KR101468838B1 - 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치 - Google Patents

표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 광섬유부에 형성된 시료층을 지나고 p 편광과 s 편광으로 스플리팅된 2 개의 편광 빔의 세기 신호 분석을 통해 시료층 감지가 용이한 효과가 있다. 이를 위해 특히, 본 발명의 일 실시예는 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱/환경모니터링 장치에 있어서, 광을 조사하는 광원부; 조사된 광이 일단에 입사되어 내부 전반사를 통해 타단으로 출사되고, 일부에 클래딩이 제거되어 코어 외곽으로 금속층과 시료층이 순서대로 적층된 표면플라즈몬 공명부를 가지는 광섬유부; 광섬유부 타단에 위치하여 출사된 광을 회전 가능한 1/2 파장 위상지연판에 통과시킨 후 p편광 빔과 s편광 빔으로 분리하는 편광 빔 스플리터부; 분리된 p편광 빔과 s편광 빔을 검지하고 각각에 대응하는 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호를 출력하는 광검지부; 및 출력된 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호 중 적어도 하나를 수신하고, 시료층의 표면플라즈몬 공명 조건 변화에 따른 복굴절 변화에 의하여 발생한, 수신된 p 편광 세기 신호 또는 수신된 s 편광 세기 신호에 기반하여 시료층의 감지가 가능한 시료층 감지부;를 포함하되, 광섬유부는 멀티모드 광섬유이고, 금속층은 은과 알루미늄의 이중층으로 형성되되 은과 알루미늄이 코어 외곽으로 비대칭적으로 적층된 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 또는 환경모니터링 용 광 센싱 장치를 포함한다.

Description

표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치{OPTICAL SENSING APPARATUS USING SURFACE PLASMON RESONANCE-INDUCED POLARIZATION CHANGE}
본 발명은 광 센싱 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광의 표면플라즈몬 공명에 의한 빛의 복굴절 변화를 이용하여 시료층의 농도 등을 감지하는 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱 또는 환경모니터링 용 광 센싱 장치에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmons, SP)은 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons, SPPs) 또는 플라즈몬 표면 폴라리톤(plasmon surface polaritons, PSPs)이라고도 불린다. 표면 플라즈몬은 일반적으로 음의 유전 함수(dielectric function, ε'<0)를 갖는 금속과 양(ε'>0)의 그것을 갖는 매체의 계면을 따라 전파하는 표면 전자기파로서, 금속 표면에 위치한 전도대(conduction band) 전자들의 집단적인 고유 진동(collective oscillation)모드를 여기(excitation)시킴으로써 발생한다. 표면 플라즈몬을 여기시키기 위해서는 표면 플라즈몬과의 위상정합(phase matching) 조건을 만족시킬 수 있는 외부 전자기파를 금속표면 전자들과 상호작용시켜야 한다. 표면 플라즈몬을 여기시키기 위한 광학적인 방법으로는 프리즘 커플링, 회절격자 커플링, 도파관 커플링 등의 방법이 널리 쓰이고 있다. 특히 금속과 경계를 이루는 유전체의 굴절률이 달라질 경우 플라즈몬 공명을 위한 위상정합조건이 달라지게 되어, 표면 플라즈몬 공명의 여기(excitation) 조건(파장, 입사각도 등)이 변화하게 되며 이러한 변화를 이용하여 바이오센싱/환경모니터링 장치 구성 등에 응용하고 있다.
표면 플라즈몬 금속/유전체 계면에서 수직 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소산파(evanescent wave)와 비슷한 성질을 띠며, 소산파의 두께에 따라서 측정하고자 하는 바이오/유해물질의 농도에 대한 민감도가 달라질 수 있다. 즉,'표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)' 현상은 전자기파와 금속(보통 금, 은등이 많이 쓰임) 간의 상호작용의 결과로써 야기되고 관찰되는 독특한 현상이라고 정의할 수 있다.
SPR 현상은 크게 두 가지로 분류되는데 하나는 약 10∼200 nm 두께의 매끄러운 평판 형태의 귀금속과 유전체 계면에서 관찰되는 전파형 플라즈몬(propagating plasmons)과, 다른 하나는 10∼200 nm 크기의 귀금속 나노입자(또는 나노소재) 등에서 관찰되는 국부적 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 현상이다. 특히, LSPR 현상과 관련된 연구는 최근의 나노바이오과학과 기술의 진보와 함께 매우 활발하게 진행되어 독보적인 학문 분야로 자리매김하고 있으며, 특히 광바이오 센싱(optical biosensing)/환경모니터링 분야에 광범위하게 응용되고 있다.
이러한 SPR 현상을 이용하는 광바이오 센싱/환경모니터링 용 광 센싱 장치를 연구하는 경우 그 민감도 향상은 기본적인 것이며, 이와 함께 샘플 준비시간을 단축시킬 수 있거나 실시간으로 연속적 모니터링이 가능하거나 또는 휴대성과 작은 사이즈 구현 등에 대한 연구의 필요성이 있다.
특히, 기존의 SPR 센싱장치는 전자기파의 파장이나 빔의 각도 등을 측정하는 스펙트로스코피 기반 장치이며 상대적으로 높은 민감도를 보이는 장점이 있는 동시에 휴대용 또는 컴팩트한 형태로 만드는데 한계가 있으며, 제조단가가 상대적으로 비싼 단점이 있다.
또한 대부분의 경우 고가의 금을 이용하여 표면 플라즈몬을 형성시키므로, 소모품 등 유지비용이 높은 편이다. 또한 기존의 유전체 도파관(센싱부)을 이용하여 SPR 공명모드를 여기시키는 시스템의 경우 센싱부의 제작이 용이하지 않으며 단가가 비싼 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 단점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 광섬유부에 형성된 시료층을 지나 위상 지연된 편광 빔의 세기신호 분석을 통해 SPR 현상과 복굴절에 따른 시료층 감지가 가능한 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱/환경모니터링 용 광 센싱 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은 광섬유부에 형성된 시료층을 지나면서 위상 지연된 빔의 편광변화 분석을 통해, SPR 현상에 기인한 복굴절 변화에 따른 시료층의 농도 감지가 가능한 표면플라즈몬 공명을 이용한 소형 사이즈 고민감도 광바이오 센싱/환경 모니터링 용 광 센싱 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 센싱부의 제작이 용이하도록 폴리머 클래딩 광섬유를 사용함으로써 클래딩 부분의 제거 및 SPR 현상을 위한 금속증착 및 시료 장착을 매우 용이하게 하여 간단하게 센싱부를 제작할 수 있는 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱/환경모니터링 용 광 센싱 장치를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 제4 목적은 금속층을 비대칭적 코팅으로 형성하여 폭넓은 범위의 표면 플라즈몬 여기각(SPR excitaion angle) 형성과 더 넓은 시료층 농도를 센싱할 수 있는 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱/환경모니터링 용 광 센싱 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 표면플라즈몬 공명을 이용한 광바이오 센싱/환경모니터링 장치에 있어서, 광을 조사하는 광원부; 조사된 광이 일단에 입사되어 내부 전반사를 통해 타단으로 출사되고, 일부에 클래딩이 제거되어 코어 외곽으로 금속층과 시료층이 순서대로 적층된 표면플라즈몬 공명부를 가지는 광섬유부; 광섬유부 타단에 위치하여 출사된 광을 회전 가능한 1/2 파장 위상지연판에 통과시킨 후 p편광 빔과 s편광 빔으로 분리하는 편광 빔 스플리터부; 분리된 p편광 빔과 s편광 빔을 검지하고 각각에 대응하는 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호를 출력하는 광검지부; 및 출력된 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호 중 적어도 하나를 수신하고, 시료층의 표면플라즈몬 공명 조건 변화에 따른 복굴절 변화에 의하여 발생한, 수신된 p 편광 세기 신호 또는 수신된 s 편광 세기 신호에 기반하여 시료층의 감지가 가능한 시료층 감지부;를 포함하되,
광섬유부는 멀티모드 광섬유이고, 금속층은 은과 알루미늄의 이중층으로 형성되되 은과 알루미늄이 코어 외곽으로 비대칭적으로 적층된 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 복굴절 변화를 이용한 광 센싱/환경모니터링 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
광섬유부에 입사되는 광은 복굴절 효과를 극대화하기 위해서 원형 편광 빔인 것이 바람직하다. 원형편광 빔의 형성을 위해 광섬유에 조사하기 전의 광의 광경로 상에 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다.
광검지부는 광검출기를 포함하고, 광검출기는 p 편광 빔과 s 편광 빔에 각 대응하는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 가질 수 있다.
시료층은 유기 물질이고, 시료층 감지부는 유기 물질의 농도 변화를 감지하고 농도 변화에 대응하는 농도 변화 정보를 출력할 수 있다.
또한, 시료층 감지부는 p 편광 빔의 세기(Ip)와s 편광 빔의 세기(Is) 중 어느 하나의 최대값 및 최소값을 연산하고, 최대값과 최소값의 차이값에 기반하여 시료층의 농도를 감지할 수 있다.
최대값 또는 최소값을 연산하기 위해 광섬유부 타단과 편광 빔 스플리터부 사이에 있는 1/2파장 위상지연판과 같은 위상지연판의 회전을 통해 편광 스캔이 가능하도록 위상 지연판을 더 포함할 수 있다.
광검지부는 광검출기를 포함하고, 광검출기는 p 편광 빔과 s 편광 빔에 각 대응하는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 가질 수 있다.
광검지부는 p 편광 포트와 s 편광 포트에서 나오는 출력광을 동시에 수신할 수 있는 밸런스 디텍터를 포함하고, 시료층 감지부는 p 편광 포트 신호세기와 s 편광 포트 신호세기 사이의 차이값(I(-))의 최대값(max(I(-)))과 최소값(min(I(-)))을 연산하고, 차이값의 최대값과 차이값의 최소값의 차이값(max(I(-))-min(I(-)))에 기반하여 시료층을 감지할 수 있다. 이는 p 또는 s 편광빔 중 한쪽만의 측정값에 기반한 검출기법보다 두 배의 신호 증폭을 가져온다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 광섬유부에 형성된 시료층을 지나고 p 편광과 s 편광으로 스플리팅된 2 개의 편광 빔의 세기 신호 분석, 또는 두 편광 빔의 세기의 차이 분석을 통해 용이하게 시료층 감지가 가능한 효과가 있다.
또한, 각 편광 빔의 세기가 직접적으로 시료층의 농도변화에 따른 편광변화에 의존적이며, 형광물질 등 일체의 라벨을 사용하지 않기 때문에 시료층의 농도를 실시간으로 연속적 모니터링이 가능하고 광학적 구성 및 신호처리부 구성이 간단하고 단가가 매우 저렴하여, 휴대성이 좋은 시료 진단장치를 구성할 수 있는 효과가 있다.
또한 시스템의 민감도(글리세롤 용액 기준)가 기존의 고가의 SPR 스펙트로스코피 기반 센싱 시스템과 대등하거나 오히려 나은 수준을 보이며, 특히 폴리머 클래딩 광섬유를 사용한 이유로 인하여 센싱부 제작이 매우 용이하며, 광섬유의 센싱부의 길이증가를 통하여 민감도를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 금속층을 비대칭적 코팅의 이중층으로 형성하여 폭넓은 범위의 표면 플라즈몬 여기각(SPR excitaion angle) 형성과 더 넓은 시료층 농도를 센싱할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예 구성을 간략하게 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예 구성 중 광섬유부의 일부를 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예 구성 중 광섬유부의 일부에 금속층이 형성된 것의 단면을 나타낸 도면,
도 4 내지 도7은 본 발명에 따른 일 실시예를 이용하여 글리세롤 시료층을 감지하고 감지된 글리세롤의 농도와 세기신호의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다.
< SPR 을 이용한 광바이오 센싱 / 환경모니터링 용 광 센싱 장치>
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 광원부(10), 광섬유부(20), 편광 빔 스플리터부(30), 광검지부(40) 및 시료층 감지부(50)를 포함하여 구성된다. 본 실시예는 광원부(10)에서 조사된 광이 광섬유부(20)에 입사광으로 입사되어 시료층(28)을 지나게 되면 표면 플라즈몬 공명에 의한 복굴절 현상에 의해 편광 변화가 발생하고, 다시 1/2 파장 위상지연판(34)과 같은 위상지연판을 통과하여 빔 스플리터부(30)에 의해 2개로 나뉘어진 편광 빔을 수광하고 광검지부(40)가 검지한 p 편광 및 s 편광 세기 신호에 기반하여 시료층 감지부(50)가 시료층(28)을 감지하도록 작용한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명인 표면플라즈몬 공명에 의한 복굴절 변화를 이용한 광 센싱 장치의 구성을 설명한다.
광원부(10)는 광을 조사하는 역할을 하는 구성으로서 복굴절 측정 기반 시스템의 목적에 따라, 단일 판장의 레이저광을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 레이저광의 조사광은 원편광으로 구성될 수 있다. 따라서, 광원부(10)와 광섬유부(20) 사이에는 1/4 파장판을 더 추가하여 레이저에서 출력되는 선편광을 원편광으로 변환하여 센싱부에서의 복굴절의 변화를 최적화할 수 있다.
광섬유부(20)는 조사된 광이 일단에 입사되어 내부 전반사를 통해 타단으로 출사되도록 하며, 센싱이 이루어지는 부분에서는 클래딩(24)이 제거되어 코어(22) 외곽으로 금속층(26)과 시료층이 순서대로 적층된 표면플라즈몬 공명부를 가지고 있다.
광섬유부(20)의 코어(22)는 실리카 소재로 구성되어 있으며 클래딩(24)은 폴리머 소재로 구성되어 있다. 금속층(26)은 단일 층 또는 이중층의 금속으로 형성할 수 있으며, 그 두께는 수 나노미터 내지 수십 나노미터로 형성할 수 있다. 금속층(26)의 외곽에는 시료층(28)이 형성된다. 광섬유부(20)의 배치 형태는 다양할 수 있으나 원형으로 배치하여 부피를 최소화할 수 있다.
편광 빔 스플리터부(30)는 광섬유부(20) 타단에 위치하여 출사된 광을 p편광 빔과 s편광 빔으로 분리하는 역할을 한다. 그리고 광검지부(40)는 각 분리된 p편광 빔과 s편광 빔을 검지하고 각각에 대응하는 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호를 출력하는 역할을 한다.
시료층 감지부(50)는 광검지부(40)에서 출력된 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호를 수신하거나, 두 편광 빔 세기의 차이에 해당하는 신호를 수신하여, 시료층(28)의 표면플라즈몬 공명에 의한 복굴절 변화가 야기한 p편광 빔과 s편광 빔의 세기의 변화 또는 두 편광 빔의 세기의 차이의 변화에 따른 시료층(28)의 농도변화를 감지하는 역할을 한다.
여기서, 시료층(28)은 유기 물질이고, 시료층 감지부(50)는 유기 물질의 농도 변화를 감지하고 농도 변화에 대응하는 농도 변화 정보를 출력하는 역할을 한다.
시료층 감지부(50)는 p 편광 빔의 세기(Ip) 및 s 편광 빔의 세기(Is) 중 어느 하나의 최대값 및 최소값을 연산하고, 최대값과 최소값의 차이값에 기반하여 시료층을 감지할 수 있으며, 최대값 또는 최소값을 연산하기 위해 광섬유부(20) 타단과 편광 빔 스플리터부(30) 사이에 회전을 통해 편광 스캔이 가능한 1/2 파장 위상지연판과 같은 위상 지연판(34)을 더 포함할 수 있다.
광검지부(40)는 광검출기를 포함하고, 광검출기는 p 편광 빔과 s 편광 빔에 각 대응하는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 가지는 것이 바람직하다. 특히 광검출기는 포토다이오드와 같이 수광되는 광에 대응하여 전기신호를 출력하는 것일 수 있다.
한편, 광검지부(40)는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 갖는 밸런스 디텍터(balace detector)를 포함할 수 있고, 이 경우 시료층 감지부(50)는 p 편광 포트 신호세기와 s 편광 포트 신호세기 사이의 차이값(I(-))의 최대값(max(I(-)))과 최소값(min(I(-)))을 연산하고, 차이값의 최대값과 차이값의 최소값의 차이값(max(I(-))-min(I(-)))에 기반하여 시료층(28)을 감지할 수 있다. 본 실시예는 최대값 또는 최소값을 연산하기 위해 광섬유부(20) 타단과 편광 빔 스플리터부(30) 사이에, 회전을 통해 편광 스캔이 가능한 1/2 파장 위상지연판과 같은 위상 지연판(34)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예 구성 중 광섬유부의 일부를 나타낸 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유부(20)는 대부분이 코어(core, 22)와 클래딩(cladding, 24)으로 구성되나 센싱이 이루어지는 부분에 있어서 직경 230 마이크로미터(코어포함한 직경) 정도의 클래딩(24)을 제거하고 은과 알루미늄과 같은 금속층(26)을 형성하였다. 특히 본실시예에서 금속층(26)은 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 이중층으로 형성되며, 알루미늄의 외부로 샘플 시료층(28)을 형성하였다.
한편, 금속층(26)은 도 3에 도시된 바와 같이, 코어(22) 외곽을 따라 은(26a)과 알루미늄(26b)의 두께가 비대칭이 되도록 비대칭적 코팅(asymmetric coating)의 이중층을 형성한다. 서로 반대되는 양방향으로 금속층(26)을 두껍게 형성함으로써 폭넓은 범위의 표면 플라즈몬 여기각(SPR excitaion angle)을 형성할 수 있고 더 넓은 시료층(28) 농도를 센싱할 수 있게 된다. 여기서 괌섬유(20)는 광 입사각이 다양하게 분포될 수 있도록 코어(22)의 직경이 50 내지 200 마이크로미터에 해당하는 멀티모드(Multi-Mode) 광섬유가 바람직하며 은(26a)의 시료층(28)에 대한 화학적 불안정을 방지하기 위해 은(26a) 표면으로 알루미늄(26b)을 적층함으로써 알루미늄(26b)이 바이오리셉터(bioreceptor) 또는 바이오인지구성(biorecognition element)으로 기능할 수 있도록 하였다.
이하, 광검지부(40)에서 출력된 편광 세기 신호를 수신하여 시료층 감지부(50)에서 시료층을 감지하는 구성에 대하여 상술한다.
센싱이 이루어지는 광섬유의 편광 고유 광축(polarization eigen axes)은 정확한 방향을 알기 힘들며, 또한 시료층의 농도 등에 의해서 변화하기 때문에, 원편광을 갖는 입사광을 이용하여, 어떠한 고유 광축 방향에 대해서도 복굴절의 변화가 최대로 나타날 수 있도록 한다. 결국, 시료층을 지나가기 전 원형 편광된 입사광은 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00001
여기서, Eo는 입사광의 세기이며, ω는 광 주파수, t는 시간, k0는 진공에서 파수(wave number), z는 진행 경로이다.
그리고, 시료층을 지나간 후 출사광 ψo은 2개의 고유 광축에 의해 복굴절되므로 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00002
여기서, ne는 시료에 평행인 광선에 대해 복굴절 광축 중 이상광선(extra-ordinary light)의 굴절률이고, no는 정상광축(ordinary optic axis)에 평행한 편광성분의 굴절률이며, l은 센싱부에서의 광진행 경로 길이이다.
결국, 상기 수학식 2를 통해 이상 광축에 평행한 편광성분인 이상광선(Ee out)과 정상 광축에 평행한 편광성분인 정상광선(Eo out)을 나타내면, 하기의 수학식 3과 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00003
Figure 112014009072074-pat00004
상기 수학식 3과 수학식 4에서
Figure 112014009072074-pat00005
으로서, 시료층에 의한 위상 지연값(phase retardation)을 나타낸 것이다.
한편, 광섬유부로부터 출사된 출사광(Ee out, Eo out)은 1/2 파장 위상 지연판을 지나 편광 빔 스플리터부의 p 포트와 s 포트로 나뉘게 되며, p 편광 빔(Ep out)과 s 편광 빔(Es out)으로 나타낼 수 있는데 하기의 수학식 5와 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00006
여기서, Pe 및 Po는 편광 빔 스플리터부를 통과한 p 편광 빔 중 이상광선과 정상광선 각각의 세기 비율(intensity portion)을 나타내며 이 세기비율은 광섬유 다음에 놓여진 1/2 파장 위상지연판을 회전시킴으로써 변화하게 된다.
Figure 112014009072074-pat00007
여기서, Se 및 So는 편광 빔 스플리터부를 통과한 s 편광 빔 중 이상광선과 정상광선의 각각의 세기 비율을 나타낸다.
상기 수학식 5 및 수학식 6에서 Pe 및 Po 그리고, Se 및 So는 각각 세기 비율을 나타내는 것이므로 Pe와 Se의 합은 1이고 Po와 So의 합도 1이다. 편광 빔 스플리터부가 이상적일 경우 고유 광축간의 직교성(orthogonality of eigen-axes)때문에 Pe=So 이고 Po=Se가 된다.
결국, p 편광 빔의 신호 세기(Ip) 및 s 편광 빔의 신호 세기(Is)는 하기의 수학식 7 및 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 아울러, 광섬유부로부터 출사된 출사광이 편광 빔 스플리터부에 입사되기 전에 반파장판을 위치시켜 출사광을 회전시킴으로써 Pe를 0부터 1까지 스캔할 수 있고 이에 따른 신호 세기를 달리 출력할 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00008
여기서, [수학식 7]의 연산자 중 '-'는 오른 원형편광(R.C.P.)일 경우이고 '+'는 왼 원형편광(L.C.P.)일 경우를 나타낸다.
Figure 112014009072074-pat00009
여기서, [수학식 8]의 연산자 중 '+'는 오른 원형편광(R.C.P.)일 경우이고 '-'는 왼 원형편광(L.C.P.)일 경우를 나타낸다. 그리고, 상기 수학식 7과 수학식 8의 값을 합하면 입사광의 세기가 도출되어 에너지보존법칙을 확인할 수 있다.
결국, p 편광 빔의 신호 세기(Ip) 및 s 편광 빔의 신호 세기(Is)는 위상 지연값 Γ에 의존적인 값으로 도출되며 시료층의 복굴절에 기반하여 위상 지연값에 따른 시료층의 감지가 가능하게 된다.
또한, Pe를 왼 원형편광(L.C.P) 또는 오른 원형편광(R.C.P)시켜가며 Ip의 최대값과 최소값의 차이값(max(Ip)-min(Ip))을 구하면 하기의 수학식 9와 같다.
Figure 112014009072074-pat00010
상기 수학식 9에 의하면 결국 max(Ip)-min(Ip)는 복굴절 정보와 상관없는 배경 신호(background signal)을 제거하고 이상광선과 정상광선사이의 커를링과 관련된 항만 남기므로, 시료층의 위상 지연값에 의존하는 신호만 도출하게 하므로 시료층 농도 감지가 용이해질 수 있다.
한편, 광검지부의 일예로 p 편광 포트 및 s 편광 포트를 갖는 밸런스 디텍터(balanced detector)를 사용하는 경우 각 편광 포트에 수신된 신호의 세기 Ip와 Is의 차이값(I(-))을 구하고, 다시 그 차이값의 최대값(max(I(-)))과 최소값(min(I(-)))을 구하여 그 차이값(max(I(-))-min(I(-)))에 기반하여 시료층을 감지할 수도 있다. 이 경우, 밸런스 디텍터의 차이값(max(I(-))-min(I(-)))은 하기 수학식 10으로 나타낼 수 있으며 이 또한 시료층의 위상 지연값에 의존적임을 알 수 있다.
Figure 112014009072074-pat00011
여기서, max(I(-))는 밸런스 디텍터의 최대값이고 min(I(-))는 밸런스 디텍터의 최소값이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 일 실시예를 이용하여 은과 알루미늄의 적층 두께를 달리하며 글리세롤 시료층을 감지하고 감지된 글리세롤의 농도와 세기신호의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다. 도 4는 각 금속층의 최대 적층 두께비(TAg/TAl; 이하 금속층 두께비라 함)를 7 nm / 30 nm 로 하여 글리세롤 농도에 따른 세기신호를 측정하여 나타내었고, 도 5는 금속층 두께비를 30 nm / 10 nm 로 하고 도 6은 금속층 두께비를 20 nm / 5 nm 로 하였으며 도 7은 금속층 두께비를 36 nm /4 nm 로 하여 글리세롤 농도에 따른 세기신호를 측정하여 나타내었다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 이용하면 광검지부(40)에서 수신된 편광 빔의 세기 신호(Signal S)에 기반하여 글리세롤 시료층의 농도를 선형적으로 측정할 수 있음을 알 수 있고, 또한 은 적층 두께의 정도를 늘림에 따라 비선형성이 뚜렷하게 사라지고 있음을 알 수 있다. 특히, 도 6과 도 7에 도시된 그래프를 보면 각각 글리세롤 농도가 1 % 및 0.05 % 근처에서 감도 기울기(sensitivity slope)가 이전 농도와 다르게 형성됨을 알 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 도시된 그래프의 경우, 글리세롤 농도 0 % 근처에서 각각의 감도(δS/δC)는 15.2 mV/% 및 32.4 mV/% 로 측정되었으며, 측정 가능한 최소의 글리세롤 농도는 5 × 10-3 %(9.3 pico-Mole/L)로 나타났고, 이때 최소 분해 굴절률(Minimum resolvable refractive index)은 5.8×10-6 RIU 이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
L: 광
10: 광원부
20: 광섬유부
22: 코어
24: 클래딩
26: 금속층
26a: 은
26b: 알루미늄
28: 시료층
30: 편광 빔 스플리터부
32: 1/4 파장판
34: 1/2 파장 위상지연판
36: 미러
38: 화이버 커플러
39: 렌즈
40: 광검지부
42: p 편광 포트
44: s 편광 포트
50: 시료층 감지부

Claims (8)

  1. 표면플라즈몬 공명을 이용한 광 센싱 장치에 있어서,
    광을 조사하는 광원부;
    상기 조사된 광이 일단에 입사되어 내부 전반사를 통해 타단으로 출사되고, 일부에 클래딩이 제거되어 코어 외곽으로 금속층과 시료층이 순서대로 적층된 표면플라즈몬 공명부를 가지는 광섬유부;
    상기 광섬유부 타단에 위치하여 상기 출사된 광을 회전 가능한 1/2 파장 위상지연판에 통과시킨 후 p편광 빔과 s편광 빔으로 분리하는 편광 빔 스플리터부;
    상기 분리된 p편광 빔과 s편광 빔을 검지하고 각각에 대응하는 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호를 출력하는 광검지부; 및
    상기 출력된 p 편광 세기 신호 및 s 편광 세기 신호 중 적어도 하나를 수신하고, 상기 시료층의 표면플라즈몬 공명 조건 변화에 따른 복굴절 변화에 의하여 발생한, 상기 수신된 p 편광 세기 신호 또는 상기 수신된 s 편광 세기 신호에 기반하여 상기 시료층의 감지가 가능한 시료층 감지부;를 포함하되,
    상기 광섬유부는 멀티모드 광섬유이고,
    상기 금속층은 은과 알루미늄의 이중층으로 형성되되 상기 은과 상기 알루미늄이 상기 코어 외곽으로 비대칭적으로 적층된 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유부에 입사되는 광은 원형 편광 빔인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원형편광 빔의 형성을 위해 상기 광원부와 상기 광섬유부 사이에는 1/4파장판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 시료층은 유기 물질이고, 상기 시료층 감지부는 상기 유기 물질의 농도 변화를 감지하고 상기 농도 변화에 대응하는 농도 변화 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 시료층 감지부는 p 편광 빔의 세기(Ip) 및 s 편광 빔의 세기(Is) 중 어느 하나의 최대값 및 최소값을 연산하고, 상기 최대값과 상기 최소값의 차이값에 기반하여 상기 시료층을 감지하는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 최대값 또는 상기 최소값을 연산하기 위해 상기 광섬유부 타단과 상기 편광 빔 스플리터부 사이에 회전을 통해 편광 스캔이 가능한 위상 지연판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광검지부는 광검출기를 포함하고, 상기 광검출기는 상기 p 편광 빔과 상기 s 편광 빔에 각 대응하는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 가지는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광검지부는 p 편광 포트와 s 편광 포트를 갖는 밸런스 디텍터를 포함하고,
    상기 시료층 감지부는 p 편광 포트 신호세기와 s 편광 포트 신호세기 사이의 차이값(I(-))의 최대값(max(I(-)))과 최소값(min(I(-)))을 연산하고, 차이값의 최대값과 차이값의 최소값의 차이값(max(I(-))-min(I(-)))에 기반하여 시료층을 감지하는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 공명에 의한 편광 변화를 이용한 광 센싱 장치.
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JPH1078355A (ja) * 1996-09-03 1998-03-24 Seitai Hikarijoho Kenkyusho:Kk 透過光量計測装置
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