KR20150056958A - 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 - Google Patents

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류진화
백규하
도이미
이강복
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한국전자통신연구원
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Abstract

평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 및 제조 방법을 제공한다. 고분자 복제 공정으로 저비용, 단순한 공정으로 용존 산소 측정용 센서 제작이 가능하다. 도한, 용존 산소 측정을 위한 광연결에서 수동 광정렬이 가능하여 공정 단계 및 시간이 줄어들고 광손실 제어가 가능하여 높은 신뢰성을 확보할 수 있게 된다. 그리고 광 신호의 전송 선로와 센싱 멤브레인이 평면 고분자 쉬트에 내장 및 적층된 구조로 제작이 가능하여 고집적화가 가능하다.

Description

평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서{POLYMER PLANAR LIGHT CIRCUIT TYPE DISSOLVED OXYGEN SENSOR}
평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 구조 및 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 신호를 전달하는 채널이 평면 고분자 쉬트에 내장 되고, 용존산소를 측정하는 감지막이 고분자 쉬트 표면에 적층된 용존 산소 센서에 관한 것이다.
용존 산소(dissolved oxygen)는 해양 수산 분야, 폐수 처리 산업, 발효 공정 산업, 식품 산업, 생활 환경 관련 산업 등 다양한 분야에서 중요한 변수로 사용되고 있다. 용존 산소는 물의 특성을 직접적으로 나타내는 척도로 사용되고 있으며, 특히 오염 및 환경의 측정 지표로 사용되고 있다.
또한 인간의 건강 관리 수단으로도 사용되고 있다. 혈액은 산소를 인간의 신체 세포 및 조직으로 전달하는 수단으로, 혈액의 산소 농도는 건강관리 지표로 사용되고 있다. 용존 산소 측정은 정밀도, 내구성, 안전성 등의 이유로 전기식 센서에서 광학식 센서로 기술이 발전하고 있다.
광학식 용존 산소 센서는 크게 광원(optical source), 센싱 멤브레인(sensing membrane), 및 광 검출기(optical detector)로 구성된다. 광원은 용존 산소 농도를 측정하기 위한 에너지원으로 특정 파장의 광 신호를 발산한다. 그리고 센싱 멤브레인은 측정 환경에 존재하는 산소 성분과 반응하는 막으로써, 광원으로부터 도달된 특정 파장의 광 신호에 선택적으로 반응하여 여기된(excited) 에너지가 안정화 되면서 다른 파장의 광 신호로 형광특성을 발산한다. 이때 형광특성은 측정 환경 내에 존재하는 산소 농도에 의존적인 특성을 나타낸다. 그리고 광 검출기에서는 센싱 멤브레인에 반응하고 방출되는 형광 특성의 광 신호 에너지를 측정하여 측정환경의 용존 산소를 측정하게 된다.
기존의 이러한 광 센서는 광원, 센싱 멤브레인, 광 검출기의 집적화에 따른 시스템적인 부피, 시스템 내부의 광 신호 송신 및 수신에 따른 광손실 또는 광원, 광도파로, 센싱멤브레인, 광 검출기 간의 광 정렬에 따른 공정 시간과 공정 비용의 한계성을 내포하고 있다.
따라서, 저비용으로 단순하고, 고효율의 용존 산소 측정이 가능한 센서의 연구가 수행되어야 한다.
일측에 따르면, 제1 광원에서 발산되는 제1 파장 광 신호 전송 선로 및 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 특성의 제2 파장 광 신호 전송 선로가 내장된 평면 고분자 쉬트 -상기 센싱 멤브레인은 측정 물질의 산소 농도에 따라 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산함 - 및 상기 평면 고분자 쉬트에 코팅되는 센싱 멤브레인을 포함하는 용존 산소 센서를 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 광 신호 전송 선로는 광학적 특성을 가진 기판에 레진을 도포하고, 상기 레진을 상기 기판에 접촉되는 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 레진은 자외선 경화성 고분자 물질일 수 있고, 상기 탄성체 몰드는 PDMS 고분자 물질로 제조된 PDMS 몰드일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 고분자 쉬트는 상기 기판과 동일한 광학적 특성을 가지는 고분자 물질로 상기 기판의 반대 면에 코팅될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 탄성체 몰드의 적어도 일부분은 상기 기판과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 평면 고분자 쉬트는, 상기 제1 파장 광 신호 및 상기 제2 파장 광 신호의 진행 방향 제어를 위해, 상기 탄성체 몰드의 'V' 형상에 기반하여 경화된 광 신호 전송 경로의 상기 'V' 형상 부분에 금속층을 증착할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 센싱 멤브레인은, 상기 측정 물질의 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체 성분이 포함된 용액으로 코팅될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제1 광원에서 발산되는 상기 제1 파장의 광 신호와 광학적 특성 비교를 위해 상기 제2 파장의 광신호를 발산하는 제2 광원을 더 포함할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 제1 광원에서 발산되는 제1 파장 광 신호 전송 선로 및 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 특성의 제2 파장 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계 -상기 센싱 멤브레인은 측정 물질의 산소 농도에 따라 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산함 - 및 상기 센싱 멤브레인을 상기 평면 고분자 쉬트에 코팅하는 단계를 포함하는 용존 산소 센서 제조 방법을 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계는, 상기 평면 고분자 쉬트에 포함되는 광학적 특성을 가진 기판에 레진을 도포하는 단계 -상기 레진은 상기 특정 파장의 광 신호 전송 선로 및 상기 형광 특성의 광 신호 전송 선로를 제작하는 재료로 사용됨; 및 상기 레진을 상기 기판과 접촉되는 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 기판과 동일한 특성을 가지는 고분자 물질로 상기 기판의 반대 면에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 레진은 자외선 경화성 고분자 물질일 수 있고, 상기 탄성체 몰드는 PDMS 고분자 물질로 제조된 PDMS 몰드일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 탄성체 몰드의 적어도 일부분은 상기 기판과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 상부 층을 코팅하는 단계는, 상기 제1 파장 광 신호 및 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호의 진행 방향 제어를 위해, 상기 탄성체 몰드의 'V' 형상에 기반하여 경화된 광신호 전송 경로의 'V' 형상 부분만 노출되고, 상기 탄성체 몰드의 나머지 부분은 노출되지 않도록 제작된 마스크를 정렬하는 단계 및 상기 노출된 광신호 전송 경로의 'V' 형상의 표면에 금속층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 센싱 멤브레인을 상기 평면 고분자 쉬트에 코팅하는 단계는, 상기 측정 물질의 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체 성분이 포함된 용액으로 코팅할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 제1 광원에서 발산되는 제1 파장의 광 신호가 평면 고분자 쉬트에 내장된 광 신호 전송 선로로 입사되는 단계, 상기 제1 파장의 광 신호의 전송 경로가 상기 전송 선로의 적어도 일부분에 포함되는 금속층에 의해 전환되어 상기 제1 파장의 광 신호가 센싱 멤브레인에 도달하는 단계, 측정 물질의 산소 성분에 반응하여 상기 센싱 멤브레인이 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산하는 단계 및 상기 제2 파장의 광 신호가 광 검출기로 도달하는 단계를 포함하는 용존 산소 측정 방법을 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 금속층은, 용존 산소 센서의 기판과 45도 각도로 형성되는 'V'형상일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제1 광원에서 발산되는 상기 제1 파장의 광 신호와 광학적 특성 비교를 위해 상기 제2 파장의 광 신호를 발산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 광학식 용존 산소 센서의 구성도를 도시한다.
도 2는 임프린트 공정 기반의 고분자 광회로 소자 제작 공정 단면도를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서의 구조를 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자의 제작 공정 단면도를 도시한다.
도 5는 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자의 제작 흐름도를 도시한다.
도 6은 일실시예에 따른 광 신호의 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 흐름도를 도시한다.
도 7은 일실시예에 따른 용존 산소 측정 방법의 흐름도를 도시한다.
이하에서, 본 발명의 일부 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하에서, 본 발명에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서의 일실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 일실시예에 따라 제작되는 광학 센서는 평면 광회로 소자 기술, 고분자 복제 기술, 형광 기술이 포함될 수 있다. 현재 평면 광회로 소자는 대용량 정보의 고속 처리를 위하여 활발한 연구가 이루어지고 있는 분야이다. 이러한 연구는 저가격, 고효율의 관점에서 고분자를 이용한 소자 제작 기술이 각광받고 있다. 또한 현재 고분자를 이용한 소자 제작 방법 중에서 임프린트 기술이 부각되고 있다.
임프린트(imprint) 기술은 미세 구조물을 가진 금형을 고분자와 물리적으로 접촉시켜 미세 패턴을 직접 전사시키는 기법으로 단순한 공정, 짧은 공정시간 및 저렴한 공정비용으로 마이크로/나노 패터닝(micro/nano patterning) 기술에서 차세대 공정 기술로 부각되고 있다. 이하에서는 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서의 제작 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 광학식 용존 산소 센서의 구성도(100)를 도시한다.
일반적인 광학식 용존 산소 센서는 특정 파장의 제1 광원(110)에서 산소의 농도를 측정하기 위하여 측정 매질과 접촉하고 있는 센싱 멤브레인(140)에 광신호를 발산한다. 센싱 멤브레인(140)에서는 산소 농도에 따른 형광 특성의 광신호를 발산하고, 발산된 광 신호를 광 검출기(130)에서 측정한다.
측정 결과의 신뢰성 및 정밀도 확보를 위하여 동일한 방법으로 특정 파장의 제2 광원(120)에서 센싱 멤브레인(140)으로 광신호를 발산하고, 센싱 멤브레인(140)과 반응한 광신호를 광검출기(130)에서 측정한다.
제1 광원(110)은 일반적으로 450nm 파장 대의 청색 LED(Light Emitting Diode)가 사용된다. 센싱 멤브레인(140)은 입사된 광신호에 대하여 형광 특성을 나타내는 재료로 구성되어 있으며, 현재 루테늄 복합체(ruthenium complex) 성분이 기본적으로 사용되고 있다. 루테늄 복합체는 산소 성분과 반응하여 450nm 파장 대역의 청색 계열 광신호에 대하여 620nm 파장 대역의 적색 계열 광신호를 발산하는 특성을 가지고 있다.
제2 광원(120)은 제1 광원(110)에 의하여 센싱 멤브레인(140)과 반응하고 발산되는 형광 특성의 광 신호와 동일한 파장의 광원을 사용한다. 제1 광원(110)과 제2 광원(120)에 의하여 센싱 멤브레인(140)과 반응된 광 신호는 광검출기(130)에서 각각 수신한다.
제1 광원(110) 및 제2 광원(120)에 의해 발산되는 두 광 신호 사이의 위상 차이(phase difference), 광 세기(optical intensity), 형광 발산 시간 등의 광학적 특성을 수집하여, 온도, 압력 등의 주변 환경 변수를 보정하여 용존 산소를 측정하게 된다.
용존 산소 센서는 센싱 멤브레인(140)의 한쪽 면만 측정 매질의 외부 환경과 노출 및 접촉되도록 한다. 또한, 제1 광원(110) 및 제2 광원(120), 광검출기(130) 및 센싱 멤브레인(140)은 외부 환경과 단절되도록 케이스(150)에 내장된 프루브 형태로 구성된다.
다만, 종래의 이러한 광학식 용존 산소 센서는 광원, 센싱 멤브레인, 광검출기의 집적화에 따른 시스템적인 부피, 광정렬에 따른 공정 시간과 공정 비용 면에서 단점이 존재한다. 따라서, 이하에서는 시스템의 부피, 공정 시간 및 공정 비용을 개선하기 위한 고분자 복제 공정 중의 하나인 임프린트 공정기반의 광회로 제작 공정에 대해 후술한다.
이하에서 서술하는 공정은 임프린트 공정에서 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 일실시예일 뿐이며, 이에 제한되는 것이 아님은 해당 분야의 기술자에게 있어 자명할 것이다.
도 2는 임프린트 공정 기반의 고분자 광회로 소자 제작 공정 단면도(200)를 도시한다.
포토리소그래피(Photolithography) 공정과 같은 일반적인 방법으로 제작된 원형 마스터(210)를 사용하여 공정을 수행할 수 있다. 원형 마스터(210)를 직접적으로 사용하여 공정을 수행할 수도 있지만, 원형 마스터(210)의 수명 및 자외선 노광 공정을 위하여 자외선 투과도가 우수한 복제 몰드 제작을 위하여 탄성체 몰드(elastic body mold) 제작 공정을 수행할 수 있다.
여기에서 탄성체 몰드는 PDMS(PolyDiMenthylSiloxane) 고분자 물질을 기준으로 설명하나 이는 설명의 목적일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다. 공정은 액체 상태의 PDMS 고분자 물질(220)을 원형 마스터(210)의 표면에 도포하면, 액체의 유동성에 의하여 원형 마스터(210)의 모든 패턴과 접촉하게 될 수 있다. 그리고 60℃ 내지 90℃ 의 온도에서 1시간 내지 4시간 정도 경과하면 액체 상태에서 경화 반응이 이루어져 탄성적인 특성을 가진 PDMS 몰드(230)를 제작할 수 있다.
제작된 PDMS 몰드(230)는 낮은 표면 에너지와 탄성적인 특성에 의하여 원형 마스터(210)와 쉽게 분리가 가능하다. 이하에서는 상기 제작된 PDMS 몰드를 이용하여 광 신호의 전송 선로인 코어 층(260)을 제작하는 공정 과정에 대해 설명한다.
코어 층(260)의 제작은 다음과 같다. 우선 광학적 특성을 가진 기판(250)에 자외선 경화성 고분자 레진(resin)(240)을 도포할 수 있다. 그 후 PDMS 몰드(230)와 기판(250)이 접촉되도록 1 bar 내지 5 bar의 압력을 인가하면, 자외선 경화성 레진(240)이 PDMS 몰드(230)의 캐비티(cavity)에만 충진이 가능하여 질 수 있다.
그런 다음에 PDMS 몰드(230)를 투과시켜 자외선 경화성 레진(240)에 자외선이 노출되도록 노광 공정(expose process)을 수 초간 수행하면, 광중합 반응(photopolymerization)에 의하여 액체 상태의 고분자 레진은 고체 상태로 경화반응이 일어날 수 있다.
PDMS 몰드(230)는 낮은 표면 에너지와 탄성적인 특성에 의하여 코어 층(260)의 패턴과 쉽게 분리가 가능해 질 수 있다. 이 때, 코어 층(260)이 제작되는 기판(250)은 하부 클레드(clad) 층 역할을 수행할 수 있다.
또한, 하부 클레드 층 역할을 하는 기판(250)의 굴절율과 동일한 고분자 물질로 상부 층을 코팅하게 되면, 광회로층의 상부 클레드(270) 층이 완성될 수 있다. 여기에서의 하부 클레드 층의 역할을 하는 기판(250)과 상부 클레드(270) 층은 광 신호가 전송 선로를 벗어나서 외부로 빠져나가 광 손실이 발생하는 현상을 막아주는 역할을 할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서의 구조(300)를 도시한다.
도 3에 도시된 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서(330)의 구조에서 상단 부분은 용존 산소 센서(330)의 평면도이며, 하단의 점선 부분은 용존 산소의 측정이 이루어지는 센싱부의 단면 구조도를 도시한다.
이하에서 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서(330)는 2 x 1 평면 광회로 구조로서 설명하고 있으나, 이는 상기 구조는 일실시예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.
평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서(330)는 채널 1(ch 1)을 통하여 제1 광원(310)에서 발산되는 450nm 파장 대역의 청색 광신호가 입사될 수 있다. 또한 채널 1에서 입사되는 광신호는 센싱부의 코어 층(360)에서 45도 금속 미러(mirror) 면(380)에 도달하게 되면 광 신호의 경로는 90도 방향으로 전환 될 수 있다. 90도 방향으로 전환되는 광 신호는 하부 클레드(350)층을 통과하여 수직 아래 방향으로 진행하게 될 수 있다.
산소 성분에 반응하여 형광 특성을 발산하는 센싱 멤브레인(390)에 광신호가 도달하면, 620nm 파장 대역의 적색 광신호가 발산될 수 있다. 그리고 용존 산소 정보를 가진 형광 신호는 다시 하부 클레드(350) 층을 수직으로 통과하여 45도 금속 미러 면(380)에 반사되어 90도 방향으로 방향이 전환될 수 있다. 90도 방향으로 전환된 광 신호는 센싱부의 코어 층(360)으로 진행하여 광 검출기(340)에 도달할 수 있다.
광 신호가 외부로 빠져나가게 된다면 광 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 상부 클레드(370) 층을 광 신호의 전송 경로인 코어 층(360)의 윗부분에 적층시키고, 상부 클레드(370) 층은 광 신호가 외부로 빠져나가지 않게 하는 역할을 할 수 있다.
또한, 용존 산소 센서의 정밀도 및 신뢰도의 향상을 위하여 제2 광원(320)에서 발산되는 광 신호 또한 평면 광회로형 용존 산소 센서 소자(330)의 채널 2(ch 2)로 입사될 수 있다. 입사된 광 신호의 진행 경로는 채널 1의 광 신호 진행 경로와 동일하게 도파될 수 있다.
제2 광원(320)은 620nm 파장 대역의 적색 광원을 사용하며, 이는 제1 광원(310)에 의하여 센싱 멤브레인(390)에서 발산되는 광신호와 제2 광원(320)에서 발산되는 광신호의 광학적 특성 비교를 위한 기준 광원으로 사용될 수 있다.
여기에서 용존 산소 센서가 측정하게 되는 측정 매질의 외부 환경과 센싱 멤브레인(390)이 노출 및 접촉하게 되는 부분의 코어 층에 금속 미러 면(380)을 가지도록 제작할 수 있다.
센싱부 이외의 광 신호 전송 경로는 도 2에서 설명한 바와 같이 코어 층에서 광 신호의 경로가 바뀌지 않고 코어 층을 통해 광 신호가 계속 전송되어 광 신호가 외부로 손실되지 않도록 제작될 수 있다. 상기 센싱부에 대한 제작 공정에 대해서는 도 4에서 후술하도록 한다.
도 4는 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자의 제작 공정 단면도(400)를 도시한다.
도 4에서 도시된 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자의 단면도(400)는 광 신호의 진행 경로 방향의 단면도이다. 이하에서 서술되는 설명 및 도 4에서 도시된 도면은 모두 광 신호의 진행 경로 방향의 단면도를 중심으로 설명한다.
다만, 이해의 편의를 돕기 위하여 원형 마스터(410)는 추가적으로 90도 방향의 단면도(411) 및 평면도(412)를 추가적으로 도시하였고, 이하의 공정에서는 모두 동일한 구조에서 제작 공정이 진행되므로 반복을 피하기 위해 각각의 공정에서의 90도 방향의 단면도 및 평면도는 생략하였다.
일실시예에 따르면, 원형 마스터(410)는 전통적인 포토리소그래피 공정과 RIE 공정(Reactive Ion Etching process)을 통하여 제작할 수 있다. 또한, 기판(450)과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상의 센싱부 구조(415)는 'V'모양 다이아몬드 블레이드(V-shaped diamond blade)를 사용하여 V-소윙(V-sawing) 공정으로 제작할 수 있다.
여기에서도 도 2와 마찬가지로 원형 마스터(410)를 직접적으로 사용하여 공정을 수행할 수도 있지만, 원형 마스터(410)의 수명 및 자외선 노광 공정을 위하여 자외선 투과도가 우수한 복제 몰드 제작을 위하여 탄성체 몰드(elastic body mold) 제작 공정을 수행할 수 있다. 또한, 여기에서 탄성체 몰드는 PDMS 고분자 물질을 기준으로 설명하나 이는 일실시예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서는 상기한 바를 참조하여 평면 광회로형 용존 산소 센서 제작을 위한 PDMS 복제 몰드(430)의 제작 과정에 대해 설명한다.
PDMS 복제 몰드(430)의 제작 과정은 다음과 같다. 우선, 원형 마스터(410)의 표면에 액체 상태인 PDMS 용액(420)을 도포한다. 그 후에 원형 마스터(410)의 모든 구조물과 액체 상태의 PDMS 용액(420)이 접촉되었을 때, 60℃ 내지 90℃ 의 온도에서 1시간 내지 4시간 정도의 조건을 인가하면 액체 상태의 PDMS 고분자 용액(420)은 경화 반응에 의하여 탄성적인 성질을 가진 PDMS 몰드(430)로 제작될 수 있다. 제작된 PDMS 몰드(430)는 낮은 표면 에너지와 탄성적인 특성에 의하여 원형 마스터(410)와 쉽게 분리가 가능하다.
이하에서는 제작된 PDMS 몰드(430)를 이용하여 임프린트 공정에 의한 용존 산소 센서 제작을 위한 광회로 소자의 제작 공정도를 설명한다. 다만, 이는 일실시예일 뿐이며, 후술할 공정 과정에 제한되는 것이 아님은 해당 분야의 기술자에게 있어 자명할 것이다.
광회로 소자의 제작은 우선 하부 클레드로 사용될 기판(450)에 레진(440)을 도포할 수 있다. 기판(450)은 평면 고분자 회로 쉬트에 포함되는 광학적 특성을 가진 기판이며, 레진(44)은 자외선 경화성 고분자 물질일 수 있다.
기판(450)에 레진(440)을 도포한 후에, PDMS 몰드(430)와 하부 클레드 역할을 하는 기판(450)이 접촉되도록 1 bar 내지 5 bar의 압력을 인가할 수 있다. 1 bar 내지 5 bar 크기의 압력을 인가하면, 레진(440)이 PDMS 몰드(430)의 캐비티에만 충진이 가능해질 수 있다.
그 후에, 레진(440)이 자외선 경화성 고분자 물질인 경우, 자외선 경화성 레진에 자외선이 노출 되도록 하는 노광 공정을 수 초간 수행하면, 광중합 반응에 의하여 액체 상태의 고분자 레진은 고체상태로 경화반응이 일어날 수 있다. 다만, 이는 일실시예에 불과하며, 레진의 특성에 따라 레진을 경화할 수 있는 다른 방법이 사용될 수 있음은 해당 기술 분야의 기술자에게 있어 자명할 것이다.
레진(440)이 액체 상태에서 고체 상태로 경화된 후, PDMS 몰드(430)를 분리할 수 있다. PDMS 몰드(430)는 낮은 표면 에너지와 탄성적인 특성에 의하여 코어 층(470)의 패턴과 쉽게 분리가 가능하다.
PDMS 몰드(430)를 코어 층(470)과 분리한 후에, 광신호의 진행 방향 제어를 위하여 코어 층(470)의 'V' 형상 부분에만 노출되고 나머지 코어 층(470) 부분은 노출되지 않도록 제작된 마스크(460)를 정렬할 수 있다.
이와 같이 마스크(460)를 정렬하는 이유는 코어 층(470)의 'V' 형상 표면 부분에만 금속층(475)을 증착시키기 위함이다. 'V' 형상 부분이 아닌 나머지 코어 층(470) 부분에 금속층(475)이 증착되게 되면 광 신호의 진행 방향에 영향을 줄 수 있으므로, 마스크(460)를 정렬하여 이와 같은 현상을 방지할 수 있다.
코어 층(470)의 'V' 형상 부분에 증착되는 금속층(475)은 하부 클레드 역할을 하는 기판(450)과 45도 각도를 이루도록 원형 마스터(410) 및 PDMS 몰드(430)가 제작되었기 때문에 금속층(475)역시 기판(450)과 45도 각도를 이루게 될 수 있다.
금속층(475)은 45도 각도에 의하여 광 신호의 진행 방향을 90도 방향으로 전환하는 제어가 가능한 미러(mirror) 역할을 할 수 있다. 일반적으로 금속층(475)은 금(gold)으로 증착이 가능할 수 있다.
하부 클레드 층의 역할을 하는 기판(450)의 굴절율과 동일한 고분자 물질로 상부 층을 코팅하게 되면 센싱부의 광회로 층의 상부 클레드(480)층이 완성될 수 있다. 도 2에서 설명한 부분은 센싱부가 아니기 때문에 광 신호의 전송 경로 역할을 하는 광회로 층만을 제작하였으나, 센싱부는 측정 매질의 용존 산소를 측정하기 위한 센싱 멤브레인(490)을 제작하는 공정이 더 필요하므로, 센싱 멤브레인(490)을 제작하는 공정에 대해 설명한다.
일실시예에 따르면, 센싱 멤브레인(490)은 광회로 층에 코팅되어 제작될 수 있다. 센싱 멤브레인(490)은 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체(ruthenium complex) 성분이 포함된 용액의 코팅에 의하여 제작할 수 있다.
상기한 바와 같이 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서는 기존의 광학식 용존 산소 센서에서 발생할 수 있는 단점을 개선할 수 있다. 기존의 광학식 용존 산소 센서의 단점인 시스템에서 차지하는 부피, 공정 시간과 공정 비용 측면을 개선하여 저비용 및 단순한 방법으로 고집적, 고효율의 용존 산소 측정이 가능한 센서를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서는 용존 산소 측정을 위하여 제1 광원에서 발산된 광신호의 전송 선로, 제2 광원에서 발상되는 광신호의 전송 선로, 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 신호의 전송 선로 및 센싱 멤브레인이 평면 고분자 쉬트에 내장 및 적층된 구조로 제작될 수 있다.
또한, 광학 센서 제작을 위하여 요구되는 광정렬 공정이 필요 없는 수동 광정렬(passive alignment)이 가능하고, 단순한 고분자 복제 공정을 통하여 저비용으로 광학 센서를 제작하는 방법을 제공할 수 있다. 수동 광정렬은 제작 공정에 의하여 치수적, 구조적으로 정렬이 자동적으로 되어, 별도의 광정렬이 필요없는 정렬기법이다.
이하에서는 보다 구체적으로 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서를 제작하는 방법을 전송 선로 역할을 하는 광회로 층을 중심으로 설명한다.
도 5는 일실시예에 따른 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자의 제작 흐름도를 도시한다.
단계(510)에서는 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장 할 수 있다. 적어도 하나의 광원에서 발산되는 특정 파장의 광 신호 전송 선로 및 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 특성의 광신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계이다.
단계(510)에 앞서 평면 고분자 광회로형 용존 산소 센서 소자에 광원을 우선적으로 배치할 수 있다. 배치된 광원에 따라 전송 선로 역할을 하는 광회로 층을 광신호 회로 소자의 특성에 맞게 배치할 수 있다.
또한, 광 신호의 광학적 특성을 검출하는 광 검출기를 배치하고, 광원에서 발산되는 광 신호가 전송 선로 역할을 하는 광회로 층을 통해 광 검출기로 전송될 수 있도록 제작할 수 있다.
단계(520)에서는 센싱 멤브레인을 평면 고분자 쉬트에 코팅할 수 있다. 일실시예에 따르면, 센싱부는 광 신호 전송 선로의 특정 부분에 국한될 수도 있고, 광 신호의 전송 선로 전체에 걸쳐서 형성되도록 제작될 수도 있다.
센싱부가 광 신호 전송 선로의 특정 부분에 국한되게 설계되는 경우, 센싱부를 제외한 광 신호 전송 선로의 나머지 부분에서는 상기 센싱 멤브레인을 평면 고분자 쉬트에 코팅하는 단계를 생략할 수 있다.
도 6에서는 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계에 대해 더 자세하게 후술한다.
도 6은 일실시예에 따른 광 신호의 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 흐름도를 도시한다.
단계(610)에서는 기판에 레진을 도포할 수 있다. 일실시예에 따르면, 평면 고분자 쉬트에 포함되는 광학적 특성을 가진 기판에 레진을 도포할 수 있다. 레진은 광원이 발산하는 특정 파장의 광 신호 및 센싱 멤브레인이 발산하는 형광 특성의 광 신호의 전송 선로를 제작하는 재료로 사용될 수 있다.
단계(620)에서는 탄성체 몰드와 상기 기판이 접촉되도록 압력을 인가할 수 있다. 탄성체 몰드는 센싱부인 경우 'V' 형상을 가지도록 제작될 수 있고, 센싱부가 아닌 단순히 광 신호의 전송 선로로 이용되는 부분에서는 전송 선로 역할을 하는 레진이 끊어지지 않고 이어지도록 하여 광 신호가 외부로 손실됨이 없이 진행되도록 제작될 수 있다.
단계(630)에서는 레진을 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 경화시킬 수 있다. 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 광 신호의 전송 선로 역할을 하는 레진을 액체 상태에서 고체 상태로 경화시킬 수 있다. 이 때, 탄성체 몰드가 센싱부인 경우와 단순한 광 신호 전송 선로인 경우 다르게 제작되므로 레진 역시 상기 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 센싱부와 전송 선로 부분인 경우 다르게 경화될 수 있다.
단계(640)에서는 광신호 전송 경로 제어를 위한 금속층을 증착할 수 있다. 상기 금속층은 광신호 전송 경로를 제어하는 역할을 할 수 있다. 금속층은 기판과 45도 각도를 이루게 되므로 광 신호의 진행 방향을 90도 방향으로 전환하는 제어가 가능한 미러(mirror) 역할을 할 수 있다.
단계(650)에서는 하부 클레드 층 역할을 하는 기판과 동일한 광학적 특성을 가지는 고분자 물질로 상부 층을 코팅할 수 있다. 상기 상부 층은 상부 클레드 층의 역할을 하며 광 신호가 외부로 빠져나가 광 손실이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6에서 설명한 평면 고분자형 용존 산소 센서 제조 공정의 자세한 과정 및 방법에 대해서는 도 2 내지 도 4에서 상술한 바와 같다.
도 7은 일실시예에 따른 용존 산소 측정 방법의 흐름도를 도시한다.
단계(710)에서 제1 광원에서 발산되는 제1 파장 광신호가 평면 고분자 쉬트에 내장된 광 신호 전송 선로로 입사될 수 있다. 제1 파장 광 신호는 채널 1(ch 1)을 통하여 제1 광원에서 발산되는 450nm 파장 대역의 청색 계열 광 신호가 입사될 수 있다. 상기 제1 파장 광 신호는 광 신호 전송 선로를 통해 진행하며, 전송 경로가 전환되기 전까지는 상부 클레드 층 및 하부 클래드 층에 의해 외부로 손실되지 않을 수 있다.
단계(720)에서는 상기 제1 파장 광 신호의 전송 경로가 금속층에 의해 전환 되어 상기 제1 파장의 광 신호가 센싱 멤브레인에 도달할 수 있다. 광 신호가 전송 경로로 진행하던 중 금속 층에 도달하게 되면 광 신호의 전송 경로가 전환될 수 있다. 금속층이 평면 고분자 쉬트의 기판과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상인 경우, 광 신호는 상기 금속 층에 반사되어 90도 방향으로 전송 경로가 전환될 수 있다.
단계(730)에서는 상기 제1 파장 광 신호가 센싱 멤브레인에 도달한 후, 측정 물질의 산소 성분에 반응하여 센싱 멤브레인이 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산할 수 있다. 상기 센싱 멤브레인은 측정 물질의 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체 성분이 포함된 용액으로 코팅될 수 있다.
단계(740)에서는 측정 물질의 용존 산소 정보를 가진 형광 특성의 제2 파장 광 신호가 광 검출기로 도달할 수 있다. 상기 제2 파장 광 신호를 분석하여 용존 산소를 측정할 수 있다. 또한, 용존 산소 측정의 정밀도 및 신뢰도 향상을 위하여 제2 광원에서 상기 제2 파장과 동일한 파장의 광 신호를 발산할 수 있다. 상기 제2 광원에서 발산되는 제2 파장의 광 신호는 상기 제1 파장의 광신호와 광학적 특성 비교를 위한 기준 광원으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 제1 광원에서 발산되는 제1 파장 광 신호 전송 선로 및 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 특성의 제2 파장 광 신호 전송 선로가 내장된 평면 고분자 쉬트 -상기 센싱 멤브레인은 측정 물질의 산소 농도에 따라 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산함 -; 및
    상기 평면 고분자 쉬트에 코팅되는 센싱 멤브레인
    을 포함하는 용존 산소 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 신호 전송 선로는 광학적 특성을 가진 기판에 레진을 도포하고, 상기 레진을 상기 기판에 접촉되는 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 경화시킴으로써 형성되는, 용존 산소 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레진은 자외선 경화성 고분자 물질인, 용존 산소 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체 몰드는 PDMS 고분자 물질로 제조된 PDMS 몰드인, 용존 산소 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 쉬트는 상기 기판과 동일한 광학적 특성을 가지는 고분자 물질로 상기 기판의 반대 면에 코팅되는, 용존 산소 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체 몰드의 적어도 일부분은 상기 기판과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상인, 용존 산소 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 평면 고분자 쉬트는,
    상기 제1 파장 광 신호 및 상기 제2 파장 광 신호의 진행 방향 제어를 위해, 상기 탄성체 몰드의 'V' 형상에 기반하여 경화된 광 신호 전송 경로의 상기 'V' 형상 부분에 금속층을 증착하는, 용존 산소 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 멤브레인은,
    상기 측정 물질의 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체 성분이 포함된 용액으로 코팅되는, 용존 산소 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원에서 발산되는 상기 제1 파장의 광 신호와 광학적 특성 비교를 위해 상기 제2 파장의 광신호를 발산하는 제2 광원
    을 더 포함하는 용존 산소 센서.
  10. 제1 광원에서 발산되는 제1 파장 광 신호 전송 선로 및 센싱 멤브레인에서 발산되는 형광 특성의 제2 파장 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계 -상기 센싱 멤브레인은 측정 물질의 산소 농도에 따라 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산함 -; 및
    상기 센싱 멤브레인을 상기 평면 고분자 쉬트에 코팅하는 단계
    를 포함하는 용존 산소 센서 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광 신호 전송 선로를 평면 고분자 쉬트에 내장하는 단계는,
    상기 평면 고분자 쉬트에 포함되는 광학적 특성을 가진 기판에 레진을 도포하는 단계 -상기 레진은 상기 특정 파장의 광 신호 전송 선로 및 상기 형광 특성의 광 신호 전송 선로를 제작하는 재료로 사용됨-; 및
    상기 레진을 상기 기판과 접촉되는 탄성체 몰드의 형상에 기반하여 경화시키는 단계
    를 포함하는 용존 산소 센서 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판과 동일한 특성을 가지는 고분자 물질로 상기 기판의 반대 면에 코팅하는 단계
    를 더 포함하는 용존 산소 센서 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레진은 자외선 경화성 고분자 물질인, 용존 산소 센서 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 탄성체 몰드는 PDMS 고분자 물질로 제조된 PDMS 몰드인, 용존 산소 센서 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탄성체 몰드의 적어도 일부분은 상기 기판과 45도 각도로 형성되는 'V' 형상인, 용존 산소 센서 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 상부 층을 코팅하는 단계는,
    상기 제1 파장 광 신호 및 상기 형광 특성의 제2 파장 광 신호의 진행 방향 제어를 위해, 상기 탄성체 몰드의 'V' 형상에 기반하여 경화된 광신호 전송 경로의 'V' 형상 부분만 노출되고, 상기 탄성체 몰드의 나머지 부분은 노출되지 않도록 제작된 마스크를 정렬하는 단계; 및
    상기 노출된 광신호 전송 경로의 'V' 형상의 표면에 금속층을 증착하는 단계
    를 포함하는 용존 산소 센서 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 센싱 멤브레인을 상기 평면 고분자 쉬트에 코팅하는 단계는,
    상기 측정 물질의 산소 성분 농도에 따라 형광 특성을 나타내는 루테늄 복합체 성분이 포함된 용액으로 코팅하는, 용존 산소 센서 제조 방법.
  18. 제1 광원에서 발산되는 제1 파장의 광 신호가 평면 고분자 쉬트에 내장된 광 신호 전송 선로로 입사되는 단계;
    상기 제1 파장의 광 신호의 전송 경로가 상기 전송 선로의 적어도 일부분에 포함되는 금속층에 의해 전환되어 상기 제1 파장의 광 신호가 센싱 멤브레인에 도달하는 단계;
    측정 물질의 산소 성분에 반응하여 상기 센싱 멤브레인이 형광 특성의 제2 파장 광 신호를 발산하는 단계; 및
    상기 제2 파장의 광 신호가 광 검출기로 도달하는 단계
    를 포함하는 용존 산소 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속층은, 용존 산소 센서의 기판과 45도 각도로 형성되는 'V'형상인, 용존 산소 측정 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 광원에서 발산되는 상기 제1 파장의 광 신호와 광학적 특성 비교를 위해 상기 제2 파장의 광 신호를 발산하는 단계
    를 더 포함하는 용존 산소 측정 방법.
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