KR102187323B1 - 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있도록 한 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템에 관한 것으로, 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역;상기 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태를 갖고 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역;을 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 바이오 이미징 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있도록 한 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 근적외선 신호에 대한 검출기는 CCD 카메라의 픽셀 크기와 광신호(optical signal)의 세기(intensity)의 차이를 통해서 신호들을 구분하였다.
광신호를 증폭시키는 증폭기는 전체적인 신호들을 다 증가시키기 때문에 잡음 신호 자체도 같이 증폭되어 신호들을 구분하기에 어려움을 겪었다.
예를 들어, 기능성 근적외선 분광기를 이용한 신호의 경우, 입력단의 레이저를 통해 헤모글로빈과 디옥시해모글로빈의 반사된 빛의 변화량을 실시간으로 측정을 하는 시스템이다.
종래 기술들은 780nm ,785nm 830nm,850nm 의 광원의 파장을 이용해 뇌 안의 많은 세포들 중 흡수율이 가장 낮은 부분 두 파장을 선택하여 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 변화량을 관찰하여 뇌의 활성도를 측정하고 있다.
그러나 근적외선이 두개골을 투과해 많은 피부의 세포를 지나가면서 많은 분산광과 잡음이 생기게 된다.
상대적으로 다른 세포들보다 근적외선에서 낮은 흡수율을 가진 헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈 들의 반사광의 세기를 통해 변화량을 실시간으로 확인하여 그들의 차이를 보고 뇌가 활성화가 되는 정도를 판단하는 시스템이나 이는 잡음이 상대적으로 세고 잡음과 헤모글로빈 디옥시헤모글로빈의 특정 세기를 구분하는데 특정 과정을 프로그램을 통해서 거쳐 확인을 하나 이를 구분하기 어렵다.
따라서, 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있도록 하는 새로운 기술의 바이오 이미징 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 바이오 이미징 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있도록 한 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있는 구조물을 갖는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 특정 파장 영역을 수집하여 다른 신호 잡음과 차별을 두어 원하는 근적외선 영역대 파장 신호를 받을 수 있는 나노 패턴을 갖는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노 안테나 이론을 이용해 특정 파장에 대한 신호를 수집하고 나노 플라즈몬 원리와 나노 갭 효과를 통해 특정 부분에서 특정 파장에 대한 신호의 밀집을 이용해 특정 부분에서 특정 파장을 증폭시켜 잡음을 줄이면서 원하는 신호만을 증폭시키는 패턴을 갖는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역;상기 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태를 갖고 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 격자 구조체들은, 유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속을 증착하여 각기 다른 유전율을 갖는 물질 접합에 의한 메타구조의 특성으로 각각의 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 격자 구조체들은, 특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고, 입사각의 각도를 제어하여 플라즈모닉 효과를 증대시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 패턴 영역의 격자 구조체들은, 증폭된 전계가 집적되는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 격자 구조체들 크기가 동일한 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 2 패턴 영역의 격자 구조체들은, 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 중앙 영역에서 외측으로 갈수록 격자 구조체들의 크기가 축방향 길이가 증가되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1,2 패턴 영역들을 갖는 단위 패턴 영역들이, 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 일정하게 반복 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 격자 구조체들의 구조 변화에 따른 유효 파장은,
그리고 특정 광 파장(light wavelength)을 λ = 785nm로 설정하는 경우에는,m을 3의 정수를 주어 far-field에서 gain값을 최대로 받기 위해 축방향 구조의 길이를 1177nm로 설정하고, 1177nm 축 구조에서 electric field normal 값이 2.11 × 108V/m로 가장 높은 것을 특징으로 한다.
그리고 격자구조체에 의한 플라즈모닉 효과는,
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템은 입사광을 조사하는 레이저 조사부;근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 단위 패턴 영역들이 반복되고, 각각의 단위 패턴 영역들은 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역과, 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역을 포함하고, 레이저 조사부에서 조사된 입사광을 특정 신호 구별 및 증폭을 하는 신호 구별 및 증폭 패턴부;신호 구별 및 증폭 패턴부에서 신호 구별 및 증폭된 신호를 검출하는 검출 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호 구별 및 증폭 패턴부의 격자 구조체들은, 유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속을 증착하여 각기 다른 유전율을 갖는 물질 접합에 의한 메타구조의 특성으로 각각의 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 격자 구조체들은, 특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고, 입사각의 각도를 제어하여 플라즈모닉 효과를 증대시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 패턴 영역의 격자 구조체들은, 증폭된 전계가 집적되는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 격자 구조체들 크기가 동일한 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 2 패턴 영역의 격자 구조체들은, 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 중앙 영역에서 외측으로 갈수록 격자 구조체들의 크기가 축방향 길이가 증가되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 근적외선 특정 신호 구별을 위한 증폭 패턴 표면 구조에 의해 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있다.
둘째, 나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 근적외선을 통해 나오는 빛의 특정 파장의 세기를 증폭시켜 잡음과 신호를 구별할 수 있어 분산광과 잡음에 강한 바이오 이미징 시스템을 제공할 수 있다.
셋째, 근적외선 특정 신호 구별을 위한 증폭 패턴 표면 구조에 의해 특정 파장 영역을 수집하여 다른 신호 잡음과 차별을 두어 원하는 근적외선 영역대 파장 신호를 받을 수 있다.
넷째, 나노 안테나 이론을 이용해 특정 파장에 대한 신호를 수집하고 나노 플라즈몬 원리와 나노 갭 효과를 통해 특정 부분에서 특정 파장에 대한 신호의 밀집을 이용해 특정 부분에서 특정 파장을 증폭시켜 잡음을 줄이면서 원하는 신호만을 증폭시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 상세 구성을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 전체 구성 및 각 영역을 설명하기 위한 구성도
도 4는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭 특성을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 전체 구성도
도 6은 일반 다이폴 안테나(Dipole antenna)와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D 전계 수직 성분(electric field normal) 비교 구성도
도 7은 본 발명에 따른 패턴 표면 구조에서 특정 파장(785nm)에서 플라즈모닉 현상 확인(electric field normal)과 플라즈모닉 현상으로 인한 far-field에서 current density 집적 현상을 나타낸 특성도
도 8은 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D far-field gain 비교 구성도
도 9는 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 far-field에서의 current density 비교 구성도
도 10은 빛의 입사각에 따른 Power 변화와 simulation far-field gain 비교 구성도
도 11은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 시뮬레이션 구성도
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 상세 구성을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 전체 구성 및 각 영역을 설명하기 위한 구성도
도 4는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭 특성을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 전체 구성도
도 6은 일반 다이폴 안테나(Dipole antenna)와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D 전계 수직 성분(electric field normal) 비교 구성도
도 7은 본 발명에 따른 패턴 표면 구조에서 특정 파장(785nm)에서 플라즈모닉 현상 확인(electric field normal)과 플라즈모닉 현상으로 인한 far-field에서 current density 집적 현상을 나타낸 특성도
도 8은 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D far-field gain 비교 구성도
도 9는 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 far-field에서의 current density 비교 구성도
도 10은 빛의 입사각에 따른 Power 변화와 simulation far-field gain 비교 구성도
도 11은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 시뮬레이션 구성도
이하, 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 상세 구성을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템은 나노 안테나 이론을 이용해 특정 파장에 대한 신호를 수집하고 나노 플라즈몬 원리와 나노 갭 효과를 통해 특정 부분에서 특정 파장에 대한 신호의 밀집을 이용해 특정 부분에서 특정 파장을 증폭시켜 잡음을 줄이면서 원하는 신호만을 증폭시킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 이를 위하여, 도 1에서와 같이, 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖는 격자 구조체들 및 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태를 갖고 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 격자 구조체들을 포함한다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조는 도 2에서와 같이, 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역(20)과, 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태를 갖고 제 1 패턴 영역(20)에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역(21)을 포함한다.
여기서, 격자 구조체들은 유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속인 은을 증착함에 따라서 각기 다른 유전율을 접합함에 따라 나오는 메타구조의 특성으로 각각에 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나게 한다.
그리고 특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고, 입사각의 각도를 최적화하여 플라즈모닉 효과를 증대시킨다.
제 1 패턴 영역(20)의 격자 구조체들은 증폭된 전계가 집적되는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 격자 구조체들 크기가 동일한 것이다.
제 2 패턴 영역(21)의 격자 구조체들은 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 중앙 영역에서 외측으로 갈수록 격자 구조체들의 크기가 축방향 길이가 증가한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 상세 구성은 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조의 전체 구성 및 각 영역을 설명하기 위한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭 특성을 나타낸 구성도이다.
근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 단위 패턴 영역들이 반복되고, 각각의 단위 패턴 영역들은 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역과, 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역을 포함한다.
여기서, 제 1,2 패턴 영역들의 격자 구조체들은 PMMA 기판(35)상에 격자 구조체 제 1 높이(38)를 갖는 PMMA 구조체(36)와, 유전율이 양수인 PMMA 구조체(36)상에 유전율이 음수인 금속, 일 예로 은이 격자구조체 제 2 높이(39)를 갖고 형성되는 금속 구조체(37)를 포함한다.
그리고 제 1 패턴 영역 격자구조체(33) 및 제 2 패턴 영역 격자구조체(34)는 격자간 간격(32) 및 축방향 구조 길이(31)가 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭 특성을 높일 수 있도록 설계된다.
본 발명은 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭 특성을 높이기 위한 설계를 위하여 다음과 같은 사항들을 고려한다.
나노 안테나의 이론은 다이폴 안테나(dipole antenna) 이론을 적용하여 안테나의 길이를 특정파장을 수집할 수 있는 
로 설정을 하여 특정 파장을 수집할 수 있도록 한다.
그러나 나노 스케일로 구조가 작아질수록 파장에 대한 유효파장이 변화하는데 이러한 유효파장은 식학식 1과 같다.
여기서, n1과 n2는 격자구조체 형성 물질의 유전 특성에 따라 결정되는 굴절률이며 λp는 플라즈마 파장(Plasma wavelength)으로 특정 785nm의 광 파장(light wavelength)의 파장을 수집하기 위하여 다이폴 안테나 이론(dipole antenna theory)에 따라 
으로 설정을 한다.
λ = 785nm로 설정함에 따라, m을 3의 정수를 주어 far-field에서 gain값을 최대로 받기 위해 축방향 구조의 길이를 1177nm로 설정하고, 1177nm 축 구조에서 electric field normal 값이 2.11 × 108V/m로 가장 높다.
축방향 구조의 길이는 λ에 따라 변화하므로 λ가 변화함에 따라 m을 설정하여 최대 전계를 찾는다.
본 발명은 특정 신호 증폭을 위한 플라즈모닉 메타 구조 및 나노 갭 형태 설계 구성을 포함한다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조는 잡음과 다른 정확한 신호를 증폭시키기 위해서 플라즈모닉 효과를 사용한다.
플라즈모닉 효과를 갖도록 하기 위하여 유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속인 은을 증착하여 각기 다른 유전율을 접합함에 따라 나오는 메타구조의 특성으로 각각에 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나게 한다.
그리고 특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고 또한 입사각의 각도를 최적화 하면서 플라즈모닉 효과를 극대화킬 수 있도록 한다.
본 발명은 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태 설계 구성을 포함한다.
표면 플라즈모닉(Surface plasmonic)이란 전도도가 높은 금속 물질이 유전 물질과 계면을 형성할 때, 인가된 전기장에 의해 금속 박막 표면의 전자들이 집단적으로 진동하여 경계면을 따라 일정 주기를 가지고 진행하는 것을 의미한다.
본 발명은 플라즈모닉 효과를 극대화하여 특정 영역에 전자기장의 세기를 증폭시켜 신호를 증폭시키기 위해서 각각의 구조에 격자구조를 설계하여 간격을 최적화하여 특정 파장대인 근적외선 파장 영역에서 플라즈모닉 효과를 증대시킬 수 있도록 한다.
격자구조가 플라즈모닉 효과를 증대시키는 특성은 수학식 2에서와 같이 정의될 수 있다.
P는 격자와 격자사이의 간격을 의미하며, θR은 입사광(incident light)의 입사각을 의미, k0는 입사광의 파수, na는 물질의 굴절률을 의미하며, εm은 물질의 유전율을 의미한다.
이와 같이 격자 구조의 효과를 증대시키기 위해 특정 wavelength(@785nm)와 공진을 하기 위해 간격을 
로 설정을 하고, 이는 구조상에서 m=1인 392nm로 제작하여 far-field gain이 가장 집적이 되면서 높아질 수 있도록 한다.
격자 간격은 파장(wavelength)에 따라 변화하므로 파장이 어떤 광을 사용하는지에 따라서 m의 정수를 변화시켜 주면서 제작을 하여 특정 광을 공진시켜 집적시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 전체 구성도이다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템은 입사광을 조사하는 레이저 조사부(51)와, 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 단위 패턴 영역들이 반복되고, 각각의 단위 패턴 영역들은 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역과, 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역을 포함하고, 레이저 조사부(51)에서 조사된 입사광을 특정 신호 구별 및 증폭을 하는 신호 구별 및 증폭 패턴부(52)와, 신호 구별 및 증폭 패턴부(52)에서 신호 구별 및 증폭된 신호를 검출하는 검출 수단(53)을 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템의 신호 구별 및 증폭 특성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 일반 다이폴 안테나(Dipole antenna)와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D 전계 수직 성분(electric field normal) 비교 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 패턴 표면 구조에서 특정 파장(785nm)에서 플라즈모닉 현상 확인(electric field normal)과 플라즈모닉 현상으로 인한 far-field에서 current density 집적 현상을 나타낸 특성도이다.
그리고 도 8은 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 3D far-field gain 비교 구성도이고, 도 9는 일반 다이폴 안테나와 본 발명에 따른 패턴 표면 구조의 far-field에서의 current density 비교 구성도이다.
그리고 도 10은 빛의 입사각에 따른 Power 변화와 simulation far-field gain 비교 구성도이고, 도 11은 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템의 시뮬레이션 구성도이다.
특정 신호 증폭을 위한 플라즈모닉 격자구조 특성평가를 위하여, 잡음을 구별하고 정확한 원하는 신호를 증폭시키기 위해서 플라즈모닉 격자구조를 제작하여 다음과 같은 특성 평가 과정을 진행하였다.
본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템은 특정 구조에 은이 증착이 되어 있는 형태로 은의 높이와 구조의 높이에 따라 그리고 구조의 길이와 입사되는 빛의 각에 따라서 각각의 electric field의 값이 변화한다.
이는 플라즈모닉 효과로 인해서 금속의 자유전자의 집단적인 진동과 입사되는 빛의 파수가 일치하여 전자기파가 증폭이 되는 효과이다.
특성을 평가하기 위해 특정파장인 785nm LASER의 빛을 사용해 본 발명에서 제안한 구조에 입사한 후 투과되는 빛의 intensity를 OSA(Optical spectrum analyzer)로 확인하였다.
OSA는 0.01nm 파장을 받을 수 있는 장비로써 intensity 측정에 적합한 장비로 실험은 source와 detector간의 거리를 3cm를 두어 light의 빛을 퍼지게 하였으며, 785nm 파장의 LASER를 조사하였을 때 본 발명에서 제안한 구조의 각을 바꾸면서 실험을 해 본 결과 30°에서 처음의 LASER Power에 비해 약 2배 이상 증가한 것을 확인하였다.
이는 각 구조에서의 플라즈모닉 효과로 인해 특정 신호를 받은 후 파수가 일치하기에 증폭이 되고 격자구조로 인하여 산란이 되는 빛을 받아 증가된 것으로 확인된다.
이러한 특성은 바이오 이미징, 특히 근적외선을 기반으로 하는 fNIRS system 중 헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 SNR을 2배 이상 높여 뇌의 활성화를 측정하는 특정 부위를 자세히 확인할 수 있도록 하는 것을 의미한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조 및 이를 갖는 바이오 이미징 시스템은 근적외선 영역대의 신호를 확인하기 위해 증폭기를 사용하는 경우 근적외선 영역대의 신호와 근적외선의 다른 신호 잡음이 같이 증폭되기에 구별하기에 어려운 문제를 해결하기 위하여, 특정 파장 영역을 수집하여 다른 신호 잡음과 차별을 두어 원하는 근적외선 영역대 파장 신호를 받을 수 있는 나노 패턴을 설계한 것이다.
본 발명은 나노 안테나 이론을 이용해 특정 파장에 대한 신호를 수집하고 나노 플라즈몬 원리와 나노 갭 효과를 통해 특정 부분에서 특정 파장에 대한 신호의 밀집을 이용해 특정 부분에서 특정 파장을 증폭시켜 잡음을 줄이면서 원하는 신호만을 증폭시키는 패턴의 설계를 제시한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31. 축방향 구조 길이 32. 격자간 간격
33. 제 1 패턴 영역 격자구조체 34. 제 2 패턴 영역 격자구조체
35. PMMA 기판 36. PMMA 구조체
37. 금속 구조체 38. 격자 구조체 제 1 높이
39. 격자구조체 제 2 높이
33. 제 1 패턴 영역 격자구조체 34. 제 2 패턴 영역 격자구조체
35. PMMA 기판 36. PMMA 구조체
37. 금속 구조체 38. 격자 구조체 제 1 높이
39. 격자구조체 제 2 높이
Claims (14)
- 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역;
상기 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되는 특정 신호 증폭을 위한 격자구조 형태를 갖고 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역;을 포함하고,
상기 격자 구조체들의 구조 변화에 따른 유효 파장은,으로 정의되고, 여기서, n1과 n2는 격자구조체 형성 물질의 유전 특성에 따라 결정되는 굴절률이며, λp는 플라즈마 파장(Plasma wavelength)으로 특정 광 파장(light wavelength)의 파장을 수집하기 위하여 특정 파장과의 공진을 하기 위해 간격을
으로 설정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조체들은,
유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속을 증착하여 각기 다른 유전율을 갖는 물질 접합에 의한 메타구조의 특성으로 각각의 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조체들은,
특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고, 입사각의 각도를 제어하여 플라즈모닉 효과를 증대시키는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 패턴 영역의 격자 구조체들은,
증폭된 전계가 집적되는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 격자 구조체들 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 패턴 영역의 격자 구조체들은,
중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 중앙 영역에서 외측으로 갈수록 격자 구조체들의 크기가 축방향 길이가 증가되는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1,2 패턴 영역들을 갖는 단위 패턴 영역들이,
근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 일정하게 반복 형성되는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 특정 광 파장(light wavelength)을 λ = 785nm로 설정하는 경우에는,
m을 3의 정수를 주어 far-field에서 gain값을 최대로 받기 위해 축방향 구조의 길이를 1177nm로 설정하고, 1177nm 축 구조에서 electric field normal 값이 2.11 × 108V/m로 가장 높은 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 제 2 항에 있어서, 격자구조체에 의한 플라즈모닉 효과는,
으로 정의되고,
P는 격자와 격자사이의 간격을 의미하며, θR은 입사광(incident light)의 입사각을 의미, k0는 입사광의 파수, na는 물질의 굴절률을 의미하며, εm은 물질의 유전율을 의미하는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조. - 입사광을 조사하는 레이저 조사부;
근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 전체 패턴 영역에 격자 구조체들을 갖는 단위 패턴 영역들이 반복되고, 각각의 단위 패턴 영역들은 잡음과 신호 구별을 위한 특정 파장영역 수집 구조 형태 및 배열을 갖고 특정 파장에 대한 수집을 위한 제 1 패턴 영역과, 제 1 패턴 영역에 의해 수집된 특정 파장 신호를 증폭시켜 전계가 중앙 영역에 집적되도록 하는 제 2 패턴 영역을 포함하고, 레이저 조사부에서 조사된 입사광을 특정 신호 구별 및 증폭을 하는 신호 구별 및 증폭 패턴부;
신호 구별 및 증폭 패턴부에서 신호 구별 및 증폭된 신호를 검출하는 검출 수단;을 포함하고,
상기 격자 구조체들의 구조 변화에 따른 유효 파장은,으로 정의되고, 여기서, n1과 n2는 격자구조체 형성 물질의 유전 특성에 따라 결정되는 굴절률이며, λp는 플라즈마 파장(Plasma wavelength)으로 특정 광 파장(light wavelength)의 파장을 수집하기 위하여 특정 파장과의 공진을 하기 위해 간격을
으로 설정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 신호 구별 및 증폭 패턴부의 격자 구조체들은,
유전율이 양수인 PMMA 구조 위에 유전율이 음수인 금속을 증착하여 각기 다른 유전율을 갖는 물질 접합에 의한 메타구조의 특성으로 각각의 구조에서 플라즈모닉 효과가 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템. - 제 11 항에 있어서, 상기 격자 구조체들은,
특정 구조 사이에 나노 갭을 주어 특정 영역에 전자기장이 밀집되게 설계를 하고, 입사각의 각도를 제어하여 플라즈모닉 효과를 증대시키는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템. - 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 패턴 영역의 격자 구조체들은,
증폭된 전계가 집적되는 중앙 영역을 중심으로 제 1 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 격자 구조체들 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템. - 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 패턴 영역의 격자 구조체들은,
중앙 영역을 중심으로 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 격자 구조체들이 일정 간격 이격되어 반복 형성되고 중앙 영역에서 외측으로 갈수록 격자 구조체들의 크기가 축방향 길이가 증가되는 것을 특징으로 하는 근적외선 특정 신호 구별 및 증폭을 위한 패턴 표면 구조를 갖는 바이오 이미징 시스템.
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