KR101873000B1 - 광각 이미션 필터, 이를 갖는 광학센서 어셈블리, 이를 포함하는 피씨알 시스템, 및 그 제조방법 - Google Patents

광각 이미션 필터, 이를 갖는 광학센서 어셈블리, 이를 포함하는 피씨알 시스템, 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광각 이미션필터는 베이스매질, 포토레지스트, 및 안료를 포함한다. 상기 베이스매질은 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광에 의해 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함한다. 상기 포토레지스트는 상기 베이스매질 내에 배치되고, 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된다. 상기 안료는 상기 베이스매질 내에 배치되고, 일정한 파장의 광을 흡수한다. 상기 포토레지스트에 의해 상기 여기광을 1차적으로 필터링하고 상기 안료에 의해 상기 여기광을 2차적으로 필터링하여 상기 여기광의 입사각과 무관하게 필터링이 가능한 광학특성을 갖는다.

Description

광각 이미션 필터, 이를 갖는 광학센서 어셈블리, 이를 포함하는 피씨알 시스템, 및 그 제조방법{WIDE-ANGLE EMISSION FILTER, OPTICAL SENSOR ASSEMBLY HAVING THE SAME, PCR SYSTEM HAVING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTRING THE SAME}
본 발명은 광각 이미션 필터, 이를 갖는 광학센서 어셈블리, 이를 포함하는 피씨알 시스템, 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 입사각에 상관없이 차광특성이 일정한 광각 이미션 필터, 이를 갖는 광학센서 어셈블리, 이를 포함하는 피씨알 시스템, 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광학필터는 입사되는 광의 특성을 변화시켜서 출사하는 부재를 나타낸다. 광학필터에는 광학특성에 따라 간섭필터, 흡수필터, 편광필터, 공간필터 등으로 구분될 수 있다.
간섭필터는 컬러필터라고도 하며 일정 파장영역의 광만을 투과시킨다. 예를 들어, 간섭필터는 특정 파장 이하의 광은 투과시키고 그보다 큰 파장의 광은 차단한다. 간섭필터의 기본원리는 빛의 간섭현상을 이용하는 것으로 굴절율이 다른 유전체를 적층하여 투과하는 광의 파장을 결정한다.
흡수필터는 검출되는 광량의 감쇠를 목적으로 하는 필터로서, 비교적 넓은 파장영역에서 투과율을 조절한다. 흡수필터는 광의 간섭이나 산란 등이 생기지 않는다. 광학유리기판 등에 금속박막을 증착하여 형성한다.
편광필터는 입사되는 광의 편광특성을 변경시키며, 편광판을 이용하여 형성된다. 공간필터는 광속 중에 공간적으로 분포하는 노이즈를 제거하는데 사용된다.
이중에서 간섭필터는 특정한 파장의 광을 통과시킬 수 있기 때문에, 광학센서에 널리 사용된다. 즉 광학센서에 감지하고자 하는 파장의 광과 함께 다른 파장의 광이 입사되는 경우, 실제 감지하고자 하는 파장의 광의 신호가 다른 파장의 광에 의한 노이즈로 인하여 감지효율이 저하된다. 간섭필터는 감지하고자 하는 파장의 광만을 통과시키고 이와 다른 파장의 광을 차단하여, 광학센서의 감도가 향상되고 탐지장비의 정확도가 향상된다.
종래의 간섭필터는 은박막(silver thin film) 등의 금속을 광학유리의 표면에 부착하거나, 굴절율이 서로 다른 투명박막을 교대로 적층하여 형성된다. 특히 굴절율이 서로 다른 투명박막을 교대로 적층하여 형성된 간섭필터는 광학특성이 우수하여 분광 투과율이 사각형에 가까운 광학특성을 나타내기도 한다.
이미션 필터(emission filter)는 형광·인광 등 파장이 긴 방사광(emission light)을 통과시키고 파장이 짧은 여기광(excitation light)을 차단하는 필터로서, 형광·인광을 이용하는 감지장치에 사용된다. 간섭필터는 특정파장의 광을 기준으로 광을 차단하거나 통과시키는 특성이 우수하여 이미션 필터로 널리 사용된다.
그런데 이미션 필터(emission filter)는 상면에 수직한 방향으로 입사하는 광에 대해서는 우수한 필터링 특성을 나타내지만, 수직한 방향과 교차하는 방향으로 입사하는 광에 대해서는 필터링 특성이 급격하게 저하된다. 그 이유는 간섭필터를 구성하는 투명박막들의 경계면 사이의 거리에 따라 광학특성이 달라지는데, 입사각이 달라지면 투명박막들의 경계면 사이의 거리도 달라지기 때문이다.
특히 시료 내부로 입사된 여기광이 산란하는 경우, 산란된 여기광의 일부가 이미션 필터를 통과하게 되어 노이즈로 작용한다. 방사광의 광량이 여기광의 광량에 비해 충분한 경우에는 노이즈가 있더라도 방사광을 감지할 수 있다. 그러나 방사광의 광량이 여기광의 광량에 비해 적은 경우, 노이즈로 인하여 방사광을 감지하는 것이 어렵다. 특히 상기 문제점은 시료의 크기가 작고 광학센서와 시료 사이의 거리가 가까워질수록 심해진다.
상기와 같은 문제점으로 인하여, 피씨알 기기, 형광표지세포분류 분석장치(FACS), 위스턴블랏 분석장치(western blot), 등과 같이 여기광을 감지하는 기기들은 전체 부피 중에서 약 80%에 시료의 형광을 감지하기 위한 광학파트가 차지하고 있다. 이로 인하여 이동성이 거의 없어서, 현장 진단은 거의 불가능하며 기기 가격이 매우 고가이다. 또한 이사, 기기재배치 등으로 인한 이동과정에서, 오차가 발생하기 때문에 재정렬, 보정 등에 많은 시간이 소요된다.
또한 다양한 시약을 셋팅하는 과정에서 많은 시간이 소요되며 오염가능성이 높다. 더욱이 시스템의 크기가 워낙 크기 때문에, 대부분 자체적으로 독립된 시스템으로 구성되어 외부와의 정보교류가 어렵다.
본 발명의 목적은 입사각에 상관없이 차광특성이 일정한 광각 이미션필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 광각 이미션필터를 포함하는 광학센서 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 광학센서 어셈블리를 포함하는 피씨알 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 광각 이미션필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광각 이미션필터는 베이스매질, 포토레지스트, 및 안료를 포함한다. 상기 베이스매질은 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광(excitation light)에 의해 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함한다. 상기 포토레지스트는 상기 베이스매질 내에 배치되고, 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된다. 상기 안료는 상기 베이스매질 내에 배치되고, 일정한 파장의 광을 흡수한다. 상기 광각 이미션필터는 상기 여기광의 입사각과 무관하게 필터링이 가능한 광학특성을 갖는다.
일 실시예에서, 상기 광각 이미션필터는 일회용 실험에 사용되고 폐기될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고, 상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스매질 내에 배치되고 여기광에 의해 포화되어 광학특성이 안정된 포화 포토레지스트를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광각 이미션필터 및 광학센서기판을 포함한다. 상기 광각 이미션필터는 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광으로부터 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함하는 베이스매질과, 상기 베이스매질 내에 배치되고, 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트와, 상기 베이스매질 내에 배치되고, 일정한 파장의 광을 흡수하는 안료를 포함하되, 상기 여기광의 입사각과 무관하게 필터링이 가능하고 상기 여기광보다 파장이 큰 방사광을 통과시키는 광학특성을 갖는다. 상기 광학센서기판은 평판형상을 가지며 상기 광각 이미션필터와 일체로 형성되는 베이스기판과, 상기 베이스기판의 상부에 매립되어 상기 베이스기판의 상면이 평면형상이 되도록 하되 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함하여 상기 광각 이미션필터를 통과한 상기 방사광의 휘도를 측정하는 광학센서 어레이를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고, 상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학센서기판은 상기 광각 이미션필터에 인접하게 배치되어 온도를 측정하는 온도센서, 및 상기 베이스기판의 하부에 배치되어 온도를 조절하는 제1 온도조절부재를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광각 이미션필터의 상면에 일체로 형성되며 서로 다른 굴절율을 갖는 복수개의 굴절층들이 적층되어 형성되는 간섭필터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 간섭필터는 OD3(103) 이하의 필터링특성을 가지지만, 상기 간섭필터와 상기 광각 이미션필터가 결합된 광학필터 어셈블리는 OD5(105) 이상의 필터링특성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 간섭필터는 금속, 금속산화물, 및 비금속 중으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 박막을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광각 이미션필터와 동일한 평면 상에 형성되고, 상기 안료와 다른 파장의 광을 흡수하는 물질을 포함하는 제2 안료를 포함하는 제2 광각 이미션필터를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 피씨알 시스템은 피씨알모듈 및 리더시스템을 포함한다. 상기 피씨알모듈은 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트, 및 일정한 파장의 광을 흡수하는 안료를 포함하되, 상기 여기광의 입사각과 무관하게 필터링이 가능한 광학특성을 갖는 광각 이미션필터와, 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함하여 상기 광각 이미션필터를 통과한 방사광의 휘도를 측정하여 광감지신호를 생성하는 광학센서 어레이를 포함하는 광학센서기판과, 상기 광각 이미션필터 상에 배치되고 시료를 수용하여 피씨알작업이 수행되는 반응공간과, 온도조절신호를 인가받아 상기 반응공간 내의 온도를 조절하는 제1 온도제어부를 포함한다. 상기 리더시스템은 상기 광감지신호를 인가받아 유전자증폭량을 실시간으로 계산하고 상기 온도조절신호를 생성하는 중앙정보처리부와, 상기 여기광을 생성하는 광원과, 상기 중앙정보처리부와 연결되어 상기 피씨알모듈의 온도를 제어하는 제2 온도제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 피씨알모듈은 상기 리더시스템과 탈착가능하도록 결합되어 일회용 실험에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고, 상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광각 이미션필터의 제조방법에 있어서, 먼저 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함하여 방사광의 휘도를 측정하는 광학센서 어레이를 포함하는 광학센서기판을 형성한다. 이어서, 미경화 포토레지스트와 안료를 혼합하여 유동성을 갖도록 한다. 이후에, 상기 혼합된 미경화 포토레지스트와 안료를 상기 광학센서기판 상에 코팅한다. 계속해서, 상기 코팅된 미경화 포토레지스트와 안료를 경화하여 상기 광학센서 기판 상에 포토레지스트와 상기 포토레지스트와 혼합된 안료를 생성한다.
일 실시예에서, 상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합된 미경화 포토레지스트와 안료를 상기 광학센서기판 상에 코팅하는 단계는, 상기 혼합된 미경화 포토레지스트와 안료를 상기 광학센서기판 상에 적하하는 단계; 및 스핀코팅을 이용하여 상기 적하된 미경화 포토레지스트와 안료를 평탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합된 미경화 포토레지스트와 안료를 상기 광학센서기판 상에 코팅하는 단계는, 상기 혼합된 미경화 포토레지스트와 안료를 상기 광학센서기판 상에 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 반경화 포토레지스트가 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 포화되어 안정화되는 과정에서 파장이 짧은 광을 흡수하는 특성을 이용하여, 일회용 실험장치에서 사용할 수 있는 매우 우수한 광학특성을 갖는 광각 이미션필터를 구현하였다. 즉, 본 발명에서는 안료에 의해 1차적으로 여기광을 차단하고 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 여기광을 차단함으로써, 기존의 컬러필터나 간섭필터가 구현할 수 없었던 입사광의 방향에 무관하게 우수한 특성을 갖는 광각 이미션필터를 제조하는데 성공했다.
간섭필터에 수직한 방향으로 입사된 여기광은 반응공간 쪽으로 다시 반사되어 시료에 조사되는 여기광의 광량이 2배로 증가한다. 따라서 광학센서 어레이에서 감지되는 신호가 2배로 증가하여 검사정확도가 향상된다.
또한 간섭필터만 사용하여 여기광을 필터링하는 경우에는 OD6(106) 정도의 고가의 간섭필터가 사용되어야 하나, 간섭필터와 광각 이미션필터가 결합된 복합필터를 사용하는 경우에는 OD2(102) 또는 OD3(103) 정도의 저가의 간섭필터를 사용하더라도 고가의 간섭필터와 거의 동등한 필터링효과를 얻을 수 있다.
또한 광학센서기판의 동일평면상에 서로 다른 광학특성을 갖는 제1 광각 이미션필터와 제2 광각 이미션필터가 배치되어, 여기광 및 방사광에 대하여 정확한 광학특성을 모르는 경우에도 정확한 측정이 가능하다.
또한 본 발명의 광각 이미션필터는 반경화 포토레지스트에 의해 여기광을 1차적으로 필터링하고 안료에 의해 여기광을 2차적으로 필터링하는 이중필터링에 의해 매우 정밀한 컷오프(cut-off) 특성을 나타낸다.
또한 시료가 배치되는 반응공간이 광각 이미션필터에 인접하여 배치되기 때문에, 수광효율이 매우 높은 장점이 있다.
또한 시료가 배치되는 반응공간이 광각 이미션필터에 인접하여 배치되기 때문에, 방사광의 수광효율이 매우 높다.
또한 여기광을 효과적으로 필터링하는 광각 이미션필터에 의해 광학파트가 피씨알모듈에 내장되고, 피씨알모듈은 탈착가능한 모듈형태로 제작되어 리더시스템의 크기가 대폭 감소한다. 또한 피씨알모듈 및 리더시스템의 크기가 획기적으로 감소하고 제조비용이 감소한다.
또한 리더시스템을 이동시키더라도, 기기재배치로 인한 재정렬, 보정 등이 불필요하기 때문에, 이동성이 획기적으로 향상되어 현장검사가 가능하다. 특히, 전염병검사, 재난현장의 신원확인 등 긴급상황 발생시 즉시투입이 가능하여 피해를 줄이는데 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터를 포함하는 광학센서 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광각 이미션필터가 광을 필터링하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 1에 도시된 광학센서 어셈블리를 포함하는 피씨알 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 4 내지 도 7은 도 1에 도시된 광각 이미션필터의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광각 이미션필터의 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광각 이미션필터를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사광과 여기광을 나타내는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사광의 특성을 나타내는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시(說示)된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
'반경화 포토레지스트'라 함은 고체상태의 포토레지스트 물질을 포함하는 것으로, 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 포화되어 완전히 열화되지 않은 모든 상태의 포토레지스트를 포함한다. 예를 들어, '반경화 포토레지스트'는 광경화 직후의 포토레지스트, 열경화 직후의 포토레지스트, 건조에 의해 고체형태를 유지하는 포토레지스트, 열광화 또는 건조에 의해 고체상태가 되고 파장이 짧은 광이 조사되어 광경화되었으나 파장이 짧은 광에 완전히 포화되지 않은 상태의 포토레지스트 등을 포함한다.
본 발명에서는 반경화 포토레지스트가 자외선, 청색광, 녹색광 등과 같이 파장이 짧은 광(또는 여기광)을 추가로 흡수하면서 완전경화되는 특성을 이용하여, 반만 경화된 포토레지스트가 완전경화되는 도중에 나타내는 특성을 컬러필터로 사용한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터를 포함하는 광학센서 어셈블리를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광학센서 어셈블리는 광각 이미션필터(100) 및 광학센서기판(200)을 포함한다.
광각 이미션필터(100)는 광학센서기판(200) 상에 일체로 형성되고, 광원(도 3의 340)에서 발생된 여기광(Excitation Light)은 차단하고 반응공간(240) 내의 시료에서 발생된 방사광(Emission Light)은 투과시킨다.
광각 이미션필터(100)는 베이스매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 안료(120)를 포함한다.
베이스매질(102)은 광학센서기판(200) 상에 평평한 형상으로 배치되어 광각 이미션필터(100)의 외형을 구성한다.
베이스매질(102)은 투명한 재질의 합성수지, 유리, 금속산화물 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 베이스매질(102)은 형광이나 인광을 발생시키지 않으며 생체친화적인 특성을 갖는 에폭시수지, 실리콘수지 등을 포함할 수 있다.
반경화 포토레지스트(110)는 베이스배닐(102) 내에 분산되며, 열경화, 건조, 광경화 등에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트를 포함한다. 예를 들어, 반경화 포토레지스트(110)는 네거티브 포토레지스트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반경화 포토레지스트(110)는 포지티브 포토레지스트를 포함할 수 있다.
이론에 의해 본 발명의 권리범위를 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 광각 이미션필터(100)가 특유의 우수한 광학특성을 갖는 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.
일반적인 컬러필터는 투명한 매질 내에 안료를 고정시켜서, 안료에 일정한 파장의 광을 흡수시키고 다른 파장의 광을 투과시키는 방식으로 광을 선택적으로 투과시킨다. 포토레지스트는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 반응하여 화학적 특성 및 광학적 특성이 변경되는 특징으로 인해, 반경화 포토레지스트(110)가 컬러필터에 사용되는 경우 시간이 지남에 따라 광학적 특성이 변경되는 문제점이 있다. 따라서 종래의 컬러필터에는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 완전히 포화되거나 파장이 짧은 광이 조사되더라도 아무런 변동이 없는 열경화성 물질 등이 사용될 수 있다.
그런데 본 발명의 광각 이미션필터(100)는 장시간 사용이 아닌 일회용 실험장비에 사용되기 때문에 장시간 동일한 광학적 특성을 유지할 필요가 없고, 비교적 짧은 실험시간 동안에만 일시적으로 광학특성을 유지하기만 하면 된다. 구체적으로 반경화 포토레지스트(110)는 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광이 조사되면 일정시간 파장이 짧은 광을 흡수하기 때문에 일시적으로 매우 우수한 특성의 광학필터로서 기능하다가, 시간이 지나면 파장이 짧은 광에 포화되어 광학필터 기능을 대부분 상실하기 때문에 종래의 컬러필터에서는 장기적 안정성에 반하는 반경화 포토레지스트(110)가 사용될 수 없었다.
본 발명은 역으로 반경화 포토레지스트(110)가 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 포화되어 안정화되는 과정에서 파장이 짧은 광을 흡수하는 특성을 이용하여, 일회용 실험장치에서 사용할 수 있는 매우 우수한 광학특성을 갖는 광각 이미션필터(100)를 구현하였다. 즉, 본 발명에서는 안료(120)에 의해 1차적으로 여기광을 차단하고 반경화 포토레지스트(110)에 의해 2차적으로 여기광을 차단함으로써, 기존의 컬러필터나 간섭필터가 구현할 수 없었던 입사광의 방향에 무관하게 우수한 특성을 갖는 광각 이미션필터(100)를 제조하는데 성공했다.
안료(120)는 일정한 파장의 광을 흡수하는 물질로, 예를 들어, 황색안료, 적색안료, 청색안료, 녹색안료, 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 안료(120)는 황색안료를 포함한다. 황색안료로는 크롬산납(lead chromate), 칼슘 옐로우(calcium yellow), 황색 산화물(yellow oxides), 복합 무기물 염료(complex inorganic colour pigments), 비스무스 바나듐산염(bismuth vanadate), 등의 무기물 염료나, 아릴마이드(arylamide), 다이아릴리드(diarylide), 벤조이미다졸론(benzimidazolone), 디스아조 응결체(disazo ondensation), 유기 금속 착물(organic metal complexes), 아이소인돌린(isoindoline), 퀴노프탈론(quinophthalone), 안트라피리미딘(anthrapyrimidine), 플라반트론(flavanthrone), 등의 유기물 염료를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 광각 이미션필터가 광을 필터링하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광원(도 3의 340)에서 발생된 광은 광원필터(도 3의 343)를 통과하여 단일 파장의 여기광(141)으로 변경되고, 여기광(141)은 격벽들(241) 사이에 형성되는 반응공간(240) 내로 입사된다.
반응공간(240) 내에 입사된 여기광(141)의 일부는 시료(245)에 인가되어 파장은 크고 에너지는 낮은 방사광(143)으로 변경된다. 방사광(143)은 광각 이미션필터(100)를 통과하여 광학센서 어레이(210)로 인가된다.
반응공간(240) 내에 입사된 여기광(141) 중에서 시료(245)에 인가되지 않고 광각 이미션필터(100)에 인가된 광은 반경화 포토레지스트(110) 또는 안료(120)에 차단되어 광각 이미션필터(100)를 통과하지 못한다.
구체적으로 반응공간(240) 내에 입사된 여기광(141) 중에서 광각 이미션필터(100)에 인가된 광의 일부는 안료(120)에 흡수되어 광각 이미션필터(100)를 통과하지 못한다.
또한 반응공간(240) 내에 입사된 여기광(141) 중에서 광각 이미션필터(100)에 인가된 광의 나머지는 미경화 포토레지스트(110)에 인가된다. 미경화 포토레지스트(110)에 여기광(141)이 인가되는 경우, 미경화 포토레지스트(110)는 포화 포토레지스트(111)로 변경된다. 본 실시예에서 광학센서 어셈블리는 일회용 실험을 목적으로 제작되는데, 광각 이미션핀퍼(100)는 일회용 실험이 완료되는 동안 여기광(141)을 흡수하기에 충분한 미경화 포토레지스트(110)가 배치된다.
미경화 포토레지스트(110)는 입사되는 여기광(141)의 입사각에 무관하게 포화 포토레지스트(111)로 변경되기 때문에, 시료(245)에 의해 산란되어 다양한 각도로 입사되는 여기광(142)도 차단할 수 있다.
광학센서기판(200)은 베이스기판(202), 광학센서 어레이(210), 온도센서(220), 및 제1 온도조절부재(230)를 포함한다.
베이스기판(202)은 평판형상을 가지며 광각 이미션필터(100)와 일체로 형성된다. 베이스기판(202)은 실리콘, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 물질을 포함할 수 있다.
광학센서 어레이(210)는 베이스기판(202)의 상부에 매립되어 베이스기판(202)의 상면이 평면 형상이 되도록 한다. 광학센서 어레이(210)는 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함한다. 예를 들어, 광학센서 어레이(210)는 복수개의 포토다이오드들, 복수개의 박막트랜지스터들, 등을 포함할 수 있다.
광학센서 어레이(210)는 광각 이미션필터(100)의 하부에 배치되어, 반응공간(도 2의 240)의 시료에서 발생되고 광각 이미션필터(100)를 통과한 형광·인광 등의 방사광(Emission Light)의 휘도를 측정한다. 광학센서 어레이(210)에 의해 측정된 방사광(Emission Light)의 휘도는 광센싱신호로 변경되어 리더시스템(도 2의 300)으로 출력된다.
온도센서(220)는 광각 이미션필터(100)에 인접하게 배치되어, 반응공간(도 2의 240) 내의 온도를 측정한다. 온도센서(220)에 의해 측정된 온도는 온도신호로 변경되어 제1 온도제어부(270)로 출력된다.
제1 온도조절부재(230)는 베이스기판(202)의 하부에 배치되어 제1 온도제어부(270)의 제어에 의해 반응공간(도 2의 240) 내의 온도를 조절한다. 본 실시예에서, 제1 온도조절부재(230)는 히터, 열전소자 등을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 온도조절부재(230)는 광각 이미션필터(100)의 상부, 반응공간(240)의 내부, 측면, 또는 상부 등에 배치될 수도 있다.
도 3 내지 도 1에 도시된 광학센서 어셈블리를 포함하는 피씨알 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 피씨알 시스템은 피씨알모듈(20) 및 리더시스템(300)을 포함한다.
피씨알모듈(20)은 광각 이미션필터(100), 광학센서기판(200), 반응공간(240), 및 제1 온도제어부(270)를 포함한다.
광각 이미션필터(100) 및 광학센서기판(200)은 도 1에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
반응공간(240)은 광각 이미션필터(100) 상에 배치되고 시료를 수용하여, 피씨알작업이 수행된다. 반응공간(240)은 복수개의 격벽들이 광각 이미션필터(100)로부터 수직한 방향으로 돌출되어 형성된다. 예를 들어, 복수개의 격벽들에 의해 80㎛ 내지 3mm 정도의 작은 크기를 갖는 복수개의 반응공간들이 형성될 수도 있다.
제1 온도제어부(270)는 리더시스템(300)으로부터 인가받은 신호에 의해 제1 온도조절부재(230)를 제어하여 반응공간(240) 내의 온도를 조절한다.
리더시스템(300)은 중앙정보처리부(310), 메모리(320), 인터페이스(330), 광원(340), 광원필터(343), 광원구동회로(345), 제2 온도제어부(350)를 포함한다. 본 실시예에서, 피씨알모듈(20)은 리더시스템(300)에 탈착가능하도록 결합되고 일회용 실험에 사용된 후에 제거된다.
중앙정보처리부(310)는 메모리(320)에 저장된 구동데이터를 독출하여 제2온도제어부(350) 및 피씨알모듈(20)을 구동하고, 피씨알모듈(20)로부터 광센싱정보, 온도정보 등을 인가받아 실시간으로 메모리(320)에 저장한다. 중앙정보처리부(310)는 피씨알모듈(20)로부터 인가받은 광센싱정보, 온도정보 등을 이용하여 유전자 증폭량을 실시간으로 계산하여 유전자증폭량 정보를 생성한다. 중앙정보처리부(310)는 유전자증폭량 정보를 실시간으로 메모리(320)에 저장하고 인터페이스(330)로 전송한다.
메모리(320)는 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 기저장된 구동데이터를 이용하여 제2온도제어부(350) 및 피씨알모듈(20)을 구동하고, 광센싱정보, 온도정보 등을 실시간으로 저장한다. 구동데이터는 온도제어데이터, 광제어데이터 등을 포함하고, 메모리(320)에 데이터 형태로 저장되거나, 입력장치(도시되지 않음)를 통하여 외부로부터 입력되어 저장될 수 있다. 예를 들어, 메모리(320)는 DDR3, SRAM(Frame), SSD(FLASH), 등의 다양한 저장장치를 포함할 수 있다.
인터페이스(330)는 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 중앙정보처리부(310)로부터 실시간으로 인가받은 유전자증폭량 정보를 외부로 전송하거나 위부의 입력신호를 중앙정보처리부(310)로 전송한다. 본 실시예에서, 인터페이스(330)는 무선랜(Wireless LAN; WLAN), 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 등의 통신시스템(도시되지 않음), 유에스비(Universal Serial Bus;USB), 아이투씨(Inter-Integrated Circuit; I2C), 유에이알티(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter; UART), 피더블유엠(Pulse Width Modulation; PWM), 엘브이디에스(Low Voltage Differential Signalling; LVDS), 엠아이피아이(Mobile Industry Processor Interface; MIPI), 등의 데이터 인터페이스(도시되지 않음), 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기전계발광표시장치(Organic Light Emitting Display; OLED), 음극선관(Cathode Ray Tube;CRT), 등의 표시장치(도시되지 않음), 마우스(Mouse), 키보드, 등의 입력장치(도시되지 않음), 프린터, 팩스 등의 출력장치(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
광원(340)은 광원구동신호를 이용하여 여기광(Excitation Light)을 생성한다.
광원필터(343)은 광원(340) 하부에 배치되어 광원(340)에서 생성된 여기광을 필터링하여 특정대역의 파장을 가지는 광만을 투과시킨다. 본 실시예에서 광원필터(343)를 배치하는 이유는, 외부광에 의한 노이즈를 최소화하여 외부광의 휘도변화로 인한 광학센서 어레이(210)의 오류를 줄이기 위함이다.
광원구동회로(345)는 중앙정보처리부(310)로부터 인가받은 광원구동신호를 이용하여 광원(340)을 구동한다.
제2온도제어부(350)은 중앙정보처리부(310)와 연결되어, 중앙정보처리부(310)로부터 인가받은 온도제어데이터를 이용하여 피씨알모듈(20)의 온도를 제어한다.
도 4 내지 도 7은 도 1에 도시된 광각 이미션필터의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터를 제조하기 위하여 광학센서기판을 제조하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 베이스기판(202) 내에 광학센서 어레이(210) 및 온도센서(220)를 형성한다.
이어서 베이스기판(202)의 하면 상에 제1 온도조절부재(230)를 형성한다.
도 5는 도 4에 도시된 광학센서기판 상에 미경화 베이스 매질, 미경화 포토레지스트, 및 안료의 혼합물을 적하하는 단계를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 이어서 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)를 혼합한다. 혼합된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화포토레지스트(110'), 및 안료(120)는 유동성을 갖는다.
이후에 혼합된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)를 광학센서기판(200) 상에 적하한다. 다른 실시예에서, 혼합된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)를 광학센서기판(200) 상에 프린팅할 수도 있다.
계속해서 적하된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)를 평탄화시킨다. 본 실시예에서, 적하된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)는 스핀코팅을 통하여 평탄화된다. 다른 실시예에서, 적하된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)는 프린팅, 롤러 등의 다양한 방법에 의해 평탄화될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 미경화 베이스 매질, 미경화 포토레지스트, 및 안료를 경화시키는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 이어서 평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)에 광경화(130a)를 수행한다.
도 7은 도 6에 도시된 미경화 베이스 매질, 미경화 포토레지스트, 및 안료가 경화되어 반경화 베이스 매질, 반경화 포토레지스트, 및 안료를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)에 광경화(130a)이 수행되는 경우, 평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)는 반경화 베이스 매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 안료(120)로 변경된다.
따라서 광학센서기판(200) 상에 반경화 베이스 매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 안료(120)를 포함하는 광각 이미션필터(100)가 형성된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광각 이미션필터의 제조방법을 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 경화열을 이용하여 평탄화된 미경화 베이스 매질, 미경화 포토레지스트, 및 안료를 반경화 베이스 매질, 반경화 포토레지스트, 및 안료로 변경하는 단계를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 5, 및 도 8을 참조하면, 평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)에 경화열(130b)을 인가한다.
도 7을 참조하면, 평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)에 경화열(130b)이 인가되는 경우, 평탄화된 미경화 베이스 매질(102'), 미경화 포토레지스트(110'), 및 안료(120)는 반경화 베이스 매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 안료(120)로 변경된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광각 이미션필터를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 경화 포토레지스트를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 광각 이미션필터(104)는 광학센서기판(200) 상에 배치된다.
광각 이미션필터(104)는 베이스 매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 포화 포토레지스트(111), 및 안료(120)를 포함한다.
포화 포토레지스트(111)는 반경화 포토레지스트(110)에 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광을 조사하여 형성된다. 다른 실시예에서, 포화 포토레지스트(111)는 반경화 포토레지스트(110)에 청색광, 녹색광, 등을 조사하여 형성될 수도 있다.
반경화 포토레지스트(110)와 포화 포토레지스트(111)의 비율은 제한이 없으며, 여기광을 흡수하기에 충분한 양의 반경화 포토레지스트(110)가 존재한다면 적은 양의 반경화 포토레지스트(110)만이 존재해도 무방하다. 본 발명의 광각 이미션필터(104)는 일회용 실험에 사용될 목적으로 제작되므로, 반경화 포토레지스트(110)와 포화 포토레지스트(111)의 비율이 1:1,000 또는 그보다 작은 비율이어도 무방하다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 간섭필터를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 9에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 광학필터 어셈블리(105)는 광각 이미션필터(100)와 간섭필터(160)를 포함한다.
간섭필터(160)는 광각 이미션필터(100)의 상면에 일체로 형성되며, 서로 다른 굴절율을 갖는 복수개의 굴절층들(161, 163)이 적층되어 형성된다. 예를 들어, 간섭필터(160)는 복수개의 제1 굴절층(161) 및 복수개의 제2 굴절층(163)을 포함할 수 있다. 일반적으로 피씨알시스템 등의 바이오검사장비에서 간섭필터를 이미션필터로 사용하기 위해서는 여기광을 차단하는 효과가 OD6(106) 정도의 고성능이 필요하다. 그러나 본 실시예에서는 간섭필터(160)와 광각 이미션필터(100)이 결합되어 간섭필터(160)가 OD2(102) 내지 OD3(103) 정도의 성능만 있어도 광학필터 어셈블리(105)는 OD6(106)에 근접한 성능을 얻을 수 있다. 따라서 복합필터(105)의 제조비용이 감소한다.
간섭필터(160)는 여기광(도 2의 141)을 반응공간(도 2의 240) 쪽으로 다시 반사시킨다.
간섭필터(160)에 수직한 방향으로 입사된 여기광(도 2의 141)은 반응공간(도 2의 240) 쪽으로 다시 반사되어 광각 이미션필터(100)에 도달하지 않는다. 반응공간(도 2의 240) 쪽으로 다시 반사된 여기광은 시료(도 2의 245)에 재입사되어, 결과적으로 시료(도 2의 245)에 조사되는 여기광의 광량이 2배로 증가한다. 시료(도 2의 245)에 조사되는 여기광의 광량이 2배로 증가하면 시료에서 발생되는 형광·인광과 같은 방사광(143)의 양이 2배로 증가한다. 방사광(143)의 양이 2배로 증가하면 광학센서 어레이(210)에서 감지되는 신호가 2배로 증가하여 검사정확도가 향상된다.
간섭필터(160)에 경사진 방향으로 입사된 여기광(도 2의 142)은 간섭필터(160)를 통과하여 광각 이미션필터(100)에 도달한다.
광각 이미션필터(100)에 도달한 여기광(도 2의 142)은 반경화 포토레지스트(110) 또는 안료(120)에 의해 차단되어 광학센서 어레이(210)에 도달하지 못한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 간섭필터(160)에 수직한 방향으로 입사된 여기광(도 2의 141)은 반응공간(도 2의 240) 쪽으로 다시 반사되어 시료(도 2의 245)에 조사되는 여기광의 광량이 2배로 증가한다. 따라서 광학센서 어레이(210)에서 감지되는 신호가 2배로 증가하여 검사정확도가 향상된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서 간섭필터를 제외한 나머지 구성요소들은 도 10에 도시된 실시예와 동일하므로 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 광학필터 어셈블리(105)는 광각 이미션필터(100)와 간섭필터(170)를 포함한다.
본 실시예에서, 간섭필터(170)는 광각 이미션필터(100) 상에 배치되고, 금속, 금속산화물, 또는 비금속의 박막을 포함한다. 예를 들어, 간섭필터(170)는 은막, 황화아연막, 플루오린화 마그네슘막, 산화실리콘(SiO2)막, 산화티타늄(TiO2)막, 등을 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터 어셈블리를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서, 제1 광각 이미션필터 및 제2 광각 이미션필터를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 광학센서 어셈블리는 제1 광각 이미션필터(100a), 제2 광각 이미션필터(100b), 및 광학센서기판(200)을 포함한다.
제1 광각 이미션필터(100a)는 베이스매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 제1 안료(120a)를 포함한다.
제1 안료(120a)는 일정한 파장의 광을 흡수하는 물질로, 예를 들어, 황색안료, 적색안료, 청색안료, 녹색안료, 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 안료(120a)는 황색안료를 포함한다.
제2 광각 이미션필터(100b)는 베이스매질(102), 반경화 포토레지스트(110), 및 제2 안료(120b)를 포함한다.
제2 안료(120b)는 제1 안료(120a)와 다른 파장의 광을 흡수하는 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 제2 안료(120b)는 녹색안료를 포함한다.
제1 광각 이미션필터(100a)와 제2 광각 이미션필터(100b)는 광학센서기판(200) 상의 동일평면 상에 일체로 형성된다.
도 2, 도 3, 및 도 12를 다시 참조하면, 제1 광각 이미션필터(100a)와 제2 광각 이미션필터(100b)는 서로 다른 파장의 광을 흡수하는 제1 안료(120a)와 제2 안료(120b)를 포함하여, 광원(340)에서 발생된 여기광(141), 시료(245)에서 산란된 여기광(142), 및 시료(245)에서 발생되는 방사광(143)에 대하여 정확한 광학특성을 모르는 경우에도 정확한 측정이 가능하다.
예를 들어, 여기광(141, 142)과 방사광(143)을 구분하는 파장이 녹색광일 경우에는 제2 광각 이미션필터(100b)의 하부에 배치되는 광학센서 어레이(210)가 방사광(143)을 구분하여 감지할 수 있다. 반면에 여기광(141, 142)과 방사광(143)을 구분하는 파장이 황색광일 경우에는 제1 광각 이미션필터(100a)의 하부에 배치되는 광학센서 어레이(210)가 방사광(143)을 구분하여 감지할 수 있다.
도 12에는 서로 다른 광학특성을 갖는 두 개의 광각 이미션필터들(100a, 100b)만 도시되어 있으나, 당해 기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 자라면 서로 다른 광학특성을 갖는 세개 이상의 광각 이미션필터들이 광학센서기판(200)의 동일평면상에 배치될 수 있음을 이해할 것이다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 광학센서기판(200)의 동일평면상에 서로 다른 광학특성을 갖는 제1 광각 이미션필터(100a)와 제2 광각 이미션필터(100b)가 배치되어, 여기광(141, 142) 및 방사광(143)에 대하여 정확한 광학특성을 모르는 경우에도 정확한 측정이 가능하다.
[표 1]은 일회용 실험에 사용되는 다양한 형광체의 광학특성을 나타낸다. [표 1]의 형광체는 피씨알(PCR), 면역검사, 질병검사 등에서 표지를 위해 사용되고, 여기광파장 및 방사광파장은 각 형광체에 형광을 발생시키기 위한 여기광의 파장과 여기광에 의해 형광체에서 방사되는 형광의 파장을 나타내며, LWP는 장파장투과필터(Long Wavelength Pass Filter)의 파장을 나타낸다. 형광체에 높은 에너지의 여기광이 입사되면 형광체가 들뜬 상태(Excited Stage)가 되었다가 다시 바닥 상태(Ground State)로 내려오면서 여기광보다 낮은 에너지의 형광을 방사광으로 방사한다. 광의 파장은 에너지가 높을 수로 짧아지므로, 높은 에너지의 여기광의 파장이 낮은 에너지의 방사광의 파장보다 짧다.
형광체 예시 여기광파장, nm 방사광파장, nm 광각이미션필터,nm
1 FAM 494 520 LWP 510
2 HEX 535 556 LWP 545
3 ROX 575 605 LWP 595
4 CY5 646 662 LWP 650
5 CY5.5 683 707 LWP 695
[표 1]을 참조하면, 형광물질이 FAM인 경우, 여기광은 494nm에서 최대강도를 가지며, 방사광은 520nm에서 최대강도를 갖는다. FAM에 대한 광각이미션필터는 510nm보다 작은 파장의 광은 차단하고 510nm보다 큰 파장의 광은 투과시켜서, FAM으로부터 방사되는 형광만이 투과된다.
형광물질이 HEX인 경우, 여기광은 535nm에서 최대강도를 가지며, 방사광은 556nm에서 최대강도를 갖는다. HEX에 대한 광각이미션필터는 545nm보다 작은 파장의 광은 차단하고 545nm보다 큰 파장의 광은 투과시켜서, HEX로부터 방사되는 형광만이 투과된다.
형광물질이 ROX인 경우, 여기광은 575nm에서 최대강도를 가지며, 방사광은 605nm에서 최대강도를 갖는다. ROX에 대한 광각이미션필터는 595nm보다 작은 파장의 광은 차단하고 595nm보다 큰 파장의 광은 투과시켜서, ROX으로부터 방사되는 형광만이 투과된다.
형광물질이 CY5인 경우, 여기광은 646nm에서 최대강도를 가지며, 방사광은 662nm에서 최대강도를 갖는다. CY5에 대한 광각이미션필터는 650nm보다 작은 파장의 광은 차단하고 650nm보다 큰 파장의 광은 투과시켜서, CY5로부터 방사되는 형광만이 투과된다.
형광물질이 CY5.5인 경우, 여기광은 683nm에서 최대강도를 가지며, 방사광은 707nm에서 최대강도를 갖는다. CY5.5에 대한 광각이미션필터는 695nm보다 작은 파장의 광은 차단하고 695nm보다 큰 파장의 광은 투과시켜서, CY5.5로부터 방사되는 형광만이 투과된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사광과 여기광을 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 텍사스 레드(Texas Red) 형광물질에 594nm에서 최대강도를 갖는 여기광이 조사되면, 613nm에서 최대강도를 갖는 형광이 방사된다. 텍사스 레드(Texax Red) 형광물질에 550nm에서 최대강도를 갖는 여기광을 조사하면, 594nm의 경우와 마찬가지로 613nm에서 최대강도를 갖는 형광이 방사된다. 다만 594nm에서 최대강도를 갖는 여기광에 의해 생성되는 방사광의 강도에 비해 550nm에서 최대강도를 갖는 여기광의 강도가 더 작다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 14 및 도 15는 입사되는 여기광의 파장에 따른 여기광의 강도와의 관계를 나타낸다.
도 14는 알렉사 플로어 488(Alexa Fluor 488) 형광물질에 470nm의 레이저를 조사한 경우, 출력되는 광의 특성을 나타낸다. 알렉스 플로어 488 형광물질은 입사되는 여기광이 494nm일 때 520nm에서 최대강도를 갖는 형광을 가장 많이 방사한다. 즉, 알렉스 플로어 488 형광물질은 여기광의 파장이 494nm일 때 방사되는 형광의 강도가 가장 크며, 여기광의 파장이 494nm이 아닌 경우에는 방사되는 형광의 강도가 적어지거나 아예 방사광이 나타나지 않는다.
알렉스 플로어 488 형광물질에 470nm의 레이저를 조사하면, 494nm의 레이저가 조사된 경우에 비해 40% 정도의 강도를 갖는 방사광이 생성된다. 알렉스 플로어 488 형광물질의 방사광은 530nm에서 최대강도를 갖는다.
도 15는 텍사스 레드(Texas Red) 형광물질에 470nm의 레이저를 조사한 경우, 출력되는 광의 특성을 나타낸다. 텍사스 레드 형광물질은 594nm에서 최대강도를 갖는 여기광이 조사되면, 613nm에서 최대강도를 갖는 형광이 방사된다.
470nm의 파장은 텍사스 레드 형광물질의 광학특성 그래프 바깥에 위치하기 때문에, 텍사스 레드 형광물질에 470nm의 레이저가 조사되더라도 텍사스 레드 형광물질을 여기시키지 못해서 아무런 형광이 방사되지 않는다.
광학센서는 형광체에서 방사되는 형광의 강도가 클수록 감지효율이 좋아지기 때문에, 각 형광물질의 최대강도에 해당하는 파장의 여기광이 조사되는 것이 바람직하다. 그러나 각 형광물질의 최대강도에 해당하는 파장은 방사되는 형광의 파장과 비슷하기 때문에, 이미션 필터의 컷오프(cut-off) 특성이 매우 정밀하지 않다면 방사광을 감지하는 것이 매우 어렵다. 특히 여기광의 강도에 비해 생성되는 방사광의 강도가 매우 적기 때문에 이미션필터가 여기광의 극히 일부라도 통과시키는 경우 사실상 방사광을 감지하는 것이 불가능하다.
도 2를 다시 참조하면, 본 발명의 광각 이미션필터(100)는 안료(120)에 의해 여기광(141, 142)을 1차적으로 필터링하고 반경화 포토레지스트(110)에 의해 여기광(141, 142)을 2차적으로 필터링하는 이중필터링에 의해 매우 정밀한 컷오프(cut-off) 특성을 나타낸다.
본 실시예에서, 광각 이미션필터(100)의 컷오프 특성은 안료(120)의 종류에 따라 결정된다. 본 실시예에서, 안료(120)는 황색 안료를 포함한다. 다른 실시예에서, 안료(120)는 황색안료, 녹색안료, 적색안료, 청색안료 등의 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사광의 특성을 나타내는 개념도이다.
도 16을 참조하면, 방사광의 강도(intensity), 즉 수광효율,은 [식 1]과 같이 방사광의 광원으로부터의 거리(distance)의 제곱에 반비례한다.
[식 1]
Figure 112018021748195-pat00001
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 시료(245)가 배치되는 반응공간(240)이 광각 이미션필터(100)에 인접하여 배치되기 때문에, 방사광(143)의 광원 역할을 하는 시료(245)와 광학센서 어레이(210) 사이의 거리가 매우 가깝다. 시료(245)와 광학센서 어레이(210) 사이의 거리가 매우 가까우면 수광효율이 매우 높은 장점이 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 간섭필터는 서로 다른 굴절율을 갖는 복수개의 투명막들을 적층하여 형성된다. 간섭필터는 여기광의 입사각에 따라 필터링되는 광의 파장이 급격하게 변경된다. 예를 들어 입사각이 0도에서 30도로 증가하면, 간섭필터의 컷오프 파장이 50nm 가량 작아진다. 일반적으로, 방사광과 여기광의 파장이 20nm 내지 30nm 정도에 불과하기 때문에, 50nm 정도의 차이가 발생하면 사실상 이미션필터로서의 사용이 불가능하다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 이미션필터의 광학특성을 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 광각 이미션필터는 입사각과 상관없이 동일한 광학특성을 타나낸다. 예를 들어, 광각 이미션필터는 510nm에서 컷오프 특성을 나타낸다. 즉 510nm 보다 작은 파장의 광은 차단하고, 510nm 보다 큰 파장의 광은 통과시킨다. [표 1]을 참조하면, FAM과 같은 형광물질을 이용한 실험에서 광각 이미션필터가 사용될 수 있다.
도 3 및 도 18을 참조하면, 광각 이미션필터(100)에 520㎛의 강도를 갖는 여기광을 입사하였을 때 광학센서 어레이(210)에 수광된 광은 0.001㎛의 강도를 나타냈다. 즉, 광각 이미션필터(100)는 5.72 OD(105.72)의 매우 우수한 필터링특성을 나타냈다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 반경화 포토레지스트가 자외선, 청색광, 녹색광 등 파장이 짧은 광에 포화되어 안정화되는 과정에서 파장이 짧은 광을 흡수하는 특성을 이용하여, 일회용 실험장치에서 사용할 수 있는 매우 우수한 광학특성을 갖는 광각 이미션필터를 구현하였다. 즉, 본 발명에서는 안료에 의해 1차적으로 여기광을 차단하고 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 여기광을 차단하함으로써, 기존의 컬러필터나 간섭필터가 구현할 수 없었던 입사광의 방향에 무관하게 우수한 특성을 갖는 광각 이미션필터를 제조하는데 성공했다.
간섭필터에 수직한 방향으로 입사된 여기광은 반응공간 쪽으로 다시 반사되어 시료에 조사되는 여기광의 광량이 2배로 증가한다. 따라서 광학센서 어레이에서 감지되는 신호가 2배로 증가하여 검사정확도가 향상된다.
또한 간섭필터만 사용하여 여기광을 필터링하는 경우에는 OD6(106) 정도의 고가의 간섭필터가 사용되어야 하나, 간섭필터와 광각 이미션필터가 결합된 복합필터를 사용하는 경우에는 OD2(102) 또는 OD3(103) 정도의 저가의 간섭필터를 사용하더라도 고가의 간섭필터와 거의 동등한 필터링효과를 얻을 수 있다.
또한 광학센서기판의 동일평면상에 서로 다른 광학특성을 갖는 제1 광각 이미션필터와 제2 광각 이미션필터가 배치되어, 여기광 및 방사광에 대하여 정확한 광학특성을 모르는 경우에도 정확한 측정이 가능하다.
또한 본 발명의 광각 이미션필터는 반경화 포토레지스트에 의해 여기광을 1차적으로 필터링하고 안료에 의해 여기광을 2차적으로 필터링하는 이중필터링에 의해 매우 정밀한 컷오프(cut-off) 특성을 나타낸다.
또한 시료가 배치되는 반응공간이 광각 이미션필터에 인접하여 배치되기 때문에, 수광효율이 매우 높은 장점이 있다.
또한 시료가 배치되는 반응공간이 광각 이미션필터에 인접하여 배치되기 때문에, 방사광의 수광효율이 매우 높다.
또한 여기광을 효과적으로 필터링하는 광각 이미션필터에 의해 광학파트가 피씨알모듈에 내장되고, 피씨알모듈은 탈착가능한 모듈형태로 제작되어 리더시스템의 크기가 대폭 감소한다. 또한 피씨알모듈 및 리더시스템의 크기가 획기적으로 감소하고 제조비용이 감소한다.
또한 리더시스템을 이동시키더라도, 기기재배치로 인한 재정렬, 보정 등이 불필요하기 때문에, 이동성이 획기적으로 향상되어 현장검사가 가능하다. 특히, 전염병검사, 재난현장의 신원확인 등 긴급상황 발생시 즉시투입이 가능하여 피해를 줄이는데 기여할 수 있다.
본 발명은 유전물질을 증폭하여 검사를 수행하는 장치, 혈액검사장치, 질병검사장치 등으로 연구용, 재난방지용, 의료용, 축산용, 애완동물치료용 등으로 사용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.
20 : 피씨알모듈 100, 104 : 광각 이미션 필터
105, 107 : 복합필터 어셈블리 102 : 베이스 매질
102' : 미경화 베이스 매질 110 : 반경화 포토레지스트
110' : 미경화 포토레지스트 111 : 경화 포토레지스트
120 : 안료 130a : 광경화
130b : 경화열 141 : 여기광(Excitation Light)
142 : 굴절광 143 : 방사광(Emission Light)
160, 170 : 간섭필터 161 : 제1 굴절층
163 : 제2 굴절층 200 : 광학센서기판
202 : 베이스기판 210 : 광학센서 어레이
220 : 온도센서 230 : 제1 온도조절부재
240 : 반응공간 241 : 격벽
245 : 형광물질 270 : 제1 온도제어부
300 : 리더시스템 310 : 중앙정보처리부
320 : 메모리 330 : 인터페이스
340 : 광원 343 : 광원필터
345 : 광원구동회로 350 : 제2 온도제어부

Claims (10)

  1. 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광에 의해 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함하는 베이스매질;
    상기 베이스매질 내에 분산되도록 배치되고, 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트; 및
    상기 베이스매질 내에 분산되도록 배치되고, 일정한 파장의 광을 흡수하는 안료를 포함하되,
    상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고,
    상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링되는 것을 특징으로 하는 광각 이미션 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광각 이미션필터는 일회용 실험에 사용되고 폐기되는 것을 특징으로 하는 광각 이미션필터.
  3. 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광에 의해 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함하는 베이스매질과, 상기 베이스매질 내에 분산되도록 배치되고, 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트와, 상기 베이스매질 내에 배치되고, 일정한 파장의 광을 흡수하는 안료를 포함하되, 상기 여기광보다 파장이 큰 방사광을 통과시키는 광학특성을 갖는 광각 이미션필터; 및
    평판형상을 가지며 상기 광각 이미션필터와 일체로 형성되는 베이스기판과, 상기 베이스기판의 상부에 매립되어 상기 베이스기판의 상면이 평면형상이 되도록 하되 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함하여 상기 광각 이미션필터를 통과한 상기 방사광의 휘도를 측정하는 광학센서 어레이를 포함하는 광학센서기판을 포함하되,
    상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고, 상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링되는 것을 특징으로 하는 광학센서 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광학센서기판은,
    상기 광각 이미션필터에 인접하게 배치되어 온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 베이스기판의 하부에 배치되어 온도를 조절하는 제1 온도조절부재를 포함하는 광학센서 어셈블리.
  5. 제3항에 있어서, 상기 광각 이미션필터의 상면에 일체로 형성되며 서로 다른 굴절율을 갖는 복수개의 굴절층들이 적층되어 형성되는 간섭필터를 더 포함하는 광학센서 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 간섭필터는 금속, 금속산화물, 및 비금속으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서 어셈블리.
  7. 제3항에 있어서, 상기 광각 이미션필터와 동일한 평면 상에 형성되고, 상기 안료와 다른 파장의 광을 흡수하는 물질을 포함하는 제2 안료를 포함하는 제2 광각 이미션필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서 어셈블리.
  8. 평평한 형상으로 배치되고 투명하며 여기광에 의해 형광이나 인광을 발생시키지 않는 재질을 포함하는 베이스매질, 상기 베이스매질 내에 분산되도록 배치되고 열경화, 광경화, 및 건조로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 방법에 의해 고체상태로 고정된 포토레지스트, 및 상기 베이스매질 내에 배치되고 일정한 파장의 광을 흡수하는 안료를 포함하는 광각 이미션필터와, 어레이 형상으로 배열된 복수개의 광센서들을 포함하여 상기 광각 이미션필터를 통과한 방사광의 휘도를 측정하여 광감지신호를 생성하는 광학센서 어레이를 포함하는 광학센서기판과, 상기 광각 이미션필터 상에 배치되고 시료를 수용하여 피씨알작업이 수행되는 반응공간과, 온도조절신호를 인가받아 상기 반응공간 내의 온도를 조절하는 제1 온도제어부를 포함하는 피씨알모듈; 및
    상기 광감지신호를 인가받아 유전자증폭량을 실시간으로 계산하고 상기 온도조절신호를 생성하는 중앙정보처리부와, 상기 여기광을 생성하는 광원과, 상기 중앙정보처리부와 연결되어 상기 피씨알모듈의 온도를 제어하는 제2 온도제어부를 포함하는 리더시스템을 포함하되,
    상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고, 상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링되는 것을 특징으로 하는 피씨알 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피씨알모듈은 상기 리더시스템과 탈착가능하도록 결합되어 일회용 실험에 사용되는 것을 특징으로 하는 피씨알 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 포토레지스트는 파장이 짧은 광에 의해 완전히 포화되기 전인 반경화 포토레지스트를 포함하고,
    상기 여기광은 상기 안료에 의해 1차적으로 필터링되고 상기 반경화 포토레지스트에 의해 2차적으로 필터링되는 것을 특징으로 하는 피씨알 시스템.
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