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[국내논문] 원격 화학 센서로 활용 가능한 플렉서블 미세유체 메타물질 흡수체
Flexible Microfluidic Metamaterial Absorber for Remote Chemical Sensor Application 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.2, 2016년, pp.123 - 130  

김형기 (중앙대학교 전자전기공학부) ,  임성준 (중앙대학교 전자전기공학부)

초록
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본 논문에서는 원격 화학 센서로 활용 가능한 플렉서블 미세유체 메타물질 흡수체를 제안한다. 제안된 흡수체는 잉크젯 프린팅 기법으로 종위 기판 위에 인쇄한 분할고리공진기(SRCR: Split Ring Cross Resonator)와 Polydimethylsiloxane(PDMS) 기판에 레이저 식각된 미세유체 채널로 구성되어 있어 매우 유연한 특징을 보인다. 본 연구에서 제안한 메타물질 흡수체는 미세유체 채널에 주입된 화학물질에 따른 실효 유전율의 변화를 공진주파수의 이동으로 감지할 수 있다. 제안된 흡수체는 시뮬레이션과 측정을 통하여 성능을 검증하였다. 측정 결과, 공기의 경우에는 10.49 GHz에서 흡수가 되었고, 에탄올탈이온수의 경우에는 각각 10.04 GHz와 8.9 GHz에서 흡수체로 동작함을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a novel flexible microfluidic metamaterial absorber is proposed for remote chemical sensor applications. The proposed metamaterial absorber consists of a periodic of split-ring-cross resonators(SRCRs) and a microfluidic channel. The SRCR patterns are inkjet-printed using silver nanopa...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서는 메타물질 흡수체에 미세유체 채널을 구현함으로써 원격으로 화학물질을 검출할 수 있는 무선화학센서를 제안한다. 제안된 메타물질 흡수체는 미세유체 채널에 주입된 화학물질에 따른 공진주파수의 이동을 측정하여 농도를 검출한다.
  • 본 논문에서는 에탄올과 같은 화학물질의 정보를 원격으로 센싱할 수 있는 플렉서블 미세유체 메타물질 흡수체를 제안하였다. 제안된 흡수체는 잉크젯 프린팅 기법으로 종위 기판 위에 인쇄한 SRCR 구조와 PDMS 기판에 레이저 식각된 미세유체 채널로 구성되어 있어 매우 유연한 특징을 보인다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미세유체 공학의 장점은? 미세유체 공학은 마이크로 리터 단위의 매우 적은 양의 유체를 사용하여 분석하는 방법으로 기존의 검출 방식에 비해 소형화 시킬 수 있는 장점이 있다. 마이크로 펌프를 사용한 실리콘 기반의 인산염 측정 미세유체 시스템, 전기삼투 유동을 기반으로 화학 반응을 모니터링할 수 있는 미세유체 시스템이 발표되어 화학물질 분석에 미세유체 시스템을 이용할 수 있는 가능성을 열어주었다[5],[6].
메타물질이 복소수로 구성된 유전율과 투자율을 가진다는 것은 무엇을 통해 알 수 있는가? 메타물질은 유효 매질 근사 기법(effective medium approximation)을 통하여 복소수로 구성된 유전율과 투자율을 가진다는 것을 알 수 있다[15]. 전자기파가 메타물질에 수직으로 입사할 경우, 메타물질의 고유 임피던스(#)는 식 (1)과 같이 유전율(ε)과 투자율(μ)에 의하여 결정되게 된다.
미세유체 공학을 화학물질 분석에 이용할 수 있게 해준 시스템으로 발표된 것은 무엇인가? 미세유체 공학은 마이크로 리터 단위의 매우 적은 양의 유체를 사용하여 분석하는 방법으로 기존의 검출 방식에 비해 소형화 시킬 수 있는 장점이 있다. 마이크로 펌프를 사용한 실리콘 기반의 인산염 측정 미세유체 시스템, 전기삼투 유동을 기반으로 화학 반응을 모니터링할 수 있는 미세유체 시스템이 발표되어 화학물질 분석에 미세유체 시스템을 이용할 수 있는 가능성을 열어주었다[5],[6]. 이를 기반으로 생물학적 정량이나 혈액 분석, 생산품질 관리 등 다양한 분야에서 응용되고 있다[7]~[11].
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참고문헌 (17)

  1. G. Wen, X. Wen, S. Shung, and M. Choi, "Whole-cell biosensor for determination of methanol", Sensors Actuators B: Chem., vol. 201, no. 1, pp. 586-591, Oct. 2014. 

  2. N. Landy, S. Sajuyigbe, J. Mock, D. Smith, and W. Padilla, "Perfect metamaterial absorber", Phys. Rev. Lett., vol. 100, no. 20, p. 207402, May 2008. 

  3. F. Zhang, S. Feng, K. Qiu, Z. Liu, Y. Fan, W. Zhang, Q. Zhao, and J. Zhou, "Mechanically stretchable and tunable metamaterial absorber", Appl. Phys. Lett., vol. 106, no. 9, p. 091907, Mar. 2015. 

  4. R. Melik, E. Unal, N. Perkgoz, C. Puttlitz, and H. Demir, "Metamaterial-based wireless strain sensors", Appl. Phys. Lett., vol. 95, no. 1, p. 011106, Jul. 2009. 

  5. E. Verpoorte, B. Schoot, S. Jeanneret, A. Manz, H. Widmer, and N. Rooij, "Three-dimensional micro flow manifolds for miniaturized chemical analysis systems", J. Micromech. Microeng., vol. 4, no. 4, p. 246, Oct. 1994. 

  6. G. Doku, S. Haswell, "Further studies into the development of a micro-fia system based on electroosmotic flow for the determination of phosphate as orthophosphate", Anal. Chim. Acta, vol. 382, no. 1, p. 1, Feb. 1999. 

  7. I. Dimov, L. Basabe-Desmonts, J. Garcia-Cordero, B. Ross, A. Ricco, and L. Lee, "Stand-alone self-powered integrated microfluidic blood analysis system(SIMBAS)", Lab on a Chip, vol. 11, no. 5, pp. 845-850, Mar. 2011. 

  8. E. Delamarche, A. Bernard, H. Schmid, A. Bietsch, B. Michel, and H. Biebuyck, "Microfluidic networks for chemical patterning of substrates: Design and application to bioassays", J. Am. Chem. Soc., vol. 120, no. 3, pp. 500-508, Jan. 1998. 

  9. A. Martinez, S. Phillips, G. Whitesides, and E. Carrilho, "Diagnostics for the developing world: Microfluidic paper-based analytical devices", Anal. Chem., vol. 82, no. 1, pp. 3-10, Jan. 2010. 

  10. K. Abe, K. Suzuki, and D. Citterio, "Inkjet-printed microfluidic multianalyte chemical sensing paper", Anal. Chem., vol. 80, no. 18, pp. 6928-6934, Sep. 2008. 

  11. B. Cook, J. Cooper, and M. Tentzeris, "An inkjet-printed microfluidic RFID-enabled platform for wireless lab-on-chip applications", IEEE Trans. on Microw. Theo. and Tech., vol. 61, pp. 4714-4723, Nov. 2013. 

  12. J. Mateu, N. Orloff, M. Rinehart, and J. Booth, "Broadband permittivity of liquids extracted from transmission line measurements of microfluidic channels", IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, pp. 523-526, Jun. 2007. 

  13. T. Chretiennot, D. Dubuc, and K. Grenier, "A microwave and microfluidic planar resonator for efficient and accurate complex permittivity characterization of aqueous solutions", IEEE Trans. on Microw. Theo. and Tech., vol. 61, no. 2, pp. 972-978, Dec. 2012. 

  14. G. Hayes, J. So, A. Qusba, M. Dickey, and G. Lazzi, "Flexible liquid metal alloy(EGaIn) microstrip patch antenna", IEEE Trans. on Ant. and Prop., vol. 60, no. 5, pp. 2151-2156, Apr. 2012. 

  15. N. Landy, C. Bingham, T. Tyler, N. Jokerst, D. Smith, and W. Padilla, "Design, theory, and measurement of a polarization-insentive absorber for terahertz imaging", Phys. Rev. B, vol. 79, no. 12, p. 125104, Mar. 2009. 

  16. W. Withayachumnankul, C. Fumeaux, and D. Abbott, "Compact electric-LC resonators for metamaterials", Optics Express, vol. 18, no. 25, pp. 25912-25921, Dec. 2010. 

  17. S. Kim, C. Moriotti, F. Alimenti, P. Mezzanotte, A. Georgiadis, A. Collado, L. Roselli, and M. Tentzeris, "No battery required: perpetual RFID-enabled wireless sensors for cognitive intelligence applications", IEEE Microw. Mag., vol. 14, no. 5, p. 66, Jul. 2013. 

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