KR100377192B1

KR100377192B1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서

Info

Publication number: KR100377192B1
Application number: KR10-2000-0086740A
Authority: KR
Inventors: 표현봉; 김승환; 이수열; 박선희; 이상경
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2003-03-26
Also published as: KR20020058626A

Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 이용하여 시료의 굴절률 혹은 농도의 변화를 관찰하는 전광 센서(electro-optic sensor)(또는 이미징 시스템)에 관한 것으로, 특히 입사광을 금속 표면의 플라즈몬에 커플링 시키는 매체로서 고정된 굴절률을 가진 통상의 프리즘 대신에, 가해지는 전압에 따라 굴절률이 변화하는 전광매체(electro-optic media)를 커플링 매체로 하는 것으로, 시료의 굴절률 혹은 농도 변화를 측정하는 센서의 경우, 종래 방식인 공명각을 측정하는 단색광-회전장치 혹은 공명파장을 측정하는 백색광-분광장치 등에서처럼 회전장치나 분광기가 없이도 가해지는 전압을 조절해 줌으로써 플라즈몬의 공명조건 및 그의 변화를 측정할 수 있고, 이에 따라 기구의 구조와 크기의 단순화 및 소형화를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서{Electro-optic sensor using surface plasmon resonance}

본 발명은 금속 내에 존재하는 표면 플라즈몬의 입사광에 대한 공명 흡수를 이용하여 측정하고자 하는 매질의 굴절률 혹은 그의 변화를 측정하는 센서에 관한 것으로, 특히 기존의 프리즘 커플러 대신에 전광매질과 전압 등 외부 바이어스를 이용하여 측정기구의 구조 및 기능의 단순화 및 향상, 그리고 제작 비용을 줄이기 위한 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서에 관한 것이다. 본 발명의 센서를 다수개 배열시켜 이미징 시스템을 구현할 수 있다.

일반적으로, 금속 내에 존재하는 표면 플라즈몬의 입사광에 대한 공명 흡수를 이용하여 측정하고자 하는 매질의 굴절률 혹은 그의 변화를 측정하는 센서 및 이미징 시스템은 첨부한 도 1에서 보는 바와 같이 통상 투명한 BK7, SF10 등의 프리즘으로 대표되는 유전 매체(10)의 복소 유전함수(complex dielectric function)를 ε₀= ε'₀+ iε"₀라 하고 입사광의 매질(10)에 대한 입사각을 θ라 할 때, 매질(10)과 금속 박막(12)의 계면에 평행한 입사광의 파수벡터(wave vector) k_x는 아래의 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서와 같이 정의된 입사광의 파수벡터(wave vector)에 대응하는 표면 플라즈몬의 파수벡터 k_sp는 금속 박막(12) 및 측정 시료(11)의 유전함수를 각각 ε₁, ε₂라 할 때 아래의 수학식 2와 같다.

따라서, 표면 플라즈몬과 입사광의 공명조건은 각각의 파수벡터가 일치해야 하므로 위의 두 관계식으로부터 공명조건은 아래의 수학식 3과 같다.

이때, 상기 투명 매질(10)의 유전함수의 허수부 ε"₀(흡수계수)가 0이고,인 관계를 이용하면 위의 식은 아래의 수학식 4와 같다.

표면 플라즈몬 공명을 이용하여 측정 시료의 굴절률, 혹은 일반적으로 유전함수 ε₂의 변화를 측정하는 방법으로 다수의 선행 기술들이 제안되었는데, 첫 번째 방법은 미국특허 제4,889,427호 등에 언급되어 있는 방식으로서 단일파장을 가진광원의 입사광과 고정된 굴절률 n₀을 가진 프리즘을 이용하여 입사각 θ를 변화시키면서 위의 조건을 만족시키는 공명각 및 그의 변화를 측정하는 방식이다.

또한, 두 번째 방법은 미국특허 제5,359,681호 등에 언급되어 있는 방식으로 백색광(white light) 등 다중파장을 광원으로 하고 입사각 θ를 고정한 상태에서 위의 공명조건에 따른 파장의 변화를 측정하는 방법이다.

그리고 세 번째 방법은 미국특허 제4,844,613호 등에 언급되어 있는 방식으로 확장된(expanded) 단일파장의 광원을 이용하여 매질의 중심에 집속시키고, 포토다이오드 어레이(photodiode array, PDA) 등과 같은 다중 채널의 수광소자를 이용하여 회전 구동장치 없이 공명각을 측정하는 방법이다.

또한, 첨부한 도 2는 상술한 종래 선행기술에 따른 방법들을 기초로 하여 측정하고자 하는 매질의 굴절률의 변화를 측정하는 SPR 센서 혹은 이미징 시스템을 이루는 측정부의 구조도로써, "Kretschmann"형이다.

입사광을 표면 플라즈몬과 커플링시키는 유전체로서 흔히 사용되는 프리즘의 윗면(20a)은 그와 같은 매질로 이루어진 유리기판(23)과 인덱스 매칭 오일 혹은 "Cargille"사의 매칭 오일과 같은 매질을 통하여 광학적으로 커플링된다.

상기 유리기판(23)으로 지지되는 금속박막(24)으로는 통상 금(Au), 은(Ag) 등이 쓰이고, 이는 약 50㎚ 정도의 두께로 진공 증착법으로 코팅이 되며, 유리기판(23)과 금속 박막(24)의 접착력을 증가시키기 위해 통상 유리금속(23)과 금속박막(24) 사이에 크롬(Cr) 등을 수 ㎚(1㎚∼5㎚) 정도로 코팅하기도 한다.

입사광이 유전매질(20)을 통하여 일정한 각도 θ로 입사되었을 때, 이의 금속면에 평행한 파수벡터의 성분이 금속 박막(24)의 표면과 그 표면 위에 위치하는 측정 시료의 계면(첨부한 도 2에서는 공기(air))의 계면을 따라 요동하는 전하밀도, 즉 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때, 입사광의 에너지는 대부분 흡수되게 된다.

이에 따른 플라즈몬 장의 분포는 계면 유리기판(23)과 금속 박막(24) 사이의 양쪽 방향으로 지수 함수적으로 감소하게 되고, 이의 도달거리는 수백 ㎚정도로 입사광의 파장 정도의 크기(order)가 된다.

앞서 기술한 바와 같이 현재까지 보고된 SPR센서 관련기술은 크게 단색광-회전장치와 백색광-분광장치 등의 구조로 구별되는데, 전술한 단색광-회전장치의 경우에 있어서는 회전장치가, 후술한 백색광-분광장치의 경우에 있어서는 분광장치가 센서의 구조, 크기, 분해능 및 제조 가격 등에 제한으로 작용하였다.

이를 해결하기 위해서는 가능한 광학정렬이 쉽고 가격이 싼 LD, LED등과 같은 단색광원과 실리콘 포토다이오드 등과 같은 상대적으로 저가의 광소자를 사용하여 구성할 수 있으며 변환하는 파라미터(입사각이나 입사광의 파장 등)의 향상된 범위와 정밀도를 갖는 SPR 센서를 구상해야 할 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 표면 플라즈몬을 이용하여 시료의 굴절률, 두께, 혹은 그의 농도 등을 측정하는 센서(또는 이미징 시스템)에 있어, 기존의 프리즘 커플러대신에 전광매질과 전압 등 외부 바이어스를 이용하여 측정기구의 구조 및 기능의 단순화 및 향상, 그리고 제작 비용을 줄이기 위한 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서를 제공하는데 있다.

도 1은 기존의 표면 플라즈몬(Surface plasmon, SP)을 이용한 센서 구조의 개략적인 단면도,

도 2는 도 1의 원리를 이용하여 만들어진 "Kretschmann"형의 기존 SPR센서의 구체적인 조감도,

도 3은 본 발명이 제안하는 표면 플라즈몬을 이용한 전광센서의 적층구조 및 작동원리를 개략적으로 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30a, 30b, 30c : 유리 기판 31 : 배열 매질 (alignment layer)

32 : 투명한 전도성 물질 33 : 전광 매질 (electro-optic media)

34 : 수광부 35 : 입사 광원

36 : 금속 박막 37 : 측정 시료

38 : 스페이서 (spacer)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 공명을 이용한 전광 센서는, 서로 대향하게 위치하는 두 개의 유리 기판; 상기 유리기판들의 대향면에 도포되어 지지되며 그 각각이 서로 대향하게 위치하는 투명한 전도성 물질; 상기 전도성 물질의 대향면에 도포되어 지지되며 그 각각이 서로 대향하게 위치하는 배열 매질; 서로 대향하게 위치하는 상기 배열 매질간의 이격 공간을 채우고 있으며 전압 등 외부의 바이어스에 따라 광학 계수가 변화하는 전광 매질; 상기 배열 매질간의 이격 공간내에 상기 전광 매질을 형성하고 밀봉하기 위한 스페이서; 및 입사광이 상기 구성요소들로 이루어진 매질체을 투과하여 입사되는 광을 반사시키고 측정시료와 상기 매질체 사이에 구비되어 표면 플라즈마를 생성하기 위한 금속 박막; 상기 입사광의 광원; 상기 반사되는 광량을 측정하는 수광부; 상기 전도성 매질에 바이어스를 가변시켜 인가할 수 있는 바이어스공급수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

우선, 본 발명에 적용된 기술적 사상을 간략히 살펴본다.

SPR 센서의 소형화 및 구조의 단순화를 이루기 위해서는 수학식 3에서 보는 바와 같이 광원의 파장을 고정시키고 입사각 θ를 변화하는 방법과, 입사각을 고정시키고 광원의 파장 λ를 즉, ε₁(λ)를 변화시키면서 그의 공명조건을 찾는 방법 이외에, 프리즘과 같이 일정한 파장에 따라 고정된 광학계수 즉, 굴절률을 가진 커플링 매질을 전광매체(electro-optic media)로 대체하여 그의 굴절률 n₀을 외부 바이어스(예; 전압 등)에 따라 n₀= n₀(V) 처럼 가변적으로 변화시키면서 공명조건을 찾을 수 있는 SPR 센서 구조를 구현하는 것이 바람직할 것이라는 데 착안한 것이다.

따라서, 본 발명에서는 예를 들어 액정과 같은 전광매체를 사용하고, 가변 전압 등 외부 바이어스를 조절하면서 그에 따른 SPR의 공명조건의 변화를 정량적으로 측정함으로써 이의 구현을 가능하게 한다.

수 ㎝정도의 크기를 갖는 프리즘 커플러나 ㎚단위 이하의 좋은 분해능의 분광장치를 이용하지 않고도 SPR센서, SPR 이미징 시스템, 혹은 일반적으로 SPR을 이용한 측정시료의 굴절률을 측정하는 기구의 소형, 단순화를 위해서 본 발명은 하나의 좋은 방법이 될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 살펴보기로 한다.

도 3에서 나타낸 바와 같이 본 발명이 제안하는 표면 플라즈몬 전광센서의 구조는 다음과 같다.

첨부한 도 3에 도시되어 있는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 전광센서는 임의의 유리 기판(30a, 30b)과, 상기 유리기판(30a, 30b)에 도포되어 지지되는 투명한 전도성 물질(32)과, 상기 전도성 물질(32)에 도포되어진 배열 매질(alignment layer; 31)과, 전압 등 외부의 바이어스에 따라 광학 계수(굴절률 등)가 변화하는 액정(liquid crystal, LC) 등의 전광 매질(electro-optic media; 33)과, 상기 전광매질(33)의 막 층의 형성과 밀봉을 위한 스페이서(spacer; 38)와, 표면 플라즈몬을 위한 금속 박막(36) 및 굴절률 혹은 농도를 측정하기 위한 측정 시료(37)로 구성된다.

우선 첨부한 도 1에서 프리즘 커플러(10)를 대체하는 매질 층으로는 도 3에 도시된 바와같이 유리기판(glass substrate: 31a∼31c), 액정(liquid crystal, LC)과 같은 전광 매질 층(electro-optic layer: 33), MgF₂등과 같은 전광 매질의 배열을 위한 매질 층(alignment layer: 31), ITO(indium tin oxide)와 같은 투명한 전도성 매질 층(transparent conductive layer: 32)으로 이루어진다.

외부 바이어스를 위한 전극으로는 전도성 매질(32)의 양단이 이용되고, 이를 이용하여 외부 전압 등의 바이어스를 조절해 가면서 SPR공명 조건을 관찰한다. 즉 바이어스가 변하면 금속 박막(36)과 광원(35)에서 조사되는 입사광 사이의 매질층(30a∼30c, 31, 32)을 포함한 전광매질(33)의 총 유효 굴절률(effective refractive index, effective RI)이 변하게 되므로 이 매질 내에서의 입사각 θ가 변하게 된다.

따라서, 내부전반사(total internal reflection; TIR)로 인한 반사광량을 수광 소자(34)로 측정하면 공명조건을 만족하는 특정 바이어스 값에 대해서 반사율이 최소가 됨을 관찰할 수 있다.

이는 기존의 방법, 즉 광원(25)에서 조사되는 입사광 자체의 각도를 변화시키는 방법이 아니라 커플링 매질의 유효 굴절률을 변화시키는 것이므로 외부의 각도 구동장치가 필요 없게 된다.

먼저, 유리기판의 아래와 윗면 즉, 참조번호 30a와 30b 그리고 그 사이의 매질 층(31, 32)들은 액정과 같은 전광 매질 층(33)에 대하여 샌드위치 형태로 되어 있으므로 이들의 적층 방법은 동일하다.

그 과정을 살펴보면, 유리기판(30a 혹은 30b) 위에 ITO 등의 투명한 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 등의 증착 방법으로 증착하여 박막(32)을 만든다. 그 위에 약 50nm 두께의 MgF₂를 박막면에 대해 약 50°∼60°정도 기울여서 증착시킨다. 이때, 전광매질(33)로서 액정을 쓴다고 할 때, 수 ㎛정도의 액정층(33)은 테프론(teflon) 등의 스페이서(38)로 밀봉한다.

유리기판(30b)에는 부가적으로 참조번호 31과 32로 지칭되는 각 매질층의 반대면에 플라즈몬 생성을 위한 금(Au), 은(Ag) 등의 금속을 약 50㎚ 정도로 진공 증착 장비를 이용하여 증착시킨다.

이때, 참조번호 36과 30c로 지칭되는 금속박막과 유리기판 사이의 접착력을 증가시키기 위해 그 사이에 크롬(Cr) 등을 수 ㎚(1㎚∼5㎚) 정도로 코팅하기도 한다.

이렇게 완성된 센서 구조체는 금속 박막(36) 쪽에 측정하고자 하는 시료가 위치하며, 기존의 박막의 표면 특성분석에 쓰였던 것과 같이 고체인 경우에는 시료 자체의 박막이, 액체 시료인 경우에는 이를 포함하는 홀더와 시료의 순환에 필요한 펌프 등의 부가적인 장치가 부착되게 된다.

고정된 파장을 가진 레이저 등의 단색광원이, 외부 바이어스가 없을 때 참조번호 30a, 30b, 30c, 31, 32, 및 33으로 이루어진 층들의 전반사 조건에 맞는 총 유효 임계각(effective critical angle) 보다 큰 각도로 금속면의 반대편으로 입사 되면, 내부 전반사에 의해서 반사되는 광량은 입사 광량과 거의 같게 되나, 외부 바이어스를 걸어 주었을 때 수학식 4를 만족하는 조건하에서는 입사광의 에너지가 거의 모두 흡수되어 반사광이 크게 줄어든다.

한편, 참조번호 30a, 30b, 30c, 31, 32, 및 33으로 이루어진 층들의 총 유효 임계각은 "Fresnel"의 방정식을 이용하여 구할 수 있다(W. N. Hansen, Journal of OSA 58(3), 380-390(1968)) .

한편, 수광 소자(34)로서는, 금속 박막(36)과 광원(35)에서 조사되는 입사광 사이의 매질의 유효굴절률의 변화로 인한 입사각 θ의 변화와 그에 따른 반사광의 각도 및 위치 변화를 고려하여 수광 면적이 큰 실리콘-포토다이오드(Si-photodiode)나 다이오드 어레이를 쓸 수 있다.

수광소자(34)에서 측정되는 반사광의 양을 외부 바이어스, 즉 외부 전압 등의 함수로 나타내면 특정한 전압의 값에 대해 반사광의 양이 최소가 되는 것을 측정하고, 측정 시료(37)의 굴절률, 혹은 농도를 변화시키면서 이를 반복하면 농도의 변화에 대한 공명 전압의 변화를 측정할 수 있고, 이에 대한 보정곡선(calibration curve)을 얻게 된다. 이에 따라 미지의 시료의 광학 계수나, 농도 변화를 측정할 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 일정한 파장에 따라 고정된 광학계수, 즉 굴절률을 가진 커플링 매질을 전광매체로 대체하여 그의 굴절률을 외부 바이어스에 따라 가변적으로 변화시키면서 표면 플라즈몬(SP)의 공명 조건을 찾을 수 있는 센서 구조는, 기존의 방법과 같이 프리즘이나 분광장치를 이용하지 않고도 SPR센서 기구의 소형, 단순화를 구현할 수 있다.

Claims

서로 대향하게 위치하는 두 개의 유리 기판;

상기 유리기판들의 대향면에 도포되어 지지되며 그 각각이 서로 대향하게 위치하는 투명한 전도성 물질;

상기 전도성 물질의 대향면에 도포되어 지지되며 그 각각이 서로 대향하게 위치하는 배열 매질;

서로 대향하게 위치하는 상기 배열 매질간의 이격 공간을 채우고 있으며 전압 등 외부의 바이어스에 따라 광학 계수가 변화하는 전광 매질;

상기 배열 매질간의 이격 공간내에 상기 전광 매질을 형성하고 밀봉하기 위한 스페이서; 및

입사광이 상기 구성요소들로 이루어진 매질체을 투과하여 입사되는 광을 반사시키고 측정시료와 상기 매질체 사이에 구비되어 표면 플라즈마를 생성하기 위한 금속 박막;

상기 입사광의 광원;

상기 반사되는 광량을 측정하는 수광부;

상기 전도성 매질에 바이어스를 가변시켜 인가할 수 있는 바이어스공급수단

을 포함하여 이루어진 플라즈마 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 매질체의 외곽을 이루는 유리기판의 일측면과 상기 금속 박막 사이에 상기 유리기판과 동일한 또 하나의 유리기판이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 매질체와 상기 금속 박막은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 입사 광원으로서 단파장 혹은 다중파장의 광원중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 입사광이 TM-편광된 광임을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제 1항에 있어서,

상기 입사 광원으로 레이저 또는 발광다이오드(light emitting diode, LED) 혹은 백색광원 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 수광부를 이루는 소자로서 포토다이오드(photodiode) 또는 광 증폭기(photomultiplier, PMT) 또는 촬상소자(charge coupled device, CCD) 및 감광용지 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 금속 박막으로서 금(Au) 또는 은(Ag) 및 백금(Pt)중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 금속 박막과 상기 유리기판 사이에 접착력을 증가시키는 박막의 재료로서 크롬(Cr), 티타늄(Ti)를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제 1항에 있어서,

상기 매질체의 전부 혹은 일부가 투명한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전광 매질로서 액정을 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제11항에 있어서,

상기 전광 매질로서 액정과 그의 배열 매질로서 MgF₂를 사용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 전광 매질을 구동시키는 외부 바이어스로서 전압을 이용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 시료 매질의 상이 액체인 경우, 이를 수납하는 홀더와 시료의 순환에 필요한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항에 있어서,

상기 전도성 매질로 ITO(indium tin oxide)를 이용하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제1항 또는 제15항에 있어서,

상기 전도성 매질이 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.
제2항에 있어서,

상기 금속 박막을 지지하는 유리 기판과 상기 또 하나의 유리기판 사이에 상기 유리 기판과 동일한 굴절률을 가진 인덱스 매칭 오일을 삽입된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 센서.