[논문]슬롯결합 커패시터 공진기를 이용한 Nacl 수용액 농도 검출

윤기호

doi:10.15207/jkcs.2018.9.11.029

슬롯결합 커패시터 공진기를 이용한 Nacl 수용액 농도 검출
Nacl Aqueous Solution Concentration Detection Using Slot-Coupled Capacitor Resonator 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.11, 2018년, pp.29 - 35

초록
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본 연구는 준 마이크로파 대역에서 슬롯(slot) 결합 커패시터 공진기를 이용하여 Nacl 수용액의 농도변화를 감지할 수 있는 고감도 센서를 제안하였다. 센서에 적용되는 공진기는 마이크로스트립 선로의 접지 면을 활용하여 유도성 슬롯(inductive slot)과 연결된 평행판 커패시터로 구성된다. 농도변화에 따른 유전특성 측정데이터를 기반으로, 농도변화가 확연히 드러나는 UHF 대역에서 공진주파수가 정해졌으며, 평행판 커패시터 내에 Nacl 수용액이 삽입된다. 시뮬레이션을 토대로 제안된 공진기를 설계하여 제작하였다. 농도 변화를 0 mg/dl에서 400 mg/dl까지 100 mg/dl 단계로 실험하였고, 전송 산란계수($S_{21}$)가 측정되었다. 실험결과 각 단계별 최소 1.8 dB($S_{21}$)의 변화를 얻음으로써 Nacl 수용액에서 농도검출 센서에 적용가능함을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a high sensitivity sensor that can detect the concentration change of Nacl aqueous solutions by using a slot coupling capacitor resonator in sub-microwave band. The resonator applied to the sensor consists of a parallel plate capacitor connected to an inductive slot utilizing the ground plane of the microstrip line. Based on the measurement data of the dielectric characteristics according to the concentration change, the resonance frequency was determined in the UHF band where the concentration change is evident and the Nacl aqueous solution is inserted into the capacitor. Based on the simulation, the proposed resonator was designed and fabricated. The concentration level was varied from 0 to 400 mg/dl as 100 mg/dl step, and the transmission scattering coefficient ($S_{21}$) was successfully measured. Experimental results show that it is applicable to the concentration detection sensor in Nacl aqueous solution by obtaining minimum 1.8 dB($S_{21}$) at each step.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Measured loss tangent of Nacl aqueous solutions.
표 Table 1. Dielectric properties of Nacl aqueous solutions measured around 700MHz.
그림 Fig. 2. Configuration of the proposed sensor and its detailed side view
그림 Fig. 3. Simplified 2-port equivalent circuit of the resonator
그림 Fig. 4. Simulated results of Transmission coefficients(S₂₁) over Nacl solution concentrations
그림 Fig. 5. Simulated result for electric field distribution in the Nacl aqueous solution.
표 Table 2. Transmission coefficient (S₂₁) over Nacl solution concentrations on PCB boards
표 Table 3. Dimensions of the designed resonator
그림 Fig. 6. Photo of the fabricated prototype
그림 Fig. 7. Measured results of Transmission coefficient (S₂₁) for the prototype

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 1GHz 이하의 UHF 대역에서는 농도별 손실탄젠트 값이 오히려 주파수가 증가함에 따라 감소하며 그 변화는 두드러지게 차이가 남을 확인 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 손실탄젠트 변화가 뚜렷하게 드러나는 UHF 대역내의 700MHz 에서 동작하는 검출회로를 설계한다. 선정된 주파수(f₀)를 Fig.
본 논문에서는 준 마이크로파를 이용하여 Nacl 수용액에서 낮은 수준 농도들을 감지할 수 있는 검출회로를 마이크로스트립선로위에 구현하였다. 0∼400 mg/dl 범위의 농도 들을 구분할 수 있는 DGS 방식의 공진기 구조가 제안되었고 최적화되었다.
본 연구에서는 Nacl 수용액의 주파수에 따른 유전특성에 대한 측정결과가 UHF(ultra high frequency) 대역에서 큰 변화가 있는 점을 고려하여, 이 주파수 대역에서 Nacl 수용액의 농도변화에 따른 유전특성 변화를 읽어낼 수 있도록 DGS (defected ground structure) 기반의 평행판 커패시터 공진기를 제안하였다. 파장이 긴 UHF 대역에서 스트립선로 방식의 공진기는 물리적 크기가 매우 크므로, 기존 방식들[12-14]과는 다르게 평행 도체판사이에 Nacl 수용액을 내포함으로써 농도 변화를 정밀하게 관찰 할 수 있으며 수용액과의 직접접촉에 따른 임피던스 부정합 문제를 제거할 수 있다.

제안 방법

농도별 감지 능력을 평가하기 위해 0∼400 mg/dL 범위에서 100 mg/dL 단계로 Nacl 수용액의 농도를 측정하여 센서 로서 가능성을 평가한다.
상대유전율(∊_r=10)을 갖는 Taconic CER-10 의 경우, 매우 우수한 농도별 변별 특성을 나타낸다. 따라서 높이 0.63mm를 갖는 Taconic CER-10 상용보드를 이용하여 농도 검출회로를 설계한다. 먼저 0 mg/dl 에서, 전송계수(S₂₁)를 시뮬레이션하고 최적화하였다.
PCB 보드의 높이(h₀)를 가급적 작은 것을 사용하여 높은 결합계수(K)를 갖도록 한다. 또한, 보드의 상대유전율(∊_r)에 따라 농도변화가 전송계수에 영향을 주므로 시뮬레이션을 통해 확인한다. 유전율이 다르나 높이(h₀)가 유사한 3 종류의 상용 PCB를 선정하여 700MHz에서 농도별 전송계수를 시뮬레이션 한 결과를 Table 2에 정리하였다.
설계한 회로를 바탕으로 시제품을 제작하였다. Nacl수용액을 만들기 위해 증류수와 Nacl 분말을 실험에서 요구되는 단계별 농도로 혼합되었다.
즉, 수용액의 농도 변화를 전송계수로 전달하기 위해서는 보드 높이(h₀)를 작게 한다. 션트커패시턴스(C_m)은 사용하는 PCB 보드들 따라 다르므로 이들이 전송계수에 주는 영향력을 평가하여 보드 종류(유전율, 높이)를 선정한다. 이후 서술되는 공진기 설계에서 논의된다.
커패시터 내의 농도 변화에 따른 유전특성 차이를 2 포트 마이크로스트립선로의 전송 산란계수를 통해 읽어낼 수 있다. 시뮬레이션을 기반으로 UHF 대역에서 설계된 공진기를 이용하여 회로의 시제품이 제작된다. 농도별 감지 능력을 평가하기 위해 0∼400 mg/dL 범위에서 100 mg/dL 단계로 Nacl 수용액의 농도를 측정하여 센서 로서 가능성을 평가한다.
수용액을 평행판 커패시터의 유전체로 삽입하여 강한 전기장을 관통하게 함으로써 낮은 농도 변화를 검출할 수 있는 구조이다. 시뮬레이션을 기반으로 설계된 시작품이 제작되었고, 100 dg/ml 단계로 400 mg/dl 까지 농도를 증가시켜 전송계수(S₂₁)를 UHF 대역에서 측정하였다. 단계별 최소 1.
Nacl 수용액의 농도를 검출하는 고주파 공진기를 설계하기에 앞서 농도별 주파수 의존성을 먼저 확인하여 유전특성 변화가 가장 큰 주파수를 공진주파수로 선정한다. 이를 개방형 동축 유전율 프로브(85070D)와 네트워크 분석기(E8364A)를 사용하여 수용액의 농도별 전기적 특성을 측정하였다[14]. 0.
2(a)에 제안된 공진기를 마이크로스트립 선로 상에 구현한 기본 구조를 보여준다. 평행 도체판에 Nacl 수용액을 삽입하여 만든 커패시터를 유도성(inductive) 슬롯과 연결하였으며 이를 마이크로스트립 선로(microstrip line 또는 M-strip line)의 접지 면을 이용하여 DGS(defected ground structure) 구조로 구현하였다[15]. 접지면의 유도성 슬롯은 마이크로스트립선로와 자기 결합(magnetic coupling)한다.

성능/효과

0∼400 mg/dl 범위의 농도 들을 구분할 수 있는 DGS 방식의 공진기 구조가 제안되었고 최적화되었다.
4의 시뮬레이션 결과와 비교되었을 때 매우 유사하다. 그러나 시뮬레이션 결과에 대비하여 각 농도별 공진주파수를 기준으로 삽입손실이 매우 커졌으며, 농도가 증가함에 따라 공진주파수가 약 25 MHz 정도 상향 이동하는 특성을 나타낸다. 이는 설계 기초자료로 활용한 Table 1의 손실탄젠트와 상대유전율 측정환경이 본 실험과 다르며, 제작 과정에서의 물리적인 크기 오차 등에 원인들이 있다.
시뮬레이션을 기반으로 설계된 시작품이 제작되었고, 100 dg/ml 단계로 400 mg/dl 까지 농도를 증가시켜 전송계수(S₂₁)를 UHF 대역에서 측정하였다. 단계별 최소 1.8 dB(S₂₁) 차이를 확보하여 Nacl 농도센서 가능성을 확인하였다.
이는 설계 기초자료로 활용한 Table 1의 손실탄젠트와 상대유전율 측정환경이 본 실험과 다르며, 제작 과정에서의 물리적인 크기 오차 등에 원인들이 있다. 특히, 시뮬레이션에서는 농도변화에 무관하게 상대유전율을 78.5으로 고정하였으나 실제 사용된 수용액들은 농도별로 일부 차이가 있어 공진주파수 변화에 영향을 주었다. 그러나 농도에 따른 공진주파수 변화보다 전송계수 변화가 훨씬 두드러지므로 이를 농도검출 센서에 적용한다.

후속연구

본 연구결과에서 적용한 방법은 에탄올, 메탄올, 알코올 등 다른 종류의 수용액 농도나 염분 혹은 당분 농도들을 측정하고자하는 각 산업계에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
측정 결과들은 낮은 농도의 수용액들을 사용하는 응용에서 이들을 구분할 수 있는 민감도를 갖는다고 평가 된다. 상대유전율이 더욱 크고, 보드 높이(h₀)가 좀 더 작은 PCB를 사용할 경우 400 mg/dl 주변에서 보다 나은 검출 감도를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염화나트륨(Nacl)센서는 어떤 분야에서 관심을 받고 있는가?	최근 IoT 산업이 발전하면서 헬스 케어 산업에 응용되는 각종 연구들[1,2]이 속속 발표되고 있으며 기초 부품으로 센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[3,4,5]. 이중 식품, 생화학, 금속 및 건축 산업 등의 넓은 분야에서 높은 감도와 편리성을 갖춘 염화나트륨(Nacl)센서가 관심을 받고 있다. 예로, 인체의 염분은 고혈압 또는 혈관 질환에 큰 영향을 주므로 저 염식을 위해 음식물의 Nacl 농도에 관심이 집중된다.
	염화나트륨(Nacl)센서가 사용되는 예에는 무엇이 있는가?	이중 식품, 생화학, 금속 및 건축 산업 등의 넓은 분야에서 높은 감도와 편리성을 갖춘 염화나트륨(Nacl)센서가 관심을 받고 있다. 예로, 인체의 염분은 고혈압 또는 혈관 질환에 큰 영향을 주므로 저 염식을 위해 음식물의 Nacl 농도에 관심이 집중된다. 또한 수중이나 금속 내에서 Nacl 농도를 측정하여 생태계 변화를 읽어내기도 하고, 금속 부식을 방지하기도 한다. 이들에 필요한 Nacl센서의 측정 정확도 개선과 사용 편의성 연구들이 속속발표되고 있다[6-8].
	파장이 긴 UHF 대역에서 스트립선로 방식의 공진기의 특징은 무엇인가?	본 연구에서는 Nacl 수용액의 주파수에 따른 유전특성에 대한 측정결과가 UHF(ultra high frequency) 대역에서 큰 변화가 있는 점을 고려하여, 이 주파수 대역에서 Nacl 수용액의 농도변화에 따른 유전특성 변화를 읽어낼 수 있도록 DGS (defected ground structure) 기반의 평행판 커패시터 공진기를 제안하였다. 파장이 긴 UHF 대역에서 스트립선로 방식의 공진기는 물리적 크기가 매우 크므로, 기존 방식들[12-14]과는 다르게 평행 도체판사이에 Nacl 수용액을 내포함으로써 농도 변화를 정밀하게 관찰 할 수 있으며 수용액과의 직접접촉에 따른 임피던스 부정합 문제를 제거할 수 있다. 마이크로스트립선로의 접지 면의 일부를 이용하여 구현된 커패시터는 유도성 (inductive) 슬롯(slot)과 결합되어 특정 주파수에서 공진한다.

참고문헌 (15)

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상세보기
C. F. Liu, et al. (2018). Improved Hairpin Resonator for Micro-fluidic Sensing. Sensors and Materials, 30(5), 979-990.
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상세보기
C. Jang, et al. (2018). Non-Invasive Discrimination between Glucose and Sodium Chloride Solution using Complementary Split Ring Resonator. JKIEES, 29(4), 247-255.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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