KR20150128512A - Spectro-sensor and spectrometer employing the spectro-sensor - Google Patents

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KR20150128512A
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Abstract

The present invention relates to a spectrometric sensor, and a spectrometer employing the same. The spectrometric sensor comprises: a nanoantenna array part having a plurality of nanoantennas having different resonance wavelength bands; and a photodetector array part having a plurality of photodetectors detecting light on each of the nanoantennas.

Description

분광 센서 및 이를 채용한 분광기{Spectro-sensor and spectrometer employing the spectro-sensor}[0001] Spectroscopic sensor and spectroscope employing same [0002]

본 개시는 나노 안테나 어레이를 이용한 분광 센서 및 이를 채용한 분광기에 대한 것이다. The present disclosure relates to a spectral sensor using a nanotube array and a spectroscope employing the same.

라만 분광법(Raman Spectroscopy)은 대상체에 조사된 여기광(excitation light)에 의해 대상체 내에서 일어나는 비탄성 산란(inelastic scattering)을 측정하여 다양한 물질에 대한 성분 분석을 할 수 있다. Raman spectroscopy can analyze the inelastic scattering occurring in the object by the excitation light irradiated to the object to analyze the composition of various materials.

그러나, 이러한 비탄성 산란은 신호 세기가 매우 작아 측정이 힘든 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해, 신호 세기를 증폭하기 위한 구성 등이 필요하여 벌키(bulky)한 광학계 구조를 갖게 된다. However, such inelastic scattering has a disadvantage in that it is difficult to measure due to a very small signal intensity, and in order to compensate for this, a structure for amplifying the signal intensity is required and thus a bulky optical system structure is obtained.

최근, 이러한 분광기 구조를 소형화하고 그 성능을 향상시키기 위해 데이터 분석법, 소형화된 라만 센서를 개발하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. Recently, various researches have been conducted to develop a data analysis method and a miniaturized Raman sensor in order to miniaturize such a spectroscope structure and improve its performance.

본 개시는 나노 안테나 어레이를 이용한 분광 센서 및 이를 채용한 분광기를 제공하고자 한다. The present disclosure provides a spectroscopic sensor using a nano-antenna array and a spectroscope employing the same.

일 유형에 따르는 분광 센서는 공진 파장 대역이 서로 다른 복수의 나노 안테나를 구비하는 나노 안테나 어레이부; 상기 복수의 나노 안테나에서의 광을 각각 검출하는 복수의 광검출기를 구비하는 광검출기 어레이부;를 포함한다. The spectroscopic sensor according to one type includes a plurality of nano-antenna arrays having different resonance wavelength bands; And a plurality of photodetectors each for detecting light in the plurality of nano-antennas.

상기 복수의 나노 안테나 각각은 지지부; 상기 지지부 상에 배치된 복수의 플라즈모닉 나노입자;를 포함한다. Each of the plurality of nano-antennas includes: a support; And a plurality of plasmonic nanoparticles disposed on the support.

상기 플라즈모닉 나노입자는 전도성 물질이 양각된 형태로 이루어질 수 있다. The plasmonic nanoparticles may be formed by embossing a conductive material.

또는, 상기 플라즈모닉 나노입자는 전도성 물질이 음각된 형태로 이루어질 수 있다. Alternatively, the plasmonic nanoparticles may be formed in a shape in which a conductive material is engraved.

상기 지지부는 유전체 물질로 이루어질 수 있다. The support may be made of a dielectric material.

또는, 상기 지지부는 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. Alternatively, the support may be made of a material whose optical characteristics change according to an external signal.

상기 외부 신호는 전기 신호, 탄성파, 열, 또는 기계적 힘일 수 있다. The external signal may be an electrical signal, an acoustic wave, a heat, or a mechanical force.

상기 복수의 나노 안테나 각각은, 제1 유전체층과, 상기 제1유전체층보다 큰 굴절률을 가지는 제2유전체층이 제1방향을 따라 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀을 포함하는 상부 나노구조층; 제3 유전체층과, 상기 제3유전체층보다 큰 굴절률을 가지는 제4유전체층이 제1방향을 따라 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀을 포함하는 하부 나노구조층; 상기 상부 나노구조층과 하부 나노구조층 사이에 배치되고, 유전 물질로 이루어진 중간층;을 포함할 수 있다. Each of the plurality of nano-antennas includes a laminate structure in which a first dielectric layer, a second dielectric layer having a refractive index larger than that of the first dielectric layer are alternately stacked along a first direction, and a plurality of nanoholes formed through the laminate structure A top nanostructured layer comprising; A lower nano structure layer including a third dielectric layer, a fourth dielectric layer having a refractive index larger than that of the third dielectric layer, and a plurality of nano holes formed through the lamination structure; And an intermediate layer disposed between the upper nano structure layer and the lower nano structure layer and made of a dielectric material.

상기 상부 나노구조층과 하부 나노구조층에 형성된 적층 구조의 주기는 상기 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/2 이하일 수 있다. The period of the laminated structure formed in the upper nano structure layer and the lower nano structure layer may be equal to or less than? / 2 when the resonance wavelength is?.

상기 복수의 나노홀은 상기 제1방향과 수직인 평면 상에, 소정의 규칙성을 가지며 배치될 수 있다. The plurality of nano holes may be arranged with a predetermined regularity on a plane perpendicular to the first direction.

상기 규칙성을 나타내는 주기는, 상기 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/3보다 작을 수 있다. The period representing the regularity may be smaller than? / 3 when the resonance wavelength is?.

상기 제1유전체층과 제3유전체층은 같은 물질로 이루어지고, 상기 제2유전체층과 제4유전체층은 같은 물질로 이루질 수 있다. The first dielectric layer and the third dielectric layer may be made of the same material, and the second dielectric layer and the fourth dielectric layer may be made of the same material.

상기 복수의 나노홀은 공기 또는 굴절률이 1보다 큰 유전체 물질로 채워질 수 있다. The plurality of nano holes may be filled with air or a dielectric material having a refractive index greater than one.

상기 상부 나노구조층에 형성된 복수의 나노홀과 상기 하부 나노구조층에 형성된 복수의 나노홀은 상기 중간층을 관통하여 서로 연결된 형태를 가질 수 있다. The plurality of nano holes formed in the upper nano structure layer and the plurality of nano holes formed in the lower nano structure layer may be connected to each other through the intermediate layer.

일 유형에 따르는 분광 센서 모듈은 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원; 상기 대상체로부터, 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 상술한 어느 하나의 분광 센서를 포함한다. A spectroscopic sensor module according to one type includes a light source for irradiating excitation light to a target object; And any one of the above-described spectroscopic sensors capable of sensing scattered light by the excitation light from the object.

상기 분광 센서는 대상체로부터 반사된 산란광을 센싱하도록 배치될 수 있다. The spectroscopic sensor may be arranged to sense the scattered light reflected from the object.

상기 분광 센서 모듈은 투광성 재질로 이루어지고, 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 베이스;를 더 포함할 수 있고, 상기 광원은, 상기 베이스의 상기 제1면에, 상기 제2면을 통해 대상체에 여기광을 조사하도록 배치될 수 있고, 상기 분광 센서는, 상기 베이스의 상기 제1면에, 상기 제2면을 통하여 입사되는 대상체로부터의 산란광을 센싱하도록 배치될 수 있다. The spectroscopic sensor module may further include a base having a first surface and a second surface facing each other, the light source being disposed on the first surface of the base and the second surface The spectroscopic sensor may be arranged on the first surface of the base to sense scattered light from a target object incident through the second surface.

상기 분광 센서 모듈은 상기 제2면에 배치되어, 상기 광원으로부터의 여기광을 대상체에 집속하고, 상기 대상체로부터의 산란광을 상기 분광 센서로 집속하는 광학 렌즈;를 더 포함할 수 있다. The spectroscopic sensor module may further include an optical lens disposed on the second surface, for focusing the excitation light from the light source onto a target object, and focusing the scattered light from the target object with the spectroscopic sensor.

상기 베이스는 플렉서블 재질로 이루어질 수 있다. The base may be made of a flexible material.

상기 분광 센서 모듈은 대상체에 착용될 수 있는 형태를 가질 수 있다. The spectroscopic sensor module may have a form that can be worn on a target object.

상기 분광 센서는 대상체를 투과한 산란광을 센싱하도록 배치될 수 있다. The spectroscopic sensor may be arranged to sense the scattered light transmitted through the object.

상기 분광 센서 모듈은 귀걸이 형태로 대상체에 착용될 수 있는 형태를 가질 수 있다. The spectroscopic sensor module may have a form that can be worn on an object in the form of an earring.

일 유형에 따른 분광기는 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원과, 상기 대상체로부터, 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 상술한 어느 하나의 분광 센서를 구비하는 분광 센서 모듈; 상기 분광 센서에서 센싱된 신호로부터 대상체의 물성을 분석하는 신호 처리부;를 포함한다. A spectroscope according to one type includes a light source for irradiating excitation light to a target object, and a spectroscopic sensor module including any one of the above-described spectroscopic sensors capable of sensing scattered light by the excitation light from the target object; And a signal processor for analyzing physical properties of the object from the signal sensed by the spectroscopic sensor.

상기 광원은 근적외선 대역의 광을 조사할 수 있다. The light source can irradiate light in the near-infrared band.

상기 신호 처리부는 라만 분광법에 의해 대상체의 물성을 분석할 수 있다. The signal processing unit can analyze the physical properties of the object by Raman spectroscopy.

상기 분광 센서 모듈은 대상체에 착용될 수 있게 구성될 수 있다. The spectroscopic sensor module may be configured to be worn on an object.

상기 분광기는 상기 신호 처리부에서 분석된 결과를 디스플레이하는 표시부;를 더 포함할 수 있다. The spectroscope may further include a display unit for displaying a result analyzed by the signal processing unit.

상술한 분광 센서는 나노 안테나 어레이와 광검출기 어레이가 결합된 구조를 가지며, 대상체로부터의 신호를 파장별로 강하게 집중시켜 검출할 수 있다. 따라서, 상술한 분광 센서는 높은 분해능과 높은 신호대 잡음비를 가지며, 또한, 대략 수십 내지 수백 나노미터 정도의 얇은 두께로 구현될 수 있다. 따라서, 상술한 분광 센서는 착용가능하고 휴대 가능한 소형 분광기 형태로 적용되기에 적합하다.The above-described spectroscopic sensor has a structure in which a nano-antenna array and a photodetector array are combined, and can detect a signal from a target by strongly focusing on wavelengths. Therefore, the above-described spectroscopic sensor has a high resolution and a high signal-to-noise ratio, and can also be realized with a thin thickness of about several tens to several hundred nanometers. Therefore, the above-described spectroscopic sensor is suitable to be applied in the form of a wearable and portable small-sized spectroscope.

또한, 상술한 분광 센서는 광검출기 어레이를 형성하는 반도체 공정 단계에서 연속적으로 나노 안테나 어레이를 형성하는 공정이 수행될 수 있어 비교적 간소한 공정으로 제조될 수 있다. In addition, the spectroscopic sensor described above can be manufactured in a relatively simple process since a process of forming the array of nano-antennas continuously in a semiconductor process step of forming a photodetector array can be performed.

도 1은 일 실시예에 따른 분광 센서의 개략적인 구조와 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 분광 센서에 채용될 수 있는 나노 안테나의 예시적인 구조들을 보인다.
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 나노 안테나에 채용될 수 있는 플라즈모닉 나노 입자들의 예시적인 배치 형태들을 보인다.
도 4는 도 1의 분광 센서에 채용될 수 있는 나노 안테나의 다른 예시적인 구조를 보인다.
도 5는 도 3의 나노 안테나의 A-A'단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4의 나노 안테나에 채용될 수 있는 나노홀의 형상, 배치의 예들을 보인다.
도 7은 도 1의 분광 센서에 채용될 수 있는 나노 안테나의 또 다른 예시적인 구조를 보인다.
도 8은 일 실시예에 따른 분광기의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
도 9는 도 8의 분광기에 채용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치의 예를 보인다.
도 10은 도 8의 분광기에 채용될 수 있는 분광 센서 모듈의 광학적 배치의 다른 예를 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 분광기의 개략적인 구조를 보인다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 분광기의 개략적인 구조를 보인다. 1 is a conceptual diagram for explaining a schematic structure and operation of a spectroscopic sensor according to an embodiment.
2A and 2B show exemplary structures of a nano-antenna that may be employed in the spectroscopic sensor of FIG.
3A-3E illustrate exemplary configurations of plasmonic nanoparticles that may be employed in the nanotenna of FIG.
Fig. 4 shows another exemplary structure of a nano-antenna that can be employed in the spectroscopic sensor of Fig.
5 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of the nano antenna of FIG.
Figs. 6A and 6B show examples of the shape and arrangement of nano holes that can be employed in the nano antenna of Fig.
7 shows another exemplary structure of a nano-antenna that may be employed in the spectroscopic sensor of FIG.
8 is a block diagram showing a schematic structure of a spectroscope according to an embodiment.
Fig. 9 shows an example of the optical arrangement of a spectroscopic sensor module which can be employed in the spectrometer of Fig.
Fig. 10 shows another example of the optical arrangement of a spectroscopic sensor module that can be employed in the spectrometer of Fig.
11 shows a schematic structure of a spectroscope according to another embodiment.
FIG. 12 shows a schematic structure of a spectroscope according to another embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학 셔터 및 이를 채용한 3차원 영상 획득 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, an optical shutter according to an embodiment of the present invention and a three-dimensional image acquiring apparatus using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. On the other hand, the embodiments described below are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. In the following, what is referred to as "upper" or "upper"

도 1은 일 실시예에 따른 분광 센서(spectro-sensor)(100)의 개략적인 구조와 동작을 설명하기 위한 개념도이다. FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a schematic structure and operation of a spectro-sensor 100 according to an embodiment.

분광 센서(100)는 공진 파장 대역이 서로 다른 복수의 나노 안테나(111)를 구비하는 나노 안테나 어레이부(110)와, 복수의 나노 안테나(111)에서의 광을 각각 검출하는 복수의 광검출기(121)를 구비하는 광검출기 어레이부(120)를 포함한다.The spectroscopic sensor 100 includes a nanofan array unit 110 having a plurality of nanofanets 111 having different resonance wavelength bands and a plurality of photodetectors And a photodetector array unit 120 having a plurality of photodiodes 121.

각 나노 안테나(111)들은 분광 분석하려는 대상으로부터의 광신호(L) 중 일부 특정 파장을 하부의 광검출기(121)로 전달시킬 수 있다. 이를 위하여, 나노 안테나(111)들은 각기 다양한 각도로 들어오는 빛들 중 특정 파장 성분들만 공진하여 전달시킬 수 있도록 물질 및 구조가 정해진다. 전달하는 방식은 빛의 실제 진행 혹은 근접장에 의한 에너지 전달 방식이 가능하다. 또한, 인접한 나노 안테나(111) 사이의 상기 공진 파장이 서로 다를 경우, 나노 안테나(111)에서 공진되는 빛의 에너지 분포(공간 모드 형태)가 인접한 나노 안테나(111)들끼리 서로 교차될 수도 있다.Each of the nano-antennas 111 can transmit some specific wavelengths of the optical signal L from the object to be analyzed to the lower optical detector 121. For this purpose, the material and the structure of the nano-antennas 111 are determined so that only specific wavelength components of the lights coming in at various angles can resonate and be transmitted. The transmission method can be the actual progress of the light or the energy transmission by the near-field. In addition, when the resonant wavelengths of the adjacent nano-antennas 111 are different from each other, the adjacent nano-antennas 111 may intersect each other with energy distribution (spatial mode) of light resonated by the nano-antenna 111.

나노 안테나(111)들은 예를 들어, 각각의 두께와, 나노 안테나(111)들 간의 간격이 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가지며, 소정 파장 대역의 광을 강하게 모으는 역할을 하도록 구성될 수 있다. 이러한 기능은 금속물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 것으로 알려져 있으며, 나노 안테나(111)의 세부적인 패턴에 따라 공진 파장이 달라진다. The nano-antennas 111 may be configured to have a thickness of, for example, a width of the sub-wavelength, and a gap between the nano-antennas 111, to strongly collect light of a predetermined wavelength band have. This function is known to be caused by surface plasmon resonance occurring at the boundary between the metal material and the dielectric material, and the resonant wavelength varies depending on the detailed pattern of the nano-antenna 111. [

본 실시예에서 나노 안테나 어레이부(110)를 구성하는 나노 안테나(111)들은 모두 다른 공진 파장을 갖도록 구성될 수 있고, 몇 개씩 그룹을 이루어 그룹별로 다른 공진 파장을 갖도록 구성될 수도 있다. 또는, 행 또는 열 단위로 다른 공진 파장을 갖도록 배치될 수도 있다. In this embodiment, the nano-antennas 111 constituting the nano-antenna array unit 110 may be configured to have different resonance wavelengths, or may be configured to have groups of several resonance wavelengths in groups. Alternatively, they may be arranged to have different resonant wavelengths in units of rows or columns.

광검출기(121)는 입사광을 전기적 신호로 바꾸는 다양한 종류의 센서를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 포토 다이오드(photo diode), CCD (Charge Coupled Device) 또는 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)와 같은 소자를 포함할 수 있다.The photodetector 121 may include various types of sensors that convert incident light into an electrical signal. For example, the photodetector 121 may be a photo diode, a charge coupled device (CCD), or a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) Device.

나노 안테나 어레이부(110)와 광검출기 어레이부(120)는 나노 안테나 어레이부(110)에서의 신호가 광검출기 어레이부(120)에 광학적으로 전달될 수 있는 구조로 배치된다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 광손실이 가능한 줄어들 수 있도록, 나노 안테나 어레이부(110)와 광검출기 어레이부(120)는 통합적으로 집적된(integrated) 형태일 수 있다. 나노 안테나 어레이부(110) 위에 광검출기 어레이부(120)가 직접(directly) 형성되어 서로 물리적으로 접촉하는 형태일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. The nanoantenna array unit 110 and the photodetector array unit 120 are arranged in such a structure that signals from the nanoantenna array unit 110 can be optically transmitted to the photodetector array unit 120. [ For example, as shown, the nanoantenna array portion 110 and the photodetector array portion 120 may be integrally integrated so that optical loss is reduced as much as possible. The photodetector array unit 120 may be directly formed on the nano-antenna array unit 110 and physically contacted with each other. However, the present invention is not limited thereto.

다양한 파장 성분을 포함하는 광(L)이 분광 센서(100)에 입사되면, 나노 안테나 어레이부(110)의 표면을 이루는 나노 패턴들에 의해 다양한 방향으로 반사, 산란되는데, 이 때, 나노 안테나(111)의 공진 파장 대역에 속하는 광은 다른 방향으로 반사, 산란되지 않고 나노 안테나(111)의 나노 영역에서 공진하며 증폭된다. 따라서, 입사광(L)에 포함된 다양한 파장 성분의 광은 대응하는 나노 안테나(111) 근처로 집속되며, 이렇게 집속된 광이 각각의 나노 안테나(111)에 대응하게 마련된 광검출기(121)에서 검출되면서 높은 신호대 잡음비를 만들 수 있다. 나노 안테나(111)의 공진 파장 대역폭은 매우 좁게 형성될 수 있기 때문에, 실시예의 분광 센서(100)는 매우 높은 분해능을 가질 수 있다.  When the light L including various wavelength components is incident on the spectroscopic sensor 100, the light L is reflected and scattered in various directions by the nano patterns forming the surface of the nano antenna array unit 110. At this time, 111 are resonated and amplified in the nano region of the nano-antenna 111 without being reflected and scattered in the other direction. Therefore, the light of various wavelength components included in the incident light L is focused near the corresponding nano-antenna 111, and the light thus condensed is detected by the photodetector 121 corresponding to each nano- High signal-to-noise ratio can be achieved. Since the resonant wavelength bandwidth of the nano antenna 111 can be formed very narrowly, the spectroscopic sensor 100 of the embodiment can have a very high resolution.

또한, 실시예에 따른 분광 센서(100)는 광검출기 어레이부(120)와 나노 안테나 어레이부(110)가 통합적으로 결합된 형태이므로, 광경로에 의한 손실이 적어 신호대 잡음비(SNR)가 커진다. 그리고, 광검출기 어레이부(120)를 형성하는 반도체 공정 단계에서 연속적으로 나노 안테나 어레이부(110)를 형성하는 단계가 수행될 수 있어 전체적인 공정이 간소해실 수 있다. In the spectroscopic sensor 100 according to the embodiment, since the photodetector array unit 120 and the nano-antenna array unit 110 are integrally combined, the signal-to-noise ratio (SNR) becomes small due to a small loss due to the optical path. Further, the step of forming the nano antenna array unit 110 continuously in the semiconductor process step of forming the photodetector array unit 120 can be performed, so that the whole process can be simplified.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 분광 센서(100)에 채용될 수 있는 나노 안테나(111)의 예시적인 구조들을 보인다.FIGS. 2A and 2B show exemplary structures of a nanoantenna 111 that may be employed in the spectroscopic sensor 100 of FIG.

도면들을 참조하면, 나노 안테나(111)는 지지부(S)와, 지지부(S) 상에 배치된 복수의 플라즈모닉 나노입자(NP)를 포함한다.Referring to the drawings, a nano antenna 111 includes a support S and a plurality of plasmonic nanoparticles (NP) disposed on the support S.

플라즈모닉 나노입자(NP)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 전도성 물질(M)이 양각된 형태로 이루어질 수 있다. 또는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 전도성 물질(M)이 음각된 형태로 이루어질 수도 있다. Plasmonic nanoparticles (NP) can be formed in the form of an embossed conductive material (M), as shown in FIG. 2A. Alternatively, as shown in FIG. 2B, the conductive material M may be formed in an engraved form.

전도성 물질(M)로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. As the conductive material M, a highly conductive metal material capable of causing surface plasmon excitation can be employed. For example, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, ruthenium Ru, rhodium Rh, palladium Pd, At least one selected from osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), and gold (Au) may be employed. Further, a two-dimensional material having good conductivity such as graphene, or a conductive oxide may be employed.

지지부(S)는 유전체 물질(dielectric material)로 이루어질 수 있고, 플렉서블 재질로 이루어질 수도 있다. 지지부(S)는 도시된 형상에 한정되는 것은 아니며, 나노 안테나(111) 각각에 구비되는 지지부(S)들이 모두 연결되어 하나의 유전체 기판의 형태를 가질 수도 있다. The support S may be made of a dielectric material or may be made of a flexible material. The supporting portion S is not limited to the illustrated shape, and the support portions S provided on each of the nano antennas 111 may be connected to form a single dielectric substrate.

지지부(S)는 또한, 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수도 있다. 외부 신호는 예를 들어, 전기 신호, 탄성파, 열, 또는 기계적 힘일 수 있다. 예컨대, 전기 신호가 가해지면 유효 굴절률이 변하는 electro-optic 물질, 예를 들어, ITO, IZO와 같은 전도성 산화물, LiNbO3, LiTaO3 등이 지지부(S)에 채용될 수 있다. 또는, 탄성파가 입사되면, 유효 굴절률이 변하는 탄성 매질, 예를 들어, 산화물, 질화물이 채용될 수 있다. 또는, 열을 인가하면 소정 온도 이상에서 상전이가 일어나 굴절률이 변하는 물질 등이 지지부(S)에 채용될 수 있다. 이러한 물질로, 예를 들어, VO2, VO2O3, EuO, MnO, CoO, CoO2, LiCoO2, 또는, Ca2RuO4 이 채용될 수 있다. The support (S) also includes a support Or may be made of a material whose optical characteristics change depending on the signal. The external signal may be, for example, an electrical signal, an acoustic wave, a heat, or a mechanical force. For example, electro-optic materials such as ITO, IZO, LiNbO 3 , LiTaO 3, etc., which change the effective refractive index when an electric signal is applied, may be employed in the support S. Alternatively, when an acoustic wave is incident, an elastic medium, for example, an oxide or a nitride, whose effective refractive index is changed, may be employed. Or a substance in which the phase transition occurs at a temperature higher than a predetermined temperature when the heat is applied and the refractive index changes, can be employed in the supporting portion S. As such materials, for example, VO 2 , VO 2 O 3 , EuO, MnO, CoO, CoO 2 , LiCoO 2 , or Ca 2 RuO 4 Can be employed.

지지부(S)가 이와 같이 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어지는 경우, 분광 센서(100)는 지지부(S)에 인가하는 신호를 적절히 조절함으로써 각 나노 안테나(111)의 공진 파장 대역을 변화시킬 수 있다.The spectroscopic sensor 100 adjusts the resonance wavelength band of each nano antenna 111 by appropriately adjusting the signal applied to the supporting part S when the supporting part S is made of a substance whose optical characteristic changes according to an external signal, .

나노 안테나(111)는 동일한 로드 형상을 갖는 네 개의 플라즈모닉 나노 입자(NP)를 구비하는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 나노 안테나(111)에 구비되는 플라즈모닉 나노 입자(NP)들이 서로 다른 형상을 가질 수 있고, 또한, 개수나 배치도 다양하게 변경될 수 있다. The nano antenna 111 is shown as having four plasmonic nanoparticles (NP) having the same rod shape, but this is exemplary. Plasmonic nanoparticles (NP) included in the nano antenna 111 may have different shapes, and the number and arrangement may be variously changed.

도 3a 내지 도 3e는 도 2의 나노 안테나(111)에 채용될 수 있는 플라즈모닉 나노 입자들의 예시적인 배치 형태들을 보인다.3A-3E illustrate exemplary configurations of plasmonic nanoparticles that may be employed in the nanophoton 111 of FIG.

도 3a와 같이, 두 개의 같은 형상의 플라즈모닉 나노 입자(NP1)가 채용될 수 있고, 도 3b와 같이, 길이가 서로 다른 두 개의 플라즈모닉 나노 입자(NP2)(NP2 )가 채용될 수 있다. 도 3c와 같이, 같은 형상의 세 개의 플라즈모닉 나노 입자(NP3)가 채용될 수 있고, 도 3d와 같이 같은 형상의 두 개의 플라즈모닉 나노 입자(NP4)와, 길이가 다른 하나의 플라즈모닉 나노 입자(NP4')가 채용될 수 있다. 또한, 도 3e와 같이 두 가지 형상의 플라즈모닉 나노 입자(NP5)(NP5')가 각각 두 개씩 채용될 수도 있다.Plasmonic nanoparticles (NP1) having two identical shapes may be employed as shown in FIG. 3A, and two plasmonic nanoparticles (NP2) having different lengths may be employed as shown in FIG. 3B. As shown in Fig. 3C, three plasmonic nanoparticles (NP3) of the same shape can be employed, and two plasmonic nanoparticles (NP4) of the same shape and one plasmonic nanoparticle (NP4 ') may be employed. Also, two plasmonic nanoparticles (NP5) (NP5 ') of two shapes may be employed as shown in FIG. 3E.

도 3a 내지 도 3e에서는 모두 로드 형상의 플라즈모닉 나노 입자를 도시하였으나, 다각형 형상이나 원형, 타원형, 와이어 그리드(wire grid) 형태를 가질 수 있다. 또한, 도시된 형상들은 도 2a와 같이 양각된 패턴 또는 도 2b와 같이 음각된 패턴일 수 있다. In FIGS. 3A to 3E, the rod-shaped plasmonic nanoparticles are all shown, but they may have a polygonal shape, a circular shape, an elliptical shape, and a wire grid shape. Also, the shapes shown may be an embossed pattern as shown in FIG. 2A or an engraved pattern as shown in FIG. 2B.

도 4는 도 1의 분광 센서에 채용될 수 있는 나노 안테나(112)의 다른 예시적인 구조를 보인다. 그리고, 도 5는 도 4의 나노 안테나(112)의 A-A' 단면도이다.FIG. 4 shows another exemplary structure of a nanoantenna 112 that may be employed in the spectroscopic sensor of FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line A-A 'of the nano antenna 112 of FIG.

나노 안테나(112)는 복수의 유전체층의 적층 구조에, 수평 방향을 따라, 즉, 상기 적층 구조와 수직인 면을 따라 소정 규칙으로 배열된 나노 구조물을 적용한 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조는 적층 방향으로는 특정 파장 대역의 광에 대한 공진을 유도하고, 수평 방향의 나노 구조물에 의해, 입사광의 입사각에 대한 공진 파장 의존성을 줄일 수 있는 구조로 제시되는 것이다. The nano antenna 112 may have a structure in which a nanostructure arranged in a predetermined direction along a horizontal direction, that is, a plane perpendicular to the lamination structure, is applied to a laminated structure of a plurality of dielectric layers. Such a structure induces resonance for light in a specific wavelength band in the lamination direction and reduces the resonance wavelength dependency of incident light by the nano structure in the horizontal direction.

나노 안테나(112)는 구체적으로, 상부 나노구조층(10), 하부 나노구조층(20) 및 상부 나노구조층(10)과 하부 나노구조층(20) 사이에 배치된 중간층(30)을 포함할 수 있다.The nano antenna 112 specifically includes an upper nano structure layer 10, a lower nano structure layer 20 and an intermediate layer 30 disposed between the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 can do.

상부 나노구조층(10)은 제1 유전체층(11)과, 제1유전체층(11)보다 큰 굴절률을 가지는 제2 유전체층(12)이 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀(NH)을 포함한다. The upper nano structure layer 10 includes a laminate structure in which a first dielectric layer 11 and a second dielectric layer 12 having a refractive index larger than that of the first dielectric layer 11 are alternately laminated, And a nano hole (NH).

하부 나노구조층(20)도 상부 나노구조층(10)과 유사한 구조로서, 제3 유전체층(21)과, 제3유전체층(21)보다 큰 굴절률을 가지는 제4유전체층(22)이 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀(NH)을 포함한다. The lower nano structure layer 20 has a structure similar to that of the upper nano structure layer 10 and includes a third dielectric layer 21 and a fourth dielectric layer 22 having a refractive index larger than that of the third dielectric layer 21, And a plurality of nano holes (NH) formed through the laminated structure.

상부 나노구조층(10), 하부 나노구조층(20)에서 다른 종류의 유전체층들이 적층된 주기 p는, 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/2 이하의 값을 가질 수 있다.The period p in which the different types of dielectric layers are laminated in the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 can have a value of? / 2 when the resonance wavelength is?.

상부 나노구조층(10), 하부 나노구조층(20)은 각각 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR)로 구성될 수도 있다. 상부 나노구조층(10), 하부 나노구조층(20)을 이루는 유전체층의 두께는 공진 파장의 1/4 로 정해질 수 있으며, 제1 내지 제4유전체층(11)(12)(21)(22)의 재질과, 유전체층의 페어(pair)의 수는 반사율을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 즉, 상부 나노구조층(10)에서 제1 유전체층(11)과 제2 유전체층(12)으로 이루어진 쌍의 개수, 하부 나노구조층(20)에서 제3 유전체층(21)과 제4 유전체층(22)으로 이루어진 쌍의 개수는 도면에서는 2개로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 이와 다르게 변형될 수 있다. The upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 may each be composed of a Distributed Bragg Reflector (DBR). The thickness of the dielectric layer constituting the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 may be set to 1/4 of the resonance wavelength and the thickness of the first to fourth dielectric layers 11, 12, 21, 22 ) And the number of pairs of dielectric layers can be appropriately adjusted in consideration of the reflectance. That is, the number of pairs of the first dielectric layer 11 and the second dielectric layer 12 in the upper nano structure layer 10, the number of pairs of the third dielectric layer 21 and the fourth dielectric layer 22 in the lower nano structure layer 20, Are shown as two in the figure, this is an example and can be modified otherwise.

상부 나노구조층(10)과 하부 나노구조층(20)의 반사율은 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 예를 들어, 광검출기(도 1의 121) 쪽에 인접하게 배치되는 하부 나노구조층(20)의 반사율은 상부 나노구조층(10)의 반사율보다 낮게 설정될 수도 있다.The reflectance of the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 may be the same or different. For example, the reflectance of the lower nano structure layer 20 disposed adjacent to the photodetector (121 in Fig. 1) may be set lower than the reflectance of the upper nano structure layer 10.

상부 나노구조층(10)과 하부 나노구조층(20)은 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 유전체층(11)과 제3유전체층(21)이 같은 재질로, 제2 유전체층(12)과 제4 유전체층(22)이 같은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상부 나노구조층(10)에 적용된 유전체층 쌍의 수와 하부 나노구조층(20)에 적용된 유전체층 쌍의 수를 다르게 하여 반사율을 다르게 조절할 수 있다.The upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 may be made of the same material. That is, the first dielectric layer 11 and the third dielectric layer 21 may be made of the same material, and the second dielectric layer 12 and the fourth dielectric layer 22 may be made of the same material. In this case, the number of pairs of dielectric layers applied to the upper nano structure layer 10 and the number of pairs of dielectric layers applied to the lower nano structure layer 20 may be different to control the reflectance differently.

중간층(30)은 나노 안테나(112) 내에서, 상, 하부 나노구조층(10)(20)의 규칙성을 깨는 역할을 하며 그 재질이 특별이 제한되지 않는다. 예를 들어, 상부 나노구조층(10)과 하부 나노구조층(20)이 동일한 재질로 형성된 경우, 중간층(30)은 이에 채용된 재질과 다른 재질로 이루어 질 수 있고, 두께는 제한되지 않는다. 또는, 상부 나노구조층(10), 하부 나노구조층(20)에 채용된 유전체층 중 어느 하나와 동일한 재질이 중간층(30)에 채용될 수 있고, 이 경우, 상, 하부 나노구조층(10)(20)에 채용된 유전체층과 다른 두께를 가질 수 있다.The intermediate layer 30 serves to break the regularity of the upper and lower nano structure layers 10 and 20 in the nano antenna 112, and the material thereof is not particularly limited. For example, when the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 are formed of the same material, the intermediate layer 30 may be made of a material different from the material employed therein, and the thickness is not limited. Alternatively, the same material as any one of the dielectric layers employed in the upper nano structure layer 10 and the lower nano structure layer 20 may be employed for the intermediate layer 30. In this case, the upper and lower nano structure layers 10, May have a thickness different from that employed in the dielectric layer 20.

복수의 나노홀(NH)은 상기 적층 방향과 수직인 면을 따라, 소정의 규칙성을 가지며 배치될 수 있다. 상기 규칙성을 나타내는 주기(T)는, 상기 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/3 보다 작을 수 있다. The plurality of nano holes NH may be arranged with a predetermined regularity along a plane perpendicular to the stacking direction. The period (T) representing the regularity may be smaller than? / 3 when the resonance wavelength is?.

복수의 나노홀(NH)은 공기 또는 굴절률이 1보다 큰 유전체 물질로 채워질 수 있다. 나노홀(NH)을 채우는 유전체 물질의 굴절률은 제한되지 않으며, 예를 들어, 제1 내지 제4유전체층(11)(12)(21)(22) 중 어느 하나의 굴절률과 같은 값을 가질 수도 있고, 다른 값을 가질 수도 있다. The plurality of nano holes (NH) may be filled with air or a dielectric material having a refractive index greater than one. The refractive index of the dielectric material filling the nano holes NH is not limited and may have the same value as the refractive index of any one of the first to fourth dielectric layers 11, 12, 21 and 22 , But may have different values.

도 6a 및 오 6b는 도 4의 나노 안테나(112)에 채용될 수 있는 나노홀의 형상, 배치의 예들을 보인다. Figs. 6A and 6B show examples of the shape and arrangement of nano holes that can be employed in the nano antenna 112 of Fig.

도 6a를 참조하면, 복수의 나노홀(NH1)은 제1방향으로는 주기 T1으로, 제2방향으로는 주기 T2로 배열될 수 있다. T1, T2는 같은 값일 수도 있다.Referring to FIG. 6A, a plurality of nano holes NH1 may be arranged in a cycle T1 in a first direction and a cycle T2 in a second direction. T1 and T2 may be the same value.

도 6b를 참조하면, 복수의 나노홀(NH2)은 주기 T3로 반복 배치된 열을 따라, 주기 T4로 반복 배열될 수 있고, 인접하는 열의 나노홀(NH2)들이 서로 어긋나게 배열될 수 있다. T3, T4는 같은 값일 수도 있다.Referring to FIG. 6B, a plurality of nano holes NH2 may be repeatedly arranged in a cycle T4 along a row repeatedly arranged at a cycle T3, and nano holes NH2 of adjacent rows may be arranged to be shifted from each other. T3 and T4 may be the same value.

도 6a 및 도 6b에서 나노홀(NH1)(NH2) 및 나노 안테나(112)의 단면 형상은 원형으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 타원형, 다각형 등의 형상을 가질 수 있다.6A and 6B, the cross-sectional shapes of the nanoholes NH1 (NH2) and the nano-antennas 112 are shown in a circular shape, but this is illustrative and not restrictive. For example, an elliptical shape, a polygonal shape, or the like.

도 7은 도 1의 분광 센서에 채용될 수 있는 나노 안테나(113)의 또 다른 예시적인 구조를 보인다.FIG. 7 shows another exemplary structure of a nano-antenna 113 that may be employed in the spectroscopic sensor of FIG.

나노 안테나(113)은 적층 구조를 관통하는 나노홀(NH4)이 상부 나노구조층(10), 중간층(30), 하부 나노구조층(20)을 전체적으로 관통하게 형성된 점에서, 도 4의 나노 안테나(112)와 차이가 있다. 즉, 상부 나노구조층(10)에 형성된 나노홀(NH4)과 하부 나노구조층(20)에 형성된 나노홀(NH4)은 중간층(30)을 관통하여 서로 연결된 형태를 갖는다. 나노홀(NH4)의 형태나 배치는 도 6a 내지 도 6c에 예시된 형상을 가질 수 있다.The nano antenna 113 has a structure in which the nanohole NH4 passing through the lamination structure is formed to penetrate the upper nano structure layer 10, the intermediate layer 30 and the lower nano structure layer 20 as a whole, (112). That is, the nano holes (NH4) formed in the upper nano structure layer (10) and the nano holes (NH4) formed in the lower nano structure layer (20) are connected to each other through the intermediate layer (30). The shape and arrangement of the nano holes NH4 may have the shapes illustrated in Figs. 6A to 6C.

나노 안테나(112)(113)가 도 1과 같이 어레이 형태로 분광 센서(100)에 채용될 때, 각각의 나노 안테나(112)(113)들은 분광 분석하려는 대상으로부터의 광신호(L) 중 일부 특정 파장을 하부의 광검출기(121)로 전달시키게 된다. 나노 안테나(112)(113)들은 각기 다양한 각도로 들어오는 빛들 중 특정 파장 성분들만 공진하여 광검출기(121)에 전달시킬 수 있도록 각 유전체 적층구조의 물질, 두께, 나노홀의 세부적인 사항이 정해진다. When the nano-antennas 112 and 113 are employed in the spectroscopic sensor 100 in the form of an array as shown in Fig. 1, each of the nano-antennas 112 and 113 includes a part of the optical signal L And transmits a specific wavelength to the lower photodetector 121. The nano-antennas 112 and 113 determine the details of the materials, thicknesses, and nano-holes of each dielectric laminate structure so that only specific wavelength components of the lights coming in at various angles can be resonated and transmitted to the optical detector 121.

도 8은 일 실시예에 따른 분광기(1000)의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.FIG. 8 is a block diagram showing a schematic structure of a spectroscope 1000 according to an embodiment.

분광기(1000)는 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사하고, 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 센싱하는 분광 센서 모듈(300)을 포함한다. 분광 센서 모듈(300)은 광원부(200)와 분광 센서(100)를 포함한다. The spectroscope 1000 includes a spectroscopic sensor module 300 that irradiates the excitation light L E to the object OBJ and senses the scattered light L S from the object OBJ. The spectroscopic sensor module 300 includes a light source unit 200 and a spectroscopic sensor 100.

여기서, 대상체(OBJ)는 인체, 동물등의 생체, 식품 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대상체(OBJ)는 혈당 측정을 위한 인체나, 또는 신선도 측정을 위한 식품일 수 있고, 기타, 대기 오염이나 수질 오염 등을 분석하기 위한 샘플일 수 있다. Here, the object OBJ may include a human body, a living body such as an animal, food, and the like. For example, the object OBJ may be a human body for blood glucose measurement, or a food for freshness measurement, or may be a sample for analyzing other air pollution or water pollution.

광원부(200)는 광원을 포함할 수 있고, 또한, 광원으로부터의 광이 대상체(OBJ)의 필요한 위치를 향하도록 하는 광학 부재를 포함할 수 있다. 광원은 대상체(OBJ)로부터 분석하고자 하는 성질에 따라, 이에 적합한 파장 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원은 근적외선 대역의 광을 조사할 수 있다. The light source unit 200 may include a light source, and may also include an optical member that directs light from the light source toward a desired position of the object OBJ. The light source may be configured to irradiate light of a wavelength band suitable for the property to be analyzed from the object OBJ. For example, the light source can irradiate light in the near-infrared band.

분광 센서(100)는 도 1에서 예시한 바와 같이, 나노 안테나 어레이와 광검출기 어레이를 포함하는 구성일 수 있으며, 또한, 도 2a, 2b, 도 3a 내지 도 3e에서 예시한 다양한 형태의 나노 안테나 형상을 채용할 수 있다. 나노 안테나 어레이를 구성하는 나노 안테나의 공진 파장 대역은 광원에서 조사되는 광의 파장보다 조금 긴 파장 대역으로 설정할 수 있다. The spectroscopic sensor 100 may be of a configuration including a nanodetector array and a photodetector array, as illustrated in FIG. 1, and may also include various types of nanoantenna configurations as illustrated in FIGS. 2A, 2B, 3A- Can be adopted. The resonance wavelength band of the nano-antenna constituting the nano-antenna array can be set to a wavelength band that is slightly longer than the wavelength of the light emitted from the light source.

분광기(1000)는 또한, 분광 센서(100)에서 센싱된 신호로부터 대상체(OBJ)의 물성을 분석하고, 필요한 제어 신호를 생성하는 제어 모듈(600)을 포함할 수 있다. 제어 모듈(600)은 사용자 인터페이스(500)와 신호처리부(400)를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스500)는 입력부와 표시부를 구비할 수 있다. 신호처리부(400)는 분광 센서(100)에서 센싱된 신호로부터 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있으며, 예를 들어, 라만 분광법(Raman Spectroscopy)에 따라 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있다. 라만 분광법은 대상체(OBJ)내에 입사된 광이 대상체(OBJ) 내의 원자 또는 분자와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 산란(scattering), 특히 비탄성 산란(inelastic scattering)을 이용한다. 이러한 산란은 원자 또는 분자의 표면에서 단순히 반사되는 것이 아닌, 원자 또는 분자에 흡수되었다가 방출되는 산란으로, 산란광은 입사광의 파장 보다 긴 파장을 갖게 된다. 이러한 파장 차이는 대략 200nm 이하일 수 있다. 이러한 산란광의 스펙트럼을 분석함으로써 대상체(OBJ) 내의 분자의 진동, 분자의 구조 등 다양한 물성을 알아낼 수 있다. The spectroscope 1000 may also include a control module 600 that analyzes the physical properties of the object OBJ from the signal sensed at the spectroscopic sensor 100 and generates the necessary control signals. The control module 600 may include a user interface 500 and a signal processing unit 400. The user interface 500 may include an input unit and a display unit. The signal processing unit 400 can analyze the physical properties of the object OBJ from the signal sensed by the spectroscopic sensor 100 and analyze the physical properties of the object OBJ according to Raman spectroscopy, have. Raman spectroscopy utilizes scattering, in particular, inelastic scattering, in which light incident into the object OBJ collides with atoms or molecules in the object OBJ and is scattered in various directions. This scattering is not merely reflected at the surface of atoms or molecules, but scattered by atoms or molecules absorbed and emitted, resulting in scattered light having a wavelength longer than the wavelength of the incident light. Such a wavelength difference may be about 200 nm or less. By analyzing the spectrum of such scattered light, it is possible to find various physical properties such as the vibration of molecules in the object (OBJ) and the structure of molecules.

신호처리부(400)는 분석된 결과를 사용자 인터페이스(500)의 표시부에 표시하도록 영상 신호로 처리할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스(500)로부터의 입력에 따라 광원부(200)에 제어 신호를 보낼 수 있다. 신호처리부(400)는 또한, 분광 센서(100)가 외부 신호에 따라 공진 파장 대역이 바뀌도록 구성된 경우, 사용자 인터페이스(500)로부터의 입력에 따라 이를 조절하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 신호처리부(400)는 마이크로 프로세서 등으로 구현될 수 있다. The signal processing unit 400 may process the analyzed result as a video signal to be displayed on the display unit of the user interface 500. [ In addition, it is possible to send a control signal to the light source unit 200 according to an input from the user interface 500. The signal processing unit 400 may also generate a control signal for adjusting the resonant wavelength band according to the input from the user interface 500 when the spectral sensor 100 is configured to change the resonant wavelength band according to an external signal. The signal processing unit 400 may be implemented as a microprocessor or the like.

분광 센서 모듈(300)과 제어 모듈(600)은 유선 또는 무선으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 분광기(1000)는 분광 센서 모듈(300)과 제어 모듈(600)이 유선 연결된 소형 휴대용 기기로 구현될 수 있다. 또는, 제어 모듈(600)이 휴대용 이동 통신 기기에 탑재되어, 분광 센서 모듈(300)과 무선 통신하도록 구성될 수도 있다. The spectroscopic sensor module 300 and the control module 600 may be connected to each other by wire or wirelessly. For example, the spectroscope 1000 may be implemented as a small handheld device in which the spectroscopic sensor module 300 and the control module 600 are wired. Alternatively, the control module 600 may be mounted on a portable mobile communication device and configured to wirelessly communicate with the spectroscopic sensor module 300.

도 9는 도 8의 분광기(1000)에 채용될 수 있는 분광 센서 모듈(301)의 광학적 배치의 예를 보인다.Fig. 9 shows an example of the optical arrangement of the spectroscopic sensor module 301 that can be employed in the spectroscope 1000 of Fig.

분광 센서 모듈(301)은 광원(210)과 분광 센서(100)를 포함하며, 반사형으로, 즉, 분광 센서(100)가 대상체(OBJ)로부터 반사된 산란광(LS)을 센싱하도록, 광학계가 구성되어 있다.The spectroscopic sensor module 301 includes a light source 210 and a spectroscopic sensor 100 and is configured to detect the scattered light L S reflected from the object OBJ in a reflective manner, .

광원부(200)는 광원210), 광경로 전환부재(220), 조리개(230)를 포함한다. 광경로 전환부재(220)는 프리즘 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 빔 스플리터나, 평판 미러의 형태를 가질 수도 있다. 또는 광원(210)의 배치 위치에 따라 생략될 수도 있다. The light source unit 200 includes a light source 210, a light path switching member 220, and a diaphragm 230. The light path switching member 220 is shown in the form of a prism, but this is illustrative and may have the form of a beam splitter or a flat mirror. Or may be omitted depending on the arrangement position of the light source 210.

분광 센서 모듈(300)은 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 분광 센서(100)로 모으는 광학 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다. The spectroscopic sensor module 300 may further include an optical lens 150 that collects the scattered light L S from the object OBJ into the spectroscopic sensor 100.

광원(210)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS)은 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 본 실시예의 분광 센서 모듈(301)은 대상체(OBJ)로 여기광(LE)이 입사된 경로와 같은 경로를 따라 나오는 산란광(LS)이 분광 센서(100)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있으며, 필요한 경우, 산란광(LS)을 분광 센서(100) 쪽으로 분기하는 추가적인 광학 부재를 더 채용할 수도 있다. From the excitation light (L E) is absorbed was re-released in the molecular structure and collision, and the molecular structure, an object (OBJ) in the form of a wavelength-converted scattered light (L S) in the object (OBJ) irradiated by the light source (210) . The scattered light L S includes various spectra having different degrees of wavelength conversion depending on the molecular states in the object OBJ. The spectroscopic sensor module 301 of the present embodiment employs an optical system structure in which scattered light L S emerging along the same path as the path of the excitation light L E incident on the object OBJ is incident on the spectroscopic sensor 100 And may further employ an additional optical member which diverges the scattered light L S toward the spectroscopic sensor 100, if necessary.

도 10은 도 8의 분광기(1000)에 채용될 수 있는 분광 센서 모듈(302)의 광학적 배치의 다른 예를 보인다.10 shows another example of the optical arrangement of the spectroscopic sensor module 302 that may be employed in the spectrometer 1000 of FIG.

분광 센서 모듈(302)은 광원(210)과 분광 센서(100)를 포함하며, 투과형으로, 즉, 분광 센서(100)가 대상체(OBJ)를 투과한 산란광(LS)을 센싱하도록, 광학계가 구성되어 있다.The spectroscopic sensor module 302 includes a light source 210 and a spectroscopic sensor 100. The spectroscopic sensor module 302 includes an optical system such that the spectroscopic sensor 100 senses the scattered light L S transmitted through the object OBJ Consists of.

광원부(200)는 광원(210), 광경로 전환부재(220), 조리개(230)를 포함한다. 광경로 전환부재(220)는 프리즘 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 빔 스플리터나, 평판 미러의 형태를 가질 수도 있다. 또는 광원(210)의 배치에 따라 생략될 수도 있다. The light source unit 200 includes a light source 210, a light path switching member 220, and a diaphragm 230. The light path switching member 220 is shown in the form of a prism, but this is illustrative and may have the form of a beam splitter or a flat mirror. Or may be omitted depending on the arrangement of the light sources 210.

분광 센서 모듈(302)은 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 분광 센서(100)로 모으는 광학 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다. The spectroscopic sensor module 302 may further include an optical lens 150 that collects the scattered light L S from the object OBJ into the spectroscopic sensor 100.

광원(210)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS)은 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 본 실시예의 분광 센서 모듈(302)은 대상체(OBJ)를 투과하여 나온 산란광(LS)이 분광 센서(100)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있다.From the excitation light (L E) is absorbed was re-released in the molecular structure and collision, and the molecular structure, an object (OBJ) in the form of a wavelength-converted scattered light (L S) in the object (OBJ) irradiated by the light source (210) . The scattered light L S includes various spectra having different degrees of wavelength conversion depending on the molecular states in the object OBJ. The spectroscopic sensor module 302 of the present embodiment employs an optical system structure in which scattered light L S transmitted through the object OBJ is incident on the spectroscopic sensor 100.

도 9와 같은 반사형, 또는 도 10과 같은 투과형의 채용 여부는 대상체(OBJ)의 성질에 따라 적절히 선택할 수 있다. The use of the reflection type as shown in FIG. 9 or the transmission type as shown in FIG. 10 can be appropriately selected depending on the properties of the object OBJ.

도 11은 다른 실시예에 따른 분광기(1001)의 개략적인 구조를 보인다.11 shows a schematic structure of a spectroscope 1001 according to another embodiment.

분광기(1001)는 분광 센서 모듈(303)과 제어 모듈(600)을 포함한다. 본 실시예에서, 분광 센서 모듈(303)은 투광성 재질로 이루어진 베이스(280)를 구비하며, 베이스(280)의 일면에 서로 이격되게, 광원(210)과 분광 센서(100)가 배치되어 있다. The spectroscope 1001 includes a spectroscopic sensor module 303 and a control module 600. The spectroscopic sensor module 303 includes a base 280 made of a transparent material and the light source 210 and the spectroscopic sensor 100 are disposed on one side of the base 280 so as to be spaced apart from each other.

광원(210)은 베이스(280)를 통과하여, 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사하도록 배치되고, 분광 센서(100)는, 베이스(280)를 통과하여 입사되는 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 센싱하도록 배치된다. The light source 210 is arranged to pass the base 280 and irradiate the excitation light L E to the object OBJ and the spectroscopic sensor 100 is arranged to receive the object OBJ passing through the base 280, To sense the scattered light L S from the photodetector.

또한, 분광 센서 모듈(303)은 광원(210)으로부터의 여기광(LE)을 대상체(OBJ)에 집속하고, 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 상기 분광 센서(100)로 집속하는 광학 렌즈(260)를 더 포함할 수 있다. 광학 렌즈(260)는 광원(210)과 분광 센서(100)가 배치된 베이스(280)의 일면과 마주하는 면에 배치될 수 있다.The spectroscopic sensor module 303 focuses the excitation light L E from the light source 210 on the object OBJ and outputs the scattered light L S from the object OBJ to the spectroscopic sensor 100 And an optical lens 260 belonging to the optical system. The optical lens 260 may be disposed on a surface of the base 280 on which the light source 210 and the spectroscopic sensor 100 are disposed.

베이스(280)는 플렉서블 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 분광 센서 모듈(303)은 대상체(OBJ)에 착용될 수 있는(wearable) 형태로 적용되기에 유리하다. The base 280 may be made of a flexible material. In this case, the spectroscopic sensor module 303 is advantageously applied in a wearable form to the object OBJ.

제어 모듈(600)은 분광 센서 모듈(303)과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 제어 모듈(600)은 분광 센서 모듈(303)과 함께 베이스(280) 상에 탑재될 수 있고, 예를 들어, 팔찌 형상의 웨어러블 소형 분광기를 구성할 수 있다.The control module 600 may be connected to the spectroscopic sensor module 303 in a wired or wireless manner. The control module 600 can be mounted on the base 280 together with the spectroscopic sensor module 303 and can constitute, for example, a bracelet-like wearable small-sized spectroscope.

또는, 분광 센서 모듈(303)만이 팔찌 형상의 웨어러블 기기로 형성되고, 제어 모듈은 모바일 기기에 탑재되는 형태로 분광기가 구현될 수도 있다.Alternatively, only the spectroscopic sensor module 303 may be formed of a wearable device of the bracelet shape, and the control module may be mounted on the mobile device.

도 12는 또 다른 실시예에 따른 분광기(1002)의 개략적인 구조를 보인다.12 shows a schematic structure of a spectroscope 1002 according to another embodiment.

분광 센서 모듈(304)은 광원부(200)와 분광 센서(100)를 구비하며, 투과형 광학계 구성을 채용하여, 귀걸이 형태로 대상체에 착용될 수 있다. The spectroscopic sensor module 304 includes a light source unit 200 and a spectroscopic sensor 100. The spectroscopic sensor module 304 employs a transmissive optical system configuration and can be worn on an object in the form of an earring.

제어 모듈(600)은 분광 센서 모듈(304)과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어 모듈(600)은 모바일 기기에 탑재되고 분광 센서 모듈(304)과 통신할 수 있다.  The control module 600 may be connected to the spectroscopic sensor module 304 in a wired or wireless manner. For example, the control module 600 may be mounted on the mobile device and may communicate with the spectroscopic sensor module 304.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.To the best of the understanding of the present invention, exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings. It should be understood, however, that such embodiments are merely illustrative of the present invention and not limiting thereof. And it is to be understood that the invention is not limited to the details shown and described. Since various other modifications may occur to those of ordinary skill in the art.

100...분광 센서 110...나노 안테나 어레이부
111, 112, 113...나노 안테나 120...광검출기 어레이부
121...광검출기 150, 260...광학 렌즈
200...광원부 210...광원
220...광경로 전환부재 230...조리개
280...베이스 300, 301, 302, 303, 304...분광 센서 모듈
600...제어 모듈 1000, 1001, 1002...분광기100 ... spectroscopic sensor 110 ... nano antenna array part
111, 112, 113 ... nano antenna 120 ... photodetector array part
121 ... photodetector 150, 260 ... optical lens
200 ... light source 210 ... light source
220 ... light path switching member 230 ... aperture
280 ... base 300, 301, 302, 303, 304 ... spectroscopic sensor module
600 ... control module 1000, 1001, 1002 ... spectrometer

Claims (26)

공진 파장 대역이 서로 다른 복수의 나노 안테나를 구비하는 나노 안테나 어레이부;
상기 복수의 나노 안테나에서의 광을 각각 검출하는 복수의 광검출기를 구비하는 광검출기 어레이부;를 포함하는 분광 센서. A nano-antenna array unit including a plurality of nano-antennas having different resonance wavelength bands;
And a plurality of photodetectors each for detecting light in the plurality of nano-antennas. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노 안테나 각각은
지지부;
상기 지지부 상에 배치된 복수의 플라즈모닉 나노입자;를 포함하는 분광 센서. The method according to claim 1,
Each of the plurality of nano-
A support;
And a plurality of plasmonic nanoparticles disposed on the support. 제2항에 있어서,
상기 플라즈모닉 나노입자는 전도성 물질이 양각된 형태로 이루어지는 분광 센서. 3. The method of claim 2,
Wherein the plasmonic nanoparticles are formed by embossing a conductive material. 제2항에 있어서,
상기 플라즈모닉 나노입자는 전도성 물질이 음각된 형태로 이루어지는 분광 센서. 3. The method of claim 2,
Wherein the plasmonic nanoparticles are formed in a shape in which a conductive material is engraved. 제2항에 있어서,
상기 지지부는 유전체 물질로 이루어진 분광 센서.3. The method of claim 2,
Wherein the support portion is made of a dielectric material. 제2항에 있어서,
상기 지지부는 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어진 분광 센서. 3. The method of claim 2,
Wherein the support portion is made of a material whose optical characteristic changes according to an external signal. 제4항에 있어서,
상기 외부 신호는 전기 신호, 음파, 열, 또는 기계적 힘인 분광 센서.5. The method of claim 4,
Wherein the external signal is an electrical signal, an acoustic wave, a heat, or a mechanical force. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노 안테나 각각은
제1 유전체층과, 상기 제1유전체층보다 큰 굴절률을 가지는 제2유전체층이 제1방향을 따라 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀을 포함하는 상부 나노구조층;
제3 유전체층과, 상기 제3유전체층보다 큰 굴절률을 가지는 제4유전체층이 제1방향을 따라 교번 적층된 적층 구조와, 상기 적층 구조를 관통하여 형성된 복수의 나노홀을 포함하는 하부 나노구조층;
상기 상부 나노구조층과 하부 나노구조층 사이에 배치되고, 유전 물질로 이루어진 중간층;을 포함하는 분광 센서.The method according to claim 1,
Each of the plurality of nano-
A first nano structure layer including a first dielectric layer and a second dielectric layer having a refractive index larger than that of the first dielectric layer and alternately stacking the first dielectric layer and the second dielectric layer in a first direction and a plurality of nano holes formed through the lamination structure;
A lower nano structure layer including a third dielectric layer, a fourth dielectric layer having a refractive index larger than that of the third dielectric layer, and a plurality of nano holes formed through the lamination structure;
And an intermediate layer disposed between the upper nano structure layer and the lower nano structure layer and made of a dielectric material. 제8항에 있어서,
상기 상부 나노구조층과 하부 나노구조층에 형성된 적층 구조의 주기는 서 상기 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/2 이하인 분광 센서.9. The method of claim 8,
Wherein a period of the laminated structure formed on the upper nano structure layer and the lower nano structure layer is equal to or smaller than? / 2 when the resonance wavelength is?. 제8항에 있어서,
상기 복수의 나노홀은 상기 제1방향과 수직인 평면 상에, 소정의 규칙성을 가지며 배치된 분광 센서. 9. The method of claim 8,
And the plurality of nano holes are arranged on a plane perpendicular to the first direction with predetermined regularity. 제10항에 있어서,
상기 규칙성을 나타내는 주기는, 상기 공진 파장을 λ라고 할 때, λ/3보다 작은 분광 센서. 11. The method of claim 10,
And the period representing the regularity is smaller than? / 3 when the resonance wavelength is?. 제8항에 있어서,
상기 제1유전체층과 제3유전체층은 같은 물질로 이루어지고,
상기 제2유전체층과 제4유전체층은 같은 물질로 이루어진 분광 센서. 9. The method of claim 8,
Wherein the first dielectric layer and the third dielectric layer are made of the same material,
Wherein the second dielectric layer and the fourth dielectric layer are made of the same material. 제8항에 있어서,
상기 복수의 나노홀은 공기 또는 굴절률이 1보다 큰 유전체 물질로 채워진 분광 센서. 9. The method of claim 8,
Wherein the plurality of nanoholes are filled with air or a dielectric material having a refractive index greater than 1. 제8항에 있어서,
상기 상부 나노구조층에 형성된 복수의 나노홀과 상기 하부 나노구조층에 형성된 복수의 나노홀은 상기 중간층을 관통하여 서로 연결된 분광 센서. 9. The method of claim 8,
A plurality of nano holes formed in the upper nano structure layer and a plurality of nano holes formed in the lower nano structure layer are connected to each other through the intermediate layer. 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원;
상기 대상체로부터, 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 제1항의 분광 센서;를 포함하는 분광 센서 모듈.A light source for irradiating the object with excitation light;
The spectral sensor module according to claim 1, wherein the spectral sensor is capable of sensing scattered light by the excitation light from the object. 제15항에 있어서,
상기 분광 센서는 대상체로부터 반사된 산란광을 센싱하도록 배치되는 분광 센서 모듈. 16. The method of claim 15,
Wherein the spectroscopic sensor is arranged to sense the scattered light reflected from the object. 제16항에 있어서,
투광성 재질로 이루어지고, 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 베이스;를 더 포함하며,
상기 광원은, 상기 베이스의 상기 제1면에, 상기 제2면을 통해 대상체에 여기광을 조사하도록 배치되고,
상기 분광 센서는, 상기 베이스의 상기 제1면에, 상기 제2면을 통하여 입사되는 대상체로부터의 산란광을 센싱하도록 배치되는 분광 센서 모듈.17. The method of claim 16,
And a base made of a light transmitting material and having a first surface and a second surface facing each other,
The light source is arranged to irradiate the first surface of the base with excitation light to the object via the second surface,
Wherein the spectroscopic sensor is disposed on the first surface of the base so as to sense scattered light from a target object incident through the second surface. 제17항에 있어서,
상기 제2면에 배치되어, 상기 광원으로부터의 여기광을 대상체에 집속하고, 상기 대상체로부터의 산란광을 상기 분광 센서로 집속하는 광학 렌즈;를 더 포함하는 분광 센서 모듈. 18. The method of claim 17,
And an optical lens disposed on the second surface to focus the excitation light from the light source on a target and focus the scattered light from the target on the spectroscopic sensor. 제17항에 있어서,
상기 베이스는 플렉서블 재질로 이루어지는 분광 센서 모듈.18. The method of claim 17,
Wherein the base is made of a flexible material. 제19항에 있어서,
상기 분광 센서 모듈은 대상체에 착용될 수 있는 형태를 가지는 분광 센서 모듈.20. The method of claim 19,
Wherein the spectral sensor module has a shape that can be worn on a target object. 제15항에 있어서,
상기 분광 센서는 대상체를 투과한 산란광을 센싱하도록 배치되는 분광 센서 모듈. 16. The method of claim 15,
Wherein the spectroscopic sensor is arranged to sense scattered light transmitted through the object. 제21항에 있어서,
상기 분광 센서 모듈은 귀걸이 형태로 대상체에 착용될 수 있는 분광 센서 모듈.22. The method of claim 21,
Wherein the spectroscopic sensor module can be worn on an object in the form of an ear. 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원과,
상기 대상체로부터, 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 제1항의 분광 센서를 구비하는 분광 센서 모듈;
상기 분광 센서에서 센싱된 신호로부터 대상체의 물성을 분석하는 신호 처리부;를 포함하는 분광기.A light source for irradiating excitation light to the object,
A spectroscopic sensor module including the spectroscopic sensor of claim 1 capable of sensing scattered light by the excitation light from the object;
And a signal processor for analyzing physical properties of a target object from the signal sensed by the spectral sensor. 제23항에 있어서,
상기 광원은 근적외선 대역의 광을 조사하는 분광기. 24. The method of claim 23,
Wherein the light source emits light in a near-infrared band. 제24항에 있어서,
상기 신호 처리부는 라만 분광법에 의해 대상체의 물성을 분석하는 분광기. 25. The method of claim 24,
And the signal processor analyzes the physical properties of the object by Raman spectroscopy. 제23항에 있어서,
상기 분광 센서 모듈은 대상체에 착용될 수 있게 구성되는 분광기. 24. The method of claim 23,
Wherein the spectroscopic sensor module is configured to be worn on an object.
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