KR102378484B1 - 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노포러스 금속막과 베이스 기판 사이 또는 나노포러스 금속막과 베이스 기판의 상부에 형성된 금속 박막 사이에 유전체 층을 형성하여, 나노포러스 금속막과 유전체 사이에 나노 갭을 추가로 형성하도록 하는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 제안한다. 상기 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판은, 베이스 기판, 유전체막 및 나노포러스 구조의 증착막을 포함한다. 베이스기판은 비금속물질로 구현한다. 유전체막은 베이스 기판의 상부에 설치된다. 나노포러스 구조의 증착막은 유전체막의 상부에 형성되며, 동일한 크기의 복수의 나노 입자, 서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 크기가 서로 다른 나노 클러스터 입자 중 적어도 하나를 이용하여 생성한다.
Description
본 발명은 표면증강 라만 분광법(Surface Enhanced Raman Scattering; SERS)에 사용되는 3차원 나노포러스(nanoporous) 구조 표면증강 라만 분광기판의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 나노포러스 금속막과 베이스 기판 사이 또는 나노포러스 금속막과 베이스 기판의 상부에 형성된 금속박막 사이에 유전체 층을 형성하여, 나노포러스 금속막과 유전체 사이에 나노 갭을 추가로 형성하도록 하는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판에 관한 것이다.
라만 산란(Raman scattering)이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 산란하는 현상이며, 이때의 산란은 비탄성 산란에 속한다. 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화(Raman shift) 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석을 하는데 효과적으로 사용할 수 있다.
라만 산란은 본질적으로 신호가 약하여 분자의 검출을 위해서는 고출력의 레이저에 오랜 시간의 노출이 필요하며, 이와 같은 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면증강 라만 분광법이다.
도 1은 표면증강 라만 분광법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 표면증강 라만 분광법(SERS)은 라만 신호(SERS signal)를 내는 분자(Molecules)가 금속 나노 구조체(Nanostructured substrate) 표면에 있을 때 신호의 세기가 단 분자 수준까지 검지할 수 있을 정도로 증강되는 현상을 이용하는 방법이다. 즉, 표면증강 라만 분광법(SERS)은 극미세 금속구조물인 금속 나노 구조체를 이용하여 국소적으로 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 기술로서, 금, 은, 구리, 백금 및 알루미늄 등의 금속이 사용되며, 극미세 금속구조로는 액상의 나노입자(nanoparticle), 기판 위에 배열된 나노입자 또는 각종 반도체 공정기법을 이용하여 형성된 나노구조체 등이 있다.
도 2는 종래의 SERS 기판의 구조를 설명한다.
도 2a는 대한민국 등록특허 발명(10-1813659; 2017년12월22일, 이하 인용발명)에는 베이스 기판(120) 바로 상부에 나노포러스 구조의 증착막(700)이 형성되는 SERS 기판의 실시 예이고, 도 2b는 도 2a에서 베이스 기판(120)과 나노포러스 구조의 증착막(700) 사이에 금속 박막(130)을 추가한 예이다.
라만 신호의 증폭 정도는 금속 나노입자들의 응집에 따른 나노 갭(Nano Gap)이 좁을수록, 그리고 그 수가 많을수록 극대화된다. 여기서 나노 갭은 나노 입자와 나노 입자 사이의 물리적인 간격을 의미하는 것으로, 도 2a 및 도 2b에서 나노 갭이 발생한 곳을 SERS Hot Spot라고 표시하였다. 이 표시를 참조하면, 은 나노 입자(Ag)와 이웃하는 은 나노 입자(Ag) 사이가 좁은 곳을 확인할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 종래의 SERS 기판(210)은, 베이스 기판(120)의 상부에 나노포러스 구조의 증착막(700)이 적층된 실시 예가 가능하며, 도 2b를 참조하면 종래의 SERS 기판(220)은, 베이스 기판(120), 금속 박막(130) 및 나노포러스 구조의 증착막(700)의 순서대로 배열되어 있다는 것을 알 수 있다. 도 2에서 SERS Hot Spot는 라만 신호를 생성하는 나노 갭의 위치를 설명하기 위해 도시되었다.
도 2a에 도시된 베이스 기판(120)과 나노포러스 구조의 증착막(700)의 경계면의 화살표 부분을 참조하면, 나노포러스 구조의 증착막(700)을 구성하는 나노 입자가 베이스 기판(120)과 결합하여 나노 갭이 형성되지 못한다는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 금속 박막(130)을 구성하는 금속은 나노포러스 구조의 증착막(700)을 구성하는 금속과 동일하게 하여 나노포러스 구조의 증착막(700)이 금속 박막(130)에 강한 힘으로 접착되도록 하는 기능을 수행하기 때문에, 도 2b에서 금속 박막(130)과 나노포러스 구조의 증착막(700)의 경계면(화살표)의 나노 입자와 금속 박막(130)이 결합하고 있기 때문에, 금속 박막(130)과 나노포러스 구조의 증착막(700)의 경계면에는 나노 갭이 형성되지 못하는 단점이 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 나노포러스 금속막과 베이스 기판 사이 또는 나노포러스 금속막과 베이스 기판의 상부에 형성된 금속 박막 사이에 유전체 층을 형성하여, 나노포러스 금속막과 유전체 사이에 나노 갭을 추가로 형성하도록 하는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판은, 베이스 기판, 유전체막 및 나노포러스 구조의 증착막을 포함한다. 베이스기판은 비금속물질로 구현한다. 유전체막은 베이스 기판의 상부에 설치된다. 나노포러스 구조의 증착막은 유전체막의 상부에 형성되며, 동일한 크기의 복수의 나노 입자, 서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 크기가 서로 다른 나노 클러스터 입자 중 적어도 하나를 이용하여 생성한다.
본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 가람 분광기판은, 나노포러스 금속막과 베이스 기판 사이 또는 나노포러스 금속막과 베이스 기판의 상부에 형성된 금속박막 사이에 유전체 층을 형성하여, 나노포러스 금속막과 유전체 사이에 나노 갭을 추가로 형성하도록 함으로써, 라만 신호의 증폭 정도를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 표면증강 라만 분광법을 설명한다.
도 2는 종래의 SERS 기판의 구조를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 일 실시 예이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 다른 일 실시 예이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 유전체의 두께와 검출되는 라만 신호의 세기와의 관계를 실험한 결과를 나타낸다.
도 2는 종래의 SERS 기판의 구조를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 일 실시 예이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 다른 일 실시 예이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 유전체의 두께와 검출되는 라만 신호의 세기와의 관계를 실험한 결과를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 일 실시 예이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판(300, 이하 라만 분광기판)은, 베이스 기판(310), 유전체막(320) 및 나노포러스 구조의 증착막(330)을 포함한다.
베이스 기판(310)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 유리(Glass), 석영(Quartz) 및 폴리머(Polymer) 중 어느 하나를 포함하는 비금속 물질로 이루어지는 것이 일반적이다.
유전체막(320)은 베이스 기판(310)의 상부에 형성하는 막으로, 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3)으로 구현하며, 막의 두께는 최대 5nm(nanometers)가 되는 것이 바람직하다.
나노포러스 구조의 증착막(330)을 형성하기 위한 다양한 방법이 사용될 수 있지만, 이하에서는 대한민국 등록특허 10-1813659호(2017년12월22일)에 기재되어 있는 스퍼터링 장치를 이용하여 제조하는 방식으로 갈음한다.
다만, 나노포러스 구조의 증착막(300)은, 동일한 크기의 복수의 나노 입자, 서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 크기가 서로 다른 나노 클러스터 입자 중 적어도 하나를 이용하여 구현한다.
나노 클러스터 입자는 개별 나노 입자를 응집시킨 입자를 의미하며, 따라서 개별 나노 입자에 비해 나노 클러스터 입자의 크기가 더 크다. 나노 클러스터 입자의 크기도 서로 다르게 조절할 수 있으므로, 나노포러스 구조의 증착막(300)을 구성하는 나노 입자의 크기는 적어도 2개가 되도록 할 수 있을 것이며, 이하의 설명에도 동일하게 적용한다.
유전체막(320)을 형성하는 방식은 다양한데, 상술한 바와 같이 인용발명에 기재되어 있는 스퍼터링 장치를 이용하는 것도 가능하다.
도 2에 도시된 종래의 실시 예에서는 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자가 베이스 기판(310)과 바로 결합하거나, 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자가 금속 박막(130)과 바로 결합하는 구조로 이루어지고 있기 때문에, 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자와 베이스 기판(310)의 경계면 및 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자와 금속 박막(130)의 경계면에는 나노 갭이 존재할 수 없다는 것에 대해서는 이미 설명하였다.
도 3을 참조하면, 유전체막(320)이 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자와 베이스 기판(310) 사이에 위치하여, 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자와 베이스 기판(310) 사이에 나노 갭의 여유 공간을 제공한다는 것을 확인할 수 있다.
설명의 편의를 위해, 종래의 실시 예를 표시하는 도 2a에서는 나노 갭 즉 SERS Hot Spot가 나노포러스 구조의 증착막(330)의 내부에 5개 표시하였는데, 이에 대응한 도 3에서는 나노포러스 구조의 증착막(330)을 구성하는 나노 입자와 베이스 기판(310)의 접촉면에 4개의 나노 갭이 추가된다는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 다른 일 실시 예이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 라만 분광기판(400)은, 베이스 기판(410), 금속 박막(420), 유전체막(430) 및 나노포러스 구조의 증착막(440)을 포함한다.
베이스 기판(410)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 유리(Glass), 석영(Quartz) 및 폴리머(Polymer) 중 어느 하나를 포함하는 비금속 물질로 이루어지는 것이 일반적이다.
금속 박막(420)은 후술하는 나노포러스 구조의 증착막(440)의 베이스 기판(410)에의 접합력을 향상시키기 위해 설치하는 것으로, 나노포러스 구조의 증착막(440)을 형성하는 금속과 동일한 금속으로 구현하는 것이 바람직하다.
유전체막(430)은 금속 박막(420)의 상부에 형성하는 막으로, 재질은 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3)으로 구현할 수 있다.
나노포러스 구조의 증착막(430)은 상술한 바와 같이, 대한민국 등록특허 10-1813659호(2017년12월22일)에 기재되어 있는 스퍼터링 장치를 이용하여 제조하는 방식으로 갈음한다.
도 4를 참조하면, 유전체막(430)에 의해 나노포러스 구조의 증착막(440)을 구성하는 나노 입자와 금속 박막(420)의 경계면에는 종래에는 존재하지 않았던 나노 갭(화살표)이 추가로 생성된다는 것을 알 수 있다. 나노 갭의 추가 발생의 이유에 대해서는 도 3에 대한 설명으로 갈음한다.
도 3 및 도 4에서 유전체막(320, 430)이 점선으로 표시된 것은, 유전체막(320, 430)이 베이스 기판(310)의 상부 전체 또는 금속 박막(420)의 상부 전체 중 일부에만 형성되어 있다는 것을 의미한다. 이는 유전체막(320, 430)이 나노포러스 구조의 증착막(440)과 베이스 기판(310) 또는 금속 박막(420)이 개방되어 있는 부분으로 물리적 접촉이 일어날 수 있도록 하는 것이다.
유전체막(320, 430)이 유전체막(320, 430)이 베이스 기판(310)의 상부 전체 또는 금속 박막(420)의 상부 전체를 덮은 실시 예도 가능한데, 이를 도면으로 표시하고자 한다면 실선으로 표시할 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판의 유전체의 두께와 검출되는 라만 신호의 세기와의 관계를 실험한 결과를 나타낸다.
도 5의 좌측에는 유전체의 두께 및 검출된 라만 신호의 세기를 테이블로 표시한 것이고, 도 5의 우측에는 이를 그래프로 표시한 것이다.
도 5를 참조하면, 유전체의 두께가 2nm(nanometers)일 때 가장 크게 측정되었고, 유전체의 두께가 2nm보다 작거나 크게 되면 검출되는 라만 신호의 세기가 감소한다는 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과를 바탕으로, 유전체의 두께의 최소치 및 최대치를 결정하면 될 것이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
120, 310, 410: 베이스 기판
220, 420: 금속 박막
320, 430: 유전체막
333, 440, 700: 나노포러스 구조의 증착막
220, 420: 금속 박막
320, 430: 유전체막
333, 440, 700: 나노포러스 구조의 증착막
Claims (4)
- 비금속물질로 구현한 베이스 기판;
상기 베이스 기판의 상부에 설치되는 유전체막; 및
상기 유전체막의 상부에 형성되며, 동일한 크기의 복수의 나노 입자, 서로 다른 크기의 복수의 나노 입자, 크기가 서로 다른 나노 클러스터 입자 중 적어도 하나를 이용하여 생성한, 내부에 나노 갭이 발생한 나노포러스 구조의 증착막; 을 포함하되,
상기 유전체막과 상기 나노포러스 구조의 증착막 사이에 나노 갭이 형성되는,
나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판.
- 제1항에서,
상기 베이스 기판과 상기 유전체막 사이에 형성되며, 상기 나노포러스 구조의 증착막을 구성하는 금속과 동일한 금속으로 이루어진 금속 박막; 을
더 포함하는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판. - 제1항 또는 제2항에서, 상기 유전체막은,
상기 기판의 전체 또는 상기 금속 박막 전체에 형성되거나,
상기 기판의 일부 또는 상기 금속 박막의 일부에 형성되는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판. - 제1항 또는 제2항에서, 상기 유전체막은,
이산화규소 또는 산화알루미늄 중 하나로 구현하는 나노 갭의 수가 증가한 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판.
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|---|---|---|---|
| KR1020200078656A KR102378484B1 (ko) | 2020-06-26 | 2020-06-26 | 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020200078656A KR102378484B1 (ko) | 2020-06-26 | 2020-06-26 | 나노 갭의 수가 증가하는 나노포러스 구조 표면증강 라만 분광기판 |
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| US8810788B2 (en) | 2009-03-13 | 2014-08-19 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Broad band structures for surface enhanced raman spectroscopy |
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Family Cites Families (1)
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| KR20170008045A (ko) * | 2015-07-13 | 2017-01-23 | 한국과학기술원 | 반복적 비젖음 현상을 이용한 표면 증강 라만 분광 측정용 대면적 금속 나노섬 형성 방법 |
-
2020
- 2020-06-26 KR KR1020200078656A patent/KR102378484B1/ko active IP Right Grant
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