테라헤르츠 영역의 단일 메타물질 제작 및 센서 응용 연구
Fabrication of single-unit metamaterial devices for sensing applications
- 주제(키워드) THz , Metamaterial
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 안영환
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036040
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 단일 메타물질(single-unit metamaterial)을 활용하여 테 라헤르츠(THz) 주파수 영역에서 단일 미생물 입자를 직접적으로 감지할 수 있는 고감도 바이오센서 기술을 제안하고 실험적으로 검증하였다. 이를 위해 단일 메타 유닛의 공진 특성과 국소 전기장 분포를 해석적으로 분석하였으며, 특히 갭(gap) 영역에서 형성되는 전기장 집중 효과가 외부 유전환경의 변화 를 정밀하게 반영함을 규명하였다. 이러한 분석을 바탕으로 단일 미생물 입자 가 메타 유닛의 LC 공진에 미치는 영향을 공명 주파수 이동으로 계측할 수 있음을 이론적으로 확인하였다. 실험적 검증을 위해 고해상도 THz 시분해 분광(time-domain spectroscopy, TDS) 기반 현미경 시스템을 새롭게 구축하였다. 짧은 초점거 리의 비축 포물면 거울과 고수치개구수(NA)의 반사형 대물렌즈를 결합하여 단일 메타 유닛의 전자기 응답을 독립적으로 측정할 수 있는 실험 환경을 마 련하였다. 본 시스템은 기존 THz 분광 장비가 갖는 공간 해상도의 제약을 효 과적으로 극복함으로써 단일 구조체 기반 미세 센싱 연구에 적합한 플랫폼으 로 기능한다. 제작된 단일 메타물질의 갭 영역에 단일 효모 입자(single yeast particle) 를 정밀하게 위치시킨 후 THz-TDS 측정을 수행한 결과, 효모의 존재에 따 라 공명 주파수가 명확한 적색편이(red-shift)를 나타내는 현상이 관찰되었 다. 이는 단일 생체입자에 의해 발생한 국소 유전율 변화가 메타물질의 LC 공진 조건에 직접적으로 반영되었음을 의미하며, 기존의 다중 입자 기반 신호 평균화 방식과 달리 단일 입자 수준에서의 감지가 가능함을 실험적으로 입증 한 것이다. 더 나아가 효모의 부피 및 형태적 요인에 따른 공명 변화 특성을 정성·정량적으로 분석함으로써 단일 입자 기반 유전환경 변화 측정의 실현 가능성을 검토하였다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 이 론 3
제 1 절. 테라헤르츠 소개 3
제 2 절. 메타물질 6
2-1. 메타물질 소개 6
2-2. 새로운 고해상도 THz 분광법 개발 및 단일 유닛 메타물질 연구 9
제 3 절. 미생물의 구조 및 특성 11
제 3 장. 실 험 방 법 13
제 1 절. 메타물질 제작 13
1-1 Photolithography를 이용한 메타물질 제작 13
1-2 maskless photolithography를 이용한 메타물질 제작 14
제 2 절. 고해상도 THz-ToF 영상측정법 제작 15
제 4 장. 실 험 결 과 18
제 1 절. Off-axis prabolic mirror 기반 고집속 THz 영상시스템 구현 18
제 2 절. 단일 유닛 메타패턴 측정법 개발 21
제 3 절. 단일 유닛 메타패턴을 이용한 단일 효모셀 검출 29
제 5 장. 결 론 34
참고문헌 35
영문요약 38
