KR20100128119A - Multi-optical tunable band rejection filter based on encoded porous silicon and chemical sensor using them - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 실리콘을 이용한 다채널 광학 가변 필터 및 그를 이용한 화학센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘 소재의 표면을 안정화시키기 위하여 그 표면에 연성고분자를 코팅함으로써, 다공성 실리콘의 광학적 특성을 그대로 유지하면서, 표면안정화를 구현하는 동시에 탄력적이고 다루기 쉬운 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터 및 그를 이용한 화학센서에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-channel optical variable filter using a porous silicon and a chemical sensor using the same, and more particularly, by coating a soft polymer on the surface of the porous silicon material to stabilize the surface of the porous silicon material produced by electrochemical etching, The present invention relates to a multi-channel optical variable filter in the form of an elastic and easy-to-use optical composite film while maintaining surface stabilization while maintaining the optical properties of a porous silicon, and a chemical sensor using the same.
광 결정이란 소재의 광학적인 성질을 이용할 수 있는 구조를 갖고 있거나 구조를 갖도록 만들어낸 소재를 말한다. 광 결정을 기초로 한 기술은 광 결정소재의 광학적 특성과 광학 스펙트럼에 대한 조작의 가능성으로 인해, 화학ㆍ생물학적 센서나 의학적 진단요법에 매우 유용하게 활용될 수 있어 수년 동안 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다. Photonic crystal refers to a material that has a structure that can utilize the optical properties of the material or is made to have a structure. Photonic crystal-based technology can be very useful for chemical and biological sensors or medical diagnostics due to the optical properties of photonic crystal materials and the possibility of manipulation on the optical spectrum. to be.
반도체 실리콘웨이퍼의 전기화학적 식각을 통해 제작된 다공성 실리콘은 이러한 광 결정에 매우 적합한 소재라 할 수 있으며, 넓은 표면적과 일정한 기공의 형성을 통한 광학센서로서의 가능성, 광학 신호적 변환의 우수한 성능을 이용한 광학 필터로서의 응용, 특히 실리콘 소재이기 때문에 생체 친화적이고 생체적합성이 우수하다는 장점을 가지고 있다.Porous silicon fabricated through electrochemical etching of semiconductor silicon wafers is a very suitable material for such photonic crystals, and it can be used as an optical sensor through its large surface area and formation of constant pores, and its optical performance using the excellent performance of optical signal conversion. Applications as filters, in particular silicone materials, have the advantages of being biocompatible and biocompatible.
광 결정 소재를 이용한 자연계의 현상 중에 하나인 몰포나비의 경우, 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가지는 빛의 성질 때문에, 나비의 표면에 입사하는 빛은 다층구조로 구성된 나비날개의 표면에서 보강간섭과 상쇄간섭을 일으킨다. 이때, 상쇄간섭을 일으키는 파장의 빛은 소멸되고 보강간섭을 일으키는 파장의 빛은 반사되는데, 이 반사되는 빛이 파란색이기 때문에 몰포나비의 날개가 파란색으로 보이는 것이다. 몰포나비의 날개에는 파란색 색소가 없으며, 이러한 색은 색소가 아닌 구조로 인한 색이기 때문에 구조의 변화에 따라 색이 변하게 된다. In the case of Morpho butterfly, which is one of the natural phenomena using photonic crystal material, due to the nature of light having particle and wave characteristics, the light incident on the surface of the butterfly is reinforced and canceled out at the surface of the butterfly wing composed of multilayer structure. Cause interference. At this time, the light of the wavelength causing the offset interference is extinguished and the light of the wavelength causing the constructive interference is reflected, because the reflected light is blue, the wing of the morpho butterfly looks blue. There are no blue pigments on the wings of the Morpho butterfly, and since these colors are due to the structure rather than the pigment, the color changes according to the change of the structure.
다공성 실리콘의 경우에도 다층구조의 식각 공정을 통한 굴절율의 변화를 이용하여 특정파장의 빛을 반사하는 다층 다공성 실리콘을 제작할 수 있으며, 사인(sine)파형의 다층 구조를 갖는 다공성 실리콘을 루게이트(rugate) 다공성 실리콘이라 한다. 제작된 루게이트 다층 다공성 실리콘의 경우 그들의 반치 폭 값이 20nm로 매우 좁아, 반사ㆍ투과를 이용한 광학 필터로서 유용하게 이용할 수 있다. In the case of porous silicon, it is possible to manufacture multilayer porous silicon that reflects light of a specific wavelength by using the change of refractive index through the etching process of the multilayer structure, and the porous silicon having a sine waveform multilayer structure is rugated. ) It is called porous silicon. In the case of the manufactured rugate multilayer porous silicon, their half width value is very narrow to 20 nm, and it can be usefully used as an optical filter using reflection and transmission.
그러나 식각된 다공성 실리콘의 광학필터로서의 응용에 있어서, 식각 두께가 수십 마이크론에 불과해 대기 중에 쉽게 부서지고 화학ㆍ물리적으로 매우 불안정하다는 단점을 가지고 있다. However, in the application of the etched porous silicon as an optical filter, the etching thickness is only a few tens of microns and has the disadvantage of being easily broken in the air and very unstable chemically and physically.
이에, 본 발명자들은 다공성 실리콘의 응용분야를 확대하는 일환으로서, 광학필터 로서 적용할 때의 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 식각된 다공성 실리콘 표면에 광 투명도 및 연성이 우수한 고분자를 코팅하여 광학 복합 필름을 제조하고, 이를 센서로 응용하기 위하여, 광학 인코딩 기술을 접목시켜 특정파장의 반사피크를 원하는 수만큼 조절하여 다양한 분석물질들을 단시간에 감지할 수 있는 다채널 광학 가변 필터 및 화학센서로 적용 가능함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have tried to solve the problem of applying as an optical filter as part of expanding the application of the porous silicon, as a result of coating the optical composite film by coating a polymer having excellent optical transparency and ductility on the surface of the etched porous silicon In order to manufacture and apply it as a sensor, it can be applied as a multi-channel optical variable filter and a chemical sensor that can detect various analytes in a short time by adjusting the reflection peak of a specific wavelength by combining optical encoding technology. By this, the present invention was completed.
본 발명의 목적은 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘의 표면을 안정화시킨 다채널 광학 가변 필터를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a multi-channel optically variable filter that stabilizes the surface of porous silicon produced by electrochemical etching.
본 발명의 다른 목적은 다공성 실리콘 표면상에 연성고분자가 코팅된 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a multichannel optical variable filter in the form of an optical composite film coated with a soft polymer on a porous silicon surface.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 다채널 광학 가변 필터를 이용한 화학센서를 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a chemical sensor using the multichannel optical variable filter.
본 발명은 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘을 반도체 실리콘웨이퍼로부터 전자 연마를 통해 분리시킨 다공성 실리콘 필름의 표면에 연성고분자를 코팅시킴으로써 다루기 쉽고 물리ㆍ화학적으로 안정도가 매우 우수한 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공한다. The present invention is an optical composite film type that is easy to handle and has excellent physical and chemical stability by coating soft polymer on the surface of the porous silicon film prepared by electrochemical etching from the semiconductor silicon wafer by electropolishing. Provides a channel optical variable filter.
본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다공성 실리콘은 사인파형의 혼합전류를 이용하여 전기화학적으로 식각된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘이며, 이때, 상기 사인파형의 혼합전류가 하기 수학식 1에 의해 산출되는 합성파(ycomp)이다.Porous silicon used in the multi-channel optical variable filter of the present invention is a multi-layered porous silicon of a rugate structure electrochemically etched using a sinusoidal mixed current, wherein the sinusoidal mixed current is represented by
(상기에서, A는 사인파 전류 값, k는 진동수, t는 시간이고, B는 전류의 센터 값이고, 1,2,i는 파형의 수이다.)(A is the sine wave current value, k is the frequency, t is the time, B is the center value of the current, 1,2, i is the number of waveforms.)
상기 합성파(ycomp)에 의해 전기화학적으로 식각된 다공성 실리콘은 1개 내지 4개의 특정파장으로 다채널 인코딩된다.Porous silicon etched electrochemically by the synthesized wave (y comp ) is multichannel encoded to 1 to 4 specific wavelengths.
또한, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에서 사용되는 다공성 실리콘은 2nm 내지 1㎛ 크기의 메조포러스 기공을 가지며, 다공성 실리콘 필름 층의 두께는 10 내지 500㎛가 바람직하다. In addition, the porous silicon used in the multi-channel optical variable filter of the present invention has mesoporous pores having a size of 2 nm to 1 μm, and the thickness of the porous silicon film layer is preferably 10 to 500 μm.
본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 표면 코팅에 사용되는 고분자는 투명도가 매우 우수하고 연성이 뛰어난 고분자이며, 바람직하게는 폴리스틸렌, 폴리메틸메타아크릴레이트 또는 폴리실록산에서 선택 사용한다. 다공성 실리콘 표면에 코팅된 고분자층의 두께는 50㎛ 내지 5mm이다. The polymer used for the surface coating of the multichannel optically variable filter of the present invention is a polymer having excellent transparency and excellent ductility, and preferably selected from polystyrene, polymethylmethacrylate or polysiloxane. The thickness of the polymer layer coated on the porous silicon surface is 50 μm to 5 mm.
본 발명의 다채널 광학 가변 필터는 수학식 1에 의해 산출되는 합성파(ycomp)에 의해 반도체 실리콘웨이퍼가 전기화학적으로 식각되어 1개 내지 4개의 특정파장의 다채널로 인코딩됨으로써, 상기 다공성 실리콘의 기공에 분석물질이 주입에 따른 기공의 굴절률(refraction index) 변화로 인하여, 감지가 가능하며, 분석물질의 증기압 에 따라 종류별 감지가 가능하므로 여러 가지 분석물질을 동시에 신속하게 분석할 수 있다.In the multi-channel optical variable filter of the present invention, the semiconductor silicon wafer is electrochemically etched by the synthetic wave (y comp ) calculated by
나아가, 본 발명은 다공성 실리콘 표면의 표면유도체화에 따라 분석물질의 화학적 성질에 따른 선택적 감지가 가능한 화학센서를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a chemical sensor capable of selective sensing according to the chemical properties of the analyte according to the surface derivatization of the porous silicon surface.
다공성 실리콘의 표면유도체화는 친수성 또는 소수성으로 표면 개질되는 것이며, 더욱 구체적으로는 다공성 실리콘의 표면을 열적 산화시켜 친수성으로 표면유도체화 하여 친수성 분석물질의 선택적 감지가 가능한 화학센서를 제공한다.Surface derivatization of the porous silicon is hydrophilic or hydrophobic surface modification, and more specifically, the surface of the porous silicon is thermally oxidized to hydrophilic surface derivatization to provide a chemical sensor capable of selective detection of a hydrophilic analyte.
본 발명에 따라, 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘을 반도체 실리콘웨이퍼로부터 전자연마를 통해 분리시킨 다공성 실리콘 필름 층 및 상기 다공성 실리콘 필름 층의 표면상에 연성고분자가 코팅된 고분자 층을 포함하는 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공할 수 있다. According to the present invention, a composite comprising a porous silicon film layer in which porous silicon produced by electrochemical etching is separated from a semiconductor silicon wafer by electropolishing and a polymer layer coated with a soft polymer on the surface of the porous silicon film layer It is possible to provide a multichannel optical variable filter in the form of a film.
이에 본 발명의 다채널 광학 가변 필터는 상기 다공성 실리콘을 광학 인코딩하여 특정파장의 반사피크를 원하는 수만큼 조절하여 다양한 분석물질들을 동시에 신속하게 감지할 수 있다.Accordingly, the multi-channel optical variable filter of the present invention can quickly detect various analytes simultaneously by optically encoding the porous silicon to adjust the reflection peak of a specific wavelength as desired.
또한, 상기 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다공성 실리콘의 표면유도체화를 통해, 화학적 성질에 따른 선택적 감지가 가능한 화학센서를 제공할 수 있다. In addition, through the surface derivatization of the porous silicon used in the multi-channel optical variable filter, it is possible to provide a chemical sensor capable of selective sensing according to the chemical properties.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘을 반도체 실리콘웨이퍼로 부터 분리시킨 다공성 실리콘 필름 층 및 상기 다공성 실리콘 필름 층의 표면상에 연성고분자가 코팅된 고분자 층을 포함하는 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공한다.The present invention is an optical composite film type including a porous silicon film layer in which a porous silicon produced by electrochemical etching is separated from a semiconductor silicon wafer, and a polymer layer coated with a soft polymer on the surface of the porous silicon film layer. Provides a channel optical variable filter.
본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 실리콘 소재는 사인(sine)파 형태의 전류로 전기화학적인 식각을 통하여 제조된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘이며, 광 결정구조를 갖는 광 반사소재로서, 특정 파장에서 매우 좁은 반치 폭 값을 갖는다. 이렇게 제작된 루게이트 다공성 실리콘의 경우, 사인파의 진동수에 따라 가시광선이나 적외선 영역의 어느 파장에서든 특정파장에서 반사되도록 제작할 수 있다. The silicon material used in the multi-channel optical variable filter of the present invention is a multi-layered porous silicon having a gate structure manufactured by electrochemical etching with a sine wave current, and is a light reflective material having a photonic crystal structure. It has a very narrow half width value at certain wavelengths. In the case of the manufactured rugate porous silicon, it can be manufactured to reflect at a specific wavelength in any wavelength of visible light or infrared region according to the frequency of the sine wave.
이에, 본 발명은 각각의 특정 밴드 띠를 갖는 루게이트 다공성 실리콘의 각각의 사인파 진동수를 합산한 합성파(composite waveform, ycomp)를 식각조건으로 하여 다채널의 반사피크를 갖는 인코딩된 루게이트 다공성 실리콘을 제작한다. 이때, 본 발명의 합성파(ycomp)는 하기 수학식 1에 의해 산출된다.Accordingly, the present invention is an encoded rugate porous having a multi-channel reflection peak by using a composite waveform (y comp ) obtained by adding the respective sinusoidal frequencies of the lugate porous silicon having each specific band band as an etching condition. Manufacture silicon. In this case, the synthesized wave y comp of the present invention is calculated by
수학식 1
(상기에서, A는 사인파 전류 값, k는 진동수, t는 시간이고, B는 전류의 센터 값이고, 1,2,i는 파형의 수이다.)(A is the sine wave current value, k is the frequency, t is the time, B is the center value of the current, 1,2, i is the number of waveforms.)
본 발명의 실시 예에서는 상기 Ai와 B는 11.55와 63.05 mA를 고정하고, 진동수 ki값을 0.44, 0.42, 0.40 및 0.38Hz를 합성파로 합산하여 1개에서 4개까지 특정파장의 다채널로 인코딩된 루게이트 다공성 실리콘을 제작한다.In the embodiment of the present invention, A i and B are fixed to 11.55 and 63.05 mA, and the frequency k i value is added to 0.44, 0.42, 0.40, and 0.38 Hz as a synthesized wave to produce one to four multi-channels with specific wavelengths. An encoded lugate porous silicon is fabricated.
도 1은 본 발명의 다채널 인코딩된 루게이트 다공성 실리콘으로 이루어진 다공성 실리콘 필름 층 및 상기 다공성 실리콘 필름 층상에 연성고분자로 이루어진 고분자 층이 형성된 광학 복합 필름의 광학 스펙트럼 결과를 도시한 것이다. FIG. 1 shows optical spectral results of an optical composite film having a porous silicon film layer made of multi-channel encoded lugate porous silicon and a polymer layer made of soft polymer on the porous silicon film layer.
먼저, 도 1의 흑색 선은 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘의 반사스펙트럼으로서, 0.44, 0.42, 0.40 및 0.38Hz에 대한 각각의 반사스펙트럼 파장은 610, 660, 715 및 785 nm로 관찰된다. 또한, 적색 선은 본 발명의 연성고분자가 코팅된 광학 복합 필름의 반사스펙트럼으로서, 다공성 실리콘의 기공에 고분자가 일정부분 채워 들어가면서 굴절률 변화로 인하여, 반사피크는 장파장 쪽으로 100∼125nm 정도 이동한 결과를 보인다. 도 1의 청색 선은 본 발명의 광학 복합 필름에 대한 투과스펙트럼이다.First, the black lines in FIG. 1 are reflection spectra of the multi-layered porous silicon of the rugate structure, and respective reflection spectrum wavelengths of 0.44, 0.42, 0.40, and 0.38 Hz are observed at 610, 660, 715, and 785 nm. In addition, the red line is a reflection spectrum of the optical composite film coated with the soft polymer of the present invention. Due to the change of the refractive index as the polymer is partially filled in the pores of the porous silicon, the reflection peak is shifted about 100 to 125 nm toward the long wavelength. see. The blue line in FIG. 1 is a transmission spectrum for the optical composite film of the present invention.
본 발명은 상기 광학적 특성을 가지는 다공성 실리콘으로 이루어진 다공성 실리콘 필름 층 표면상에 연성고분자로 이루어진 고분자 층을 코팅함으로써, 다공성 실리콘 소재의 광학적 특성을 그대로 유지하면서, 연성고분자로 다공성 실리콘의 표면안정화를 구현할 수 있으므로, 탄력적이고 다루기 쉬운 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공할 수 있다. According to the present invention, by coating a polymer layer made of soft polymer on the surface of a porous silicon film layer made of porous silicon having the optical properties, the surface stability of the porous silicon can be realized with the soft polymer while maintaining the optical properties of the porous silicon material. As a result, it is possible to provide a multichannel optical variable filter in the form of an elastic and easy to handle optical composite film.
또한, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에서, 다공성 실리콘 필름 층의 두께는 10 내지 500㎛ 정도를 충족하는 것이 바람직하나, 가장 바람직하게는 50㎛이다. In addition, in the multichannel optically variable filter of the present invention, the thickness of the porous silicon film layer preferably satisfies about 10 to 500 mu m, most preferably 50 mu m.
본 발명의 다채널 광학 가변 필터에서는 상기 다공성 실리콘 필름 층을 연성 고분자로 고정화시킴으로써, 종래 전기화학적으로 식각된 다공성 실리콘의 식각 두께가 수십 마이크론에 불과하여 대기 중에 쉽게 부서지고 화학ㆍ물리적으로 매우 불안정하다는 단점을 극복할 수 있다. In the multi-channel optical variable filter of the present invention, the porous silicon film layer is immobilized with a soft polymer, so that the etching thickness of the conventional electrochemically etched porous silicon is only several tens of microns, so that it is easily broken in the air and chemically and physically very unstable. You can overcome the disadvantages.
본 발명의 다공성 실리콘 필름 층은 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘을 전자연마작업(electopolishing)을 통하여, 반도체 실리콘웨이퍼로부터 필름 형태로 분리시킨다. 이때, 분리방법은 필름이 손상되지 않도록, 다공성 실리콘웨이퍼를 핀셋으로 잡아 유리판 위에서 에탄올을 흘려주어 실리콘웨이퍼로부터 다공성 실리콘을 분리시키는 것이 바람직하다.The porous silicon film layer of the present invention separates the porous silicon produced by electrochemical etching in the form of a film from the semiconductor silicon wafer through electropolishing. At this time, the separation method, it is preferable to separate the porous silicon from the silicon wafer by holding the porous silicon wafer with tweezers and flowing ethanol on the glass plate so as not to damage the film.
도 2는 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 실제 형상 사진으로서, 광학적 특성이 그대로 유지되면서 매우 탄력적이고 다루기 쉬운 광학 필터임을 보여주고 있다. 2 is an actual shape photograph of the multi-channel optical variable filter of the present invention, which shows that the optical filter is very flexible and easy to handle while maintaining the optical characteristics.
도 3은 본 발명의 다채널 광학 가변 필터를 표면 및 측면에서 관찰한 주사현미경 결과로서, 표면의 경우 수 나노미터 크기의 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있고, 측면의 경우, 사인파형의 다층 식각 이미지를 미세하게나마 확인할 수 있다. 이때, 본 발명에서 사용되는 다층 다공성 실리콘의 기공은 식각조건에 따라, 달라질 수 있으며 전류의 세기에 가장 크게 영향을 받는다. 본 실험에 사용된 다공성 실리콘의 기공은 2nm 내지 1㎛ 크기의 메조포러스 기공을 갖는 것이 바람직하다. 3 is a scanning microscope result of the multi-channel optical variable filter of the present invention observed from the surface and the side, it can be seen that the pores of the size of several nanometers is formed on the surface, sinusoidal multilayer etching of the side You can check the image at a fine level. At this time, the pores of the multilayer porous silicon used in the present invention may vary depending on the etching conditions and are most affected by the strength of the current. Pores of the porous silicon used in this experiment preferably has mesoporous pores of 2nm to 1㎛ size.
이때, 본 발명에서 사용되는 다층 다공성 실리콘의 기공은 전기식각 조건에 따라, 달라질 수 있으나, 바람직하게는 2 내지 50㎚ 크기의 메조포러스 기공을 가지는 것이다. At this time, the pores of the multilayer porous silicon used in the present invention may vary depending on the electric etching conditions, but preferably have mesoporous pores of 2 to 50nm size.
도 4는 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 전체 측면을 관찰한 주사현미경 결과로서, 다공성 실리콘 층 46.48㎛와 고분자 층 56.34㎛으로 이루어진 복합 필름 상태 를 확인할 수 있다. 4 is a scanning microscope result of observing the whole side surface of the multi-channel optical variable filter of the present invention, and it is possible to confirm the state of the composite film including the porous silicon layer 46.48 μm and the polymer layer 56.34 μm.
이에, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터는 상기 기술한 광학 복합 필름형태로 적용함으로써, 종래 전기화학적으로 식각된 다공성 실리콘의 식각 두께가 수십 마이크론에 불과하여 대기 중에 쉽게 부서지고 화학ㆍ물리적으로 매우 불안정하다는 단점을 극복할 수 있다. Therefore, the multi-channel optical variable filter of the present invention is applied in the form of the optical composite film described above, so that the etching thickness of the conventional electrochemically etched porous silicon is only several tens of microns, so it is easily broken in the air and chemically and physically unstable. It can overcome the shortcomings.
도 5는 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 대한 광학적 거동을 관찰한 결과로서, 상세하게는 도 5의 A에서 3채널로 인코팅된 루게이트 다공성 실리콘의 투과스펙트럼 파장이 715, 776 및 849 nm영역에서 관찰되고(흑색), 분석물질로서 메탄올(청색) 또는 헥산(적색) 증기를 불어넣으면, 상기 화학증기가 루게이트 다공성 실리콘의 기공에, 채워지면서 굴절율의 증가로 인하여, 투과스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동한다. 이때, 화학증기의 증기압에 따라, 장파장으로의 이동 폭이 달라지므로, 선택적 감지가 가능하다. 5 is a result of observing the optical behavior of the multi-channel optically variable filter of the present invention. Specifically, the transmission spectrum wavelengths of the three-channel encoded rugate porous silicon in A of FIG. 5 are 715, 776 and 849 nm. Observed in the region (black), and when methanol (blue) or hexane (red) vapor is blown as the analyte, the permeation spectrum is directed toward the long wavelength due to the increase of the refractive index as the chemical vapor is filled in the pores of the lugate porous silicon. Move. In this case, since the movement width to the long wavelength varies depending on the vapor pressure of the chemical vapor, selective sensing is possible.
도 5의 B는 메탄올 증기가 다공성 실리콘 기공에 차 들어갈 때 이동하는 투과스펙트럼의 실시간 이동을 보여주는 결과로서, 광학 가변 필터로서 활용할 수 있음을 뒷받침한다.FIG. 5B is a result showing the real-time movement of the transmission spectrum moving as methanol vapor enters the porous silicon pores, supporting that it can be used as an optically variable filter.
상기로부터, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터는 다공성 실리콘의 기공에 분석물질이 주입되면서 굴절률의 변화로 인한 투과 스펙트럼의 변화로 실시간 감지가 가능하며, 특히, 분석물질의 증기압에 따라, 분석물질별 감지가 가능하므로 다양한 분석물질들을 동시에 신속하게 분석할 수 있다.From the above, the multi-channel optical variable filter of the present invention can be detected in real time by a change in the transmission spectrum due to the change of the refractive index while the analyte is injected into the pores of the porous silicon, in particular, according to the vapor pressure of the analyte, Sensing allows for the rapid analysis of multiple analytes simultaneously.
나아가, 본 발명은 상기 다채널 광학 가변 필터 중 다공성 실리콘의 표면유도체화 에 따라 분석물질의 화학적 성질에 따른 선택적 감지가 가능한 화학센서를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a chemical sensor capable of selective sensing according to the chemical properties of the analyte according to the surface derivatization of the porous silicon in the multi-channel optical variable filter.
이때, 다공성 실리콘의 표면유도체화는 다공성 실리콘의 표면을 화학반응을 통하여 표면의 친수성 또는 소수성으로 표면개질 하는 것이다.At this time, the surface derivatization of the porous silicon is to modify the surface of the porous silicon to hydrophilic or hydrophobic of the surface through a chemical reaction.
도 6은 본 발명의 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘의 표면개질을 관찰하기 위한 적외선 스펙트럼(FT-IR) 결과로서, 다공성 실리콘의 표면을 열적 산화할 경우 다공성 실리콘의 표면은 SiO2로 변화되면서, υ(OSi-H)와 υ(Si-O)의 분자진동이 2270cm-1과 1070cm-1에서 관찰되므로 친수성으로 표면개질 됨을 확인할 수 있다. FIG. 6 is an infrared spectrum (FT-IR) result for observing surface modification of multi-layered porous silicon having a multi-channel encoded lugate structure. When the surface of the porous silicon is thermally oxidized, the surface of the porous silicon is SiO 2. Molecular vibrations of υ (OSi-H) and υ (Si-O) were observed at 2270cm -1 and 1070cm -1 , indicating that the surface was modified by hydrophilicity.
또한, 본 발명에는 소수성으로 표면개질 하는 방법으로 하이드로실레이션 반응을 수행하여, 2850∼2960cm-1에서 C-H의 분자진동을 관찰함으로써, 표면이 소수성 알킬기로 치환되도록 한다. 그러나 다공성 실리콘의 친수성 또는 소수성으로의 표면개질방법은 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the present invention is subjected to a hydrosilylation reaction by a method of surface modification to hydrophobicity, by observing the molecular vibration of CH at 2850 ~ 2960cm -1 , so that the surface is substituted with a hydrophobic alkyl group. However, the method of modifying the surface of the porous silicon into hydrophilic or hydrophobic is not limited thereto.
도 7은 본 발명의 다공성 실리콘의 표면이 친수성(A) 또는 소수성(B)으로 치환된 경우에 대한 투과스펙트럼으로서, 표면이 친수성으로 개질된 경우, 친수성 분석물질(메탄올)의 투과스펙트럼이 장파장으로의 이동 폭이 더 크게 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 다공성 실리콘의 표면이 소수성으로 치환된 다채널 광학 필터의 경우, 소수성 용매인 헥산에 의해 큰 폭으로 파장이동을 보임으로써, 본 발명은 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다공성 실리콘의 표면유도체화에 따라, 분석물 질의 선택적 감지가 가능한 화학센서로서 응용 가능하다. 7 is a transmission spectrum for the case where the surface of the porous silicon of the present invention is replaced with hydrophilic (A) or hydrophobic (B), when the surface is modified to hydrophilic, the transmission spectrum of the hydrophilic analyte (methanol) to a long wavelength It can be seen that the moving width of is observed larger. In addition, in the case of the multi-channel optical filter in which the surface of the porous silicon is hydrophobicly substituted, the present invention exhibits a large wavelength shift by hexane which is a hydrophobic solvent, and thus, the present invention provides surface derivatization of the porous silicon used in the multi-channel optical variable filter. As a result, it can be applied as a chemical sensor capable of selective detection of analyte quality.
도 8은 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 실시간 신호 응답결과로서, 다채널 광학 가변 필터 투과스펙트럼의 최소지점에 대하여 실시간으로 피크 이동을 측정함으로써, 재사용이 가능한 화학 센서로서 활용할 수 있다. 8 is a real-time signal response result of the multi-channel optical variable filter of the present invention, it can be used as a reusable chemical sensor by measuring the peak movement in real time with respect to the minimum point of the multi-channel optical variable filter transmission spectrum.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.This embodiment is intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
<실시예 1> 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터 제작Example 1 Fabrication of a multichannel optical variable filter in the form of an optical composite film
단계 1: 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘 제작Step 1: fabricate multi-layered porous silicon with rugate structure
0.1∼10 ｍΩ㎝의 저항을 갖고 보론(boron)이 첨가된 p++-type 실리콘 웨이퍼를 전기화학적 식각을 통해 루게이트 다공성 실리콘을 제작하였다. 이때, 식각 용매는 48%의 불산(HF, 48중량%, 알드리치 케미칼사)과 에탄올의 3:1 혼합용액을 이용하였으며, 모든 공정은 테프론 셀에서 수행하였다. 테플론 셀에 실리콘 웨이퍼를 고정한 후, 백금 (+)과 알루미늄 (-)의 두 개의 전극을 이용하여 수행하였다. A p ++ -type silicon wafer having boron added with a resistivity of 0.1 to 10 mΩ㎝ was fabricated through electrochemical etching to form a gate-gate porous silicon. At this time, the etching solvent was used as a 3: 1 mixed solution of 48% hydrofluoric acid (HF, 48% by weight, Aldrich Chemical Co., Ltd.) and ethanol, all processes were carried out in a Teflon cell. After fixing the silicon wafer to the Teflon cell, it was performed using two electrodes of platinum (+) and aluminum (-).
양극 처리를 수행하기 위해 소스미터(Source meter, Keithley 2420 high-precision constant current source)를 이용하여 사인파형의 다층 구조를 형성하도록 식각을 수행하였다. 식각이 완료된 샘플은 에탄올을 이용하여 세척하였으며 아르곤을 이용하여 건조하였다. To perform anodization, etching was performed to form a sinusoidal multilayer structure using a source meter (Kissley 2420 high-precision constant current source). The etched samples were washed with ethanol and dried with argon.
단계 2: 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘 필름의 표면유도화Step 2: Surface Derivation of the Multi-layered Porous Silicon Film of Rugate Structure
상기 단계 1에서 제작된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘은 전자연마작업(electopolishing)을 통하여, 실리콘 기판으로부터 필름 형태로 분리시켰다. 이때, 전자연마작업 역시 루게이트 다공성 실리콘의 제조와 같이 테플론 셀에서 수행하였다. 소스미터를 이용하여, 420 mAㆍcm-2의 정 전류를 90초 동안 흘려주었다. 이때, 사용한 용매는 HF:에탄올 = 3:1의 부피비로 제조된 용매를 사용하였다. 이후, 다시 HF:에탄올 = 1:15의 부피비로 제조된 용매를 사용하여 29 mAㆍcm-2의 정 전류를 120초 동안 흘려주었다. 다공성 실리콘 기판을 핀셋으로 잡아 유리판 위에서 필름이 손상되지 않도록 에탄올을 흘려주어 실리콘 기판으로부터 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘을 분리시켰다. The multi-layered porous silicon of the rugate structure fabricated in
단계 3: 다채널 루게이트 다공성 실리콘/고분자 복합 필름의 제작Step 3: Fabrication of the Multichannel Rugate Porous Silicon / Polymer Composite Film
전자연마를 통해 얻어진 루게이트 다공성 실리콘 필름 표면에, 폴리스틸렌 5g(Mw=280,000 알드리치 케미칼사)을 THF(20㎖, 피셔 과학사)에 용해시킨 용액을 코팅하여 복합필름을 제조한 후, 대기 중에 1시간동안 건조하여 안정화시켜, 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제조하였다. A composite film was prepared by coating a solution of 5 g of polystyrene (Mw = 280,000 Aldrich Chemical Co., Ltd.) in THF (20 ml, Fischer Scientific Co., Ltd.) on the surface of the gated porous silicon film obtained by electropolishing, and then in the air for 1 hour. And dried to stabilize, to prepare a multichannel optical variable filter in the form of an optical composite film.
<실시예 2> 화학센서 제작 1Example 2 Preparation of
상기 실시예의 단계 2 이후, 전자연마를 통해 얻어진 순수한 루게이트 다공성 실리콘 필름에 열적산화를 통하여 그 표면이 Si-OH로 종결되어 친수성 표면을 갖는 산화된 루게이트 다공성 실리콘 필름을 준비하였다. After
열적 산화는 분리된 루게이트 다공성 실리콘 필름을 전기로(Thermolyne F6270-26 furnace equipped with controller)내 300℃ 온도에서 3시간 동안 열적산화 처리하였다. 산화가 종료된 후, 얻어진 다공성 실리콘은 에탄올로 세척하고 아르곤 가스 하에서 사용하기 전 까지 건조시켰다. Thermal oxidation was thermally oxidized the separated lugate porous silicon film at 300 ° C. in an electric furnace (Thermolyne F6270-26 furnace equipped with controller) for 3 hours. After the oxidation was completed, the obtained porous silicon was washed with ethanol and dried until used under argon gas.
<실시예 3> 화학센서 제작 2Example 3 Fabrication of
상기 실시예의 단계 2 이후, 전자연마를 통해 얻어진 순수한 루게이트 다공성 실리콘 필름에 소수성 표면개질을 위하여, 하이드로실레이션(hydrosilyation) 방법을 이용하였다. 하이드로실레이션에 사용될 유기 용매로는 불포화 탄화수소 용매인 1-데케인(decene, 10㎖, 99%, 알드리치 케미칼사)을 이용하여 120℃로 24시간동안 반응시켰다. 반응종료 후, 다공성 실리콘을 아세톤, CH2Cl2 및 에탄올 순서로 세척하였다.After
<실험예 1> 광학적 특성분석Experimental Example 1 Optical Characteristic Analysis
실시예 1에서 제작된 다공성 실리콘으로부터 광 결정구조에 의해 광 반사되는 반사 스펙트럼을 측정하기 위해서 텅스텐-할로겐 램프를 이용하고 측정된 데이터를 습득하기 위하여, CCD 분광기[광학 현미경이 장착된 Ocean Optics USB-2000]를 이용하여 측정하였다.In order to acquire the measured data using a tungsten-halogen lamp to measure the reflection spectrum reflected by the photonic crystal structure from the porous silicon fabricated in Example 1, a CCD spectrometer [Ocean Optics USB-equipped optical microscope] 2000].
도 1은 본 발명의 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘 및 고분자로 이루어진 복합 필름의 광학 스펙트럼결과로서, 흑색 선은 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘의 반사스펙트럼이고, 적색 선은 상기 광학 복합 필름의 반사스펙트 럼이고, 청색 선은 상기 광학 복합 필름의 투과스펙트럼이다. 1 is an optical spectrum result of a composite film composed of multi-layered porous silicon and a polymer having a multi-channel encoded lugate structure, wherein black lines are reflection spectra of multi-layered porous silicon having a rugate structure, and red lines are the optical composite. The reflectance spectrum of the film and the blue line are the transmission spectrum of the optical composite film.
도 1의 A 내지 D는 사인파형의 합성파를 이용하여, 1개 내지 4개의 특정파장으로 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘을 나타낸다.1A to 1D illustrate multi-layer porous silicon having a multi-channel encoded lugate structure using 1 to 4 specific wavelengths using a sinusoidal synthetic wave.
도 1에서, 흑색 선은 루게이트 다층 다공성 실리콘의 반사스펙트럼을 도시한 것이며 D의 경우, 0.44, 0.42, 0.40 및 0.38 Hz의 진동수에 대하여, 610, 660, 715 및 785nm 파장영역에서 각각의 반사스펙트럼을 확인하였다. 상기 결과로부터, 상기 합성파 각각의 진동수들은 각각의 그에 대응하는 반사스펙트럼을 갖는다. 또한, 각각의 반사스펙트럼을 갖는 다채널로 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘은 전자연마를 통해 필름 상태로 제조되며, 이때, 필름 형태에서도 동일한 반사 피크를 갖는다. In Fig. 1, the black lines show the reflectance spectra of the Rugate multilayer porous silicon, and for D, the respective reflectance spectra in the 610, 660, 715 and 785 nm wavelength ranges for frequencies of 0.44, 0.42, 0.40 and 0.38 Hz. It was confirmed. From the results, the frequencies of each of the synthesized waves each have a corresponding reflection spectrum. In addition, multi-channel encoded multi-layered porous silicon having respective reflection spectra is prepared in a film state through electropolishing, and in this case, the film has the same reflection peak.
도 1에서 적색 선을 통해, 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터에 있어서, 다공성 실리콘상에 고분자 코팅 시, 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘 필름의 기공에 일정부분 고분자가 차 들어가면서, 굴절률(refractive index)의 증가로 인하여, 광학 복합 필름의 반사피크는 장파장 쪽으로 100 내지 125nm 정도 이동한 결과를 확인하였다. 도 1의 청색 선은 상기 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터의 투과스펙트럼 결과이다. In FIG. 1, in the multi-channel optically variable filter in the form of an optical composite film, when the polymer is coated on the porous silicon, the polymer partially enters the pores of the multi-layered porous silicon film having a rugate structure, and has a refractive index. Due to the increase of the index), the reflection peak of the optical composite film was confirmed to be shifted by about 100 to 125nm toward the long wavelength. The blue line in FIG. 1 is a transmission spectrum result of the multichannel optical variable filter in the form of the optical composite film.
<실험예 2> 다채널 광학 가변 필터로서의 응용Experimental Example 2 Application as a Multichannel Optical Variable Filter
본 발명의 광학 복합 필름을 다채널 광학 가변 필터로 응용가능한지를 관찰하기 위하여, 표면과 측면에 대하여, 전계방출주사현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, S-4800, Hitachi)를 이용하여 관찰하였다.In order to observe the applicability of the optical composite film of the present invention to a multichannel optical variable filter, a field emission scanning microscope (FE-SEM, S-4800, Hitachi) was used for the surface and the side surface. Observed.
도 2는 다채널 광학 가변 필터로서의 실제 형상 사진이고, 도 3은 다채널 광학 가변 필터의 표면 및 측면 관찰결과이다. 그 결과, 표면의 경우 수 나노미터 크기의 기공 형성을 확인하였고, 측면의 경우, 사인파형의 다층 식각 이미지를 미세하게나마 확인할 수 있었다. 2 is an actual shape photograph as a multichannel optical variable filter, and FIG. 3 is a surface and side observation result of the multichannel optical variable filter. As a result, pore size of several nanometers was confirmed in the case of the surface, and in the case of the side, the sine wave multilayered etch image was minutely confirmed.
또한, 다채널 광학 가변 필터의 전체 측면을 관찰한 도 4의 결과로부터, 다공성 실리콘 층 46.48㎛와 고분자 층 56.34㎛을 확인하였다. In addition, from the result of FIG. 4 which observed the whole side surface of the multichannel optical variable filter, 46.48 micrometers of porous silicon layers and 56.34 micrometers of polymer layers were confirmed.
이상의 결과로부터, 본 발명은 다공성 실리콘 상에 고분자를 코팅함으로써, 다공성 실리콘의 광학적 특성은 그대로 유지되면서 고분자의 코팅을 통한 매우 탄력적이고 다루기 쉬운 광학 필터제조를 확인하였다. 또한, 제작된 다채널 광학 가변 필터는 종래 식각 두께가 얇아 대기 중에서 매우 불안정한 성질을 해소하였다.From the above results, the present invention confirmed the manufacturing of a very elastic and easy to handle optical filter through the coating of the polymer while maintaining the optical properties of the porous silicon as it is, by coating the polymer on the porous silicon. In addition, the fabricated multi-channel optically variable filter has a thin etching thickness to solve a very unstable property in the atmosphere.
나아가, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 대한 광학적 거동을 관찰한 결과, 3채널로 인코팅된 루게이트 다공성 실리콘의 투과스펙트럼 파장이 715, 776 및 849 nm영역에서 관찰되고(흑색), 분석물질로서 메탄올(청색) 또는 헥산(적색) 증기를 불어넣으면, 상기 화학증기가 루게이트 다공성 실리콘의 기공에 채워지면서 굴절률의 증가로 인하여, 투과스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하였으며[도 5의 A], 메탄올 증기를 사용하여 실시간적으로 이동하는 투과스펙트럼을 관찰한 결과[도 5의 B], 광학 가변 필터로서 활용할 수 있음을 확인하였다.In addition, the optical behavior of the multichannel optically variable filter of the present invention was observed, and the transmission spectrum wavelengths of the three-channel encoded lugate porous silicon were observed in the 715, 776, and 849 nm regions (black), and the analyte was observed. When methanol (blue) or hexane (red) vapor was blown as, the permeation spectrum shifted to the long wavelength due to the increase of the refractive index while the chemical vapor was filled in the pores of the lugate porous silicon [A in FIG. 5], and methanol vapor As a result of observing the transmission spectrum moving in real time using [B of FIG. 5], it was confirmed that it could be utilized as an optical variable filter.
실험에 사용된 유기용매 메탄올의 증기압은 97.48 mmHg이며, 투과스펙트럼의 이동 정도는 17, 19 및 24nm로 관찰되었다. 또한, 또 다른 유기용매로서, 사용된 헥산의 증기압은 121.26 mmHg이며, 투과스펙트럼의 이동 정도는 51, 57 및 64nm로 나타 났다. The vapor pressure of the organic solvent methanol used in the experiment was 97.48 mmHg, and the transmission spectrum was observed to be 17, 19 and 24 nm. In addition, as another organic solvent, the vapor pressure of hexane used was 121.26 mmHg, and the transmission spectrum shifted to 51, 57 and 64 nm.
상기 결과로부터, 증기압이 큰 헥산의 경우, 메탄올보다 스펙트럼 상 30∼40nm 정도의 큰 이동 폭을 보였다.From the above results, in the case of hexane having a large vapor pressure, the migration width was larger than that of methanol by about 30 to 40 nm.
<실험예 3> 화학센서로서의 응용Experimental Example 3 Application as a Chemical Sensor
3채널로 인코팅된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘이 유기용매 증기에 대한 투과스펙트럼의 신뢰성을 확인하기 위하여, 상기 다공성 실리콘 표면을 친수성 또는 소수성의 형태로 개질하여, 3채널 광학 필터를 준비한 후, 유기용매 센서 실험을 수행하였다. In order to confirm the reliability of the transmission spectrum to the organic solvent vapor, the multi-layer porous silicon of the gated three-layer encoded gate structure was modified to a hydrophilic or hydrophobic form to prepare a three-channel optical filter, Organic solvent sensor experiments were performed.
상기 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 친수성 다공성 실리콘 표면과 소수성 다공성 실리콘 표면을 확인하기 위하여, FT-IR (NICOLET 5700)을 이용하여 관찰하였다. 이때, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 센서 실험을 위한 모든 스펙트럼은 실험실에서 특수하게 제작한 셀 안에 다공성 실리콘을 넣고 수직으로 투사광선과 반사광선이 동일 축에 오도록 하여 얻었다. In order to confirm the hydrophilic porous silicon surface and the hydrophobic porous silicon surface prepared in Examples 2 and 3, it was observed using FT-IR (NICOLET 5700). In this case, all the spectra for the sensor experiment of the multi-channel optical variable filter of the present invention were obtained by putting porous silicon in a cell specially manufactured in a laboratory so that the projection light beam and the reflected light beam were perpendicular to the same axis.
셀 안은 진공 상태로 만들고 유기용매(헥산, 메탄올)들의 순수한 증기가 다공성 실리콘 기공과 반응하여 변화되는 광 반사를 나타내는 반사 스펙트럼의 이동정도를 측정하였다. 유기용매와 반응이 종료된 다공성 실리콘의 표면에서 유기용매를 완전히 제거하기 위해서 감압과 이르곤 기체 흘리기를 5회 정도 반복하여 유기 용매들의 증기를 완전히 제거한 후 측정하였다. The inside of the cell was evacuated and the degree of shift of the reflectance spectrum was measured, indicating that the pure vapors of the organic solvents (hexane, methanol) reacted with the porous silicon pores to change the light reflection. In order to completely remove the organic solvent from the surface of the porous silicon after the reaction with the organic solvent, it was measured after removing the vapor of the organic solvent completely by repeating the depressurization and gas flow about 5 times.
도 6은 본 발명의 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘의 표면개질을 관찰하기 위한 적외선 스펙트럼(FT-IR) 결과로서, 전기ㆍ화학적 부식을 통하 여 제작된 순수한 다공성 실리콘 표면의 경우, υ(Si-H)와 (Si-H)의 분자 진동이 2050∼2150cm-1와 941cm-1에서 나타난다.FIG. 6 is an infrared spectrum (FT-IR) result for observing the surface modification of multi-layered porous silicon of the multichannel encoded lugate structure of the present invention. In the case of a pure porous silicon surface produced through electrochemical corrosion, Molecular vibrations of (Si-H) and (Si-H) occur at 2050 to 2150 cm -1 and 941 cm -1 .
상기 다공성 실리콘의 표면을 열적 산화할 경우, 다공성 실리콘의 표면은 SiO2로 변화되면서, υ(OSi-H)와 υ(Si-O)의 분자진동이 2270cm-1과 1070cm-1에서 관찰되므로 친수성으로 표면개질 됨을 확인하였다. If the thermal oxidation of the surface of the porous silicon, the surface of the porous silicon while being changed to SiO 2, the molecular vibration of υ (OSi-H) and υ (SiO) observed at 2270cm -1 and 1070cm -1, because the hydrophilic It was confirmed that the surface modification.
또한, 상기 다공성 실리콘의 표면을 하이드로실레이션 반응시켜 다공성 실리콘의 표면이 소수성 알킬기로 치환하므로, C-H의 분자진동인 2850∼2960cm-1을 확인하였다.In addition, since the surface of the porous silicon is replaced by a hydrophobic alkyl group by hydrosilylation the surface of the porous silicon, the molecular vibration of CH 2850-2960 cm −1 was confirmed.
도 7은 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다공성 실리콘의 표면이 친수성(A) 또는 소수성(B)으로 치환된 샘플들에 대한 투과스펙트럼 결과로서, 친수성으로 치환된 다채널 광학 필터에 메탄올 증기 또는 헥산 증기를 불어넣었을 때의 투과스펙트럼의 변화에 관한 결과로서, 친수성 증기인 메탄올이 헥산보다 더욱 큰 이동 폭을 가진 스펙트럼이 관찰되었다. 반면에, 상기 다공성 실리콘의 표면이 소수성으로 치환된 다채널 광학 필터는 소수성 용매인 헥산에 의해 큰 폭으로 투과스펙트럼의 파장이동을 확인하였다.FIG. 7 shows the transmission spectrum for samples in which the surface of the porous silicon used in the multichannel optically variable filter is replaced with hydrophilic (A) or hydrophobic (B), with methanol vapor or hexane in a hydrophilic substituted multichannel optical filter. As a result of the change in permeation spectrum when the steam was blown, a spectrum having a larger moving width than that of hexane of the hydrophilic vapor was observed. On the other hand, in the multi-channel optical filter in which the surface of the porous silicon is hydrophobicly substituted, the wavelength shift of the transmission spectrum was largely confirmed by hexane which is a hydrophobic solvent.
도 8은 본 발명의 다채널 광학 가변 필터 투과스펙트럼 중, 최소 파장지점 으로서, 726, 788 및 863nm로 고정시킨 후, 10초 동안 유기용매 증기를 일괄적으로 불어넣었을 때, 굴절률 변화로 인해 발생되는 파장 이동을 연속적으로 측정한 결과이다. 상기 결과로부터, 다채널 광학 가변 필터 투과스펙트럼의 최소지점에 대하여 실시간으로 피크 이동을 측정함으로써, 재사용이 가능한 화학 센서로서 활용할 수 있음을 확인하였다.8 is a minimum wavelength of the multi-channel optical variable filter transmission spectrum of the present invention, fixed at 726, 788, and 863 nm, and caused by a refractive index change when the organic solvent vapor is blown in a batch for 10 seconds. This is the result of measuring the wavelength shift continuously. From the results, it was confirmed that by measuring the peak movement in real time with respect to the minimum point of the multi-channel optical variable filter transmission spectrum, it can be utilized as a reusable chemical sensor.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 As described above, the present invention
첫째, 전기화학적 식각에 의해 제작된 다공성 실리콘 소재의 광학적 특성을 그대로 유지하면서, 상기 다공성 실리콘의 표면에 투명도가 우수하고 탄력성이 우수한 고분자로 코팅하여 표면을 안정화시켜 탄력적이고 다루기 쉬운 광학 복합 필름형태의 다채널 광학 가변 필터를 제공하였다. First, while maintaining the optical properties of the porous silicon material produced by electrochemical etching as it is, the surface of the porous silicon is coated with a polymer having excellent transparency and excellent elasticity to stabilize the surface to form a flexible and easy to handle optical composite film A multichannel optically variable filter was provided.
둘째, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터는 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘을 이용하여, 특정파장의 반사피크를 원하는 수만큼 조절함으로써 다양한 분석물질들을 단시간에 감지할 수 있는 다채널 광학 가변 필터를 제공하였다. Second, the multi-channel optical variable filter of the present invention uses multi-channel encoded lugate structured multi-layered porous silicon, and by controlling the number of reflection peaks of a specific wavelength as desired, multi-channel optical that can detect various analytes in a short time Variable filters were provided.
셋째, 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다공성 실리콘의 표면을 친수성 또는 소수성으로 표면개질함에 따라, 분석물질의 화학적 성질에 따른 선택적 감지가 가능한 화학센서를 제공하였다.Third, according to the surface modification of the surface of the porous silicon used in the multi-channel optical variable filter of the present invention to hydrophilic or hydrophobic, it provided a chemical sensor capable of selective sensing according to the chemical properties of the analyte.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다. Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
도 1은 본 발명의 다채널 인코딩된 루게이트 구조의 다층 다공성 실리콘 및 그를 이용한 다채널 광학 가변 필터의 광학 스펙트럼결과이고, 1 is an optical spectral result of a multi-layer porous silicon having a multi-channel encoded lugate structure and a multi-channel optical variable filter using the same.
도 2는 도 1의 광학 복합 필름을 이용한 다채널 광학 가변 필터의 실제 형상 사진이고, FIG. 2 is an actual shape photograph of a multichannel optical variable filter using the optical composite film of FIG. 1,
도 3은 본 발명의 다채널 광학 가변 필터를 표면 및 측면에서 관찰한 주사현미경 결과이고, 3 is a scanning microscope result of observing the multi-channel optical variable filter of the present invention from the surface and side,
도 4는 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 전체 측면을 관찰한 주사현미경 결과이고, 4 is a scanning microscope result of observing the whole side surface of the multi-channel optical variable filter of the present invention.
도 5는 본 발명의 다채널 광학 가변 필터의 광학적 거동을 관찰한 결과이고, 5 is a result of observing the optical behavior of the multi-channel optical variable filter of the present invention,
도 6은 본 발명의 다채널 광학 가변 필터에 사용되는 다층 다공성 실리콘의 표면개질에 따른 적외선 스펙트럼 결과이고, 6 is an infrared spectrum result of the surface modification of the multilayer porous silicon used in the multi-channel optical variable filter of the present invention,
도 7은 본 발명의 도 6의 다공성 실리콘의 표면이 친수성(A) 또는 소수성(B)으로 치환된 경우의 투과스펙트럼이고, 7 is a transmission spectrum when the surface of the porous silicon of FIG. 6 of the present invention is replaced with hydrophilic (A) or hydrophobic (B),
도 8은 본 발명의 화학센서에서 화학증기에 대한 실시간 파장변화를 관찰한 결과이다. 8 is a result of observing the real-time wavelength change of the chemical vapor in the chemical sensor of the present invention.
Claims (12)
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