개방형 공진기를 유해가스 센서로 활용한 음성결정 설계

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9346(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

본 논문에서는 CO2와 같은 유해 가스의 농도를 감지하기 위해 수평 결함이 있는 가지형 개방형 공진기로 구성된 유한한 1차원 음성 결정을 사용하는 능력을 조사합니다. 이 연구에서는 주기적인 개방형 공진기, 구조 중앙의 결함 덕트, 1차 도파관 및 공진기의 단면 및 길이와 같은 기하학적 매개변수가 모델 성능에 미치는 영향을 조사합니다. 우리가 아는 한, 이 연구는 감지 분야에서 독특합니다. 또한, 이러한 시뮬레이션은 수평 결함이 있는 분기형 개방 공진기로 구성된 조사된 유한 1차원 음파 결정이 유망한 센서임을 보여줍니다.

최근 몇 년간 대기 중 오염 물질의 대량 생산은 인간의 건강, 환경 및 글로벌 생물 생태계를 위협해 왔습니다1,2. 따라서 CO2, NO2, NH3 등과 같이 인간의 건강에 유해한 가스를 감지하는 것은 인간과 환경을 보호하려는 사람들의 관심을 불러일으켰습니다3,4,5,6. 그 결과, 다공성 물질5,7 및 그래핀8,9과 같은 2차원 나노구조 물질을 사용하여 독성 가스를 검출하는 것에 대한 수많은 광학 연구가 수행되었습니다. 또한 형광, 화학, 전기화학, 광결정 및 질량 감지 센서는 일반적인 가스 센서입니다.

음성 결정(PnC)은 주기적인 인공 재료입니다. PnC는 다양한 바이오센싱 및 화학 응용 분야에서 상당한 관심을 불러일으켰습니다. PnC는 정지 주파수 대역 또는 PnBG(음성 밴드갭)를 생성하여 음향파 또는 탄성파를 제한하여 전파할 수 있습니다17,18. 점도, 밀도, 음속, 탄성 계수 등과 같은 재료의 음향 특성은 내부 음파를 전파하여 조사할 수 있습니다19. 1차원 PnC(1D-PnC) 센서는 공진 감지기입니다. 1D-PnC 센서의 주요 작동 개념은 정재파를 생성하기 위해 서로 다른 음향 임피던스를 갖는 두 매체 사이의 각 인터페이스에서 음파의 다중 브래그 산란입니다. PnBG의 주파수는 진행파의 음속과 구조의 기하학적 크기에 따라 달라집니다. 대부분의 1D-PnC 센서는 구조 중심의 주기성을 깨뜨리는 방식을 기반으로 하여 PnBG 내부에 공진 피크가 발생합니다. 구조 중앙에 이 결함을 추가하면 공진 주파수라고 하는 특정 주파수가 제한됩니다.

전통적인 PnC에서는 주요 전파 방향을 따라 유속과 압력의 연속성이 고려됩니다. 최근 주기구조 분야에서는 국부공진요소가 주목을 받고 있다. 그러나 다른 경로의 압력 변화나 자속 안정성에 의존하는 측면 요소나 공진기를 추가할 수 있습니다. 이러한 측면 요소는 폐쇄형 또는 개방형 덕트일 수 있습니다. 2008년 El Boudouti et al.20은 측면 덕트가 있는 가느다란 튜브 구조를 제안했습니다. 측면 튜브가 있으면 투과 스펙트럼에서 정지 밴드가 형성됩니다. 2020년에는 Antraoui et al. 개방형 공진기가 있는 메인 덕트로 구성된 주기적인 구조를 설계했습니다. 그러나 가스 감지 응용 분야에서 측면 공진기와 함께 이러한 구조를 활용하는 것은 여전히 ​​부족합니다.

최근에는 PnC를 이용한 가스센서가 장점으로 주목받고 있다. 예를 들어 PnC를 사용하는 가스 센서에는 복구 시간이 필요하지 않습니다. 게다가 PnC에는 전자 부품이 포함되어 있지 않기 때문에 PnC를 사용하는 가스 센서는 폭발성 환경과 같은 복잡한 환경에서 우수한 측정을 제공할 수 있습니다. 또한 PnC 센서의 저렴한 비용과 제조 용이성은 좋은 장점입니다.

우리가 아는 한, 이 연구는 가스 감지 분야에서 독특합니다. 분기형 개방형 공진기를 사용하면 센서 성능이 향상됩니다. 또한, 이러한 시뮬레이션은 수평 결함이 있는 분기형 개방 공진기로 구성된 조사된 유한 1차원 음파 결정이 유망한 센서임을 보여줍니다. 또한 제안된 분기형 개방형 공진기를 갖춘 PnC 센서는 저가의 기존 재료를 사용하여 쉽게 제작할 수 있습니다.