2.1 COMSOL 시뮬레이션

최적화 된 자기 안테나 설계를 위해 COMSOL 시뮬레이션이 수행되었다. 코어물질 타입, 코어 반경, 코일 턴 수, 코어 끝 부분의 렌즈형태의 구조 등에 따른 자기장 세기를 미리 예측하였다. 그림 2(a)는 COMSOL을 통해 얻어진 시뮬레이션 결과를 보인다. 왼쪽부터 i) Ni 코어, 7 코일 턴 수, ii) NiFe 코어, 7 코일 턴 수, iii) NiFe 코어, 15 코일 턴 수로 시뮬레이션을 진행한 결과이다. 고주파에서 투자율이 높은 NiFe 코어를 사용했을 때, Ni 코어를 사용했을 때보다 발생하는 자기장의 크기가 크고 동일한 코어 조건에서는 코일의 턴 수가 증가함에 따라 발생하는 자기장이 큰 것을 보여준다. 자기장 발생기와 안테나 사이의 거리가 증가할수록, 자기장 퍼텐셜이 감소하는 경향을 보여준다. 자기장 안테나의 마그네틱 코어 물질을 투자율이 높은 물질을 사용하게 되면, 높은 인덕턴스로 인해 코일에 같은 전류가 흐를 때 더 큰 자기장이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 순수한 니켈과 고주파에서 투자율이 높다고 알려진 NiFe 물질을 바탕으로 시뮬레이션을 진행해 본 결과, NiFe를 사용했을 때 보다 높은 자기에너지가 발생할 것을 시뮬레이션을 통해 예측할 수 있었다. 또한, 코일의 턴수가 증가함에 따라, 발생하는 자기 에너지가 더 큰 것을 COMSOL 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그림 2(b)는 이러한 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 것을 보여준다. 이 밖에 코어의 반경, 길이, 두께 등을 시뮬레이션을 바탕으로 최적화 된 조건의 파라미터를 도출해 제작하였다.

2.2 Coupling of Mode (COM) 모델링

개발된 지중 무선 센서 측정 시스템에 있어, 먼 거리의 통신을 위해서는 높은 감도를 지닌 표면탄성파 센서의 제작이 필수적이다. 본 연구에서는 1-포트 delayline 구조의 SAW 센서가 제작되었다. 기판은 128° YX LiNbO₃을 이용하였다. 이 기판의 TCD(Temperature Coefficient of Delay)는 75 ppm/℃으로 41° YX LiNbO₃ 기판에 비해서 온도민감도가 좋기 때문에 온도센서에 응용하기에 효율적인 기판이다. 또한, YZ LiNbO₃ 기판에 비해서는 온도 민감도 측면에서는 조금 낮은 특성을 가지지만, 전기기계결합계수(k2)에 있어 5.6 %로 YZ LiNbO₃ 기판보다 1 %정도 더 높아 습도, 가스센서를 집적화 한 SAW 센서를 제작하기에 좋은 특성을 보인다 ⁽¹²⁾. 최적화는 COM 모델링을 이용해 진행하였다. 압전기판의 종류, SAW 센서의 중심주파수, IDT(interdigital transducer)와 리플렉터의 수, aperture 길이, 각 리플렉터 사이의 길이, IDT 두께 및 물질 등을 고려해서 시뮬레이션을 진행하고 최적의 파라미터를 도출하였다. 제안된 시스템에서 신호가 매질을 통과하는 과정에서 발생하는 손실과 간섭 등을 줄이기 위해서 SAW 센서의 공진주파수를 안테나의 주파수 대역과 맞추어 주는 것은 매우 중요하다. SAW 센서의 중심주파수는 자기장 발생기와, 안테나의 공진주파수와 유사한 260, 280, 300 MHz로 최적화되었다 ⁽¹³⁾. SAW 센서의 IDT의 수를 늘리면, 중심주파수에서 보다 손실이 적은 SAW 센서의 제작이 가능하지만 대역폭이 좁아지는 특성을 가진다. 이를 적절히 조절해, IDT는 20개로 최적화하였다. IDT의 폭과, IDT 간의 거리는 목표로 하는 중심 주파수에 따라 정해지는데 그 값은 파장에 관해서는 λ/4로 일정한 값을 갖는다. 각 SAW 센서는 260, 280, 300 MHz에서 중심주파수를 갖도록 설계하기 위해 λ는 각각 15, 13.9, 13 μm로 설계되었다. 그림 2(c)는 설계된 SAW 센서의 시간 영역 시뮬레이션 결과와, 실제 측정결과를 비교한 자료를 보여준다. 실제로 제작한 경우 시뮬레이션 결과보다 노이즈가 많아지고, 피크의 손실이 제작 과정에서 다른 외부 요인으로 인해 커지기는 했지만, 거의 시뮬레이션 결과와 실제 제작해서 측정한 결과가 일치하는 것을 볼 수 있다.

5.1 자기장 발생기와 안테나 특성

무선 통신 시스템 설계에 있어, 각 구성 요소의 주파수대역을 매칭해 주는 것은 적은 신호 감쇠와 간섭을 위해서 매우 중요하다. 본 연구에서는 지상과 지하의 안테나는 다양한 주파수 대역의 센서를 감지할 수 있도록, 보다 넓은 주파수 범위를 커버해 줄 수 있는 넓은 대역폭을 지니는 안테나로 설계하였고, 각각의 SAW 센서는 특정 주파수에서 집중된 신호를 감지할 수 있도록 설계되었다. 그림 6은 지상의 안테나와 지하의 안테나 간의 S11 주파수 특성을 보여준다. 동일한 구조로 두 안테나가 설계되었으나 제작 공정상의 오차로 인해, 약간의 특성 차이를 보인다. 각각의 안테나 특성은 네트워크 분석기를 통해 측정되었다. 두 안테나는 약 250~350 MHz에서 –17 dB~-22 dB의 성능을 보여준다. 이를 통해 각각 260, 280, 300 MHz로 설계된 SAW 센서의 신호를 모두 전달 할 수 있을 것을 예상할 수 있다.

그림. 6. 지상의 자기장 발생기와 지중의 자기장 안테나 S11 특성.

Fig. 6. S11 characteristics of upperground and underground magnetic antennas.

5.2 자기장 발생기와 안테나 사이의 신호 전달

일반적으로 SAW 센서를 구동시키기 위해서는 1 mW 내외의 파워를 필요로 한다고 알려져 있다. 이로 인해 개발된 무선 지중 센서 측정시스템에 있어, SAW 센서에 전달되는 최소한의 전압 및 파워의 확보는 매우 중요하다. 본 연구에서는 안테나 간, 평행하게 위치하지 않고 0~90 °C의 서로 다른 위치에 놓여진 경우에도 신호가 전달이 되는지, 그리고 안테나간 거리에 따라 어느정도 신호감쇠가 발생하고 최대 얼마의 거리까지 리딩거리를 확보할 수 있는지 분석하였다. 그림 7(a)는 안테나 사이의 거리와 각도에 따른 수신 전압 변화를 보여준다. 지중과 지상의 안테나를 평행하게 놓고, 안테나간의 거리를 50 cm, 70 cm, 1 m로 변화시켜가면서 안테나의 수신 전압을 분석하였다. 자기장 발생기에는 약 2 V의 280 MHz 신호를 인가하였으며, 50 cm 거리에서 30 mV가 수신되는 것을 확인할 수 있다. 거리가 멀어짐에 따라 신호가 감쇠하지만, 1 m 거리까지 주파수 변형 및 신호 왜곡이 거의 발생하지 않는 것을 확인하였다. 다음으로 안테나 간 각도의 영향을 알아보기 위해 안테나 간의 거리를 50 cm로 고정해 놓고, 두 안테나 사이의 각도를 0~90 도로 바꿔가면서 신호를 분석하였다. 안테나 코어 중심이 일직선상(0도)에 있을 경우, 가장 큰 신호가 전달되었지만 90도로 위치한 경우에는 0도의 경우와 비교하여 절반 수준의 신호가 전달되었다. 거리와 각도에 따른 두가지 특성을 분석함에 따라, 지중의 서로 다른 다양한 구역에 위치하는 센서를 각도와 거리에 상관없이 최대 1 m 정도까지는 안정적으로 분석할 수 있음을 확인할 수 있다.

그림. 7. (a) 지상과 지중의 안테나 거리, 각도에 따른 신호 전달 특성 (b) 지상과 지중의 안테나 각도, 거리에 따른 테스팅 셋업

Fig. 7. (a) Signal transmission characteristics in terms of antenna distance and angleand (b) testing photos with respect to the antenna distance and angle.

지중의 환경은 공기 중과 달리, 흙, 물, 금속, 나무 뿌리 등의 요소로 구성된다. 이에 따라 각 구성요소가 자기장을 기반으로 하는 신호 전달에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 것은 중요하다. 그림 8(a)는 안테나사이의 매질이 각각 공기, 알루미늄 등의 상자성체, 니켈, 철 등의 강자성체가 위치하는 경우, 신호가 감쇠 및 변형되는 특성을 보여준다. 앞선 실험과 마찬가지로 280 MHz의 2 Vp-p 신호를 자기장 발생기에 인가하고 측정하였다. 자기장 발생기와 안테나 사이에 알루미늄 호일과 같은 상자성체가 위치할 경우, 공기중과 비교해 신호의 변형 및 감쇠가 거의 일어나지 않는 것을 볼 수 있다. 반면에, 자기장발생기와 안테나 사이에 니켈봉이 위치할 경우, 신호가 크게 감쇠할 뿐만 아니라, 주파수가 크게 변하고 신호의 왜곡이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 신호가 자기에너지 성분임을 확인할 수 있다. 그림 8(b)는 지상의 자기장 발생기와 지하의 안테나 간의 path loss를 네트워크 분석기를 통해 분석한 결과를 보여준다. 측정은 서로 다른 매질 에서 거리를 변화시켜가며 진행되었으며, 거리가 증가함에 따라 손실이 커지는 것을 확인할 수 있고, 자기장 전달 매질이 흙이나 물일 경우에 오히려 공기를 매질로 할 때보다 더 손실 없이 전달되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 공기 중보다 흙이나 물으로부터 자기장이 주변 환경의 영향을 덜 받기 때문으로 분석된다. 앞선 결과에서 예측할 수 있듯이, 강자성체가 안테나 사이에 위치할 경우 신호 손실이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 지중 무선 통신에 있어서, 통신 경로에 있는 다양한 매질로 인해 발생하는 간섭이나 신호의 왜곡, 노이즈 등은 매우 큰 이슈이다. 이러한 영향을 줄이기 위해 시스템 각 구성요소 간의 동작 주파수 대역을 맞추어 주는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 지중의 안테나를 SAW 센서의 동작주파수인 약 250~300 MHz에 맞추어 주기 위해서 임피던스 매칭을 진행하였다. 스미스차트를 바탕으로 계산해, 안테나에 약 30 pF의 커페시터를 병렬로 연결해 줌으로써 지상의 송신 안테나와, 지중의 안테나 간의 공진주파수를 매칭시켜 주었다. 그림 9(a)는 임피단스 매칭 전 후 지중 안테나의 S11 특성을 보여준다. 커페시터를 추가해줌으로써, 약 250~300 MHz 구간에서 –17~22 dB 이던 특성이 약 –25~28 dB로 크게 개선된 것을 볼 수 있다. 또한, 매칭 결과가 안테나에서 수신되는 신호의 크기에 주는 영향을 보기위해 지상의 안테나에 약 2 Vp-p 250 MHz 신호를 인가하고, 지중의 안테나에서 수신되는 신호의 크기를 비교하였다 (그림 9(b)). 임피던스 매칭이 없을 경우에는 약 25 mVp-p 크기의 신호가 수신되었으나, 매칭을 한 후에는 거의 4배인 약 100 mVp-p 크기의 신호가 수신되었다. 이렇게 매칭을 진행함으로써, 안테나에서 수신되는 신호의 크기를 증가시키고, SAW에 전달되는 신호를 키움으로써 보다 먼 거리까지 안정적인 감도와 선형성을 가지는 시스템을 개발하였다.

그림. 8. (a) 안테나 사이 매질에 따른 신호 전달 특성 (b) 안테나 사이 매질과 거리에 따른 신호 감쇠 특성

Fig. 8. (a) Signal transmission characteristics in terms of the medium between antennas and (b) signal attenuation in terms of the medium and distance between antennas.

그림. 9. (a) 임피던스 매칭 전후 안테나 S11 특성 (b) 임피던스 매칭 전후 신호 전달 특성

Fig. 9. (a) S11 characteristics of antenna before and after impedance matching and (b) signal transmission characteristics before and after impedance matching.

5.3 SAW 센서 측정 결과

그림 10은 SAW 온도, 습도, 가스 집적 센서의 시간 축에서 측정 결과를 보여준다. 측정은 네트워크 분석기를 이용해서 진행되었다. 온도센서는 센서 표면의 온도가 증가하게 되면, 기판에 흐르는 표면탄성파의 속도가 느려지는 특성을 이용한다. 속도가 느려짐으로 인해 시간에 지연이 생기게 되어 온도센서 피크가 더 딜레이 되는 것을 확인할 수 있었다. 온도센서의 측정을 위해 마이크로히터위에 센서를 위치시키고 온도변화에 따른 반사피크의 시간 변화를 관찰하였다. 시간축의 변화분이 작아, 페이즈로 전환하였으며 온도변화에 따른 페이즈 변화를 확인하였다. 가스센서는 수소 감지물질로 증착된 3-D 구조의 SnO₂ 센싱물질에, 수소가 반응하면, SnO₂ 표면의 활성산소를 떼어내게 되어 미세하게 질량이 감소하는 원리를 이용한다. 반대로 센서가 공기중에 노출되면, 공기중의 산소와 반응해 다시 표면에 활성산소가 형성된다 ^(15),(16). 이러한 산화 환원 메카니즘에서 SnO₂ 표면의 활성산소 함량으로 인한 질량 변화로 인해서 표면탄성파의 속도에 미치는 mass loading effect가 변화하게 되고, 이는 표면탄성파 신호의 속도를 변화시켜 시간 딜레이를 야기한다. 가스센서의 분석은 지중 환경에서 측정의 어려움으로 지상의 챔버에서 진행하였다. 수분센서 물질로는 rGO:MoS₂가 사용되었다. 센싱 물질이 외부의 수증기에 노출되면, 수증기는 MoS₂ 표면에 부착되고, rGO 표면에는 OH기 또는 COOH기를 형성하게 된다 ⁽¹⁷⁾. 이 과정에서 외부의 물 분자와 반응함에 따라 질량 변화가 생기고, 마찬가지로 표면탄성파의 속도를 변화시켜 시간 변화를 야기한다. 이러한 특성을 시간축으로 보게 되면 매우 미세한 변화분이기 때문에 정밀한 분석을 하기 어려워 전체 시스템을 구현하고 측정할 때에는 네트워크 분석기를 이용해서 페이즈로 변환시켜서 읽는 방법을 사용하였다. 습도센서 분석은 지상의 챔버에서 진행하였다. 습도센서는 항온항습 챔버내에서 습도만을 변화시키며 진행하였다.

그림. 10. 제작된 SAW 온도, 습도, 가스 집적센서 시간축 측정 결과

Fig. 10. Measurement results of SAW temperature, humidity, and gas sensors

5.4 전체 센서 시스템 측정 결과

그림 11(a)는 전체 지중 무선 SAW 센서 시스템의 테스팅 셋업을 보여준다. 지상의 하나의 자기장 발생기와, 지중의 서로 다른 위치에 세 개의 안테나-SAW 집적 시스템이 위치한다. 지중의 안테나와 SAW 센서는 외부로부터의 오염 및 부식 등을 막기 위해 PDMS로 쉴딩되었다. 전체 시스템은 지상에서 네트워크 분석기를 이용해 무선으로 측정되었다. 서로 다른 세군데에 위치한 각각의 SAW 센서는 260, 280, 300 MHz의 서로 다른 중심주파수를 가지고 있고, 지상의 안테나에서는 각 주파수에서의 초기 정보를 페이즈의 형태로 가지고 있는 상태이다. 지상의 자기장 발생기에 신호가 인가되면, 자기장의 형태로 지하의 안테나에 전달되고, 이 신호가 다시 전기 에너지로 변형되어 SAW 센서를 구동시킨 후, 반사된 신호는 다시 지상의 안테나로 전달되어 네트워크 분석기를 통해 분석된다. 이 때 지상의 네트워크 분석기에서는 서로 다른 위치에 위치한 센서가 각각 다른 주파수를 가지는 특성을 이용해 원하는 지점에서의 온도, 습도, 가스 영향을 페이즈 변화의 형태로 분석할 수 있다. 그림 11(b)는 SAW 센서의 가스센서 감지 특성을 보다 정밀하게 분석하기 위해서 밀봉된 환경에서 실험을 진행한 테스팅 셋업이다. 가스 챔버와 진공 펌프, 챔버 내의 SAW 센서와 안테나, 챔버 밖의 자기장 발생기와 네트워크 분석기로 구성된다. 챔버는 투자율이 거의 1로써 자기장에 영향을 받지 않는 유리를 사용하였으며, 수소 가스를 챔버 내에 각각 다른 농도 (50~1000 ppm) 으로 공급해 가면서 분석을 진행하였다.

그림. 11. (a) 전체 시스템 테스팅 셋업 (b) 가스 센서 측정 테스팅 셋업

Fig. 11. (a) Developed system testing setup and (b) sas sensor testing setup

그림 12(a)는 지중의 센서에 온도를 인가하고, 지상의 안테나에서 네트워크 분석기를 통해 페이즈 변화를 측정한 결과이다. 온도가 증가하면, 페이즈가 시프트하는 것을 볼 수 있다. SAW 센서 표면의 온도가 증가하게 되면 표면탄성파의 속도가 감소하고, 이로 인해 신호의 주파수 변화가 생겨 페이즈 변화를 야기한다. 그림 12(b)는 각각 마른 흙과 물과 혼합된 흙, 공기, 강자성체 매질이 포함된 경우에 온도센서의 감도를 보여 준다. 흙, 물, 공기에서는 약 5.06 °/°C 의 감도를 보여준다. 선형성은 0.98로 분석되었다. 매질에 강자성체인 니켈봉이 들어갈 경우, 거의 센서로써 분석하기 어려운 결과를 보여준다. 이는 자기장 신호가 투자율이 높은 니켈봉을 거치게 되면, 큰 변형과 감쇠가 생기기 때문이다. 이로 인해 지중의 센서 및 안테나와 지상의 안테나 간의 신호 전달이 어렵게 된다. 이 결과를 통해 본 시스템의 신호 전달원이 자기 에너지라는 것과, 이를 사용하기 때문에 투자율이 1인 지중 구성물질 (나무뿌리 , 흙, 돌 ) 등을 거치는 과정에서 신호의 감쇠 및 변형이 거의 없어 안정적으로 기중과 유사한 시스템 구현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

그림. 12. (a) 온도센서 전체 시스템 측정 결과 (b) 매질별 온도센서 전체시스템 측정 결과

Fig. 12. emperature sensor measurement results and (b) sensitivity of temperature sensor in terms of underground medium.

그림 13은 전체 시스템의 습도센서 측정 결과를 보여준다. 습도센서 감지 물질인 rGO:MoS₂ 혼합물질이 외부의 수증기에 노출되면, 수증기는 MoS₂ 표면에 부착되고, rGO 표면에는 OH기 또는 COOH기를 형성하게 되며, 이 과정으로 인해 질량 변화가 생기고 표면탄성파의 속도를 변화시키게 된다. 이로 인한 시간 지연을 지상의 안테나와 네트워크 분석기를 이용해 페이즈 변화로 측정하였다. 감도는 약 6 °/RH%로 분석되었으며, 선형성은 0.95로 분석되었다.

그림. 13. 습도 센서 측정 결과

Fig. 13. Humidity sensor measurement results

그림 14(a)는 각각 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm의 수소 가스를 주입하고 전체 시스템을 사용해서 가스센서를 측정한 결과이다. 그림 11(a)의 전체 테스팅 셋업에 가스를 정확한 농도로 주입하는데 어려움이 있어, 11(b)와 같이 챔버를 사용하였다. 수소 감지물질인 3-D SnO₂에 환원성 가스인 수소가 반응하면, SnO₂ 표면의 활성산소를 떼어내게 되어 미세하게 질량이 감소하게 된다. 반대로 다시 센서가 공기중에 노출되면, 공기중의 산소와 반응해 다시 표면에 활성산소가 형성된다. 이러한 산화 환원 메카니즘에서 SnO₂ 표면의 활성산소 함량으로 인한 질량 변화로 인해서 표면탄성파의 속도에 미치는 mass loading effect가 변화하게 되고, 이는 표면탄성파 신호의 주파수 변화를 야기한다. 이러한 미세한 주파수 변화를 보기 위해서 지상의 안테나에서는 네트워크 분석기를 이용해 페이즈 변화로 감지하였다. 응답시간은 100 ppm에서 약 500초 정도로 분석되었으며, 0~200 ppm의 저농도 구간에서는 1.1 °/ppm 의 감도를 보여준다. 선형성은 약 0.96 정도로 분석되었다. 약 500 ppm 이상의 농도에서는 농도가 증가해도 큰 변화가 나타나지 않는데, 이는 일정량 이상의 가스가 들어오게 되면 SAW 표면 SnO₂ 센싱물질에 있는 활성산소가 이미 다 반응해 표면에 더 이상 반응할 수 있는 활성산소가 없기 때문이다. 앞의 연구에서는 SAW 센서에서 오는 미세한 변화를 감지하기 위해 보다 효율적으로 분석할 수 있는 페이즈 신호로 읽는 방법을 사용하였다. 그림 15는 이 페이즈 변화를 가져오는 SAW의 출력 신호가 어떠한 형태로 안테나에 전달되는지 확인하기 위해, 서큘레이터를 이용하여 측정한 테스팅 셋업을 보여준다. 서큘레이터는 신호를 계속 한 방향으로 전달해주는 역할을 수행할 수 있다.

그림. 14. (a) 가스센서 전체 시스템 측정 결과 (b) 가스센서 감도, 선형성 분석 결과

Fig. 14. (a) Gas sensor overall system measurement results and (b) gas sensor sensitivity and linearity analysis results

그림. 15. (a) Circulator를 이용한 테스팅 셋업 (b) circulator를 이용한 측정 결과

Fig. 15. (a) Testing setup using a circulator and (b) measurement results using a circulator

서큘레이터의 1번 포트에는 신호 발생기, 2번 포트에는 자기장 안테나, 3번 포트에는 오실로스코프가 각각 연결된다. 신호 발생기에서 SAW의 공진주파수에 맞추어진 약 260 MHz의 신호를 주기적으로 인가해 주면, 포트 3의 오실로스코프에서는 1번 포트에서 전달된 신호가 주기적으로 읽히게 된다. 이 때, 2번 포트의 안테나에 외부의 SAW 신호가 들어오게 되면 오실로스코프에서 신호발생기의 신호가 들어오지 않는 구간에 SAW 공진주파수와 거의 일치하는 신호가 들어오게 된다. 이 때 SAW 의 외부 온도나 습도, 가스환경 등이 변화하게 되면 이 신호의 주파수에 변화가 생기게 되고, 이를 분석함으로써 SAW 센서 출력 신호의 정보를 확인할 수 있다. 그림 15(b)는 서큘레이터를 이용해 포트 3의 오실로스코프에서 측정한 결과를 보여준다.