KR102313685B1 - Fluorescence detection system using diamond nitrogen vacancy center - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 DNV 센터를 이용한 형광신호 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기장 검출기용 DNV 센터의 형광신호 측정 효율을 개선하는 기술적 사상에 관한 것이다.The present invention relates to a fluorescence signal measurement system using a DNV center, and more particularly, to a technical idea for improving the fluorescence signal measurement efficiency of a DNV center for a magnetic field detector.
기존에는 자기장 측정을 위해 SERF(spin exchange relaxation-free), SQUID(superconducting quantum interference device) 등을 이용하였다. 그러나, SERF는 크기가 상대적으로 크고 전력이 많이 들며, SQUID는 구동을 위한 저온 환경의 필요성이 있고 자기장 센서로 사용하기 위해서 검출코일과 연결해야 하며, 외부 환경의 잡음에 영향을 받는 문제가 있었다. Conventionally, spin exchange relaxation-free (SERF) and superconducting quantum interference device (SQUID) have been used for magnetic field measurement. However, the SERF has a relatively large size and requires a lot of power, and the SQUID needs a low-temperature environment for operation, must be connected to a detection coil to be used as a magnetic field sensor, and is affected by noise from the external environment.
이에 DNV 센터(diamond nitrogen-vacancy center)를 갖는 탄소 격자 구조를 사용하여 자기장을 측정하는 기술이 제안 되었다. Accordingly, a technique for measuring a magnetic field using a carbon lattice structure having a diamond nitrogen-vacancy center (DNV) was proposed.
다이아몬드와 같은 탄소 격자 구조는 주변과 상이 다른 결함(defection)과 아무 것도 없는 공석(vacancy)이 일부 존재할 수 있으며, 질소(nitride)를 탄소 격자 구조에 주입하면, 질소는 빈자리 옆에 위치하는 것이 에너지적으로 안정하기 때문에 DNV 센터가 형성될 수 있다. 기저 상태에 있는 DNV 센터에 녹색광을 가하면 적색의 형광신호가 방출될 수 있으며, 광 검출기를 통해 DNV 센터로부터 방출되는 형광의 세기 변화를 모니터링하면 자기장의 세기를 측정할 수 있다. In a carbon lattice structure such as diamond, there may be some defects and vacancies that are different from the surroundings, and when nitrogen is injected into the carbon lattice structure, nitrogen is energy located next to the vacancy. DNV centers can be formed because they are structurally stable. When green light is applied to the DNV center in the ground state, a red fluorescence signal can be emitted, and the intensity of the magnetic field can be measured by monitoring the change in the intensity of fluorescence emitted from the DNV center through a photodetector.
구체적으로, DNV 센터를 이용한 자기장 검출 기술에서는 단일 DNV 센터를 이용하는 방식과, 앙상블(ensemble) 상태의 DNV 센터를 이용하는 방식이 있다. Specifically, in a magnetic field detection technique using a DNV center, there are a method using a single DNV center and a method using a DNV center in an ensemble state.
단일 DNV 센터를 이용하는 방식에서는 높은 공간 분해능이 가능하다는 장점이 있지만, 획득 가능한 형광신호의 크기에 한계가 있어 높은 자기장 측정 감도를 얻는 것이 어렵다. Although the method using a single DNV center has the advantage that high spatial resolution is possible, it is difficult to obtain high magnetic field measurement sensitivity due to the limitation in the size of the fluorescence signal that can be obtained.
반면, 앙상블 상태의 DNV 센터를 이용하는 방식에서는 더 높은 세기의 형광신호를 얻는 것이 가능하기 때문에 단일 DNV 센터 대비 약 1,000배 이상의 향상된 자기장 측정 민감도를 구현할 수 있다. On the other hand, in the method using the DNV center in the ensemble state, it is possible to obtain a fluorescence signal of higher intensity, so that the magnetic field measurement sensitivity is improved by about 1,000 times compared to a single DNV center.
그러나, 이 경우 다이아몬드가 가지는 높은 굴절률 때문에 DNV 센터에서 발생한 형광신호가 다이아몬드 내부에 갇히는 현상이 발생하여, 형광신호를 외부에서 효율적으로 측정하는데 어려움이 있다. 특히, 수직 방향으로 정렬된 DNV 센터의 경우 방출된 형광신호가 다이아몬드 내부에서 도파관(waveguide) 모드로 형성되는 효율이 높아 외부에서의 측정이 한층 어렵게 된다. However, in this case, due to the high refractive index of the diamond, the fluorescence signal generated at the DNV center is trapped inside the diamond, making it difficult to efficiently measure the fluorescence signal from the outside. In particular, in the case of DNV centers aligned in the vertical direction, the efficiency in which the emitted fluorescence signal is formed in a waveguide mode inside the diamond is high, making it more difficult to measure from the outside.
따라서, 임의의 여러 방향으로 정렬된 앙상블 상태의 DNV 센터에서 형광신호 측정 효율을 높이기 위한 방법이 요구되고 있다. Therefore, there is a need for a method for increasing the fluorescence signal measurement efficiency in DNV centers in an ensemble state aligned in several directions.
구체적으로, 앙상블 상태의 DNV 센터에서 형광신호 측정 효율을 높이기 위한 방법으로 나노 필라(nano-pillar) 구조가 제안된 바 있다. 나노 필라 구조에서 수평 방향으로 정렬된 DNV 센터에서의 형광 측정 효율은 기존 대비 약 54%로 향상되나, 수직 방향의 DNV에서의 형광 측정 효율은 약 36%로 여전이 매우 낮은 수준이며, 이를 해결하기 위한 추가적인 해결책이 요구되고 있다.Specifically, a nano-pillar structure has been proposed as a method for increasing the fluorescence signal measurement efficiency in the DNV center in an ensemble state. In the nanopillar structure, the fluorescence measurement efficiency in the horizontally aligned DNV center is improved to about 54% compared to the conventional one, but the fluorescence measurement efficiency in the vertical DNV is about 36%, which is still very low. Additional solutions are required for
본 발명은 정렬된 형광물질을 이용하여 DNV 센터에서 발생된 형광신호를 흡수 및 재방출하여 형광 측정 효율을 향상시킬 수 있는 형광신호 측정 시스템을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a fluorescence signal measurement system capable of improving fluorescence measurement efficiency by absorbing and re-emitting a fluorescence signal generated from a DNV center using an aligned fluorescence material.
또한, 본 발명은 형광신호의 흡수 및 재방출로 인한 형광 측정 효율의 향상을 통해 높은 자기장 측정 감도를 획득할 수 있는 형광신호 측정 시스템을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a fluorescence signal measurement system capable of obtaining high magnetic field measurement sensitivity through improvement of fluorescence measurement efficiency due to absorption and re-emission of a fluorescence signal.
또한, 본 발명은 다이아몬드 구조체 내부에서 발생된 형광신호가 높은 굴절률을 갖는 다이아몬드 구조체 내부에 갇히는 현상에 의한 형광신호 측정 효율 저하를 개선할 수 있는 형광신호 측정 시스템을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a fluorescence signal measuring system capable of improving the efficiency of fluorescence signal measurement due to a phenomenon in which a fluorescence signal generated inside a diamond structure is trapped inside a diamond structure having a high refractive index.
본 발명의 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템은 기설정된 파장의 광을 출력하는 광원과, 출력된 광을 수신하여 제1 방향 및 제2 방향으로 형광신호를 방출하는 적어도 하나의 DNV 센터(diamond nitrogen-vacancy center)를 구비하는 다이아몬드 구조체 및 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하여 제1 방향으로 재방출하는 적어도 하나의 형광물질을 구비하는 형광 재방출부를 포함할 수 있다. A fluorescent signal measuring system according to an embodiment of the present invention includes a light source for outputting light of a preset wavelength, and at least one DNV center (diamond) receiving the output light and emitting a fluorescent signal in a first direction and a second direction. nitrogen-vacancy center) and a fluorescence re-emitting unit including at least one fluorescent material absorbing the fluorescence signal emitted in the second direction and re-emitting it in the first direction.
일측에 따르면, 제1 방향은 방출된 형광신호 및 재방출된 형광신호의 검출 방향이고, 제2 방향은 제1 방향과 직교하는 방향일 수 있다. According to one side, the first direction may be a detection direction of the emitted fluorescent signal and the re-emitted fluorescent signal, and the second direction may be a direction orthogonal to the first direction.
일측에 따르면, 다이아몬드 구조체는 적어도 하나의 나노 필라(nano-pillar)를 구비하고, 적어도 하나의 나노 필라는 적어도 하나의 DNV 센터를 구비할 수 있다.According to one side, the diamond structure may include at least one nano-pillar, and the at least one nano-pillar may include at least one DNV center.
일측에 따르면, 형광 재방출부는 적어도 하나의 나노 필라의 양 측면에 구비되어, 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수할 수 있다. According to one side, the fluorescence re-emitting part may be provided on both sides of the at least one nanopillar to absorb the fluorescence signal emitted in the second direction.
일측에 따르면, 형광 재방출부는 다이아몬드 구조체의 양 측면에 구비되어, 전반사에 따른 도파관(waveguide) 모드를 통해 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수할 수 있다. According to one side, the fluorescence re-emitting units may be provided on both sides of the diamond structure to absorb the fluorescence signal emitted in the second direction through a waveguide mode according to total reflection.
일측에 따르면, 형광 재방출부는 저굴절률 물질에 형광물질을 혼합하여 형성될 수 있다. According to one side, the fluorescent re-emitting part may be formed by mixing a fluorescent material with a low refractive index material.
일측에 따르면, 저굴절률 물질은 다이아몬드 구조체의 굴절률 보다는 작고 공기의 굴절률 보다는 큰 굴절률을 갖는 물질일 수 있다. According to one side, the low refractive index material may be a material having a refractive index smaller than the refractive index of the diamond structure and larger than the refractive index of air.
일측에 따르면, 형광 재방출부는 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 정렬하는 액정물질(liquid crystal)을 더 포함할 수 있다. According to one side, the fluorescence re-emitting unit may further include a liquid crystal material for aligning directions of absorption dipoles of the fluorescent material.
일측에 따르면, 액정물질은 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 제1 방향으로 정렬할 수 있다. According to one side, the liquid crystal material may align the direction of the absorption dipole of the fluorescent material in the first direction.
일측에 따르면, 액정물질은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)일 수 있다.According to one side, the liquid crystal material may be a chiral liquid crystal material.
일실시예에 따르면, 본 발명은 정렬된 형광물질을 이용하여 DNV 센터에서 발생된 형광신호를 흡수 및 재방출하여 형광 측정 효율을 향상시킬 수 있다. According to one embodiment, the present invention can improve fluorescence measurement efficiency by absorbing and re-emitting a fluorescence signal generated from a DNV center using an aligned fluorescence material.
일실시예에 따르면, 본 발명은 형광신호의 흡수 및 재방출로 인한 형광 측정 효율의 향상을 통해 높은 자기장 측정 감도를 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, high magnetic field measurement sensitivity can be obtained through improvement of fluorescence measurement efficiency due to absorption and re-emission of a fluorescence signal.
일실시예에 따르면, 본 발명은 다이아몬드 구조체 내부에서 발생된 형광신호가 높은 굴절률을 갖는 다이아몬드 구조체 내부에 갇히는 현상에 의한 형광신호 측정 효율 저하를 개선할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to improve the reduction in the efficiency of measuring the fluorescence signal due to the phenomenon that the fluorescence signal generated inside the diamond structure is trapped inside the diamond structure having a high refractive index.
도 1은 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 DNV 센터의 형광신호 방출 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 DNV 센터의 형광신호 방출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템에서 형광물질을 통해 형광신호를 흡수 및 재방출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템의 액정물질에 관한 예시를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a fluorescence signal measuring system according to an embodiment.
2 is a view for explaining the fluorescence signal emission characteristics of the DNV center according to an embodiment.
3A to 3B are diagrams for explaining a fluorescence signal emission principle of a DNV center according to an embodiment.
4 is a view for explaining a fluorescence signal measuring system according to the first embodiment.
5 is a diagram for explaining a fluorescence signal measuring system according to a second embodiment.
6A to 6B are diagrams for explaining an example of absorbing and re-emitting a fluorescent signal through a fluorescent material in the fluorescent signal measuring system according to an exemplary embodiment.
7A to 7B are diagrams for explaining an example of a liquid crystal material of a fluorescence signal measuring system according to an embodiment.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Examples and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to various embodiments may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B" or "at least one of A and/or B" may include all possible combinations of items listed together.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," can modify the corresponding elements regardless of order or importance, and to distinguish one element from another element. It is used only and does not limit the corresponding components.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When an (eg, first) component is referred to as being “connected (functionally or communicatively)” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the element, or may be connected through another element (eg, a third element).
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.As used herein, "configured to (or configured to)" according to the context, for example, hardware or software "suitable for," "having the ability to," "modified to ," "made to," "capable of," or "designed to" may be used interchangeably.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some circumstances, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or parts.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase “a processor configured (or configured to perform) A, B, and C” refers to a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may refer to a general-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing corresponding operations.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless stated otherwise or clear from context, the expression 'x employs a or b' means any one of natural inclusive permutations.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the specific embodiments described above, elements included in the invention are expressed in singular or plural according to the specific embodiments presented.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.
도 1은 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a fluorescence signal measuring system according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(100)은 정렬된 형광물질을 이용하여 DNV 센터에서 발생된 형광신호를 흡수 및 재방출하여 형광 측정 효율을 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 1 , a fluorescence signal measuring
또한, 형광신호 측정 시스템(100)은 형광신호의 흡수 및 재방출로 인한 형광 측정 효율의 향상을 통해 높은 자기장 측정 감도를 획득할 수 있다. In addition, the fluorescence
또한, 형광신호 측정 시스템(100)은 다이아몬드 구조체 내부에서 발생된 형광신호가 높은 굴절률을 갖는 다이아몬드 구조체 내부에 갇히는 현상에 의한 형광신호 측정 효율 저하를 개선할 수 있다. In addition, the fluorescence
예를 들면, 형광신호 측정 시스템(100)은 자기장 검출을 위해 DNV 센터에서 발생한 형광신호를 증폭하는 시스템일 수 있다. For example, the fluorescence
구체적으로, DNV 센터 기반의 자기장 검출 기술은 자기장의 변화에 따라 발생하는 DNV 센터에서의 형광 신호 변화를 관측하여 자기장 변화를 역으로 추정하는 방식을 따르며, 따라서 자기장에 대한 측정 민감도를 높이기 위해서는 DNV 센터에서의 형광 신호를 효율적으로 측정하는 것이 필수적이다. Specifically, the magnetic field detection technology based on the DNV center follows the method of inversely estimating the magnetic field change by observing the change in the fluorescence signal at the DNV center that occurs according to the change in the magnetic field. It is essential to efficiently measure the fluorescence signal in
다이아몬드 구조체 내부에서 발생하는 형광신호는 높은 굴절률을 가지는 다이아몬드 내부에 갇히게 되어 외부에서의 측정 효율이 매우 낮다는 문제가 있다. The fluorescence signal generated inside the diamond structure is trapped inside the diamond having a high refractive index, so there is a problem in that the measurement efficiency from the outside is very low.
이에 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(100)은 나노 필라(nano-pillar) 구조에 추가적인 형광물질을 적용하여 DNV 센터에서 발생한 형광신호의 측정 효율을 높일 수 있다. Accordingly, the fluorescence
보다 구체적으로, 마이크로 필라 구조를 이용하면, 형광신호의 측정이 이루어지는 방향으로 DNV 센터에서 형광 신호를 유도하는 것이 가능하나, 여전히 다이아몬드 구조체의 도파관(waveguide) 모드를 포함하여 측정되지 못하는 방향으로 상당량의 형광신호가 방출될 수 있다. More specifically, by using the micro-pillar structure, it is possible to induce a fluorescence signal in the DNV center in the direction in which the measurement of the fluorescence signal is made, but it is still possible to induce a significant amount of the fluorescence signal in a direction that cannot be measured, including the waveguide mode of the diamond structure. A fluorescent signal may be emitted.
이에, 형광신호 측정 시스템(100)은 방출 파장을 흡수하는 형광물질을 이용하여 추가적인 광경로를 형성함으로써 최종적인 형광 신호 측정 효율을 향상시킬 수 있다. Accordingly, the fluorescence
또한, 형광신호 측정 시스템(100)은 액정물질(liquid crystal)을 사용하여 형광물질의 흡수 쌍극자(dipole) 방향을 정렬시킴으로써 그 작동 효율을 높일 수 있다. In addition, the fluorescence
이를 위해, 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(100)은 광원(110), 다이아몬드 구조체(120) 및 형광 재방출부(130)를 포함할 수 있다. To this end, the fluorescence
이하에서는, 다이아몬드 구조체에 구비되는 DNV 센터(제1 형광물질)와 형광 재방출부에 구비되는 형광물질(제2 형광물질)의 보다 명확한 구분을 위해, 형광 재방출부에 구비되는 형광물질을 제2 형광물질이라 명명하기로 한다. Hereinafter, in order to more clearly distinguish the DNV center (first fluorescent material) provided in the diamond structure and the fluorescent material (second fluorescent material) provided in the fluorescent re-emitting unit, the fluorescent material provided in the fluorescence re-emitting unit is manufactured. 2 It will be named as a fluorescent substance.
일실시예에 따른 광원(110)은 기설정된 파장의 광을 출력할 수 있다. The
예를 들면, 광원(110)은 532 nm 파장의 녹색(green) 광을 출력하는 레이저 광원일 수 있으며, 다이아몬드 구조체(120)가 위치한 방향으로 녹색광을 출력할 수 있다. For example, the
일실시예에 따른 다이아몬드 구조체(120)는 광원(110)으로부터 출력된 광을 수신하여 제1 방향 및 제2 방향으로 형광신호를 방출하는 적어도 하나의 DNV 센터를 구비할 수 있다. The
예를 들면, DNV 센터는 흡수 쌍극자(dipole)의 방향이 수직 방향으로 정렬된 수직 DNV 센터 및 흡수 쌍극자의 방향이 수평 방향으로 정렬된 수평 DNV 센터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, the DNV center may include at least one of a vertical DNV center in which a direction of an absorption dipole is aligned in a vertical direction and a horizontal DNV center in which a direction of an absorption dipole is aligned in a horizontal direction.
일측에 따르면, 제1 방향은 DNV 센터에서 방출된 형광신호 및 제2 형광물질에서 재방출된 형광신호의 검출 방향(형광신호의 포집방향)이고, 제2 방향은 제1 방향과 직교하는 방향(형광신호의 비포집 방향)일 수 있다.According to one side, the first direction is a detection direction (a fluorescent signal collection direction) of a fluorescent signal emitted from the DNV center and a fluorescent signal re-emitted from the second fluorescent material, and the second direction is a direction orthogonal to the first direction ( direction of non-collection of the fluorescence signal).
다시 말해, 제1 방향은 자기장 검출을 위해 방출된 형광신호를 수집하는 광 검출기의 포집 광축에 대응되는 방향을 의미할 수 있다. In other words, the first direction may refer to a direction corresponding to a collection optical axis of a photodetector that collects a fluorescent signal emitted for detecting a magnetic field.
일측에 따르면, 제1 방향은 DNV 센터에서 방출되는 형광신호의 주 방출 방향을 의미할 수도 있다. According to one side, the first direction may mean a main emission direction of the fluorescent signal emitted from the DNV center.
예를 들면, DNV 센터는 수직 DNV 센터고, 제1 방향은 상/하 방향(z축 방향)이며, 제2 방향은 좌/우 방향(x축 또는 y축)일 수 있다. For example, the DNV center may be a vertical DNV center, the first direction may be an up/down direction (z-axis direction), and the second direction may be a left/right direction (x-axis or y-axis).
일실시예에 따른 형광 재방출부(130)는 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하여 제1 방향으로 재방출하는 적어도 하나의 제2 형광물질을 구비할 수 있다. The fluorescent
예를 들면, 제2 형광물질은 DNV 센터의 여기 파장(예를 들면, 532 nm)에서의 광 흡수가 거의 없고, DNV 센터의 방출 파장에서의 광 흡수 효율이 높은 물질일 수 있다. For example, the second fluorescent material may be a material having little light absorption at the excitation wavelength (eg, 532 nm) of the DNV center and high light absorption efficiency at the emission wavelength of the DNV center.
다시 말해, 제2 형광물질은 DNV 센터의 방출 스펙트럼을 흡수하는 물질로, DNV 센터의 제2 방향으로 방출되는 형광신호를 흡수하여 변경된 방향(제1 방향)으로 형광신호를 재방출(2차 형광신호 방출)할 수 있으며, 이를 통해 광 검출기는 추가적인 형광신호를 획득하여 신호의 세기를 향상시킬 수 있다. In other words, the second fluorescent material is a material that absorbs the emission spectrum of the DNV center, absorbs the fluorescent signal emitted in the second direction of the DNV center, and re-emits the fluorescent signal in the changed direction (first direction) (secondary fluorescence) signal emission), and through this, the photodetector may acquire an additional fluorescence signal to improve the signal intensity.
일측에 따르면, 형광 재방출부(130)는 저굴절률 물질에 제2 형광물질을 혼합하여 형성될 수 있다. According to one side, the fluorescent
예를 들면, 저굴절률 물질은 다이아몬드 구조체(120)의 굴절률(ndia) 보다는 작고 공기의 굴절률(nair) 보다는 큰 굴절률을 갖는 물질일 수 있다. For example, the low refractive index material may be a material having a refractive index smaller than the refractive index n dia of the
또한, 저굴절률 물질은 다이아몬드 구조체(120)에 인접한 위치에 스퍼터링(sputtering), CVD(chemical vapor deposition), PVD(physical vapor deposition), 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. In addition, the low refractive index material may be formed at a position adjacent to the
일측에 따르면, 형광 재방출부(130)는 제2 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 정렬하는 액정물질(liquid crystal)을 더 포함할 수 있으며, 액정물질은 제2 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 제1 방향으로 정렬할 수 있다. According to one side, the
구체적으로, 형광 재방출부(130)는 액정물질을 광검출기의 광축에 수직한 방향으로 배향함으로써, 제2 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 액정물질의 장축을 따라 제1 방향으로 정렬할 수 있다. Specifically, the fluorescent
예를 들면, 액정물질은 제2 형광물질 구성에 따른 효율을 향상시키기 위하여 굴절률이 1.5인 액정물질을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 액정물질은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)일 수 있다. For example, a liquid crystal material having a refractive index of 1.5 may be used as the liquid crystal material to improve efficiency according to the composition of the second fluorescent material. Preferably, the liquid crystal material may be a chiral liquid crystal.
다시 말해, 형광 재방출부(130)는 액정물질로써 카이랄 액정물질을 사용하여 수직한 자기장 방향에 따른 정렬 변화의 발생 여부를 억제하여 광 포집효율을 향상시킬 수 있다. In other words, the
일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(100)은 이후 실시예 도 4 내지 도 5를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The fluorescence
도 2는 일실시예에 따른 DNV 센터의 형광신호 방출 특성을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining the fluorescence signal emission characteristics of the DNV center according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 흡수 쌍극자(dipole)의 방향이 수평 방향으로 정렬된 수평 DNV 센터의 형광신호 방출 특성을 도시하고, 도 2의 (b)는 흡수 쌍극자의 방향이 수직 방향으로 정렬된 수직 DNV 센터의 형광신호 방출 특성을 도시한다. Referring to FIG. 2, (a) of FIG. 2 shows the fluorescence signal emission characteristics of a horizontal DNV center in which the direction of the absorption dipole is aligned in the horizontal direction, and (b) of FIG. 2 is the direction of the absorption dipole. Shows the fluorescent signal emission characteristics of vertical DNV centers aligned in the vertical direction.
다이아몬드 구조체에 앙상블(ensemble) 상태의 DNV 센터를 형성하는 경우, 각 DNV 센터의 정렬 방향을 조절하는데 어려움이 있으며, 결과적으로 DNV 센터의 정렬 방향은 다이아몬드 공유 결합 방향인 4방향(상/하/좌/우) 중 하나로 무작위적으로 결정될 수 있다. When forming DNV centers in an ensemble state in a diamond structure, it is difficult to control the alignment direction of each DNV center. /right) can be determined randomly.
구체적으로, 형광 측정 방향(광 검출기의 배치 방향)이 아래쪽인 경우, 수직 DNV 센터에서 방출되는 형광신호는 쌍극자 방출 형태에 따라 주로 수평 방향으로 방출이 이루어질 수 있으며, 이 경우 다이아몬드 구조체(ndia = 2.4)와 외부 공기(nair = 1)의 경계면에서 발생하는 전반사에 의해, 대부분의 형광신호가 다이아몬드 구조체 내부의 도파관 모드로 형성되어 측정 방향으로 방출되지 못하는 현상이 발생될 수 있다. Specifically, when the fluorescence measurement direction (the arrangement direction of the photodetector) is downward, the fluorescence signal emitted from the vertical DNV center may be mainly emitted in the horizontal direction according to the dipole emission form. In this case, the diamond structure (n dia = 2.4) and external air (n air = 1), most of the fluorescence signals are formed in the waveguide mode inside the diamond structure and cannot be emitted in the measurement direction due to total reflection occurring at the interface (n air = 1).
다이아몬드 구조체에 나노 필라 구조를 적용하여 효율을 높일 수 있으나, 이 경우에도 수평 DNV 센터에 비해 수직 DNV 센터에서는 발생한 형광신호의 50% 이상의 형광 신호가 좌/우 공기층으로 방출될 수 있다.Although the efficiency can be increased by applying the nanopillar structure to the diamond structure, even in this case, more than 50% of the fluorescence signal generated in the vertical DNV center compared to the horizontal DNV center may be emitted to the left and right air layers.
이에, 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템은 공기층으로 빠져 나가는 형광신호를 제2 형광물질을 통해 흡수 및 재방출하여 형광 신호의 진행 방향을 포집 방향으로 변환함으로써, 검출되는 형광신호를 증폭할 수 있다. Accordingly, the fluorescence signal measuring system according to an embodiment absorbs and re-emits the fluorescence signal exiting into the air layer through the second fluorescence material, and converts the fluorescence signal traveling direction to the collection direction, thereby amplifying the detected fluorescence signal. have.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 DNV 센터의 형광신호 방출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 3A to 3B are diagrams for explaining a fluorescence signal emission principle of a DNV center according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 참조부호 310은 일실시예에 따른 DNV 센터에서 방출된 형광신호를 제2 형광물질(2nd fluorescent material)에서 흡수하여 재방출하는 방출 원리를 도시하고, 참조부호 320은 참조부호 310의 동작에 따른 광원의 방출 파장(532 nm laser), DNV 센터의 방출 파장(NV-(diamond)), 제2 형광물질의 흡수 파장(2nd fluoro. abs.) 및 방출 파장(2nd fluoro. emit.)의 변화를 도시한다. 3, the
참조부호 310 내지 320에 따르면, DNV 센터는 532 nm 파장의 레이저 광원으로 여기 시킬 수 있으며, 방출되는 형광신호의 파장 범위는 약 550 nm 내지 700 nm로 나타날 수 있다.According to
따라서, 제2 형광물질의 흡수 스펙트럼은 약 550 nm 내지 700 nm의 범위로 정의되어야 하며, 여기 광인 레이저 파장 532 nm를 통해 직접적으로 여기가 되지 않아야 한다.Therefore, the absorption spectrum of the second fluorescent material should be defined in the range of about 550 nm to 700 nm, and should not be directly excited through the
제2 형광물질의 형광량은 비어람-버트 법칙(beer-lambert law)에 근거하여 하기 수학식1과 같이 정의될 수 있다. The amount of fluorescence of the second fluorescent material may be defined as
[수학식1][Equation 1]
여기서, 는 방출 형광량, 는 여기 광량, 는 내부양자효율, 는 분자흡수계수(M-1Cm-1), 는 샘플 농도, 은 길이, 는 외부측정효율을 의미한다. here, is the amount of emitted fluorescence, is the excitation light intensity, is the internal quantum efficiency, is the molecular absorption coefficient (M -1 Cm -1 ), is the sample concentration, silver length, is the external measurement efficiency.
또한, 내부양자효율은 흡수된 광량(광자 수)대비 형광으로 재방출되는 양이며, 외부측정효율은 방출된 총 형광량에 대하여 측정되는 양을 의미한다.In addition, the internal quantum efficiency is an amount that is re-emitted as fluorescence compared to the amount of absorbed light (the number of photons), and the external measurement efficiency means an amount measured with respect to the total amount of emitted fluorescence.
제2 형광물질을 사용함에 따른 총 측정효율은 1. 형광 분자의 흡수효율 및 내부양자효율과, 2. 전체 시스템 구조에 따른 외부측정효율로 구분될 수 있다. The total measurement efficiency according to the use of the second fluorescent material can be divided into 1. absorption efficiency and internal quantum efficiency of fluorescent molecules, and 2. external measurement efficiency according to the overall system structure.
구체적으로, 제2 형광물질로써 IRDye® 700DX가 고려될 수 있으며, 이 경우 분자흡수계수는 165,000 M-1Cm-1, 내부양자효율은 0.44로 주어질 수 있다. Specifically, IRDye® 700DX may be considered as the second fluorescent material, and in this case, the molecular absorption coefficient may be 165,000 M −1 Cm −1 , and the internal quantum efficiency may be given as 0.44.
도 4는 제1 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a fluorescence signal measuring system according to the first embodiment.
도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(400)은 광원(410), 다이아몬드 구조체(420) 및 형광 재방출부(430)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the fluorescence
제1 실시예에 따른 광원(410)은 기설정된 파장의 광을 출력할 수 있다. The
제1 실시예에 따른 다이아몬드 구조체(420)는 광원(410)으로부터 출력된 광을 수신하여 제1 방향 및 제2 방향으로 형광신호를 방출하는 적어도 하나의 DNV 센터를 구비할 수 있다. The
예를 들면, DNV 센터는 흡수 쌍극자(dipole)의 방향이 수직 방향으로 정렬된 수직 DNV 센터 및 흡수 쌍극자의 방향이 수평 방향으로 정렬된 수평 DNV 센터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, the DNV center may include at least one of a vertical DNV center in which a direction of an absorption dipole is aligned in a vertical direction and a horizontal DNV center in which a direction of an absorption dipole is aligned in a horizontal direction.
일측에 따르면, 제1 방향은 DNV 센터에서 방출된 형광신호 및 제2 형광물질(431)에서 재방출되는 형광신호의 검출 방향(형광신호의 포집방향)이고, 제2 방향은 제1 방향과 직교하는 방향(형광신호의 비포집 방향)일 수 있다.According to one side, the first direction is a detection direction (a fluorescent signal collection direction) of a fluorescent signal emitted from the DNV center and a fluorescent signal re-emitted from the second
다시 말해, 제1 방향은 자기장 검출을 위해 방출된 형광신호를 수집하는 광 검출기의 포집 광축에 대응되는 방향을 의미할 수 있다. In other words, the first direction may refer to a direction corresponding to a collection optical axis of a photodetector that collects a fluorescent signal emitted for detecting a magnetic field.
일측에 따르면, 다이아몬드 구조체(420)는 적어도 하나의 나노 필라(nano-pillar)를 구비하고, 적어도 하나의 나노 필라는 적어도 하나의 DNV 센터를 포함할 수 있다. According to one side, the
다시 말해, DNV 센터는 다이아몬드 구조체(420)에 구비된 나노 필라에 배치될 수 있다. In other words, the DNV center may be disposed on the nanopillars provided in the
제1 실시예에 따른 형광 재방출부(430)는 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하여 제1 방향으로 재방출하는 적어도 하나의 제2 형광물질(431)을 구비할 수 있다. The fluorescent
일측에 따르면, 형광 재방출부(430)는 적어도 하나의 나노 필라의 양 측면에 구비되어, 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수할 수 있다. According to one side, the
예를 들면, 제2 형광물질(431)은 DNV 센터의 여기 파장에서의 광 흡수가 거의 없고, DNV 센터의 방출 파장에서의 광 흡수 효율이 높은 물질일 수 있다. For example, the second
즉, 제2 형광물질은 DNV 센터의 방출 스펙트럼을 흡수하는 물질로, DNV 센터의 제2 방향으로 방출되는 형광신호를 흡수하여 변경된 방향(제1 방향)으로 형광신호를 재방출(2차 형광신호 방출)할 수 있으며, 이를 통해 광 검출기는 추가적인 형광신호를 획득하여 신호 세기 향상시킬 수 있다. That is, the second fluorescent material is a material that absorbs the emission spectrum of the DNV center. It absorbs the fluorescent signal emitted in the second direction of the DNV center and re-emits the fluorescent signal in the changed direction (first direction) (second fluorescent signal). emission), and through this, the photodetector may acquire an additional fluorescence signal to improve signal intensity.
일측에 따르면, 형광 재방출부(430)는 저굴절률 물질에 제2 형광물질(431)을 혼합하여 형성될 수 있다. According to one side, the fluorescent
예를 들면, 저굴절률 물질은 다이아몬드 구조체(420)의 굴절률(ndia) 보다는 작고 공기의 굴절률(nair) 보다는 큰 굴절률을 갖는 물질일 수 있다. For example, the low refractive index material may be a material having a refractive index smaller than the refractive index n dia of the
일측에 따르면, 형광 재방출부(430)는 제2 형광물질(431)의 흡수 쌍극자의 방향을 정렬하는 액정물질(432)을 더 포함할 수 있으며, 액정물질(432)은 제2 형광물질(431)의 흡수 쌍극자의 방향을 제1 방향으로 정렬할 수 있다. According to one side, the fluorescent
구체적으로, 형광 재방출부(430)는 액정물질(432)을 광검출기의 광축에 수직한 방향으로 배향함으로써, 제2 형광물질(431)의 흡수 쌍극자의 방향을 액정물질의 장축을 따라 제1 방향으로 정렬할 수 있다. Specifically, the
예를 들면, 액정물질은 제2 형광물질 구성에 따른 효율을 향상시키기 위하여 굴절률이 1.5인 액정물질을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 액정물질은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)일 수 있다. For example, a liquid crystal material having a refractive index of 1.5 may be used as the liquid crystal material to improve efficiency according to the composition of the second fluorescent material. Preferably, the liquid crystal material may be a chiral liquid crystal.
도 5는 제2 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a fluorescence signal measuring system according to a second embodiment.
도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 형광신호 측정 시스템(500)은 광원, 다이아몬드 구조체(510) 및 형광 재방출부(520)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the fluorescence
제2 실시예에 따른 광원은 기설정된 파장의 광을 출력할 수 있다.The light source according to the second embodiment may output light of a preset wavelength.
제2 실시예에 따른 다이아몬드 구조체(510)는 광원으로부터 출력된 광을 수신하여 제1 방향 및 제2 방향으로 형광신호를 방출하는 적어도 하나의 DNV 센터를 구비할 수 있다. The
예를 들면, DNV 센터는 흡수 쌍극자의 방향이 수직 방향으로 정렬된 수직 DNV 센터 및 흡수 쌍극자의 방향이 수평 방향으로 정렬된 수평 DNV 센터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, the DNV center may include at least one of a vertical DNV center in which the direction of the absorption dipole is aligned in a vertical direction and a horizontal DNV center in which the direction of the absorption dipole is aligned in a horizontal direction.
일측에 따르면, 제1 방향은 DNV 센터에서 방출된 형광신호 및 제2 형광물질(521)에서 재방출되는 형광신호의 검출 방향(형광신호의 포집방향)이고, 제2 방향은 제1 방향과 직교하는 방향(형광신호의 비포집 방향)일 수 있다.According to one side, the first direction is a detection direction (a fluorescent signal collection direction) of a fluorescent signal emitted from the DNV center and a fluorescent signal re-emitted from the second
다시 말해, 제1 방향은 자기장 검출을 위해 방출된 형광신호를 수집하는 광 검출기의 포집 광축에 대응되는 방향을 의미할 수 있다. In other words, the first direction may refer to a direction corresponding to a collection optical axis of a photodetector that collects a fluorescent signal emitted for detecting a magnetic field.
일측에 따르면, 제1 방향은 DNV 센터에서 방출되는 형광신호의 주 방출 방향을 의미할 수도 있다. According to one side, the first direction may mean a main emission direction of the fluorescent signal emitted from the DNV center.
일측에 따르면, 다이아몬드 구조체(510)는 평면(planar) 구조 기반의 구조체일 수 있다. According to one side, the
제1 실시예에 따른 형광 재방출부(520)는 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하여 제1 방향으로 재방출하는 적어도 하나의 제2 형광물질(521)을 구비할 수 있다. The
일측에 따르면, 형광 재방출부(520) 다이아몬드 구조체(510)의 양 측면에 구비되어, 전반사에 따른 도파관 모드를 통해 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수할 수 있다. According to one side, the fluorescence
예를 들면, 제2 형광물질(521)은 DNV 센터의 여기 파장에서의 광 흡수가 거의 없고, DNV 센터의 방출 파장에서의 광 흡수 효율이 높은 물질일 수 있다. For example, the second
즉, 제2 형광물질은 DNV 센터의 방출 스펙트럼을 흡수하는 물질로, DNV 센터의 제2 방향으로 방출되는 형광신호를 흡수하여 변경된 방향(제1 방향)으로 형광신호를 재방출(2차 형광신호 방출)할 수 있으며, 이를 통해 광 검출기는 추가적인 형광신호를 획득하여 신호 세기 향상시킬 수 있다. That is, the second fluorescent material is a material that absorbs the emission spectrum of the DNV center. It absorbs the fluorescent signal emitted in the second direction of the DNV center and re-emits the fluorescent signal in the changed direction (first direction) (second fluorescent signal). emission), and through this, the photodetector may acquire an additional fluorescence signal to improve signal intensity.
일측에 따르면, 형광 재방출부(520)는 저굴절률 물질에 제2 형광물질(521)을 혼합하여 형성될 수 있다. According to one side, the fluorescent
예를 들면, 저굴절률 물질은 다이아몬드 구조체(420)의 굴절률(ndia .) 보다는 작고 공기의 굴절률(nair) 보다는 큰 굴절률을 갖는 물질일 수 있다. For example, the low refractive index material may be a material having a refractive index smaller than the refractive index n dia . of the diamond structure 420 and larger than the refractive index of air n air .
일측에 따르면, 형광 재방출부(520)는 제2 형광물질(521)의 흡수 쌍극자의 방향을 정렬하는 액정물질(522)을 더 포함할 수 있으며, 액정물질(522)은 제2 형광물질(521)의 흡수 쌍극자의 방향을 제1 방향으로 정렬할 수 있다. According to one side, the
구체적으로, 형광 재방출부(520)는 액정물질(522)을 광검출기의 광축에 수직한 방향으로 배향함으로써, 제2 형광물질(521)의 흡수 쌍극자의 방향을 액정물질의 장축을 따라 제1 방향으로 정렬할 수 있다. Specifically, the
예를 들면, 액정물질은 제2 형광물질(521) 구성에 따른 효율을 향상시키기 위하여 굴절률이 1.5인 액정물질(522)을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 액정물질(522)은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)일 수 있다.For example, the
도 6a 내지 도 6b는 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템에서 형광물질을 통해 형광신호를 흡수 및 재방출하는 예시를 설명하기 위한 도면이다. 6A to 6B are diagrams for explaining an example of absorbing and re-emitting a fluorescent signal through a fluorescent material in the fluorescent signal measuring system according to an exemplary embodiment.
도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 참조부호 610은 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템에서 제2 형광물질을 통해 형광신호를 흡수 및 재방출하는 예시를 도시하고, 참조부호 620은 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템에서 액정물질에 의해 정렬된 제2 형광물질을 통해 형광신호를 흡수 및 재방출하는 예시를 도시한다. 6A to 6B,
참조부호 610에 따르면, 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템의 제2 형광물질(612)은 다이아몬드 구조체의 나노 필라(nano-pillar)에 구비된 DNV 센터(611)로부터 제2 방향으로 방출되는 형광 신호를 흡수하여 재방출할 수 있다. Referring to reference numeral 610, the second
일측에 따르면, 제2 형광물질(612)은 외부측정효율()을 향상시키 위해, 저굴절률 물질(n2, nair < n2 < ndia)에 혼합되어 나노 필라의 좌/우에 배치될 수 있다. 이는 고굴절률의 물질로 광이 더 커플링(coupling)되기 쉬운 성질이 있으며, 나노 필라 구조를 유지하기 위해서는 다이아몬드 구조체보다 굴절률이 낮은 매질이 필요하기 때문이다. According to one side, the second
나노 필라의 수직 DNV 센터(611)에서 저굴절률 물질로 방출되는 형광신호의 광량은 유한요소법을 통해 분석 시 최대 44% 정도로 나타났으며, 제2 형광물질의 쌍극자 방향에 따라 방출되는 형광신호의 광 효율은 최대 약 35%로 추가 향상되어, 결과적으로 약 7%의 효율 상승을 기대해 볼 수 있는 것으로 나타났다.The amount of fluorescence signal emitted from the
참조부호 620에 따르면, 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템의 제2 형광물질(622)은 다이아몬드 구조체의 나노 필라에 구비된 DNV 센터(621)로부터 제2 방향으로 방출되는 형광 신호를 흡수하여 재방출할 수 있다.Referring to reference numeral 620, the second
일측에 따르면, 제2 형광물질(622)은 액정물질(623)을 통해 흡수 쌍극자의 방향이 제1 방향으로 정렬될 수 있다. 바람직하게는, 액정물질은 카이랄 액정물질일 수 있다.According to one side, in the second
다시 말해, 제2 형광물질(622)는 DNV 센터(621)로부터 제2 방향으로 방출되는 형광 신호를 흡수하여 제1 방향으로 흡수된 형광 신호를 재방출할 수 있다. 이를 통해 형광신호의 측정 효율을 향상시킬 수 있다. In other words, the second
일반적으로, 게스트-호스트 인터렉션(guest-host interaction) 현상을 이용하여 액정물질(host)(623) 셀 내에 특정한 파장의 광을 흡수하는 물질을 넣어, 광 흡수를 조절할 수 있다.In general, by using a guest-host interaction phenomenon, a material absorbing light of a specific wavelength is put into the cell of the liquid crystal material (host) 623 to control light absorption.
이는 일정 배열의 액정의 분자배열에 의존하여 이방성을 가진 2색성 염료(guest)의 분자배열도 연동적으로 변화함에 따라 염료의 흡수량의 제어가 가능하기 때문이다. 따라서, 액정물질의 배양 축을 제2 형광물질과 함께 정렬함에 따라 형광 포집 효율을 향상할 수 있다. This is because, depending on the molecular arrangement of the liquid crystal of a certain arrangement, the molecular arrangement of the anisotropic dichroic dye (guest) also changes interlockingly, so that the amount of absorption of the dye can be controlled. Accordingly, by aligning the culture axis of the liquid crystal material with the second fluorescent material, the fluorescence capture efficiency can be improved.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템의 액정물질에 관한 예시를 설명하기 위한 도면이다. 7A to 7B are diagrams for explaining an example of a liquid crystal material of a fluorescence signal measuring system according to an exemplary embodiment.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 참조부호 710은 일반적인 액정물질(liquid crystal)을 정렬하는 원리를 도시하고, 참조부호 720은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)을 정렬하는 원리를 도시한다. 7A to 7B,
일실시예에 따른 형광신호 측정 시스템은 제2 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 액정물질 중 카이랄 액정물질을 이용하여 정렬할 수 있다.The fluorescent signal measuring system according to an embodiment may align the direction of the absorption dipole of the second fluorescent material by using a chiral liquid crystal material among the liquid crystal material.
일반적인 액정물질의 경우, 자기장의 방향에 따라 정렬되는 특성을 지니고 있으며, 일반적인 DNV 센터는 자기장 측정 시 수평한 자기장에서 ODMR(optically detected magnetic resonance) 스펙트럼의 FWHM(full width at half maximum)이 넓어져 민감도에 불리하다. In the case of a general liquid crystal material, it has the characteristic of being aligned according to the direction of the magnetic field, and the general DNV center has a wider FWHM (full width at half maximum) of the optically detected magnetic resonance (ODMR) spectrum in a horizontal magnetic field when measuring the magnetic field, so the sensitivity is high. unfavorable to
이에 일반적으로 수직된 자기장 방향을 형성하는데, 이 경우 측정하려는 자기장의 영향에 의하여 제2 형광물질의 정렬을 위한 액정물질의 정렬 방향이 바뀌는 문제가 발생될 수 있다.In general, a perpendicular magnetic field direction is formed. In this case, a problem in that the alignment direction of the liquid crystal material for aligning the second fluorescent material is changed due to the influence of the magnetic field to be measured may occur.
반면, 카이랄 액정물질은 자기장방향에 수직한 구조로 정렬이 가능하기 때문에 이러한 문제를 개선할 수 있으며, 물질을 수평으로 효율적으로 정렬이 가능하여 높은 2차 형광포집 효율을 기대할 수 있다. On the other hand, since the chiral liquid crystal material can be aligned in a structure perpendicular to the magnetic field direction, this problem can be improved, and high secondary fluorescence capture efficiency can be expected because the material can be efficiently aligned horizontally.
결국, 본 발명을 이용하면, 정렬된 형광물질을 이용하여 DNV 센터에서 발생된 형광신호를 흡수 및 재방출하여 형광 측정 효율을 향상시킬 수 있다.As a result, according to the present invention, the fluorescence measurement efficiency can be improved by absorbing and re-emitting the fluorescence signal generated from the DNV center using the aligned fluorescence material.
또한, 형광신호의 흡수 및 재방출로 인한 형광 측정 효율의 향상을 통해 높은 자기장 측정 감도를 획득할 수 있다. In addition, high magnetic field measurement sensitivity can be obtained through the improvement of fluorescence measurement efficiency due to absorption and re-emission of a fluorescence signal.
또한, 다이아몬드 구조체 내부에서 발생된 형광신호가 높은 굴절률을 갖는 다이아몬드 구조체 내부에 갇히는 현상에 의한 형광신호 측정 효율을 저하를 개선할 수 있다. In addition, it is possible to improve the degradation of the fluorescence signal measurement efficiency due to the phenomenon that the fluorescence signal generated inside the diamond structure is trapped inside the diamond structure having a high refractive index.
한편, 본 발명은 DNV 센터에서 발생하는 형광신호를 추가 포집하여 높은 광신호를 획득할 수 있어, 최첨단 의료장비인 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI), 자기장 양자 정보 기술 등의 자기장 기반 신호 검출 시스템에 적용할 수 있다. On the other hand, the present invention can acquire a high optical signal by additionally capturing the fluorescence signal generated at the DNV center, so magnetic field-based signal detection such as magnetic resonance imaging (MRI), magnetic field quantum information technology, etc., which are state-of-the-art medical equipment can be applied to the system.
또한, 본 발명은 형광신호 측정이 필요한 다양한 시스템에서 신호 증대를 목적으로 적용 가능하고, 유사 도파관(quasi-waveguide) 광 안테나 기술, 플라즈몬(plasmon) 광 안테나 기술 등과 함께 적용 가능할 것으로 예상되며, 광신호 획득을 향상시킴으로써 자기장 공명 기술 기반 의료 및 반도체 공정 모니터링과 같은 산업용 영상 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다. In addition, the present invention can be applied for the purpose of signal augmentation in various systems requiring measurement of fluorescence signals, and is expected to be applicable together with quasi-waveguide optical antenna technology, plasmon optical antenna technology, and the like. By improving the acquisition, it is expected that magnetic resonance technology-based medical and industrial imaging systems such as semiconductor process monitoring can be applied in various fields.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100: 형광신호 측정 시스템 110: 광원
120: 다이아몬드 구조체 130: 형광 재방출부100: fluorescent signal measuring system 110: light source
120: diamond structure 130: fluorescence re-emitting unit
Claims (10)
상기 출력된 광을 수신하여 제1 방향 및 제2 방향으로 형광신호를 방출하는 적어도 하나의 DNV 센터(diamond nitrogen-vacancy center)를 구비하는 다이아몬드 구조체 및
상기 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하여 상기 제1 방향으로 재방출하는 적어도 하나의 형광물질을 구비하는 형광 재방출부
를 포함하는 형광신호 측정 시스템.a light source for outputting light of a predetermined wavelength;
a diamond structure having at least one DNV center (diamond nitrogen-vacancy center) for receiving the output light and emitting a fluorescent signal in a first direction and a second direction;
a fluorescence re-emitting unit having at least one fluorescent material absorbing the fluorescence signal emitted in the second direction and re-emitting it in the first direction;
A fluorescence signal measurement system comprising a.
상기 제1 방향은 상기 방출된 형광신호 및 상기 재방출된 형광신호의 검출 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 직교하는 방향인
형광신호 측정 시스템.According to claim 1,
The first direction is a direction in which the emitted fluorescent signal and the re-emitted fluorescent signal are detected, and the second direction is a direction orthogonal to the first direction.
Fluorescence signal measurement system.
상기 다이아몬드 구조체는 적어도 하나의 나노 필라(nano-pillar)를 구비하고, 상기 적어도 하나의 나노 필라는 상기 적어도 하나의 DNV 센터를 구비하는
형광신호 측정 시스템.According to claim 1,
The diamond structure includes at least one nano-pillar, and the at least one nano-pillar includes the at least one DNV center.
Fluorescence signal measurement system.
상기 형광 재방출부는 상기 적어도 하나의 나노 필라의 양 측면에 구비되어, 상기 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하는
형광신호 측정 시스템.4. The method of claim 3,
The fluorescence re-emitting part is provided on both sides of the at least one nanopillar to absorb the fluorescence signal emitted in the second direction.
Fluorescence signal measurement system.
상기 형광 재방출부는 상기 다이아몬드 구조체의 양 측면에 구비되어, 전반사에 따른 도파관(waveguide) 모드를 통해 상기 제2 방향으로 방출된 형광신호를 흡수하는
형광신호 측정 시스템.According to claim 1,
The fluorescence re-emitting units are provided on both sides of the diamond structure to absorb the fluorescence signal emitted in the second direction through a waveguide mode according to total reflection.
Fluorescence signal measurement system.
상기 형광 재방출부는 저굴절률 물질에 상기 형광물질을 혼합하여 형성되는
형광신호 측정 시스템.According to claim 1,
The fluorescent re-emitting part is formed by mixing the fluorescent material with a low refractive index material.
Fluorescence signal measurement system.
상기 저굴절률 물질은 상기 다이아몬드 구조체의 굴절률 보다는 작고 공기의 굴절률 보다는 큰 굴절률을 갖는 물질인
형광신호 측정 시스템.7. The method of claim 6,
The low refractive index material is a material having a refractive index smaller than the refractive index of the diamond structure and larger than the refractive index of air.
Fluorescence signal measurement system.
상기 형광 재방출부는 상기 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 정렬하는 액정물질(liquid crystal)을 더 포함하는
형광신호 측정 시스템.According to claim 1,
The fluorescence re-emitting unit further comprises a liquid crystal material for aligning the direction of the absorption dipole of the fluorescent material
Fluorescence signal measurement system.
상기 액정물질은 상기 형광물질의 흡수 쌍극자의 방향을 상기 제1 방향으로 정렬하는
형광신호 측정 시스템.9. The method of claim 8,
The liquid crystal material aligns the direction of the absorption dipole of the fluorescent material to the first direction.
Fluorescence signal measurement system.
상기 액정물질은 카이랄 액정물질(chiral liquid crystal)인
형광신호 측정 시스템.
9. The method of claim 8,
The liquid crystal material is a chiral liquid crystal material.
Fluorescence signal measurement system.
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