테라헤르츠파 대역에서의 도파 모드 공진 현상을 이용한 고분자 기반 습도 센싱 검출 연구 및 응용
초록/요약
습도는 인간의 삶에서 가장 밀접한 관계를 가지는 요소로써 습도를 제어하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 습도 제어를 위한 기술 중 습도를 측정하기 위한 센서 기술은 현재 범용적으로 사용될 만큼 잘 알려진 기술이며, 다양한 분야에서 다양한 방법으로 연구되고 적용되는 사례들을 가지고 있다. 그러나, 본 연구에서 제시되는 테라헤르츠 대역에서의 도파 모드 공진 현상을 이용한 습도 센싱에 대한 연구는 진행 된 바 없다. 본 연구에서 사용한 테라헤르츠파는 전파의 투과성과 광의 직진성 두 가지 특성을 모두 가지는 0.1 ~ 10 테라헤르츠의 주파수를 가지는 에너지 대역으로, 국방, 재료, 의료 및 식품 등 다양한 분야에 활용되고 있는 최신 분야이다. 테라헤르츠파가 가지는 낮은 감도 특성을 극복하기 위해 사용한 도파 모드 공진 현상은 금속을 사용하지 않으면서도 강한 응답이 나타내는 광학적 구조이다. 도파 모드 공진 구조에 테라헤르츠 파를 적용하여 제작한 습도 센서는 습도를 특이적으로 감지하기 위하여 물 분자와 수소결합을 형성할 수 있는 고분자를 이용하였으며, 고속 습도 변화를 확인하기 위하여 단일 주파수에서의 반사율 세기 변화를 측정하였다. 또한, 본 연구에서 제안하는 도파 모드 공진 센서의 응용분야로써 육안으로 확인하기 어려운 가스 치환 포장 용기의 훼손 여부를 구분하는 것이다. 돈육을 포장한 가스 치환 포장 용기 내부에 도파 모드 공진 센서를 설치하여 포장지 훼손 발생유무에 따른 신호 차이를 보이고 경향성을 설명함으로써, 도파 모드 공진 센서의 포장지 훼손 감지 센서로써의 적용 가능성에 대해 연구하였다.
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제 1 장 서론 1
1-1. 습도 센서 1
1-2. 고분자 습도 감지 물질의 특징 3
1-3. 광학 습도 센서 4
1-4. 테라헤르츠 파 5
1-5. 도파모드 공진 구조 5
제 2 장 이론적 고찰 7
제 1 절 습도 7
1-1. 습도의 정의 7
1-2. 상대 습도 7
1-3. 절대 습도 7
제 2 절 수분 감지막 9
2-1. 습도 감지 물질 9
2-2. 습도 감지 물질로써 PVA 적합성 9
2-3. PVA 구조 및 물질 특성 9
제 3 절 도파 모드 공진의 원리 11
3-1. 도파 모드 공진의 정의 11
3-2. 브루스터 각(Brewster’s angle) 11
제 4 절 공명 주파수의 조작 변인 13
제 5 절 테라헤르츠파의 발생 이론 15
5-1. 연속 테라헤르츠 파의 원리 15
5-2. 시간 영역 분광법의 원리 17
제 3 장 습도 센서 설계 및 제작 방법 19
제 1 절 PDMS 소재의 도파모드 공진 센서 19
1-1. 도파 모드 공진 센서의 제작 19
1-2. PDMS 기판 표면 PVA 코팅 21
제 2 절 PET 소재의 도파 모드 공진 센서 23
2-1. PET 를 이용한 도파 모드 공진 센서 제작 23
2-2. PET 기판 표면 PVA 코팅 23
제 3 절 배열 입자의 균일도 측정 26
3-1. 소프트웨어를 이용한 입자 균일도 측정 26
제 4 절 광학 시스템 설계 및 습도 측정 챔버 제작 27
4-1. 연속 테라헤르츠 파의 측정 시스템 제작 27
4-2. 시간 영역 분광법의 측정 시스템 제작 29
제 4 장 실험 결과 및 고찰 31
제 1 절 연속 테라헤르츠파를 이용한 습도 측정 실험결과 31
1-1. PVA의 유무에 따른 도파 모드 공진 주파수의 변화 31
1-2. 수분에 의한 피크 이동과 세기변화 33
1-3. PVA의 습도 증가에 따른 채움 계수 변화 35
제 2 절 시간 영역 분광법을 이용한 습도 측정 실험 결과 38
2-1. 도파 모드 공진 센서의 시간 영역 분광법의 신호 38
2-2. 테라헤르츠 대역에서의 PVA 굴절률 측정 40
2-3. 습도 증가에 따른 공진 주파수의 이동 42
제 5 장 응용 45
제 1 절 포장지 훼손 센서 45
1-1. 식품 포장 방법과 유사 환경에서의 도파 모드 공진 센서의 신호 변화 46
1-2. 소시지 샘플(진공 포장) 49
1-3. 돈육(가스 치환 포장) 51
1-4. 핀홀의 크기 53
제 6 장 결론 54
참고 문헌 55
Abstract 64
