KR101896180B1 - 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 화학 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예로써 마이크로 디스크가 제공된다. 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진하고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물일 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 화학 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품위값을 가지며 단일방향으로 발진하는 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 화학물질을 정밀하게 검출할 수 있는 화학 센서에 관한 것이다.
최근 광기술에서는 극미량의 화학 물질도 감지할 수 있는 화학 센서를 개발하기 위하여, 고리 공진기를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만, 고리 공진기는 품위값이 높지 못하여, 고리 공진기를 이용한 화학 센서는 화학 물질을 정밀하게 감지할 수 없는 한계점이 있다.
보다 감도가 우수한 화학 센서를 개발하기 위하여, 고리 공진기보다 높은 품위값을 보유하는 트로이드형 공진기 또는 구형 공진기를 화학 센서에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 트로이드형 공진기 또는 구형 공진기는 빛이 한 방향으로 나가지 못하기 때문에 광도파로를 공진기와 결합시켜야 하나, 이러한 결합은 품위값을 감소시키는 문제가 있다. 또한, 레이저 또는 공진기를 광섬유와 결합시키기 위해서는 미세한 거리 조절이 요구되나 이를 조절하는 것이 용이하지 않으며, 광섬유를 사용하는 경우에는 외부의 약한 진동에도 광결합이 불안정해 화학 센서로 적용하기 어려운 점이 있다.
트로이드형 공진기 또는 구형 공진기를 이용한 화학센서의 개발과는 별개로 혼돈 공진기를 이용한 화학센서도 보고된 바가 있다. 그러나, 혼돈 공진기는 레이저 공진기 내부 모드의 궤적이 공진기의 가장자리에 속박되지 않고 불안정 주기궤도 혹은 안정 주기궤도에 속박된다. 이러한 경우, 화학 센서가 화학 물질을 감지하지 못하는 문제가 발생될 수 있다. 상기 문제를 해결하기 위해서는 레이저의 발진 공명모드가 레이저의 가장자리에 속박되어야 한다. 이런 특성을 가진 공진기는 휘스퍼링 갤러리 모드를 형성할 수 있어야 되며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 단일 방향으로 발진하여야 한다.
대한민국 등록 특허 제10-0640071(이하, 특허문헌 1)는 한 방향 발진 특성을 가지는 마이크로 디스크 레이저를 제안하고 있다. 특허문헌 1은 휘스퍼링 갤러리 모드로 형성된 빛을 단일방향으로 발진시킬 수 있다고 개시하고 있다. 다만, 특허문헌 1에 개시된 마이크로 디스크 레이저를 이용하여 화학 센서를 만들기 위해서는 마이크로 디스크 표면에 검출하고자 하는 화학 물질이 흡착되어야 한다. 다만, 일반적으로 제작되는 마이크로 디스크 표면에는 화학 물질이 선택적으로 흡착될 수 없는 문제가 있어, 마이크로 디스크를 이용한 화학 센서를 제작하기가 용이하지 않다.
따라서, 검출하고자 하는 화학 물질이 선택적으로 흡착될 수 있도록 하는 마이크로 디스크를 이용함으로써, 화학 물질을 정밀하게 감지할 수 있는 화학 센서가 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고품위값을 가지며 휘스퍼링 갤러리 모드의 레이저 빔을 단일방향으로 발진시키는 마이크로 디스크 레이저를 이용한 화학 센서를 제작함에 있어, 마이크로 디스크의 표면을 화합물로 처리하여 마이크로 디스크 표면에 처리된 화합물에 따른 특정물질의 선택적 결합의 특성을 이용하여, 특정물질을 정밀하게 감지할 수 있는 화학 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진 가능하고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물인 마이크로 디스크가 제공된다.
마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성될 수 있다.
산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있다.
단분자막 및 고분자막은 상기 제1 코팅층 상에 부착될 수 있다.
단분자막 및 고분자막은 특정물질과 선택적으로 결합 가능할 수 있다.
마이크로 디스크는, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막과 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 이러한 특정물질을 감지해낼 수 있다.
마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저는, 상기 마이크로 디스크의 가장자리를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함하고, 마이크로 디스크의 경계면 가장자리에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있다.
여기부는 광 또는 전류에 의해 상기 마이크로 디스크의 가장자리, 즉 휘스퍼링 갤러리 모드가 속박되어 있는 영역을 여기시킬 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 모드는 마이크로 디스크의 경계면의 가장자리를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.
마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.
화학센서는 마이크로 디스크 레이저 및 이러한 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;를 포함하며, 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질을 검출할 수 있다.
측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 특정물질이 결합됨에 따라 발생된다. 또한, 측정부에는 분광기가 포함될 수 있다.
마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있고, 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 제1 코팅층이 형성되고, 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층이 제1 코팅층 상에 형성됨으로써, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합될 수 있다.
고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일 방향으로 빛을 방출하는 마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저를 사용하여 화학 센서를 제작하면, 저농도의 가스 환경 하에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 화학 센서를 이용하면 특정물질이 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 포함되는 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합됨에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1a, 도 1b 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 코팅층 상에 단분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 코팅층 상에 고분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 고분자막 상에 특정물질이 선택적으로 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 특정물질이 고분자와 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 코팅층 상에 단분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 코팅층 상에 고분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 고분자막 상에 특정물질이 선택적으로 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 특정물질이 고분자와 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크(100)는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진하며, 마이크로 디스크(100)의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층(210); 및 제1 코팅층(210) 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220);을 포함하고, 유전체는 산화물 또는 질화물일 수 있다.
또한, 마이크로 디스크(100)는 휘스퍼링 갤러리 모드가 단일방향으로 발진하고 마이크로 디스크(100)의 측면에는 유전체가 코팅되어 제1 코팅층(210)이 형성되고, 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)이 제1 코팅층(210) 상에 형성됨으로써, 특정물질이 단분자막 또는 고분자막에 선택적으로 결합될 수 있다.
마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드는 고 품위값을 가질 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 일면에 광 또는 전류가 공급되어 마이크로 디스크(100)가 여기됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드가 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드의 품위값인 Q 값은 104 이상으로, 높은 품위값을 가질 수 있다.
또한, 마이크로 디스크(100)는, 예를 들면, 변형된 원형, 4개의 원호로 이루어진 형상, 3개의 원과 하나의 직선으로 이루어진 형상, 달걀형 등의 타원 형상, 심장형과 원호가 결합된 형상 등 적분 불가능한 형상을 가질 수 있다. 상기 적분 불가능한 형상은 2차원에서 헬름홀츠(Helmholtz) 식을 변수 분리하여, 해석적으로 내부의 파동 함수를 구할 수 없는 형상을 의미한다. 상기 전술한 형상을 가지는 마이크로 디스크(100)를 이용한 마이크로 디스크 레이저는, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드의 레이저 빔을 단일 방향으로 발진시킬 수 있다.
마이크로 디스크(100)는 고품위값을 가지는 레이저 빔을 단일방향으로 발진시킬 수 있는 바, 광도파로와의 광 결합이 용이하며 광도파로와 결합하는 과정에서 품위값의 손상을 억제할 수 있어, 이러한 마이크로 디스크(100)가 화학 센서에 적용되는 경우에는 화학 센서의 검출 정밀성을 향상시킬 수 있다.
마이크로 디스크(100)는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들면, 반도체로 III-V족의 반도체 물질을 사용할 수 있으며, III-V족의 반도체 물질로는 GaAs계열, InGaAsP, GaN계열 등을 사용할 수 있다. 또한, 고체 매질로는 Nd:YAG, Nd:Glass, NdYVO4, Sapphire에 불순물이 도핑된 매질, 루비 등 다양한 고체 레이저 매질 등을 사용할 수 있다.
또한, 색소가 첨가된 고분자로는, 예를 들면, Rhodamine 6G, Rhodamine B 등 수많은 색소를 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 등 수많은 고분자에 첨가하여 만들어진 색소가 첨가된 고분자를 사용할 수 있다.
다만, 전술한 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류를 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1a, 도 1b 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참고하면, 마이크로 디스크(100)의 측면에는 제1 코팅층(210)이 형성되고, 제2 코팅층(220)은 제1 코팅층(210) 상에 형성될 수 있다.
제1 코팅층(210)은 산화물 또는 질화물의 유전체가 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 마이크로 디스크(100)를 식각한 후 패시베이션을 통하여 산화물 또는 질화물을 마이크로 디스크(100) 표면에 코팅할 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 측면에 유전체가 코팅되어 제1 코팅층(210)을 형성함으로써, 마이크로 디스크(100)에 전류 공급 시 누설 전류가 발생되는 것을 억제할 수 있으며, 제2 코팅층(220)을 마이크로 디스크(100)에 용이하게 도입할 수 있다.
이러한 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물일 수 있고, 마이크로 디스크(100)의 표면에 제1 코팅층으로서 형성될 수 있다.
마이크로 디스크(100) 표면에 제1 코팅층(210)을 형성하기 위하여 사용되는 산화물 또는 질화물은 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221), 고분자막(222)의 종류에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, (R'O)3-Si-R의 분자구조를 가지는 화합물로 단분자막(221)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 사용되는 산화물로 SiO2가 이용될 수 있다.
제2 코팅층(220)은 제1 코팅층(210) 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 코팅층(220)은 단일의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)으로 이루어질 수 있고, 복수의 단분자막(221) 또는 복수의 고분자막(222)으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 단분자를 이용하여 제1 코팅층(210) 상에 제1 단분자막을 형성할 수 있고, 제1 단분자막에 존재하는 관능기를 이용하여, 제1 단분자막을 구성하는 단분자와 다른 새로운 단분자를 제1 단분자막과 결합시켜 제2 단분자막을 형성할 수 있다. 마찬가지로, 제1 코팅층(210) 상에 제1 고분자막과 제2 고분자막을 순차적으로 코팅할 수 있다.
나아가, 제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221)을 형성한 후, 단분자막(221) 상에 고분자막(222)을 형성하여, 단분자막(221)과 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다.
제1 코팅층(210) 상에 하나 이상의 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 포함하는 제2 코팅층(220)을 형성함으로써, 마이크로 디스크(100) 표면에 코팅되는 코팅층의 두께를 조절할 수 있으며, 특정물질과 선택적으로 결합할 수 있는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 마이크로 디스크(100) 표면에 도입할 수 있다.
이러한 단분자막(221) 및 고분자막(222)은 제1 코팅층(210) 상에 부착될 수 있다. 구체적으로, 산화물 또는 질화물로 형성된 제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221) 또는 고분자막(222)이 물리적으로 흡착되거나 화학적으로 결합되어, 제2 코팅층(220)이 형성될 수 있다.
예를 들면, SiO2를 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅하여 제1 코팅층(210)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 존재하는 하이드록시기(-OH)를 이용하여 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다. (R'O)3-Si-R 의 분자구조를 가지는 화합물을 이용하여 제1 코팅층(210) 상에 제2 코팅층(220)을 형성하는 경우, 제1 코팅층(210)에 존재하는 하이드록시기와 (R'O)3-Si-R 화합물 간에 축합반응이 진행되어 HOR'이 떨어져 나오면서 -O-Si-R 결합이 새롭게 제1 코팅층(210) 상에 형성됨에 따라, 단분자막(221)이 제1 코팅층(210) 상에 형성될 수 있다. 이때 상기 R은 polyamiline, polythiophene, polypyrrole, polyphenenylene 등일 수 있다.
도 2는 제1 코팅층 상에 단분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
제1 코팅층(210) 상에 단분자막(221) 혹은 고분자막(222)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 코팅층(210) 상에 형성된 -O-Si-R 결합에서 Si와 결합이 가능한 모든 단분자막(221) 혹은 고분자막(222)이 R이며 이러한 R의 단분자 혹은 고분자의 관능기에 따라 특정 화학 물질이 더 흡착이 잘되는 선택적 흡착이 일어나게 된다. 또한, 단분자막을 형성한 후, 단분자막에 존재하는 관능기를 이용하여 새로운 단분자막을 기존의 단분자막 상에 형성할 수도 있다.
도 3은 제1 코팅층 상에 고분자막이 형성되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
물리적 흡착 또는 화학적 결합을 통하여, 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 물리적 흡착시키는 경우에는, 예를 들면, 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 마이크로 디스크(100)의 제1 코팅층(210) 표면에 스핀 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 방식으로 코팅하여 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 고분자로, 예를 들면, 스티렌계 고분자, 아크릴계 고분자, 메타크릴계 고분자, 비닐계 고분자, 우레탄계 고분자 등을 사용할 수 있으며, 특정물질과 결합가능한 고분자를 선택하여 제2 코팅층(220)을 형성할 수 있다.
또한, 화학적 결합을 통해 제1 코팅층(210) 상에 고분자막(222)을 형성할 수 있다. 도 3을 참고하면, 제1 코팅층(210)에 존재하는 관능기를 이용하여 고분자막(222)을 제1 코팅층(210) 상에 형성할 수 있다. 예를 들면, SiO2를 마이크로 디스크(100)의 표면에 코팅하여 제1 코팅층(210)을 형성하고, 제1 코팅층에 존재하는 -OH기를 이용하여 단분자막(221)을 형성할 수 있으며, 그 다음 관능기를 이용하여 고분자막(222)을 형성할 수 있다.
따라서, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)은 제1 코팅층(210)과 안정적으로 흡착되거나 결합될 수 있으므로, 특정물질과 선택적으로 결합 가능한 단분자막(221) 또는 고분자막(222)을 마이크로 디스크(100)에 용이하게 도입할 수 있다.
도 4는 고분자막 상에 특정물질이 선택적으로 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
단분자막(221) 및 고분자막(222)은 특정물질과 선택적으로 결합될 수 있다. 또한, 특정물질이 단분자막(221) 또는 고분자막(222)과 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 특정물질을 감지해낼 수 있다.
제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221)과 고분자막(222)은 특정물질과 선택적으로 화학적 결합 또는 화학적 흡착이 가능할 수 있다. 도 4를 참고하면, 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 코팅된 마이크로 디스크(100)에 특정물질이 포함된 가스가 공급되는 경우, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)의 종류에 따라, 제2 코팅층(220)에 화학적으로 결합되거나 화학적으로 흡착될 수 있는 특정물질의 종류는 상이할 수 있다.
도 5는 특정물질이 고분자와 결합되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
예를 들면, 도 5에서와 같이, A linear hydrogen-bond acidic linear functionalized polymer는 DMMP 가스, Sarin 가스 및 2-CEES 가스와 선택적으로 결합될 수 있다. 다시 말해서, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 존재하는 관능기에 의해, 특정물질(예컨대, DMMP 가스 등)이 제2 코팅층에 선택적으로 결합될 수 있다.
마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막 또는 고분자막은 특정물질과 화학적 결합 또는 화학적 흡착 가능한 화합물 중에서 선택되는 화합물로써 형성될 수 있다. 표면에 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 코팅된 마이크로 디스크(100)는 공명모드에서 일정한 파장 값을 가지는 레이저 빔을 발진시킬 수 있다. 다만, 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 특정물질이 결합 또는 흡착되는 경우, 마이크로 디스크(100)는 발진 레이저 빔의 파장 값이 변화된 파장 값을 가질 수 있다.
마이크로 디스크(100)는 특정물질이 마이크로 디스크(100)의 측면에 형성된 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 선택적으로 결합됨에 따라, 공명모드에서의 변화된 파장 값을 보여주므로, 특정물질을 감지할 수 있는 화학 센서로서 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 디스크 레이저는 마이크로 디스크(100) 및 이러한 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함할 수 있고, 마이크로 디스크(100)의 경계면 가장자리에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있다.
마이크로 디스크 레이저는 고품위값을 가지는 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시킬 수 있어, 광 결합이 용이하며 품위값의 손상 없이 빛을 광도파로로 입사시킬 수 있다. 따라서, 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 갖는 마이크로 디스크(100)를 포함하는 마이크로 디스크 레이저를 사용하여 화학 센서를 제작하면, 저농도의 가스 환경 하에서도 특정물질을 정밀하게 검출할 수 있다.
마이크로 디스크 레이저에는 복수개의 마이크로 디스크(100)들이 포함될 수 있다. 마이크로 디스크 레이저가 복수개의 마이크로 디스크(100)들을 포함하는 경우, 복수개의 마이크로 디스크(100)들 각각은 동일한 조건으로 마이크로 디스크(100)의 측면에 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 형성되는 것이 바람직하며, 복수개의 마이크로 디스크(100)들 각각에 형성되는 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)은 서로 동일한 두께를 가지는 것이 바람직할 수 있다.
여기부는 광 또는 전류로 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 여기시킬 수 있다. 예를 들면, 마이크로 디스크(100)의 상면 또는 하면을 통해 광 또는 전류가 공급됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 가장자리부가 여기될 수 있고, 가장자리부는 마이크로 디스크 측면의 내부로서 상기 가장자리부는 상기 휘스퍼링 갤러리 모드뿐만 아니라 휘스퍼링 갤러리모드 형태의 다각형 형태의 공명모드가 형성될 수 있는 부분이다.
마이크로 디스크(100)에 광 또는 전류가 공급되면, 여기부인 마이크로 디스크(100)의 가장자리에서 고품위값을 가지는 휘스퍼링 갤러리 모드가 발진할 수 있다. 휘스퍼링 갤러리 모드는 마이크로 디스크(100)의 가장자리 혹은 경계면을 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.
또한, 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 공명모드는, 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다. 주기 4 미만의 안정 궤도 및 주기 4 미만의 불안정 궤도의 경우, 휘스퍼링 갤러리 모드 현상이 없어지므로, 마이크로 디스크(100)의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학센서에는, 마이크로 디스크 레이저 및 이러한 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;가 포함되고, 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질이 검출될 수 있다.
화학 센서는 특정물질이 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함되는 단분자막(221) 또는 고분자막(222)에 선택적으로 결합됨에 따라 발생되는 파장의 미소한 변화를 측정하여, 특정물질의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.
화학 센서에 포함되는 마이크로 디스크(100) 측면에는 제1 코팅층(210) 및 제2 코팅층(220)이 형성되어 있으며, 마이크로 디스크(100)는 공명모드에서 일정한 파장 값을 가지는 레이저 빔을 발진시킬 수 있다. 화학 센서가 특정물질이 포함된 가스 환경 하에 놓여지는 경우, 가스에 존재하는 특정물질이 화학 센서의 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 포함된 단분자막(221) 또는 고분자막(222)과 화학적으로 흡착되거나 결합될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 디스크(100)의 레이저 빔의 기존의 파장 값은 변화된 값을 가질 수 있다.
화학 센서의 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 특정물질이 결합됨에 따라 발생되는 변화이다. 즉, 측정부는 마이크로 디스크(100)의 제2 코팅층(220)에 결합되는 특정물질에 의하여 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 변화된 발진 파장 값을 측정할 수 있다. 화학 센서에 포함되는 측정부는, 특정물질이 결합되기 전의 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 파장 값과 특정물질이 결합된 후의 마이크로 디스크(100)에서 발진되는 레이저 빔의 파장 값을 측정할 수 있다.
화학 센서는 측정부와 연동되어 구동되는 연산부를 포함할 수 있으며, 연산부는 측정부에서 측정된 데이터 값을 이용하여, 특정물질의 종류 및 특정물질의 농도를 연산하여 사용자에게 제공할 수 있다.
예를 들면, 화학 센서는 특정물질의 결합에 의한 마이크로 디스크의 파장 값의 변이 정도를 측정, 연산하여 이를 토대로 특정물질을 검출할 수 있다. 또한, 파장 값의 변이 정도를 룩업 테이블(lookup table) 형태로 가공하여 특정물질의 농도를 측정할 수 있고, 파장 값의 변이 정도를 수학적 함수 또는 그래프 형태로 가공하여 특정물질의 농도를 측정할 수 있으며, 나아가, 측정 시간에 따른 파장 값의 변이 정도를 수학적 함수 또는 그래프 형태로 가공하여 보다 정밀하게 특정물질의 농도를 측정할 수 있다.
따라서, 이러한 화학 센서는 특정물질에 의해 변화된 마이크로 디스크 레이저의 파장 값의 변이 정도를 토대로, 측정값을 다양한 형태로 가공하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 측정부에는 분광기가 포함될 수 있다. 즉, 특정물질에 의해 변화된 마이크로 디스크 레이저의 파장 값을 분광기를 이용하여 측정할 수 있다.
마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발생하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 마이크로 디스크
210: 제1 코팅층
220: 제2 코팅층
221: 단분자막
222: 고분자막
210: 제1 코팅층
220: 제2 코팅층
221: 단분자막
222: 고분자막
Claims (14)
- 마이크로 디스크로서,
상기 마이크로 디스크는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 가지며, 상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 방향성을 갖고 발진하고,
상기 마이크로 디스크의 측면에는 유전체가 코팅되어 형성되는 제1 코팅층; 및
상기 제1 코팅층 상에 형성되며, 하나 이상의 단분자막 또는 고분자막을 포함하는 제2 코팅층;을 포함하고,
상기 유전체는 산화물 또는 질화물이며,
상기 마이크로 디스크의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드의 레이저 빔은 단일 방향으로 발진되는 마이크로 디스크.
- 제1 항에 있어서,
상기 마이크로 디스크는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자로 형성되는 마이크로 디스크.
- 제1 항에 있어서,
상기 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 중에서 선택되는 산화물이고, 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN 중에서 선택되는 질화물인 마이크로 디스크.
- 제1 항에 있어서,
상기 단분자막 및 상기 고분자막은 상기 제1 코팅층 상에 부착되는 마이크로 디스크.
- 제1 항에 있어서,
상기 단분자막 및 상기 고분자막은 특정물질과 선택적으로 결합 가능한 마이크로 디스크.
- 제5 항에 있어서,
상기 특정물질이 상기 단분자막 또는 상기 고분자막과 선택적으로 결합됨에 따라, 상기 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 상기 특정물질을 감지해낼 수 있는 마이크로 디스크.
- 제1 항에 따른 마이크로 디스크를 포함하는 마이크로 디스크 레이저로서,
상기 마이크로 디스크의 가장자리부를 여기시킬 수 있는 여기부를 포함하며,
상기 마이크로 디스크의 가장자리부에 속박된 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드를 단일방향으로 발진시키는 마이크로 디스크 레이저.
- 제7 항에 있어서,
상기 여기부는 광 또는 전류에 의해 상기 마이크로 디스크의 경계면 가장자리를 여기시키는 마이크로 디스크 레이저.
- 제7 항에 있어서,
상기 휘스퍼링 갤러리 모드는 상기 마이크로 디스크의 경계면을 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 또는 상기 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 마이크로 디스크 레이저.
- 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 디스크의 측면에 인접하는 주기 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드는 주기 4 이상의 안정 궤도 또는 주기 4 이상의 불안정 궤도를 따라 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드 형태의 공명모드를 포함하는 마이크로 디스크 레이저.
- 제7 항에 따른 마이크로 디스크 레이저; 및
상기 마이크로 디스크 레이저로부터 발진되는 레이저 빔의 발진 파장 값을 측정하는 측정부;를 포함하며,
상기 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화를 이용하여 특정물질을 검출하는 화학 센서.
- 제11 항에 있어서,
상기 측정부에서 측정된 레이저 빔의 발진 파장 값의 변화는, 상기 마이크로 디스크의 제2 코팅층에 상기 특정물질이 결합됨에 따라 발생되는 것인 화학 센서.
- 제11 항에 있어서,
상기 측정부는 분광기를 포함하는 것인 화학 센서.
- 제11 항에 있어서,
상기 마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정하는 것인 화학 센서.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170046549A KR101896180B1 (ko) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 및 이를 이용한 화학 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101896180B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102020123477A1 (de) | 2020-09-09 | 2022-03-10 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Umgebungssensor, messvorrichtung und verfahren zum betreiben einer messvorrichtung |
| KR20220133563A (ko) * | 2021-03-25 | 2022-10-05 | 재단법인대구경북과학기술원 | 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020028432A (ko) * | 2000-10-10 | 2002-04-17 | 윤덕용 | 표면감쇠파 미소공진기 레이저 |
| US20040146431A1 (en) * | 2002-12-04 | 2004-07-29 | Axel Scherer | Silicon on insulator resonator sensors and modulators and method of operating the same |
| KR100640071B1 (ko) | 2004-06-30 | 2006-10-30 | 배재대학교 산학협력단 | 한 방향 발진 특성을 가지는 마이크로 디스크 레이저 |
| JP2007508565A (ja) * | 2003-10-14 | 2007-04-05 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | センサーとしての多孔質微小球レゾネータ |
| US20130157882A1 (en) * | 2010-04-20 | 2013-06-20 | President And Fellows Of Harvard College | Biomedical and Chemical Sensing with Nanobeam Photonic Crystal Cavities Using Optical Bistability |
| KR101401920B1 (ko) * | 2013-02-21 | 2014-05-30 | 고려대학교 산학협력단 | 그래핀 전극을 이용한 나노레이저 발생장치 및 이의 제조방법 |
-
2017
- 2017-04-11 KR KR1020170046549A patent/KR101896180B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102514711B1 (ko) | 2021-03-25 | 2023-03-27 | 재단법인대구경북과학기술원 | 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법 |
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