KR101937294B1 - 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법 - Google Patents
광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법 Download PDFInfo
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Abstract
광학 센서 제조 방법은 기판 상에 반사 금속층을 형성하는 단계, 상기 반사 금속층 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층상에 금속 나노 구조층의 자기 조립을 유도하는 단계 및 반응성 이온 식각 공정을 통해 상기 절연층을 선택적으로 식각하여 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의되는 복수의 공간을 형성하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 플라즈모닉스 광학 센서의 제조방법은 패터닝이 어렵고 또한 대면적화하기 어려운 나노 구조물을 저렴한 비용으로 쉽게 형성할 수 있게 해주며, 또한 반복 재현성을 가지는 플라즈모닉스 광학 센서를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법에 관한 것으로, 나노 구조물 기반의 색 변환 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법에 관한 것이다.
입사된 입자가 금속 표면을 통해 일으키는 공명 현상을 이용한 나노 플라즈모닉스 분야는 선택적 광흡수, 고감도 센서 칩 개발, 더불어 다양한 분야에 응용이 되어 그 분야의 형세를 넓히고 있다. SPR(Surface Plasmon Resonance, 표면 플라즈몬 공명) 센서는 표면 플라즈몬 층인 금속박막이 유리 프리즘의 평평한 면에 배치되고, 그 아래에 측정하고자 하는 시료가 놓인다. 편광된 광신호가 프리즘을 통하여 금속박막 표면에서 반사될 때, 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 특정 각으로 입사된 광신호는 그 에너지를 잃고, 금속박막과 측정하고자 하는 시료의 계면을 따라 진행하며, 반사되는 광신호 에너지의 세기를 측정함으로써 표면 플라즈몬 공명각을 구할 수 있다.
일반적으로 플라즈모닉스를 이용하는 광센서의 경우, 나노 구조체를 만들고 그 구조체 위에 타겟 물질이 접촉하게 하여, 해당 입사광과 반사광의 최고치 파장 (Peak wavelength)이나 최저치 파장(Deep wavelength)의 레드 쉬프트(Red shift)를 이용하여 센서로서 이용하여왔다. 하지만 이들의 타겟 파장 영역대는 적외선 파장(Infrared) 이나 중적외선 파장 영역대 (Mid-Infrared), 혹은 테라파(Teraherz) 영역대에 국한되었다.
가시광선 영역에서 색채 구분을 낼 정도를 위해서는 100 nm 파장 이상의 전이(Shift)가 필수적인데 이를 위해서는 나노 구조체의 구조뿐만 아니라 다른 방법이 종래 제안되었다. 즉, 포토닉 크리스털(Photonic crystal) 구조를 이용하거나, 혹은 플라즈모닉스 현상을 기반하지만, 주로 입사광과 반사광의 간섭 현상, 보광간섭 (Constructive interference; CI)과 상쇄 간섭(Destructive interference; DI)을 이용하여 모든 컬러 영역대의 빛을 구현하는 방식으로 가시광 영역내의 센서 개발을 성공하였으나, 고가의 나노 패터닝 기술을 요구되어 기술의 보급화 및 상용화가 제한적이었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 복잡하고 비싼 공정 과정 없이 제조 가능한 나노 구조체를 이용한 플라즈모닉스 광학 센서, 이의 제조 방법, 이를 이용한 유체 분석 방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 광학 센서 제조 방법은 기판 상에 반사 금속층을 형성하는 단계, 상기 반사 금속층 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층상에 금속 나노 구조층의 자기 조립을 유도하는 단계 및 상기 절연층을 선택적으로 식각하여 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의되는 복수의 공간을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 기둥은 소수성 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소수성 물질은 비정형 불소 중합체이며, 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상기 복수의 공간의 굴절률은 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사 금속층은 금 박막층이고, 상기 금속 나노 구조층의 자기 조립에 적용되는 금속은 금일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사 금속층의 형성 단계 및 상기 금속 나노 구조층의 자기 조립의 유도 단계는 열 증착 공정을 통해 수행되고, 상기 반사 금속층의 열 증착 속도는 상기 나노 구조층의 열 증착 속도보다 빠르게 진행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 나노 구조층의 자기 조립의 유도 단계의 열 증착 속도는 0.3Å/s일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 광학 센서는 기판, 상기 기판 상에 위치한 반사 금속층, 상기 반사 금속층 상에 위치한 절연층 및 상기 절연층상에 위치한 금속 나노 구조층을 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이고, 상기 절연층은 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하되, 상기 복수의 공간은 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 제1 유체가 채워진 상태이다.
일 실시예에서, 상기 복수의 기둥은 소수성 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소수성 물질은 비정형 불소 중합체일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사 금속층은 금 박막층이고, 상기 금속 나노 구조층의 자기 조립에 적용되는 금속은 금일 수 있다.
일 실시예에서, 분석 대상인 제2 유체의 유입에 따라, 상기 복수의 공간은 상기 제1 유체에서 상기 제2 유체로 대체될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 공간이 상기 제2 유체로 채워짐에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사 스펙트럼의 공명 파장의 전이는 가시 광선 영역내에서 수행될 수 있다.
기판, 상기 기판 상에 위치한 반사 금속층, 상기 반사 금속층 상에 위치한 절연층 및 상기 절연층상에 위치한 금속 나노 구조층을 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이고, 상기 절연층은 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하되, 상기 복수의 공간은 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 유체가 채워진 상태인 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 상기 광학 센서를 준비하는 단계, 상기 복수의 공간에 시료를 유입하여 상기 유체를 대체하는 단계 및 상기 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하여 상기 시료의 굴절률을 분석하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 상기 시료의 굴절률에 따라 상기 시료를 규명하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 시료의 굴절률을 분석하는 단계는 독성 물질이 상기 광학 센서내에서 어떤 색을 표시하는 지를 확인하여 상기 시료의 독성 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서는 소수성 유전층 위에서 금속 나노 구조를 자기 조립 현상 기법을 이용하여 제조되는 바, 복잡하고 비싼 공정 과정 없이 제작 가능하다.
또한 간단한 공정으로 대면적에 소자를 구현할 수 있기 때문에 가시성을 확보한 비표지 방식의 색채 기반 광센서를 낮은 가격과 높은 수율로 만드는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 광학 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 금속 나노 구조층의 형성 속도에 따른 구조 및 광학 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 4는 금속 나노 구조층의 평면 SEM 이미지 사진이다.
도 5는 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 표면 색 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 측면 SEM 이미지 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 광학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 색 변화를 비교한 도면이다.
도 2는 광학 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 금속 나노 구조층의 형성 속도에 따른 구조 및 광학 특성 변화를 비교한 그래프이다.
도 4는 금속 나노 구조층의 평면 SEM 이미지 사진이다.
도 5는 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 표면 색 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 측면 SEM 이미지 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 광학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 색 변화를 비교한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 광학 센서의 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 금속 나노 구조층의 형성 속도에 따른 구조 및 광학 특성 변화를 비교한 그래프이고, 도 4는 금속 나노 구조층의 평면 SEM 이미지 사진이며, 도 5는 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 표면 색 변화를 나타낸 도면이며, 도 7은 이온성 식각 공정의 진행에 따른 절연층의 구조 변화를 나타낸 측면 SEM 이미지 사진이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 광학 센서 제조 방법은 기판 상에 반사 금속층을 형성하는 단계(S100), 반사 금속층 상에 절연층을 형성하는 단계(S110), 절연층상에 금속 나노 구조층의 자기 조립을 유도하는 단계(S120) 및 반응성 이온 식각 공정을 통해 절연층을 선택적으로 식각하는 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 기판 상에 반사 금속층을 형성한다(S100).
기판(s)은 평판 형태의 리기드(rigid)한 기판일 수 있다. 기판(s)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 플라스틱, 실리콘 또는 기타 고분자로 이루어지는 금속 증착이 가능한 모든 종류의 베이스 기판일 수 있다.
기판(s) 상에 반사 금속층(110)이 형성될 수 있다. 반사 금속층(110)은 열증착(thermal evaporation) 공정을 통해 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도금, 스퍼터링 등의 공정으로도 형성될 수 있다. 반사 금속층(110)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일 물질이나 합금으로 구성될 수 있다. 바람직하게, 반사 금속층(110)은 금(Au)으로 이루어진 단일 박막층일 수 있다. 반사 금속층(110)은 100nm의 두께로 형성될 수 있다. 반사 금속층(110)은 상부로부터 유입되는 빛을 반사하여 절연층(120), 금속 나노 구조층(130)으로 빛을 집중시킬 수 있으며, 이에 따라 나노 플라즈모닉스 효과를 향상시킬 수 있다.
이어서, 반사 금속층 상에 절연층을 형성한다(S110).
절연층(120)은 반사 금속층(110) 상에 형성될 수 있다. 절연층(120)은 스핀 코팅(Spin coating) 공정을 통해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 스프레이 코팅 및 기타 유체를 적층할 수 있는 공정으로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 절연층(120)을 형성하기 이전에 반사 금속층(110)을 평탄화하는 평탄화 공정이 먼저 수행될 수도 있다.
절연층(120)은 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있다. 절연층(120)은 적어도 표면 영역이 소수성(hydrophobic)을 가질 수 있다. 소수성 물질은 높은 투과도를 가지는 비정형 불소 중합체(Amorphous Fluoropolymer)일 수 있으며, 절연층(120)은 전체적으로 투명한 상태일 수 있다. 절연층(120)의 굴절률(n)은 1.34에 해당할 수 있다. 바람직하게 절연층(120)은 비정형 불소 중합체를 적용하여 140nm 내지 180nm의 두께로 형성될 수 있다.
이어서, 금속 나노 구조층의 자기 조립을 유도한다(S120).
금속 나노 구조층(130)은 절연층(120) 상에 형성될 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 복수의 금속 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조일 수 있다. 각 금속 나노 섬은 일정 크기 이상의 군집을 형상한 상태일 수 있다. 금속 나노 구조층(130)에 적용되는 금속은 백금, 금, 은, 알루미늄 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 바람직하게 금(Au)일 수 있으며, 반사 금속층(110)에 사용된 금속과 동일한 금속으로 형성될 수 있다.
금속 나노 구조층(130)은 열 증착(thermal evaporation) 공정을 통해 생성될 수 있다. 금속 나노 구조층(130)을 형성하는 열 증착 공정 속도는 반사 금속층(110)을 형성하는 열 증착 공정 속도보다 느리게 수행될 수 있다. 절연층(120)의 표면은 소수성을 가지는 바, 초기 증착시 절연층(120) 상에는 일정 크기의 나노 섬 구조가 분산되어 형성될 수 있다. 금속 나노 구조층의 형성 단계(S120)는 절연층(120) 표면으로의 표면의 전체적인 도포를 목적으로 하는 증착이 아닌, 초기 형성된 나노 섬 구조에 증착이 수행될 수 있다. 금속 나노 구조층의 형성 단계(S120)는 기존의 증착 방식 속도에 따른 1~2 Å/s 의 금속 증착 속도에 비해 현저히 감소된 0.3 Å/s의 금속 증착 속도로 수행될 수 있다. 이러한 0.3 Å/s의 금속 증착 속도는 금속 나노 섬의 자기 조립을 유도할 수 있다. 열 증착 공정이 진행됨에 따라 직경이 커진 나노 섬은 이웃하는 나노 섬과 연결되어 나노 섬 네트워크를 형성할 수 있다. 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 27nm 내지 33nm일 수 있다. 보다 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 30nm일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 나노 섬 네트워크는 나노 섬이 확장되어 서로 연결된 것으로, 금속 나노 구조층(130)은 절연층(120)의 표면을 외부로 노출하는 복수의 개구부를 포함할 수 있다. 해당 개구부는 금속이 증착되지 않고 나노 섬 간의 연결이 이루어지지 않은 영역일 수 있다.
도 3은 금속 나노 구조층(130)의 증착 속도에 따라 생성되는 구조 및 광학 특성을 비교한 것으로, i) 0.3Å/s의 속도로 금속 나노 구조층(130)을 형성한 것과 ii) 2.0Å/s의 속도로 금속 나노 구조층(130)을 형성한 것을 비교한 것이다. i) 0.3Å/s의 속도로 금속 나노 구조층(130)을 형성한 경우 상술한 바와 같은 금속 나노 구조층(130)은 나노 섬 네트워크를 형성한 것을 알 수 있으며, 개구부를 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 달리 ii) 2.0Å/s의 속도로 금속 나노 구조층(130)을 형성한 경우, 금속 나노 구조층(130)은 절연층(120) 상에 박막층으로 형성되었으며, 개구부가 형성되지 않은 것을 알 수 있다. i) 나노 섬 네트워크로 형성된 금속 나노 구조층(130)과 ii) 박막층으로 형성된 금속 나노 구조층(130)은 개구부의 유무에 따라 서로 다른 광학 특성(반사율, Reflectance)을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 나노 섬 네트워크로 형성된 금속 나노 구조층(130)만이 개구부를 통해 후술한 반응성 이온에 대한 선택적 식각 공정이 수행될 수 있다.
반응성 이온 식각 공정을 통해 절연층을 선택적으로 식각한다(S130).
금속 나노 구조층(130)은 에칭 마스크로 기능할 수 있다. 반응성 이온 식각 공정은 금속 나노 구조층(130)과 반응하지 않고 이를 제거하지 않는 조건일 수 있다. 따라서, 상부에 금속 나노 섬이 형성되어있지 않은 절연층(120)은 선택적으로 식각될 수 있으며, 본 발명에 따른 나노 구조물이 형성될 수 있다.
절연층(120)은 금속 나노 구조층(130)의 개구부와 대응되어 식각될 수 있다. 즉, 금속 나노 섬이 상부에 형성된 절연층(120)은 일정 폭의 기둥으로 잔존할 수 있고, 개구부와 대응되는 절연층은 유체가 유입될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 식각 공정(S130)이 진행됨에 따라 절연층(120)은 식각된 공간이 형성되며, 식각된 공간의 크기는 점점 커질 수 있다. 또한, 일정 크기의 굴절률(n=1.34) 절연층(120)의 식각 공간이 공기로 대체되면서 절연층(120)의 광학 특성이 변화될 수 있다. 여기서, 공기의 굴절률(n=1.0006)은 절연층(120)의 굴절률보다 낮을 수 있고, 절연층(120)의 내부 굴절률 분포가 변화될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 식각 공정이 진행됨에 따라 연두색에서 보라색으로 색 변이를 확인할 수 있다.
절연층(120)에 형성되는 나노 구조는 플라즈모닉 센서에서 흡광 파장 영역대의 주변 굴절률에 대한 민감도를 보다 향상시킬 수 있고, 플라즈모닉 현상에 기반한 가시 광선 영역에서의 파장 시프트를 극대화 할 수 있으며, 가시적 색상 변화를 유도할 수 있다.
그리고, 기존의 금속 나노 구조를 제작하는데 필요한 전자 빔 리소그래피, 집중 이온 빔 등 순차적(serial) 나노 공정은 대면적에 적용이 어렵고, 비싼 가격을 요구한다.
이와 달리 본 실시예에 따른 플라즈모닉스 광학 센서의 제조방법은 소수성 유전층 위에서 금속 나노 구조의 자기 조립 현상 기법을 이용하여 제조되는 바, 복잡하고 비싼 공정 과정 없이 제작 가능하고, 또한 간단한 공정으로 대면적에 나노 구조를 구현할 수 있으며, 금속 나노 구조를 마스크로 활용하여 절연층에 플라즈모닉 현상을 극대화할 수 있는 구조를 형성할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 플라즈모닉스 광학 센서의 제조방법은 패터닝이 어렵고 또한 대면적화하기 어려운 나노 구조물을 저렴한 비용으로 쉽게 형성할 수 있게 해주며, 또한 반복 재현성을 가지는 플라즈모닉스 광학 센서를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서(10)는 상술한 도 1 내지 도 7의 제조 방법으로 생성될 수 있으며, 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 7이 참조될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서를 도시한 개략도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 광학 특성을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서의 색 변화를 비교한 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 광학 센서(10)는 기판(s), 반사 금속층(110), 절연층(120), 금속 나노 구조층(130)을 포함하되, 상기 절연층은 부분적으로 식각된 공간을 포함할 수 있다.
기판(s)은 평판 형태의 리기드(rigid)한 기판일 수 있다. 기판(s)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 플라스틱, 실리콘 또는 기타 고분자로 이루어지는 베이스 기판일 수 있다.
반사 금속층(110)은 기판(s) 상에 위치할 수 있다. 반사 금속층(110)은 열증착(thermal evaporation) 공정을 통해 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도금, 스퍼터링 등의 공정으로도 형성될 수 있다. 반사 금속층(110)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일 물질이나 합금으로 구성될 수 있다. 바람직하게, 반사 금속층(110)은 금(Au)으로 이루어진 단일 박막층일 수 있으며, 이의 두께는 100nm일 수 있다. 반사 금속층(110)은 상부로부터 유입되는 빛을 반사하여 절연층(120), 금속 나노 구조층(130)으로 빛을 집중시킬 수 있으며, 이에 따라 나노 플라즈모닉스 효과를 향상시킬 수 있다.
절연층(120)은 반사 금속층(110)상에 위치할 수 있다. 절연층(120)은 부분적으로 식각된 형태일 수 있다. 절연층(120)은 스핀 코팅(Spin coating) 공정을 통해 박막으로 형성된 후, 금속 나노 구조층(130)을 마스크로 활용하여 반응성 이온 식각 공정을 통해 부분 식각된 상태이다.
절연층(120)은 소수성 물질로 구성된 복수개의 기둥(p)과 상기 복수개의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간(v)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 공간(v)은 일정한 유체가 채워진 상태일 수 있으며, 기둥(p)의 굴절률은 복수의 공간(v)에 채원진 유체의 굴절률과 상이할 수 있다. 예시적으로 기둥(p)은 높은 투과도를 가지는 비정형 불소 중합체(Amorphous Fluoropolymer)로 구성되어 굴절률이 1.34일 수 있고, 공간(v)에는 공기가 채워져 굴절률이 1.0006일 수 있다.
절연층(120)은 전체적으로 투명한 상태일 수 있고, 전체적인 두께는 140nm 내지 180nm일 수 있다.
금속 나노 구조층(130)은 절연층(120) 상에 위치할 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 복수의 금속 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조일 수 있다. 각 금속 나노 섬은 일정 크기 이상의 군집을 형상한 상태일 수 있다. 나노 섬 네트워크는 나노 섬이 확장되어 서로 연결된 것으로, 금속 나노 구조층(130)은 절연층(120)의 표면을 외부로 노출하는 복수의 개구부를 포함할 수 있다. 해당 개구부는 금속이 증착되지 않고 나노 섬 간의 연결이 이루어지지 않은 영역일 수 있다.
금속 나노 구조층(130)은 금속 나노 섬의 자기 조립을 유도할 수 있는 느린 속도로 열 증착 공정이 수행되어 형성된 상태이며, 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 27nm 내지 33nm일 수 있다. 보다 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 30nm일 수 있다.
금속 나노 구조층(130)에 적용되는 금속은 백금, 금, 은, 알루미늄 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 금속 나노 구조층(130)에 적용되는 금속은 바람직하게 금(Au)일 수 있으며, 반사 금속층(110)에 사용된 금속과 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 금속 나노 구조층(130)은 반응성 이온 식각 공정의 마스크로써 기능을 할 수 있다. 또한, 금속 나노 구조층(130)은 자기 조립을 통해 형성된 나노 구조물로써 형성된 나노 구조물 사이에 일어나는 나노 갭 플라즈모닉스 현상을 야기할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서(10)는 종래 MDM접합 구조(금속층-유전 필름층(절연층)-금속층, Metal-Dielectric-Metal layer)를 개선한 것이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서(10)는 기존의 흡광률을 향상시키기 위해 사용했던 나노플라즈모닉 현상을 한층 발전시킨 것으로, 기존의 플라즈모닉 현상을 유발하는데 있어서 중요한 역할을 한다고 알려져 있던 절연층의 선택적 식각을 통해, 플라즈모닉 현상에 기반한 가시광선 파장 영역 쉬프트 현상을 극대화 함으로서, 가시광선 영역에서의 색상의 변화를 유도할 수 있다.
본 실시예에 따른 절연층(120)은 종래 소수성 물질(n: 1.34)이 빈 공간(v)으로 식각되고, 절연층(120)의 공간(v)이 공기(n: 1.0006)로 대체되는 정도에 따라, 플라즈모닉 현상을 일으키는 데 중요한 요소가 되는 유효 유전률(effective refractive index of insulator layer) 값이 변화될 수 있으며, 특정 영역의 파장을 선택적으로 흡수하고, 이를 제외한 파장의 빛을 발광할 수 있게 된다. 또한, 절연층(120)의 공간(v)이 다른 굴절률 값을 가진 유체로 치환됨에 따라 절연층(120)의 유효 유전률 값은 각 유체의 고유 굴절률에 대응하여 변경될 수 있으며, 따라서 흡수하는 가시광선의 파장이 변경될 수 있다.
도 9(a)는 절연층에 반응성 이온 식각 공정이 수행되지 않은 상태의 광학 센서의 광학 특성을 나타낸 그래프이며, 도 9(b)는 절연층에 반응성 이온 식각 공정을 수행하여 나노 공간을 형성한 상태의 광학 센서의 광학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9(a)의 광학 센서는 유입되는 유체의 굴절률에 무관하게 650nm 파장 영역에서 최대 흡광(도표상: 파란색)을 나타내어 외부 유입 유체에 민감하지 않은 특성의 광학 특성을 가지나, 도 9(b)의 광학 센서는 500nm에서 800nm까지의 파장 영역에서 유입 유체의 굴절률에 대응하는 최대 흡광(도표상: 파란색)의 변화의 특성을 나타낸다. 이러한 광학 특성은 유입되는 유체의 굴절률에 비례하여 나타나는 것을 알 수 있다.
도 10(a)는 굴절률(n)이 다른 유체에 따른 광학 센서의 색변화를 나타낸 도면이며, 도 10(b)는 굴절률(n)이 다른 유체들의 광학 특성을 도시한 그래프이다.
광학 센서(10)를 공기(n=1.0006)와 다섯 개의 굴절률을 지니는 액체(n = 1.3000, 1.4000, 1.5000, 1.6000, 1.7000)에 노출시켜, 색 변환을 확인하고 각각의 광학 특성을 확인하였다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광학 센서(10)는 유입되는 유체의 굴절률에 따라 서로 다른 색깔을 표시할 수 있다. 광학 센서(10)는 각각의 유체의 굴절률에 따라 도 10(b)에 도시된 바 와 같이, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 일정한 간격으로 시프트될 수 있으며, 광학 센서(10)가 표시하는 색채가 달라질 수 있으며, 이는 가시 광선 영역내에서의 시프트에 해당한다.
본 실시예에 따른 광학 센서는 가시 광선 영역내에서 200nm 이상의 파장 전이를 야기할 수 있는 바, 가시 광선 영역대의 색체로 다양한 액체를 구별할 수 있다. 또한, 환경에 노출 시 빠르게 광학적 특성이 변하고, 해당 환경에서 벗어날 경우 다시 원래의 상태를 회복하기 때문에 재활용성이 높으며, 추가적인 구성없이 현장에서 사용이 가능한 바 높은 현장성(On-site)을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 광학 센서를 준비하는 단계(S200), 광학 센서에 시료를 유입하는 단계(S210), 광학 센서에 표시되는 색을 확인하는 단계(S220)를 포함한다.
여기서, 광학 센서는 도 8 내지 도 10의 광학 센서(10)일 수 있다. 상술한 바와 같이, 광학 센서(10)는 기판(s), 기판(s) 상에 위치한 반사 금속층(110), 반사 금속층(110) 상에 위치한 절연층(120) 및 절연층(120)상에 위치한 금속 나노 구조층(130)을 포함하되, 금속 나노 구조층(130)은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이고, 절연층(120)은 복수의 기둥(p)과 복수의 기둥(p)에 의해 정의된 복수의 공간(v)을 포함하되, 복수의 공간(v)은 복수의 기둥(p)의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 유체가 채워진 상태일 수 있다.
광학 센서가 준비된 이후(S200), 광학 센서에 시료를 유입한다(S210).
여기서, 시료는 분석 대상일 수 있다. 광학 센서(10)의 복수의 공간(v)는 시료의 유입에 따라 기존 유체에서 시료로 대체될 수 있다. 복수의 공간이 상기 제2 유체로 채워짐에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이될 수 있다. 광학 센서(10)에서 표시되는 색이 변화될 수 있다.
광학 센서에 표시되는 색을 확인한다(S220).
광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인하여 시료의 굴절률을 분석할 수 있다. 본 실시예에 따른 광학 센서(10)는 각각의 유체의 굴절률에 따라 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 일정한 간격으로 이동될 수 있다. 이러한 공명 파장은 가시 광선 내에서 구분될 수 있을 정도의 파장 전이에 해당되는 바, 광학 센서(10)가 표시하는 색의 변화는 육안으로 확인할 수 있다. 따라서, 유입되는 유체의 굴절률에 따른 광학 센서(10)가 표시하는 색에 대한 데이터 베이스 구축이 가능하다. 즉, 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하여 시료의 굴절률을 역 분석할 수 있다.
일 실시예에서, 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법에서 시료의 굴절률을 분석하는 단계는 독성 물질이 광학 센서(10)내에서 어떤 색을 표시하는 지를 확인하여 시료의 독성 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 대표적인 독성 물질이 광학 센서내에서 어떠한 색을 표시하는 지를 사전에 데이터 베이스화하고, 시료가 독성을 가지는 지 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 분석 대상인 시료의 굴절률에 따라 시료를 규명하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법은 특정 빛 혹은 고가의 레이저를 이용하지 않고, 현장에서 가시 광선의 변화로 시료의 굴절률을 분석, 이의 독성 및 종류를 규명할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 광학 센서
110: 반사 금속층
120: 절연층
130: 금속 나노 구조층
110: 반사 금속층
120: 절연층
130: 금속 나노 구조층
Claims (17)
- 기판 상에 반사 금속층을 형성하는 단계;
상기 반사 금속층 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 금속 나노 구조층의 자기 조립을 유도하는 단계; 및
상기 금속 나노 구조층을 마스크로 사용하여 상기 절연층을 선택적으로 식각하여 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의되는 복수의 공간을 형성하는 단계를 포함하는 광학 센서 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 기둥은 소수성 물질을 포함하는 광학 센서 제조 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 소수성 물질은 비정형 불소 중합체이며, 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상기 복수의 공간의 굴절률은 상이한 광학 센서 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 반사 금속층은 금 박막층이고,
상기 금속 나노 구조층의 자기 조립에 적용되는 금속은 금인 광학 센서 제조 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 반사 금속층의 형성 단계 및 상기 금속 나노 구조층의 자기 조립의 유도 단계는 열 증착 공정을 통해 수행되고,
상기 반사 금속층의 열 증착 속도는 상기 나노 구조층의 열 증착 속도보다 빠르게 진행되는 광학 센서 제조 방법. - 제5 항에 있어서,
상기 금속 나노 구조층의 자기 조립의 유도 단계의 열 증착 속도는 0.3Å/s인 광학 센서 제조 방법. - 기판;
상기 기판 상에 위치한 반사 금속층;
상기 반사 금속층 상에 위치한 절연층; 및
상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층을 포함하되,
상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 서로 연결된 나노 섬 네트워크 구조이고,
상기 절연층은 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하되, 상기 복수의 공간은 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 제1 유체가 채워진 상태이며,
상기 금속 나노 구조층은 상기 복수의 나노 섬 간의 연결이 이루어지지 않은 복수의 개구부를 포함하는 광학 센서. - 제7 항에 있어서,
상기 복수의 기둥은 소수성 물질을 포함하는 광학 센서. - 제8 항에 있어서,
상기 소수성 물질은 비정형 불소 중합체인 광학 센서. - 제7 항에 있어서,
상기 반사 금속층은 금 박막층이고,
상기 금속 나노 구조층의 자기 조립에 적용되는 금속은 금인 광학 센서. - 제10 항에 있어서,
상기 금속 나노 구조층의 두께는 30nm인 광학 센서. - 제7 항에 있어서,
분석 대상인 제2 유체의 유입에 따라, 상기 복수의 공간은 상기 제1 유체에서 상기 제2 유체로 대체되는 광학 센서. - 제12 항에 있어서,
상기 복수의 공간이 상기 제2 유체로 채워짐에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이되는 광학 센서. - 제13 항에 있어서,
상기 반사 스펙트럼의 공명 파장의 전이는 가시 광선 영역내에서 수행되는 광학 센서. - 기판, 상기 기판 상에 위치한 반사 금속층, 상기 반사 금속층 상에 위치한 절연층 및 상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층을 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 서로 연결된 나노 섬 네트워크 구조이고, 상기 절연층은 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하되, 상기 복수의 공간은 상기 복수의 기둥의 굴절률과 상이한 굴절률을 가진 유체가 채워진 상태이며 상기 금속 나노 구조층은 상기 복수의 나노 섬 간의 연결이 이루어지지 않은 복수의 개구부를 포함하는 광학 센서를 준비하는 단계;
상기 복수의 공간에 시료를 유입하여 상기 유체를 대체하는 단계; 및
상기 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하여 상기 시료의 굴절률을 분석하는 단계를 포함하는 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 시료의 굴절률에 따라 상기 시료를 규명하는 단계를 더 포함하는 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 시료의 굴절률을 분석하는 단계는,
독성 물질이 상기 광학 센서내에서 어떤 색을 표시하는 지를 확인하여 상기 시료의 독성 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 광학 센서를 활용한 유체 분석 방법.
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