KR20160028564A - Plasmonic sensor with multilayer thin film and nano-structures - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈모닉 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 박막 구조와 나노 구조를 이용한 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a plasmonic sensor, and more particularly, to a surface plasmon resonance (SPR) sensor using a multilayer thin film structure and a nanostructure.
표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance)은 금속박막의 표면에서 발생하는 전자들의 집단적인 진동현상(Collective Charge Density Oscillation)을 의미하는 것으로서, 표면 플라즈몬 현상에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 공명파(Surface Plasmon Resonance wave)는 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파를 의미한다.Surface Plasmon Resonance (SPR) refers to Collective Charge Density Oscillation of electrons generated from the surface of a metal thin film. The surface plasmon resonance (SPR) generated by the surface plasmon phenomenon wave) refers to surface electromagnetic waves traveling along the interface between a metal and a dielectric material adjacent thereto.
SPR 센서는 감쇠 전반사(Attenuated Total Reflection)를 응용한 광학적 바이오센서이다. 보다 상세하게, 전반사란 입사된 광신호가 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 진행하는 경우에 있어, 특정 임계각 이상이 되면 모든 광신호가 다른 매질로 굴절되지 않고 경계면에서 전부 반사되는 현상을 의미하고, 감쇠 전반사는 특수한 조건에서 소산장(Evanescent Field)과 경계면 근처의 물질과의 상호작용으로 인한 에너지의 이동으로 반사도가 감소하게 되는 현상을 의미한다. 이러한 감쇠 전반사의 반사도는 광신호의 특정 입사각에서 급격하게 감소하는 특징을 가진다.The SPR sensor is an optical biosensor applying Attenuated Total Reflection. More specifically, when the incident optical signal propagates from a medium having a high refractive index to a medium having a low refractive index, all the optical signals are not refracted by another medium but are totally reflected at a boundary, Attenuation total reflection is a phenomenon in which the reflectivity decreases due to the energy transfer due to the interaction of the material near the interface with the evanescent field under special conditions. The reflectivity of the attenuated total reflection is characterized by a sharp decrease in a specific incident angle of the optical signal.
SPR 센서의 구조에 대해 보다 상세히 살펴보면, 표면 플라즈몬 층인 금속박막이 유리 프리즘의 평평한 면에 배치되고, 그 아래에 측정하고자하는 시료가 놓인다. 편광된 광신호가 프리즘을 통하여 금속박막 표면에서 반사될때, 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 특정 각으로 입사된 광신호는 그 에너지를 잃고, 금속박막과 측정하고자 하는 시료의 계면을 따라 진행하며, 반사되는 광신호 에너지의 세기를 측정함으로써 표면 플라즈몬 공명각을 구할 수 있다. 특히 SPR 센서의 출력은 매질이 금속박막과 접촉할 때 일어나는 매질의 유전 상수 변화에 매우 민감하다.The structure of the SPR sensor will be described in more detail. A metal thin film as a surface plasmon layer is disposed on a flat surface of a glass prism, and a sample to be measured is placed under the thin film. When a polarized optical signal is reflected at the surface of the metal thin film through the prism, the optical signal incident on the specific angle at which the surface plasmon resonance occurs causes the energy to be lost and proceeds along the interface between the metal thin film and the sample to be measured, The surface plasmon resonance angle can be obtained by measuring the intensity of the signal energy. In particular, the output of the SPR sensor is very sensitive to changes in the dielectric constant of the medium as it comes into contact with the metal film.
SPR 센서는 빛(광신호)을 금속박막에 조사하여 금속박막의 표면에 표면 플라즈몬 공명을 발생시켜 시료 매질의 굴절률 및 농도변화를 측정한다. SPR 센서의 기본적인 측정값은 센서의 응답신호 능력 즉, 빛의 세기, 각 응답신호 및 파장 응답신호이다. 각 응답신호가 SPR 센서의 측정값으로 사용될 때, 생체 분자들의 상호작용에 따른 성질은 반사된 빛의 세기가 최소가 되는 각(즉, SPR 각)의 이동량을 통하여 결정된다. 이때 SPR 센서의 출력은 매질이 금속 박막과 접촉할 때 일어나는 매질의 유전상수변화에 매우 민감하다. 즉, 방해매질(Analyte)이 SPR 센서의 플로우 셀(Flow cell)을 통해 흘러감으로서 금속 박막에 고정되어 있는 리셉터(Receptor)와의 상호작용에 의해 SPR 각이 이동한다. 그리고 SPR 센서는 측정 신호(즉, SPR 각의 이동량)을 굴절률(index of refractive)로 환산하여 방해매질인 생체 분자의 특성을 측정한다. The SPR sensor irradiates the light (optical signal) to the metal thin film to generate the surface plasmon resonance on the surface of the metal thin film, thereby measuring the refractive index and the concentration change of the sample medium. The basic measurement values of the SPR sensor are the response signal capability of the sensor, that is, the intensity of the light, the angular response signal, and the wavelength response signal. When each response signal is used as a measurement value of the SPR sensor, the nature of the interaction of the biomolecules is determined through the amount of movement of each angle (i.e., the SPR angle) at which the intensity of the reflected light becomes minimum. At this time, the output of the SPR sensor is very sensitive to changes in the dielectric constant of the medium that occurs when the medium comes into contact with the metal film. That is, the SPR angle moves due to interaction with the receptor, which is fixed to the metal thin film, as the disturbance medium (Analyte) flows through the flow cell of the SPR sensor. The SPR sensor measures the characteristic of a biomolecule, which is an interference medium, by converting the measurement signal (that is, the amount of movement of the SPR angle) into an index of refraction.
이와 같이, SPR 센서는 금속 박막의 표면에 리간드(ligand)를 고정시키고, 생체 분자의 결합작용을 실시간으로 모니터링하여 생체 분자의 특성을 검출하는 소자이다. 서로 결합되는 생체 분자들의 예로는 항체-항원, 호르몬-수용체, 단백질-단백질, DNA-DNA, DNA-단백질 등을 들 수 있다. 리간드의 고정화 방법의 일예로서 리간드에 티올기를 공유결합에 의해 붙여서 티올화된 리간드를 금속 표면에 화학적으로 흡착시키는 방법을 들 수 있다. 또한 카르복실 메틸레이티드 덱스트란(carboxyl-methylated dextran) 사슬로 구성된 히드로겔 매트릭스(hydrogel matrix)를 이용하여 리간드를 SPR 센서의 금속 박막 표면에 고정화하는 방법도 존재한다. 이러한 SPR 센서의 가장 큰 장점은 방사성 물질이나 형광 물질과 같은 지표 물질을 사용하지 않고 직접 분자를 측정할 수 있는 점이다. As described above, the SPR sensor is a device that fixes a ligand on the surface of a metal thin film and detects the biomolecule characteristics by monitoring the binding action of the biomolecules in real time. Examples of biomolecules that are bound to each other include antibody-antigen, hormone-receptor, protein-protein, DNA-DNA, DNA-protein and the like. As an example of a method of immobilizing a ligand, there is a method of chemically adsorbing a thiolated ligand on a metal surface by attaching a thiol group to the ligand through a covalent bond. There is also a method of immobilizing the ligand on the surface of the metal thin film of the SPR sensor using a hydrogel matrix composed of a carboxyl-methylated dextran chain. One of the great advantages of this SPR sensor is that it can directly measure molecules without using indicator materials such as radioactive materials or fluorescent materials.
상술한 바와 같은 종래의 프리즘에 금속 박막을 증착하여 제조한 SPR 센서는 측정 매질의 교환이 용이하고 측정 변수가 다양하다는 장점을 갖는다. The SPR sensor manufactured by depositing a metal thin film on the conventional prism as described above has an advantage that the measurement medium can be easily replaced and the measurement parameters are varied.
그러나 현재 요구되는 바이오/환경 센서 시스템에서는 초고감도 수준의 정밀한 측정이 필요하다. 즉, 아주 작은 양의 땀이나, 호흡만을 가지고 다양한 생체 정보를 정확히 검출해내기 위해서는 종래의 SPR 센서는 측정에 한계가 있다.However, the presently required bio / environmental sensor system requires precise measurement at an ultra-high sensitivity level. That is, the conventional SPR sensor has a limitation in measurement in order to accurately detect various kinds of living body information with only a small amount of sweat or breath.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 정밀도로 정확한 광신호의 출력이 가능하도록 하는 결함(defect)을 가지는 1차원 광결정 구조인 다층 박막 구조와 2차원 광결정 구조인 나노 구조를 이용하여 공진 특성을 향상시킬 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to improve resonance characteristics by using a multilayer thin film structure, which is a one-dimensional photonic crystal structure having defects that enable accurate optical signal output, And a surface plasmon resonance sensor.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따르면, 결함(defect)을 가지는 1차원 광 밴드 갭 구조의 다층 유전체 박막, 상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속박막, 상기 금속 박막 상에 형성된 2차원 광 밴드 갭 구조의 나노 입자 구조 층 및 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 나노 입자 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-layer dielectric thin film including a one-dimensional photonic bandgap structure having defects, a plurality of dielectric thin films disposed on one surface of the multi- Dimensional nanoparticle structure layer formed on the metal thin film, a nanoparticle structure layer formed on the metal thin film, a nanoparticle structure layer formed on the metal thin film, a nanoparticle structure layer formed on the metal thin film, And a signal is detected.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 결함(defect)을 가지는 1차원 광 밴드 갭 구조의 다층 유전체 박막, 상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속박막, 상기 금속 박막 상에 형성된 2차원 광 밴드 갭 구조의 나노 홀 구조 층 및 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 나노 홀 구조 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-layer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure having defects, a plurality of dielectric thin film layers disposed on one surface of the multi- A nano-hole structure layer having a two-dimensional photonic bandgap structure formed on the metal thin film, and a nano-hole structure layer formed on the metal thin film and a nano-hole structure layer formed on the nano-hole structure layer, And the optical signal is detected.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 결함(defect)을 가지는 1차원 광 밴드 갭 구조의 다층 유전체 박막, 상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지며 2차원 광 밴드 갭 구조인 금속 나노 입자 층 및 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 금속 나노 입자 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-layer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure having defects, a plurality of dielectric thin film layers disposed on one surface of the multi- Dimensional optical bandgap structure and an optical signal that is incident on the metal nanoparticle layer through the multilayer dielectric thin film and is reflected by the metal nanoparticle layer and then emitted through the multilayer dielectric thin film .
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 다층 유전체 박막은 서로 다른 굴절률을 가지는 2 이상의 유전체 박막이 번갈아 가면서 반복적으로 적층된 제1 영역 및 상기 결함과 대응되는 결함 유전체 박막이 포함된 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film transistor including a first region in which two or more dielectric thin films having different refractive indices are repeatedly stacked alternately and a second region in which a defect dielectric thin film And a second area including the second area.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 결함 유전체 박막의 굴절률은 상기 2 이상의 유전체 박막의 굴절률과 상이한 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, the refractive index of the defect dielectric thin film is different from the refractive index of the at least two dielectric thin films.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 결함 유전체 박막의 굴절률은 상기 2 이상의 유전체 박막 중 어느 하나의 유전체 박막의 굴절률과 동일하고, 상기 결함 유전체 박막의 두께는 상기 어느 하나의 유전체 박막의 두께와 상이한 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, the refractive index of the defect dielectric thin film is the same as the refractive index of one of the at least two dielectric thin films, and the thickness of the defect dielectric thin film is And is different from the thickness of one dielectric thin film.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 나노 입자 구조 층 또는 나노 홀 구조 층 또는 금속 나노 입자 층은, 소정의 물질과 결합하는 적어도 하나의 리셉터(receptor)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, the nanoparticle structure layer, the nano-hole structure layer or the metal nanoparticle layer further includes at least one receptor that binds to a predetermined substance .
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 적어도 하나의 리셉터 중 적어도 일부가 상기 소정의 물질과 결합하는 경우 상기 표면 플라즈몬 공명 조건은 변경되고, 상기 표면 플라즈몬 공명 조건의 변경과 대응하여 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호의 주파수 대역은 변경되는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, when at least a part of the at least one receptor is combined with the predetermined substance, the surface plasmon resonance condition is changed, and the change of the surface plasmon resonance condition The frequency band of the optical signal emitted through the multilayer dielectric thin film is changed.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 나노 입자 구조 층 또는 나노 홀 구조 층은, Au, Ag, Cu, Al 등과 같이 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, the nanoparticle structure layer or the nano-hole structure layer is formed of one metal such as Au, Ag, Cu, Al, or the like.
다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서에 의하면, 입사된 검사광에 의해서 1차원 광 밴드 갭 구조의 다층 유전체 박막에서 형성된 공진 특성이 2차원 광 밴드 갭을 갖는 나노 구조층의 공진 특성에 영향을 받아서 최종 출력되는 공진 특성의 Q 값이 커지므로, 측정 대상물질의 아주 작은 양의 변화를 검출할 수 있게 됨으로써 광을 기반으로 하는 일반적인 센서에 비해 감도를 향상시킬 수 있다. According to the plasmonic sensor having a multilayer thin film structure and a nanostructure, resonance characteristics formed in a multilayer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure due to the incident inspection light are compared with resonance characteristics of a nanostructure layer having a two- The Q value of the resonance characteristic finally outputted is increased, so that it is possible to detect a very small amount of change of the substance to be measured, so that the sensitivity can be improved as compared with a general light based sensor.
도 1은 다층 박막의 투과광과 반사광의 동작 원리를 설명하기 개략도.
도 2는 1차원 광 밴드 갭 유전체 박막층과 2차원 나노 구조층의 결합을 통한 공진 특성을 향상시키는 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 다층 박막 구조를 이용한 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층박막과 나노 구조가 결합된 표면 플라즈몬 공명 센서를 설명하기 위한 개략도. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view for explaining an operation principle of transmitted light and reflected light of a multilayered thin film;
2 is a view for explaining an operation principle for improving resonance characteristics through coupling of a one-dimensional photonic band gap dielectric thin film layer and a two-dimensional nanostructure layer.
3 is a view for explaining the operation principle of a sensor using a multilayer thin film structure.
4 is a schematic view for explaining a surface plasmon resonance sensor in which a multilayer thin film and a nanostructure are combined according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the following description. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are being provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. &Quot; comprises "and / or" comprising ", as used herein, unless the recited element, step, operation, and / Or additions.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 다층 박막의 투과광과 반사광의 동작 원리를 설명하기 개략도이고, 도 2는 1차원 광 밴드 갭 유전체 박막층과 2차원 나노 구조층의 결합을 통한 공진 특성을 향상시키는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 다층 박막 구조를 이용한 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서를 설명하기 위한 개략도이다. Hereinafter, a plasmonic sensor in which a multilayer thin film structure and a nanostructure are combined according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. FIG. 1 is a schematic view for explaining the operation principle of transmitted light and reflected light of a multilayered thin film, FIG. 2 is a view for explaining an operation principle for improving resonance characteristics through coupling of a one-dimensional photonic band gap dielectric thin film layer and a two- FIG. 3 is a view for explaining the principle of operation of a sensor using a multilayer thin film structure, and FIG. 4 is a schematic view for explaining a plasmonic sensor in which a multilayer thin film structure and a nanostructure are combined according to an embodiment of the present invention .
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 서로 다른 굴절률(n1, n2)을 가지는 2개의 유전체가 d1 및 d2의 두께를 가지고 주기적으로(서로 번갈아 가면서 반복적으로) 배치하여 다층 박막을 형성하고, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 다층 박막의 중간에 2개의 유전체 중 어느 하나의 두께(d1 또는 d2)가 달라지거나 다른 굴절률(n3)을 가지는 유전체가 삽입되는 경우, 광 밴드 갭 구조에서의 주기성이 깨지게 되고, 이에 의해 광 밴드갭 내에는 특정 주파수 대역만을 투과시키는 결함모드(투과광 그래프 표시)가 발생하며, 이에 의해 다층 박막은 광 파장 필터로 동작하게 된다.As shown in Fig. 1 (a), two dielectrics having different refractive indices n1 and n2 are arranged periodically (repeatedly and alternately) with the thicknesses d1 and d2 to form a multilayer thin film, When a dielectric having a thickness d1 or d2 of one of two dielectric materials or a dielectric material having a different refractive index n3 is inserted in the middle of a multilayer thin film as shown in FIG. 1 (a) The periodicity is broken, whereby a defect mode (transmission light graph indication) which allows only a specific frequency band to pass is generated in the optical band gap, whereby the multilayer thin film operates as an optical wavelength filter.
한편, 다층 박막 구조를 도 1(b)에 도시된 바와 같이 구성하는 경우, 광신호는 다층 유전체 박막을 통과한 후 굴절률이 n3인 박막층에서 반사되어 다시 다층유전체 박막을 통과하므로, 광신호의 이동 경로는 도 1의 (a)에 도시된 다층박막과 유사하게 형성된다.1 (b), when the optical signal passes through the multilayer dielectric thin film and then is reflected by the thin film layer having the refractive index n3 and passes through the multilayer dielectric thin film again, The path is formed similarly to the multilayered film shown in Fig. 1 (a).
이에 따라, 다층 유전체 박막은 광 파장 필터로서 동작하여 특정 주파수 대역의 광신호 만을 외부로 출력한다.Accordingly, the multilayer dielectric thin film operates as an optical wavelength filter, and outputs only an optical signal of a specific frequency band to the outside.
한편, 2차원 밴드 갭을 가지는 나노 구조를 도 1(c)에 도시된 바와 같이 구성하는 경우, 광신호는 2차원 나노 구조층에서 광 밴드갭 내에는 특정 주파수 대역만을 반사시키는 결함모드(반사광 그래프 표시)가 발생하며, 이에 의해 나노 구조는 광 파장 필터로 동작하게 된다.When the nanostructure having a two-dimensional band gap is constructed as shown in FIG. 1 (c), the optical signal is a defect mode in which only a specific frequency band is reflected in the optical band gap in the two- Display) occurs, whereby the nanostructure operates as an optical wavelength filter.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차원 다층 박막 광 결정을 통해 발생되는 결함 모드(defect mode)의 파장 필터(wavelength filter) 특성이 결함(defect) 영역의 상단에 존재하는 2차원 광 결정 나노 구조에서 발생되는 파장 필터(wavelength filter) 특성과 결합되어 공진 파장에서의 감광비(extinction ratio) 및 큐펙터(Q-factor)가 커지게 된다.2, when a wavelength filter characteristic of a defect mode generated through a one-dimensional multi-layer thin film photonic crystal is formed in a two-dimensional photonic crystal nano- The extinction ratio and the Q-factor at the resonance wavelength are increased due to the combination of the wavelength filter characteristic generated in the structure.
한편, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 굴절률이 n3인 박막층의 후면으로 센싱하고자 하는 물질이 포함된 기체 내지 액체를 흘려 보내는 경우, 리셉터와 기체 내지 액체에 포함된 해당 물질과의 결합에 의해 표면 굴절률이 변경되고, 이에 따라 외부로 출력되는 광 신호의 주파수(파장) 대역이 변경된다. 3 (a), when a gas or a liquid containing a substance to be sensed is flowed to the rear surface of a thin film layer having a refractive index of n3, it is preferable that the bonding between the receptor and the substance contained in the gas or the liquid And the frequency (wavelength) band of the optical signal output to the outside is changed.
이와 같이 출력되는 광신호의 파장 대역이 변경되는 경우, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 검출되는 광신호의 출력파워가 증가하게 되며, 이에 의해 검출되는 감도가 향상되어 센싱의 정밀도를 향상시키게 된다.When the wavelength band of the output optical signal is changed, the output power of the detected optical signal increases as shown in FIG. 3 (b), thereby improving the sensitivity to be detected, thereby improving the accuracy of sensing .
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view illustrating a structure of a plasmonic sensor in which a multilayer thin film structure and a nanostructure are combined according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서는 베이스 기판(110), 다층 유전체 박막(120), 굴절률이 다른 유전체 박막(130), 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속 재질의 얇은 금속박막(140), 나노 구조체(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4A, a plasmonic sensor in which a multilayer thin film structure and a nanostructure are combined according to an embodiment of the present invention includes a
다층 유전체 박막(120) 구조는 서로 다른 굴절률(Refractive Index)을 갖는 2개의 유전체 박막이 주기적으로 반복되어 적층될 때 광 밴드 갭(Photonic Band Gap)이 형성되는 구조이다. 보다 상세하게, 2개의 유전체 박막의 굴절률 차이가 클수록 광 밴드 갭이 커지게 되며, 주기적으로 반복되는 유전체 박막의 두께와 굴절률을 조절함으로써 원하는 대역의 광 밴드 갭을 확보할 수 있다. 여기서, 광 밴드 갭은 물질을 통과하지 못하는 광 신호의 주파수 대역을 의미한다.The multi-layer dielectric
이러한 광 밴드 갭 구조에 주기성을 깨뜨리는 결함(defect)(130)을 첨가하는 경우, 광 밴드 갭 중 일부에서 결함 모드(Defect Mode)를 얻을 수 있으며, 결함 모드를 조절하여 원하는 주파수 대역의 광 신호만을 통과/검출할 수 있다. When a
이를 위해, 다층 유전체 박막(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 서로 다른 굴절률을 가지는 2개의 유전체 박막이 번갈아 가면서 반복적으로 적층된 제1 영역(120) 및 결함과 대응되는 결함 유전체 박막이 포함된 제2 영역(130)을 포함할 수 있다.To this end, the multi-layer dielectric
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 영역(130)에 포함된 결함 유전체 박막은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 영역(120)에 포함된 2개의 유전체 박막과 다른 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우, 결함 유전체 박막의 두께는 제1 영역(120)에 포함된 2개의 유전체 박막의 두께와 상이할 수도 있고, 2개의 유전체 박막 중 어느 하나와 동일할 수도 있다.According to one embodiment of the present invention, the defect dielectric thin film included in the
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 영역(120)에 포함된 결함 유전체 박막은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 굴절률은 제1 영역(120)에 포함된 2개의 유전체 박막 중 어느 하나의 유전체 박막의 굴절률과 동일하되, 두께가 상이한 것일 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the defect dielectric thin film included in the
한편, 도 4에서는 제1 영역(120)에 굴절률이 서로 다른 2개의 유전체 박막이 서로 번갈아 가면서 반복적으로 적층된 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 영역(120)에 포함된 유전체의 종류는 3개 이상일 수도 있다. 다시 말해, 제1 영역(120)은 서로 다른 굴절률을 가지는 2 이상의 유전체 박막이 번갈아 가면서 반복적으로 적층된 것일 수 있다.4, two dielectric thin films having different refractive indexes are alternately repeatedly stacked on the
한편, 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속 재질의 얇은 금속박막(140)은 Au, Ag, Cu, Al 등과 같이 하나의 금속으로 형성된 박막일 수도 있고, Au/Ag, Ag/Cu, Al/Au 등과 같이 2개의 금속이 바이메탈(bi-metal) 구조로 형성된 박막일 수도 있다. 또한, 플라즈몬 공명 조건을 가지며 2차원 광 밴드 갭 구조인 금속 나노 입자 층(141)일 수 있다. The
한편, 나노 구조 층(150)은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 나노 입자 구조 층(151)을 포함할 수 있다. 이때 나노 입자 구조 층(151)은 일정한 간격을 가지는 나노 입자 구조일 수 도 있고, 또는 무질서한 형태의 나노 입자 구조를 포함할 수 있다.Meanwhile, the nanostructure layer 150 may include a
또한, 나노 구조 층(150)은 Au, Ag, Cu, Al 등과 같이 하나의 금속으로 형성된 나노 구조이다.In addition, the nanostructure layer 150 is a nanostructure formed of one metal such as Au, Ag, Cu, and Al.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 나노 구조 층(150)은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 나노 홀 구조 층(152)을 포함할 수 있다. Also, according to another embodiment of the present invention, the nanostructure layer 150 may include a nano-
한편, 나노 홀 구조 층(152)은 일정한 간격을 가지는 나노 홀 구조일 수 도 있고, 또는 무질서한 형태의 나노 홀 구조를 포함할 수 있다.On the other hand, the nano-
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속 나노 입자 층(141)만을 포함할 수 있다. 따라서 금속 나노 입자 층(141)은 플라즈몬 공명 조건을 가지며 2차원 광 밴드 갭 구조를 가질 수 있다. According to another embodiment of the present invention, only the
한편, 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속 나노 입자 층(141)은 일정한 간격을 가지는 나노 구조일 수 도 있고, 또는 무질서한 형태의 나노 구조를 포함할 수 있다.On the other hand, the
그리고, 상기 나노 구조 층(150)의 후면에는 적어도 하나의 리셉터가 위치한다. 리셉터는 센싱하고자 하는 소정의 물질(molecules)과 화학적으로 반응(결합)하는 감지물질(수용체)을 의미한다. 일례로, 상기 화학 반응은 항원/항체 반응일 수 있다.At least one receptor is disposed on the rear surface of the nanostructure layer 150. The receptor means a sensing substance (receptor) chemically reacting (binding) with predetermined molecules to be sensed. In one example, the chemical reaction may be an antigen / antibody reaction.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서가 구성되는 경우에 있어, 적어도 하나의 리셉터 중 적어도 일부가 센싱하고자 하는 물질과 결합하는 경우, 나노 구조 층(150)의 표면 플라즈몬 공명 조건은 변경되고, 표면 플라즈몬 공명 조건의 변경과 대응하여 다층 유전체 박막(120)을 통과하여 출사되는 광신호의 주파수 대역 내지 위상값은 변경된다. 따라서, 광 검출기를 통해 광신호를 검출하고, 검출된 광신호의 주파수 대역 내지 위상을 분석함으로써 센싱하고자 하는 물질의 종류를 감지할 수 있게 된다.As described above, in the case where the plasmonic sensor is formed by combining the multilayer thin film structure and the nanostructure according to an embodiment of the present invention, when at least a part of the at least one receptor is combined with a substance to be sensed, The surface plasmon resonance condition of the optical fiber 150 is changed and the frequency band or phase value of the optical signal emitted through the multilayer dielectric
한편, 상기 플라즈모닉 센서의 기판은 Glass나 BK7과 같은 투명한 유리기판이 존재할 수 있다. 이 경우, 유리기판 위에 서로 다른 굴절률을 가지는 2 이상의 유전체 박막 및 결함 유전체 박막을 증착시켜 다층 유전체 박막(120)을 형성할 수 있다.On the other hand, the substrate of the plasmonic sensor may be a transparent glass substrate such as glass or BK7. In this case, two or more dielectric thin films and defective dielectric thin films having different refractive indices may be deposited on the glass substrate to form the multilayer dielectric
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and the appended claims.
110: 베이스 기판
120: 다층 유전체 박막
130: 결함 유전체 박막
140: 금속 박막 층
141: 금속 나노 입자 층
150: 나노 구조 층
151: 나노 입자 구조 층
152: 나노 홀 구조 층110: Base substrate
120: multilayer dielectric thin film
130: Defective dielectric thin film
140: metal thin film layer
141: metal nanoparticle layer
150: nanostructure layer
151: nanoparticle structure layer
152: nano hole structure layer
Claims (9)
상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속박막;
상기 금속 박막 상에 형성된 2차원 광 밴드 갭 구조의 나노 입자 구조 층; 및
상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 나노 입자 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서. A multi-layer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure having defects;
A metal thin film disposed on one surface of the multilayer dielectric thin film and having a predetermined surface plasmon resonance condition;
A nanoparticle structure layer having a two-dimensional photonic band gap structure formed on the metal thin film; And
Layered dielectric thin film and a nanostructure formed on the multilayered dielectric thin film, wherein the nanostructured nanostructure layer is formed on the nanostructure layer.
상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지는 금속박막;
상기 금속 박막 상에 형성된 2차원 광 밴드 갭 구조의 나노 홀 구조 층; 및
상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 나노 홀 구조 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.A multi-layer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure having defects;
A metal thin film disposed on one surface of the multilayer dielectric thin film and having a predetermined surface plasmon resonance condition;
A nano hole structure layer having a two-dimensional photonic band gap structure formed on the metal thin film; And
Layered dielectric thin film, and detects an optical signal transmitted through the multi-layer dielectric thin film and reflected by the nano-hole structure layer and then emitted through the multi-layer dielectric thin film.
상기 다층 유전체 박막의 일면에 배치되고, 소정의 표면 플라즈몬 공명 조건을 가지며 2차원 광 밴드 갭 구조인 금속 나노 입자 층; 및
상기 다층 유전체 박막을 통과하여 입사되어 상기 금속 나노 입자 층에서 반사된 후 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.A multi-layer dielectric thin film having a one-dimensional photonic bandgap structure having defects;
A metal nanoparticle layer disposed on one surface of the multilayer dielectric thin film and having a predetermined surface plasmon resonance condition and a two-dimensional photonic bandgap structure; And
Layered dielectric thin film, and detects an optical signal that is incident on the multi-layer dielectric thin film and is emitted from the multi-layer dielectric thin film after being reflected by the metal nanoparticle layer.
상기 다층 유전체 박막은 서로 다른 굴절률을 가지는 2 이상의 유전체 박막이 번갈아 가면서 반복적으로 적층된 제1 영역; 및
상기 결함과 대응되는 결함 유전체 박막이 포함된 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the multilayer dielectric thin film comprises: a first region in which two or more dielectric thin films having different refractive indices are repeatedly stacked alternately; And
And a second region including a defect dielectric thin film corresponding to the defect. 2. The plasma sensor as claimed in claim 1,
상기 결함 유전체 박막의 굴절률은 상기 2 이상의 유전체 박막의 굴절률과 상이한 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.5. The method of claim 4,
Wherein the refractive index of the defect dielectric thin film is different from the refractive index of the at least two dielectric thin films.
상기 결함 유전체 박막의 굴절률은 상기 2 이상의 유전체 박막 중 어느 하나의 유전체 박막의 굴절률과 동일하고,
상기 결함 유전체 박막의 두께는 상기 어느 하나의 유전체 박막의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.5. The method of claim 4,
Wherein the refractive index of the defect dielectric thin film is the same as the refractive index of any one of the at least two dielectric thin films,
Wherein the thickness of the defect dielectric thin film is different from the thickness of any one of the dielectric thin films.
상기 나노 입자 구조 층 또는 나노 홀 구조 층 또는 금속 나노 입자 층은,
소정의 물질과 결합하는 적어도 하나의 리셉터(receptor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서. 4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The nanoparticle structure layer, the nanohole structure layer,
And at least one receptor for binding to a predetermined substance. The plasmonic sensor according to claim 1,
상기 적어도 하나의 리셉터 중 적어도 일부가 상기 소정의 물질과 결합하는 경우 상기 표면 플라즈몬 공명 조건은 변경되고, 상기 표면 플라즈몬 공명 조건의 변경과 대응하여 상기 다층 유전체 박막을 통과하여 출사되는 광신호의 주파수 대역은 변경되는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서. 8. The method of claim 7,
The surface plasmon resonance condition is changed when at least a part of the at least one receptor is combined with the predetermined substance and the frequency of the optical signal emitted through the multilayer dielectric thin film in correspondence with the change of the surface plasmon resonance condition is changed Wherein the nanostructures are modified by the nanostructure.
상기 나노 입자 구조 층 또는 나노 홀 구조 층은,
Au, Ag, Cu, Al 등과 같이 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서.
3. The method according to any one of claims 1 to 3,
The nanoparticle structure layer or the nanohole structure layer may be formed of a metal,
Au, Ag, Cu, Al, or the like, and a nanostructured multilayer thin film structure.
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