KR20180020614A - 금 나노입자가 증착된 테라헤르츠 주파수 대역 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 테라헤르츠파를 이용하여 검출대상물질을 검출 및 분석하는 센서에 관한 것으로서, 테라헤르츠파 집속 소자; 및 상기 테라헤르츠파 집속 소자에 증착된 금 나노입자를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 테라헤르츠파 집속 소자에 금 나노입자를 증착시킨 테라헤르츠파 대역 센서를 제공함으로써, 금 나노입자가 검출대상물질을 직접 포집하여 검출 감도 및 검출대상물질 선택도가 향상되는 효과가 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 테라헤르츠파 집속 소자에 금 나노입자를 증착시킨 테라헤르츠파 대역 센서를 제공함으로써, 금 나노입자가 검출대상물질을 직접 포집하여 검출 감도 및 검출대상물질 선택도가 향상되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 테라헤르츠파를 이용하여 검출대상물질을 검출 및 분석하는 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 테라헤르츠파 집속 소자에 금 나노입자를 증착하여 테라헤르츠파와 검출대상물질과의 상호작용을 향상시켜, 검출대상물질의 선택도 및 검출 감도를 향상시킨 센서에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 전자기파 스펙트럼에서 마이크로파와 원적외선의 중간 영역에 해당하는 0.1 내지 10 THz 대역의 전자파로, 전자의 가속을 이용하는 마이크로파 생성 기술과 반도체의 밴드갭을 이용하는 광파 생성 기술 모두 적용하기 어려워 오랜 기간 동안 미개발되어 '테라헤르츠 갭(Terahertz Gap)'으로 불리어 왔다.
이러한, 테라헤르츠파는 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가지고 있고, 분자 운동의 진동주파수 영역이 테라헤르츠파 주파수 대역에 존재하므로 물질의 성분 분석에 적합하여 물질의 물성, 분자, 생명 연구 등을 위한 분광 시스템, 측정한 분광 특성을 이미지로 형상화하는 이미징 시스템, 그리고 넓은 주파수 대역폭을 이용한 초고속 무선 통신 시스템 등 다양한 분야에 응용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있다.
메타물질(Metamaterial)은 세상에 존재하지 않는 물질로, 화학적 성질이 아닌 물질의 구조를 통하여 물질의 성질을 바꿀 수 있다. 메타물질의 구조는 미시적으로 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속물질이나 유전물질로 설계된 메타원자(meta-atom)의 주기적인 배열로 구성하여, 자연에서 발견할 수 없는 음의 굴절률, 초투과, 회절한계 극복 등 매우 신비로운 특성을 얻을 수 있다.
테라헤르츠파 대역은 전자기파와 광파의 중간 대역에 위치하여 새로운 물질의 개발 및 물질 분석에 매우 중요한 주파수 자원으로써, 이 대역에서의 물질 분석은 물질의 새로운 기능 개발 및 응용에 새로운 장을 열 수 있고, 특정 구조의 고품질 메타물질을 설계하면 테라헤르츠 주파수 대역에서 강한 공진을 나타내도록 할 수 있다. 이러한 메타구조는 테라헤르츠 전자파의 집중이 가능하여 검출이 필요한 특정 물질과 전자기파와의 상호 작용을 높여서 검출 감도를 향상시킬 수 있어 고감도 센서로의 응용이 가능하다.
따라서, 테라헤르츠파는 테라헤르츠 대역에서 고유의 공진 주파수를 가지는 다양한 물질을 검출하기 위하여 매우 유용하고, 이러한 검출이 요구되는 특정물질의 양이 매우 작을 경우에도 검출 특성을 확보하기 위해서는 고품질 메타 물질 개발이 필요하다.
한편, 종래에는 테라헤르츠 메타물질을 이용하여 물질을 검출하는 방법으로 메타물질에 테라헤르츠파를 집속하여 테라헤르츠파와 검출물질 사이의 상호 작용을 높임으로써 검출 효율을 향상하는 기술이 연구 개발되었다. 이러한 방법으로 검출 대상 물질의 검출 효율을 높이기 위해서는 새로운 구조의 메타물질 또는 복잡한 나노 공정을 이용한 나노 안테나를 이용하여 한다.
한편, 테라헤르츠파를 이용하는 센서와 관련하여 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1638526호가 있으며, 상기 특허공보는 메타물질 구조 패턴과 메타물질의 특성변화를 야기시하는 전압 인가용 도선을 통하여, 메타물질의 변조특성을 조절할 수 있는 방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 테라헤르츠파 집속 소자에 금 나노입자를 증착시킴으로써, 다양한 미세 물질들을 검출하는데 있어 검출도 및 선택도가 향상된 테라헤르츠파 대역 센서를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 테라헤르츠파 집속 소자; 및 상기 테라헤르츠파 집속 소자에 증착된 금 나노입자를 포함하는 테라헤르츠 대역 센서를 제공하는 것을 일 특징으로 한다.
상기 테라헤르츠파 집속 소자는 메타물질 기반 구조체 또는 나노 구조체일 수 있다.
상기 메타물질 기반 구조체는 기판과 상기 기판 상에 형성된 패턴을 포함하고, 상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역에만 증착될 수 있다.
상기 메타물질 기반 구조체는 기판과 상기 기판 상에 형성된 패턴을 포함하고,
상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역을 제외한 상기 기판 영역에만 증착될 수 있다.
상기 메타물질 기반 구조체는 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 유전율이 낮은 물질로 이루어진 도포층; 상기 도포층 상부에 형성된 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역에만 증착되거나, 상기 패턴 영역을 제외한 상기 도포층 영역에만 증착될 수 있다.
상기 금속나노입자는 금 나노입자 표면에 임의의 리간드를 포함하는 것일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 테라헤르츠파 집속 소자에 금 나노입자를 증착시킨 테라헤르츠파 대역 센서를 제공함으로써, 금 나노입자가 검출대상물질을 직접 포집하여 검출 감도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 금 나노입자에 임의의 리간드 물질이 결합되어, 검출대상물질의 선택도를 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 실시예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 물리적 방법에 의한 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 화학적 방법에 의한 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 테라헤르츠파 투과 특성을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤츠파 대역 센서에서의 금나노입자의 비유전율 변화에 따른 테라헤르츠파 변화 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 물리적 방법에 의한 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 화학적 방법에 의한 검출대상물질 포집 모식도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠파 대역 센서의 테라헤르츠파 투과 특성을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤츠파 대역 센서에서의 금나노입자의 비유전율 변화에 따른 테라헤르츠파 변화 결과를 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠 대역 센서의 실시예를 도시한 것으로, 도 1을 참조하면 본 발명의 일 형태에 따른 테라헤르츠 대역 센서(100)는 테라헤르츠파 집속 소자(110); 및 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착된 금 나노입자(Gold Nanoparticle, GNP)(130)를 포함한다. 금 나노입자(130)는 반응성이 좋아 공유결합 등의 화학결합 또는 물리적인 결합에 의하여 다양한 물질과 결합할 수 있으며, 금 나노입자(130)는 1 내지 100 nm 크기의 미세 입자로 부피에 비하여 넓은 표면적을 가지고 있어 미세한 물질의 검출 및 많은 양의 물질과 결합이 가능하다. 금 나노입자(130)를 상기 테라헤르츠파 집속 소자(110)의 일면 또는 양면에 증착함으로써, 테라헤르츠파를 이용하여 검출하고자 하는 분석대상물질(analytes)을 금 나노입자가 포집하여 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
테라헤르츠파 집속 소자(110)는 나노 구조체 또는 메타물질 기반 구조체일 수 있다. 상기 나노 구조체는 나노 안테나 또는 나노 슬릿 안테나일 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 메타물질 기반 구조체는 기판; 및 상기 기판의 일면 또는 양면에 형성된 패턴을 포함하는 테라헤르츠 능동/수동 소자로써, 금 나노입자를 메타물질 기반 구조체에 증착시킴으로써 테라헤르츠파를 이용하여 검출하고자 하는 분석대상물질의 검출강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 메타물질 기반 구조체는 기판; 검출 효율을 높이기 위하여 상기 기판의 상부에 형성되는 유전율이 낮은 물질로 이루어진 도포층(cover layer); 및 상기 도포층의 상부에 형성된 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 도포층은 박막 또는 후막의 형태일 수 있다.
상기 메타물질 기반 구조체에서의 기판은 낮은 유전율을 갖는 기판을 이용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 실리콘 기판, 사파이어 기판, GaAs 기판, InP 기판, Quartz 기판 등 일 수 있고, 검출 효율을 높이기 위하여 상기 기판의 상부에 형성되는 유전율이 낮은 물질로 이루어진 박막 또는 후막은 BCB(benzocylobutane)으로 이루어 질 수 있다. 한편, 내구성이 높은 금 나노입자 증착을 위하여, 실리콘 기판 표면에 실레인(silane) 처리 후 이황화 탄소(CS2)와 금 나노입자를 동시에 투입하여 내구성이 높은 테라헤르츠 대역 센서의 제작이 가능하다.
상기 패턴은 금속 또는 고분자 패턴일 수 있으며, 상기 금속 패턴은 금(Au)을 이용하여 형성된 패턴일 수 있다. 상기 금속 패턴은 1 또는 2 이상의 갭을 포함할 수 있으며, 1 또는 2 이상의 갭의 위치를 조정하거나 메타물질의 구조를 조절함으로써 비대칭 메타물질을 구현할 수 있다. 비대칭 메타물질은 비대칭 정도를 조정하여 Fano 공진을 발생시켜 테라헤르츠파 집속 소자가 가지게 되는 테라헤르츠파의 품질계수(Quality Factor) 향상 및 검출하고자 하는 분석대상물질의 선택도를 향상시킨다.
금 나노입자(130)는 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착되어 금 나노입자 박막을 형성할 수 있다. 금 나노입자는 나노입자 표면의 작용기와 집적소자 표면에 도입된 작용기와의 화학반응에 의한 공유결합(covalent bond), 또는 정전기적 인력(electrostatic interaction), 수소결합(hydrogen bonding)과 같은 상호작용을 이용한 비공유결합(non-covalent bonding)에 의하여 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착될 수 있다.
금 나노입자(130)는 테라헤르츠파 집속 소자(110)가 메타물질 기반 구조체인 경우에, 메타물질의 기판과 패턴을 포함하는 전체에 증착되거나(도 1의 2번도), 메타물질의 패턴영역에만 증착되거나(도 1의 3번도), 메타물질의 패턴영역을 제외한 기판 상에만 증착(도 1의 4번도)될 수 있다. 한편, 상기 메타물질 기반 구조체가 도포층을 포함하는 경우에는, 금 나노입자(130)가 메타물질에서의 상기 도포층과 패턴을 포함하는 전체에 증착되거나, 패턴 영역에만 증착되거나, 패턴 영역을 제외한 상기 도포층 영역에만 증착될 수 있다. 증착되는 금 나노입자의 위치에 따라, 테라헤르츠 대역 센서의 활용도가 다양화 될 수 있으며, washing 과정을 통하여 도 1의 5, 6번도와 같은 선택적인 기판 또는 패턴영역의 금 나노입자 증착이 가능하다.
금 나노입자(130)는 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착되어 검출대상물질의 선택도 및 감도를 향상시킨다. 도 2를 참조하면 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착된 금 나노입자(130)는 물리 또는 화학 결합에 의하여 검출대상물질을 포집한다. 포집된 검출대상물질은 테라헤르츠파 집속 소자에 집속된 전자기파와의 상호작용 특성에 영향을 주어 테라헤르츠 펄스파의 출력이 달라진다. 달라진 테라헤르츠파를 검출대상물질이 존재하지 않은 경우의 테라헤르츠 펄스파의 출력과 비교하여 검출하고자 하는 검출대상물질의 존재 유무와 검출대상물질의 양을 확인할 수 있다. 또한, 포집된 검출대상물질을 테라헤르츠파에 직접 노출되어 검출 감도의 향상 및 검출대상물질의 선택도를 향상시킬 수 있다. 테라헤르츠 투과 특성은 메타물질 위에 증착된 금 나노입자가 검출대상물질과 결합하여 그 특성이 변함에 따라 변하게 된다. 이는 금 나노입자에 검출대상물질이 결합하게 되면 금 나노입자와 검출대상물질의 결합으로 테라헤르츠파 집속 소자에 증착된 금 나노입자는 새로운 유효 유전율을 가지게 되기 때문이다. 결과적으로 금 나노입자와 결합하는 검출대상물질의 종류와 결합한 검출대상물질의 양 변화에 따라 테라헤르츠파 집속 소자에 증착된 금 나노입자의 전체 유효 유전율이 변화하게 된다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 물리적인 방법에 의한 검출대상물질 포집방법은 하기와 같다. 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착된 금 나노입자(130)는 검출대상물질(200)을 금 나노입자(130) 사이의 빈 공간에 위치시켜 검출대상물질(200)을 포집하며, 포집된 검출대상물질(200)은 테라헤르츠파에 직접 노출될 수 있다. 테라헤르츠파 집속 소자(110)에 증착된 금 나노입자(130) 사이의 빈 공간에 미세물질 또는 DNA 등과 같이 금 나노입자 직경보다 작은 직경을 가지면서 어느 정도의 길이를 가지는 분석대상물질이 위치하게 되면 테라헤르츠 펄스파의 출력에 영향을 주어, 미세물질 또는 DNA 등의 다양한 미세 물질의 검출이 가능하게 된다.
한편, 도 4를 참조하면, 금 나노입자(130)는 금 나노입자 표면에 임의의 리간드 물질(131)을 포함할 수 있다. 금 나노입자(130)는 반응성이 좋아 공유결합을 통하여 임의의 리간드 물질(131)과 결합할 수 있다. 결합된 임의의 리간드 물질로 인하여, 금 나노입자(130) 표면은 임의의 리간드 물질로 둘러쌓일 수 있다. 임의의 리간드 물질(131)은 검출대상물질(200)과의 높은 친화력과 물질 선택성을 가지고 온도에 안정하고 화학적으로 합성이 가능하여 대량생산이 가능한 것이 바람직하다. 임의의 리간드 물질(131)은 검출대상물질(200)을 인식하는 분석인식물질로써, 그 종류에 따라 정전기적 인력(electrostatic attraction) 혹은 공유결합(covalent bonding) 등의 화학결합을 통하여 금속이온, 탄소와 수소로 이루어진 작은분자, 단백질, 핵산(nucleic acid), 미생물(miroorganism) 등을 검출대상물질로서 인식하여, 검출대상물질을 포집한다. 따라서, 금 나노입자(130)와 결합한 임의의 리간드 물질(131)의 종류에 따라 검출대상물질의 종류가 다양해질 수 있으며, 임의의 리간드 물질의 특정 검출대상물질과의 결합도에 따라 그 선택도 향상되며, 검출대상물질을 포집하여 직접적으로 테라헤르츠파에 노출시킬 수 있어 검출 감도가 높은 센서로의 응용이 가능하다.
한편, 본 출원인은 본 발명의 일 실시예인 금속 패턴을 이용하여 구성한 메타물질에 금 나노입자를 증착한 테라헤르츠 대역 센서의 테라헤르츠파 투과 특성을 시뮬레이션 하여, 그 결과를 도 5 및 도 6에 도시하였다. 메타물질에 입사하는 테라헤르츠파의 전계 방향이 메타물질의 갭과 수직한 방향인 경우를 모드 1, 평행한 경우를 모드 2로 설정하였다.
도 5를 참조하면, 모드 1의 형태로 테라헤르츠파가 메타물질에 입사될 때 0.814 THz 대역에서 기본 공진이 발생하고, 메타물질의 비선형성에 의한 파노공진이 0.648 THz 대역에서 발생함을 확인할 수 있다. 테라헤르츠파가 모드 2의 형태로 메타물질이 입사되는 경우 1.351 THz 와 1.444 THz 대역에서 투과저지특성이 발생하고, 두 저지대역 사이인 1.399 THz 대역에서 대역통과특성이 발생함을 확인할 수 있다. 이와 같이 테라헤르츠 메타물질은 그 구조에 따라 특정 주파수 대역에서 테라헤르츠파와 반응하여 투과 또는 저지 특성이 발생함을 알 수 있다. 이러한 테라헤르츠 투과 특성은 메타물질 위에 증착된 금 나노입자가 검출대상물질과 결합하여 그 특성이 변함에 따라 변하게 된다. 이를 모사하기 위하여 도 5에 도시한 메타물질 위에 증착된 금 나노입자의 비유전율을 조절하면서 테라헤르츠파 투과 특성 변화를 분석하였다. 금 나노입자와 검출대상물질 결합 상태에 따른 테라헤르츠 특성 변화를 예측하기 위하여 메타물질 위에 증착된 금 나노입자 박막의 비유전율 변화(1.0 ~ 3.5)에 따른 테라헤르츠파 투과 특성 변화를 도 6(모드 1)과 도 7(모드 2)에 도시하였다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 모드 1과 모드 2에서 모두 비유전율이 올라감에 따라 저지대역 및 투과대역의 공진주파수가 낮아짐을 확인할 수 있다. 모드 1의 경우 두 저지대역에서 금 나노입자 박막의 비유전율 증가에 따른 주파수 천이 특성이 동일하게 나타났고 비유전율이 1.0에서 3.5까지 증가함에 따라 14 GHz 의 주파수 천이 특성을 보였다. 모드 2의 경우 1.351 THz 저지대역의 주파수 천이 특성이 16 GHz로 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 그러므로, 금 나노입자와 검출대상물질의 결합에 따른 금 나노입자 박막의 비유전율 변화는 테라헤르츠파 투과 특성 변화에 직접적인 영향을 미침을 확인할 수 있다. 이는 금 나노입자에 검출대상물질이 결합하게 되면 금 나노입자와 검출대상물질이 결합함으로써 금 나노입자 박막은 새로운 유효 유전율을 가지게 되기 때문이다. 결과적으로 금 나노입자와 결합하는 검출대상물질의 종류와 결합한 검출대상물질의 양 변화에 따라 금 나노입자 박막의 전체 유효 유전율이 변화하게 된다. 상기의 금 나노입자와 검출대상물질과의 결합 정도에 따른 테라헤르츠 투과 특성 변화는 메타물질 또는 나노구조체의 구조 및 금 나노입자 증착 최적화를 통하여 향상할 수 있다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
100 : 테라헤르츠 대역 센서
110 : 테라헤르츠파 집속 소자 130 : 금 나노입자
200 : 검출대상물질
110 : 테라헤르츠파 집속 소자 130 : 금 나노입자
200 : 검출대상물질
Claims (8)
- 테라헤르츠파 집속 소자; 및
상기 테라헤르츠파 집속 소자에 증착된 금 나노입자를 포함하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 테라헤르츠파 집속 소자는 메타물질 기반 구조체 또는 나노 구조체인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 2 항에 있어서,
상기 메타물질 기반 구조체는 기판과 상기 기판 상에 형성된 패턴을 포함하고,
상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역에만 증착되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 2 항에 있어서,
상기 메타물질 기반 구조체는 기판과 상기 기판 상에 형성된 패턴을 포함하고,
상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역을 제외한 상기 기판 영역에만 증착되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 2 항에 있어서,
상기 메타물질 기반 구조체는 기판; 상기 기판의 상부에 형성된 유전율이 낮은 물질로 이루어진 도포층; 상기 도포층 상부에 형성된 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역에만 증착되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 금 나노입자는 상기 패턴 영역을 제외한 상기 도포층 영역에만 증착되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속나노입자는 금 나노입자 표면에 임의의 리간드를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 대역 센서.
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