삼중극 보완형 스플릿 링 공진기 기반 혈당 비침습 센서

초록

본 논문은 1~6 GHz cm‑대역에서 동작하는 삼중극 보완형 스플릿 링 공진기(CSRR)를 설계·시뮬레이션하여, 혈액 모사 수용액의 유전특성 변화에 민감하게 반응함을 보였다. 단극·이중극 구조와 비교했을 때 다중 공진점에서 감도가 크게 향상되며, FR4 기판 기반 마이크로스트립 구현이 가능함을 입증한다.

상세 분석

본 연구는 비침습 혈당 측정을 위한 마이크로파 센서 설계에 초점을 맞추었다. 기존의 단극 CSRR 구조는 하나의 공진주파수에서만 감도가 제한적이었으나, 저자들은 세 개의 서로 다른 인덕턴스와 커패시턴스를 갖는 ‘삼중극’ 구조를 도입함으로써 1 GHz6 GHz 구간에 걸쳐 세 개의 뚜렷한 공진점(기본, 2차, 3차 배수)을 구현하였다. 설계는 1.6 mm 두께의 FR4 기판(ε_r ≈ 4.4, 손실탄젠트 ≈ 0.02)을 사용했으며, 마이크로스트립 라인에 CSRR을 에칭하여 전자기장이 강하게 집중되는 슬롯 영역을 형성한다. 전자기 시뮬레이션(Ansys HFSS) 결과, 혈액 내 포도당 농도 변화에 따라 유전율(Δε_r)과 손실탄젠트(Δtan δ)가 0.010.05 정도 변할 때, 각 공진점에서 삽입 손실이 2~5 dB 정도 이동하였다. 특히 3차 배수 공진점에서는 전장 집중도가 가장 높아 감도가 1.8배 이상 향상되었다는 것이 눈에 띈다.

시뮬레이션 파라미터로는 포도당 농도를 0 mg/dL에서 500 mg/dL까지 변화시킨 물-포도당 혼합액을 모델링했으며, 유전율은 78.5 → 78.9, 손실탄젠트는 0.005 → 0.009 정도로 설정하였다. 결과는 S₁₁(반사계수) 스펙트럼에서 공진 주파수 이동(Δf)과 품질인자(Q) 감소를 통해 정량화되었다. 삼중극 구조는 단극 대비 평균 Δf가 150 MHz, Q 감소율이 30 % 이하로 유지되어, 실시간 혈당 변동 감지에 충분한 해상도를 제공한다.

또한, 저자들은 제조 공정상의 실현 가능성을 검토하였다. FR4 기판은 저비용이면서 대량 생산이 용이하지만, 고주파 손실이 존재한다. 이를 보완하기 위해 에칭 깊이와 슬롯 폭을 최적화했으며, 실험적 검증을 위한 프로토타입 제작 단계에서 S-파라미터 측정 장비(VNA)를 사용해 시뮬레이션과 3 dB 이내의 오차를 보였다.

핵심 인사이트는 다음과 같다. 첫째, 다중 공진점을 활용하면 단일 주파수에 의존하지 않아 환경 변화(온도, 피부 두께 등)에 대한 강인성을 확보한다. 둘째, 삼중극 설계는 전자기장의 국부 집중을 강화해 미세한 유전특성 변화를 증폭한다. 셋째, 저비용 FR4 기반 마이크로스트립 구현은 휴대형 의료기기 적용에 유리하며, 향후 PCB 레벨 통합이 가능하다. 마지막으로, 시뮬레이션 기반 설계와 실험 검증을 일관되게 수행함으로써, 비침습 혈당 센서의 상용화 로드맵을 제시한다.