우 제2메타물질층(120)의 온도 변화에 대하여 전기저항값의 변화가 크질 않아 타겟 물질(1)의 농도 검출에 대한 분해능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.When the resistance temperature coefficient of the second meta-
따라서, 제2메타물질층(120) 하부에 바나듐 옥사이드(VOx), 아몰퍼스 실리콘(a-Si), 카본 블랙-폴리디메틸실록산(CB-PDMS), 펙틴(Pectin) 등과 같이 높은 저항 온도계수를 갖는 온도감응층(210)을 추가하여, 제2메타물질층(120)의 온도 변화에 대하여 온도감응층(210)의 전기저항값의 변화를 크게 유지할 수 있다.Therefore, a high resistance temperature coefficient such as vanadium oxide (VO x ), amorphous silicon (a-Si), carbon black-polydimethylsiloxane (CB-PDMS), pectin and the like is formed under the second meta-
이로 인해 타겟 물질(1)의 미세한 농도 변화도 검출할 수 있으며, 전체적으로 장치의 검출 분해능을 향상시킬 수 있다.This makes it possible to detect a minute change in concentration of the
본 실시예의 저항측정부(130)는 온도감응층(210)과 전기적으로 연결되어 온도감응층(210)의 전기저항값을 측정하고, 저항측정부(130)에서 측정한 온도감응층(210)의 전기저항값을 통해 타겟 물질(1)의 농도를 검출한다.The
본 실시예와 같이 온도감응층(210)의 전기저항값을 측정할 경우, 제2메타물질층(120)에 포함된 단위 셀은, 베이스 기판 상에 금속 박막을 증착하고, 증착된 금속 박막에서 패턴으로 형성될 부분을 포토리쏘그래피, 레이저 어블레이션 등의 방법으로 제거하여 전체적으로 음각 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 베이스 기판에 증착되는 금속 박막의 재질로는 금 등이 이용될 수 있다.When measuring the electrical resistance of the temperature
양각 패턴과 비교하여 음각 패턴으로 형성된 단위 셀은 보다 넓은 면적에서 전기장을 집속할 수 있어 열을 발생시키는 효율 면에서 양각 패턴보다 우수하다.The unit cell formed with the engraved pattern as compared with the relief pattern can focus the electric field in a wider area, and is superior to the relief pattern in terms of efficiency of generating heat.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 제2메타물질층 또는 온도감응층의 전기저항값을 통해 타겟 물질의 농도를 판별함으로써, 타겟 물질의 농도를 정밀하게 판별할 수 있으며, 검출 장치의 구성을 간소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.The material detecting apparatus based on the meta-material according to the present invention configured as described above can accurately determine the concentration of the target material by determining the concentration of the target material through the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature- And the effect of simplifying the configuration of the detection device can be obtained.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 제2메타물질층 또는 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 통해 타겟 물질의 농도를 검출함으로써, 주위 온도의 영향을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.The material detecting apparatus based on the meta-material according to the present invention configured as described above can detect the concentration of the target material through the rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer, The effect can be obtained.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타물질에 기반한 물질 검출 장치는, 제2메타물질층의 저항 온도계수보다 큰 저항 온도계수를 가지는 온도감응층을 형성함으로써, 타겟 물질의 미세한 농도 변화도 검출할 수 있으며, 전체적으로 장치의 검출 분해능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.In addition, the material detecting apparatus based on the meta-material of the present invention configured as described above can detect a minute concentration change of a target material by forming a temperature responsive layer having a resistance temperature coefficient larger than a resistance temperature coefficient of the second meta-material layer And the effect of improving the detection resolution of the apparatus as a whole can be obtained.
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.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, but can be implemented in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.
100 : 메타물질에 기반한 물질 검출 장치
110 : 제1메타물질층
111 : 관통홀
120 : 제2메타물질층
130 : 저항측정부
140 : 제어부
W : 테라헤르츠파100: Material detection device based on meta-material
110: first meta-material layer
111: Through hole
120: second meta-material layer
130: resistance measuring unit
140:
W: Terahertz wave
Claims (7)
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 제2메타물질층과 전기적으로 연결되고, 상기 제2메타물질층의 전기저항값을 측정하는 저항측정부;를 포함하고,
상기 저항측정부에서 측정한 제2메타물질층의 전기저항값을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.A plurality of unit cells each having a plurality of through holes through which a target material to be measured is disposed and designed to have a resonant frequency corresponding to a characteristic absorption frequency in which a absorption rate of a target material in a spectrum of a terahertz wave exhibits a maximum value, A first meta-material layer that absorbs the terahertz wave of the intrinsic absorption frequency band by resonance in the target material corresponding to the concentration of the target material;
And a plurality of unit cells which are designed to have a resonance frequency coinciding with the characteristic absorption frequency, wherein a terahertz wave of the characteristic absorption frequency band is absorbed by resonance A second meta-material layer on which heat is generated; And
And a resistance measuring unit electrically connected to the second meta-material layer and measuring an electrical resistance value of the second meta-material layer,
And the concentration of the target material is detected through the electrical resistance value of the second meta-material layer measured by the resistance measuring unit.
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;
상기 제2메타물질층의 일면에 형성되고, 상기 제2메타물질층의 저항 온도계수보다 큰 저항 온도계수를 가지는 온도감응층; 및
상기 온도감응층과 전기적으로 연결되고, 상기 온도감응층의 전기저항값을 측정하는 저항측정부;를 포함하고,
상기 저항측정부에서 측정한 온도감응층의 전기저항값을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.A plurality of unit cells each having a plurality of through holes through which a target material to be measured is disposed and designed to have a resonant frequency corresponding to a characteristic absorption frequency in which a absorption rate of a target material in a spectrum of a terahertz wave exhibits a maximum value, A first meta-material layer that absorbs the terahertz wave of the intrinsic absorption frequency band by resonance in the target material corresponding to the concentration of the target material;
And a plurality of unit cells which are designed to have a resonance frequency coinciding with the characteristic absorption frequency, wherein a terahertz wave of the characteristic absorption frequency band is absorbed by resonance A second meta-material layer on which heat is generated;
A temperature responsive layer formed on one surface of the second meta-material layer and having a resistance temperature coefficient greater than a resistance temperature coefficient of the second meta-material layer; And
And a resistance measuring unit electrically connected to the temperature responsive layer and measuring an electrical resistance value of the temperature responsive layer,
And the concentration of the target substance is detected through the electrical resistance value of the temperature responsive layer measured by the resistance measuring unit.
상기 저항측정부에서 측정한 복수의 전기저항값에서 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 산출하는 제어부;를 더 포함하고,
상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 통해 상기 타겟 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
And a controller for calculating a rate of change of an electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer from a plurality of electrical resistance values measured by the resistance measuring unit,
Wherein the concentration of the target material is detected through a rate of change of an electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
상기 제어부는 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 순간변화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.The method of claim 3,
Wherein the controller calculates an instantaneous rate of change of an electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
상기 제어부는 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 평균변화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.The method of claim 3,
Wherein the controller calculates an average rate of change of an electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer.
상기 제어부는,
상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율과 상기 타겟 물질의 농도 간의 상관관계식을 저장하고, 상기 상관관계식을 통해 상기 제2메타물질층 또는 상기 온도감응층의 전기저항값의 변화율을 상기 타겟 물질의 농도로 환산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.The method of claim 3,
Wherein,
Storing a correlation equation between the rate of change of the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature responsive layer and the concentration of the target material, and calculating a correlation value between the electrical resistance value of the second meta-material layer or the temperature- Is calculated by converting the rate of change of the target substance into the concentration of the target substance.
상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층은 분리 가능하며,
상기 타겟 물질이 포함된 액상 샘플이 상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층 사이에 배치된 상태에서 상기 제1메타물질층과 상기 제2메타물질층이 결합되고, 상기 타겟 물질이 포함된 액상 샘플은 상기 제1메타물질층의 관통홀로 이동되는 것을 특징으로 하는 메타물질에 기반한 물질 검출 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first and second meta-material layers are separable,
The first meta-material layer and the second meta-material layer are combined in a state where a liquid sample containing the target material is disposed between the first meta-material layer and the second meta-material layer, Wherein the liquid sample is moved to a through-hole of the first meta-material layer.
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2017
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