KR20180126584A - 나노다공성 표면 층을 갖는 도파로 센서 - Google Patents

나노다공성 표면 층을 갖는 도파로 센서 Download PDF

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KR20180126584A
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제프리 스테이플턴 킹
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

도파로 센서 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 광원 그리고 광 투과성 재료로부터 형성되는 도파로를 포함한다. 광원으로부터의 광은 입력 영역에서 도파로 내로 진입하여 도파로 내에서 전반사에 의해 분석물 영역으로 진행하고, 분석될 광은 도파로 내에서 분석물 영역으로부터 전반사에 의해 출력 영역으로 진행한다. 광 센서는 출력 영역에 결합되고 분석될 광과 상호작용하도록 구성된다. 상기 시스템은 분석물 영역 내의 외부 표면을 따라 위치되어 도파로의 광 투과성 재료에 형성되는 복수의 공극을 포함하고, 공극은 분석물 영역 내의 분석물과의 광 상호작용을 향상시키도록 구성된다.

Description

나노다공성 표면 층을 갖는 도파로 센서
관련출원에 대한 교차-참조
본원은 내용이 신뢰될 수 있고 그에 따라 본 명세서에 전체적으로 참조로 포함되는, 2016년 4월 7일자로 출원된, 미국 출원 제15/093,163호의 35 U.S.C. § 120 하에서의 우선권의 이익을 주장한다.
본 개시내용은 일반적으로 센서의 분야에 관한 것으로, 구체적으로 분석물 상호작용 영역 내의 다공성 표면을 갖는 도파로를 이용하는 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 화학물질 또는 분석물의 양 또는 종류는 분석물 또는 관련된 검출 화학물질과 상호작용하였거나 그것으로부터 방출된, 강도 또는 파장과 같은, 광의 성질을 측정함으로써 검출될 수 있다. 광의 측정된 성질이 그 다음에 분석물의 성질(예컨대, 재료의 종류, 특정 재료의 양 또는 농도 등)에 상호관련되고 그에 따라 분석물의 성질이 측정될 수 있다.
본 개시내용의 일 실시예는 도파로 광 감지 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 파장을 갖는 광을 발생시키도록 구성되는 광원 그리고 광 투과성 재료로부터 형성되는 도파로를 포함한다. 도파로는 입력 영역, 출력 영역, 외부 표면 그리고 외부 표면을 따라 위치되는 분석물 영역을 갖는다. 광원으로부터의 광은 입력 영역에서 도파로 내로 진입하여 도파로 내에서 전반사에 의해 분석물 영역으로 진행하고, 분석될 광은 도파로 내에서 분석물 영역으로부터 전반사에 의해 출력 영역으로 진행한다. 상기 시스템은 출력 영역에 결합되는 광 센서를 포함하고, 광 센서는 분석될 광과 상호작용하도록 구성되어 분석될 광의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성된다. 상기 시스템은 분석물 영역 내의 외부 표면을 따라 위치되어 도파로의 광 투과성 재료에 형성되는 복수의 공극을 포함한다. 공극은 평균 공극 폭을 갖고, 평균 공극 폭은 파장의 30% 미만이다.
본 개시내용의 추가적인 실시예는 제1 주 표면 그리고 제1 주 표면을 따라 위치되는 다공성 영역을 포함하는 유리 재료의 시트를 포함하는 유리 센서 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 광이 유리 재료의 시트 내에서 전반사에 의해, 광이 분석물과 상호작용하는, 다공성 영역으로 진행하도록 광을 유리 재료의 시트의 제1 영역 내로 유도하는 광원을 포함한다. 상기 시스템은 유리 재료의 시트의 제2 영역에 결합되는 광 감지 디바이스를 포함하고, 광 감지 디바이스는 다공성 영역으로부터 전반사에 의해 제2 영역으로 진행하는 광과 상호작용한다. 광 감지 디바이스는 광 감지 디바이스와 상호작용하는 광의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성된다. 다공성 영역은 유리 재료에 형성되는 복수의 공극을 포함하고, 공극은 100 ㎚ 미만의 평균 공극 폭을 갖는다.
본 개시내용의 추가적인 실시예는 감지 시스템의 일부로서 사용하도록 구성되는 센서 도파로에 관한 것이다. 센서 도파로는 제1 주 표면, 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면 그리고 제1 주 표면 상에 위치되는 분석물 접촉 영역을 포함하는 광 투과성 재료의 시트를 포함한다. 센서 도파로는 분석물 접촉 영역 내의 광 투과성 재료에 형성되는 복수의 공극을 포함하고, 공극은 100 ㎚ 미만의 평균 공극 폭을 갖는다. 센서 도파로는 분석물 접촉 영역 내의 제1 주 표면에 의해 지지되는 분석물 반응성 재료의 층을 포함하고, 분석물 반응성 재료의 적어도 일부는 복수의 공극 내에 위치된다.
추가적인 특징 및 이점이 후속되는 상세한 설명에 기재될 것이고, 부분적으로, 그 설명으로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 드러나거나 그 기재된 설명 및 청구범위, 그리고 또한 첨부된 도면에 설명된 바와 같이 실시예를 실시함으로써 인식될 것이다.
위의 대체적인 설명 및 하기의 상세한 설명의 둘 모두는 단지 예시이고, 개요 또는 골격을 제공하여 청구범위의 성격 및 특성을 이해하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
첨부 도면은 추가적인 이해를 제공하도록 포함되고, 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 실시예(들)를 도시하고, 그 설명과 함께, 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 유리 도파로 센서의 분해도를 도시한다.
도 2는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 도 1의 유리 도파로 센서의 개략 측면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 유리 도파로 센서의 분석물 영역의 세부 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 유리 도파로 센서의 다공성 표면의 현미경 사진이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 유리 도파로 센서의 평면도이다.
도 6a 및 6b는 예시적인 실시예에 따른 유리 도파로 센서를 사용하여 검출되는 상이한 레벨의 산소의 존재 시의 ?칭(quenching)의 정도를 도시하는 그래프이다.
도면을 대체로 참조하면, 도파로를 광학 시스템의 일부로서 이용하는 감지 시스템의 다양한 실시예가 도시된다. 일반적으로, 감지 시스템은 광을 도파로 내로 입사시키는 광원(예컨대, LED)을 포함하고, 광은 도파로 내에서 전반사를 통해 도파로의 적어도 하나의 표면 상에 위치되는 분석물 영역으로 진행한다. 광은 예를 들어, 분석물 반응성 재료를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 분석물과 상호작용하여 분석될 광을 발생시킨다. 분석될 광은 전반사를 통해 분석물 영역으로부터, 분석될 광의 성질(예컨대, 강도, 파장 등)에 관련되는 신호를 발생시키는, 광 센서(예컨대, CCD, 포토다이오드 등)로 진행한다.
여기서 논의된 실시예에서, 도파로는 분석물 영역 내의 도파로의 표면을 따라 위치되는 복수의 공극(예컨대, 나노공극)을 포함한다. 여기서 논의된 다양한 실시예에서, 공극은 도파로 기반 센서의 기능을 용이하게 하거나 개선하도록 크기설정(예컨대, 깊이, 폭, 직경 등) 또는 성형된다. 예를 들어, 공극이 분석물 영역 내의 표면적을 증가시키고 그에 따라 결국 도파로 내의 광은 분석물과 또는 분석물 반응성 재료와 상호작용하는 데 이용가능한 면적을 증가시키는 것으로 보인다. 또한, 도파로의 외부 표면에 코팅되는 분석물 반응성 재료를 이용하는 실시예에서, 공극은 (적어도 공극을 갖지 않는 표면에 비교될 때에) 분석물 반응성 재료 그리고 또한 분석물과의 상호작용에 노출되는 분석물 재료의 부분을 지지하는 데 이용가능한 표면적을 증가시킨다. 여기서 논의된 다공성 표면에 의해 제공되는 표면적 및 광 상호작용의 증가는 여기서 논의된 도파로 센서의 감도를 증가시키는 것으로 보인다.
공극이 위에서 논의된 표면적 및 광 상호작용 이익을 제공하기에 충분히 크도록 크기설정되지만, 여기서 논의된 공극은 광 투과성 구성요소가 도파로로서 기능하게 하기에 충분히 작도록 크기설정된다. 다양한 실시예에서, 공극은 광이 광 투과성 재료 내에서 전반사를 통해 효율적으로 전파하게 되도록 광원으로부터의 광의 파장에 대해 크기설정된다. 다양한 실시예에서, 광 투과성 재료는 전반사를 통한 광 전도를 가능케 하는 유리, 세라믹, 플라스틱 등일 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 공극은 공극의 직경 및/또는 깊이가 광원으로부터의 광의 파장보다 작도록 및/또는 분석될 광의 파장보다 작도록 크기설정된다. 본 출원인은 여기서 논의된 바와 같이 유리 도파로 내의 광의 파장보다 작도록 공극을 크기설정함으로써, 도파로의 표면을 따른 광의 산란 및/또는 아웃커플링(outcoupling)의 양이 감소/제거될 수 있고 그에 따라 유리가 도파로로서 효율적으로 기능하게 한다는 것을 밝혀내었다. 따라서, 본 출원인은 유리가 도파로로서 효율적으로 기능하게 하는 공극을 제공하는 것과 동시에 위에서 논의된 표면적 및 광 상호작용 이익을 제공하는 것 사이의 균형을 유지하는 다공성 표면 도파로를 위한 설계를 개발하였다.
또한, 다양한 실시예에서, 여기서 논의된 도파로 기반 센서 시스템의 공극은 도파로의 유리의 표면 상으로 가해지는 별개의 다공성 외부 층(예컨대, 양극 알루미나)을 포함하는 대신에, 도파로의 표면에서 유리 재료 내로 직접적으로 형성된다. 따라서, 여기서 논의된 도파로 기반 센서 시스템은 도파로 내의 광이 별개의 외부 다공성 코팅 층 내로의 횡단 또는 그것을 통한 상호작용 없이 분석물 또는 분석물 반응성 재료와 직접적으로 상호작용하게 되는 일체형 도파로 구성을 제공한다. 적어도 일부 실시예에서, 이러한 일체형 구성은 개선된 광 대 분석물 상호작용을 제공하고 그에 따라 결국 센서 성능을 개선하고 동시에 코팅 층과 관련하여 존재할 수 있는 문제를 제거하는 강력한 그리고 열적으로 안정된 구조를 제공하는 것으로 보인다. 또한, 여기서 논의된 일체형 구성은 전형적으로 유리 상에 추가적인 코팅 층을 퇴적하는 것과 관련되는 처리 복잡성을 제거한다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 도파로 광 감지 시스템, 예를 들어 도파로 기반 유리 센서 시스템(10)이 도시된다. 센서 시스템(10)은 유리 시트(12)로서 도시된, 광 투과성 재료로부터 형성되는 도파로를 포함한다. 다른 실시예에서, 광 투과성 재료는 전반사를 통한 광 전도를 가능케 하는 세라믹, 플라스틱 등을 포함하는, 임의의 적합한 도파로 재료일 수 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 유리 시트(12)는 광을 유도 및 수용하여 센서 시스템(10)의 다양한 구성요소들 사이에서 진행시키는 경로로서 작용한다.
센서 시스템(10)은 도면부호 16이 붙여진 화살표로서 그래픽적으로 도시된, 광을 유리 시트(12) 내로 유도하는 광원(14)을 포함한다. 다양한 실시예에서, 광원(14)은 백색 광 LED와 같은, 광역 스펙트럼 광원일 수 있고, 다른 실시예에서, 광원(14)은 청색 광 LED와 같은, 특정 적용분야에 사용될 특정 스펙트럼의 광을 발생시키는 협역 스펙트럼 광원일 수 있다. 이해되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 광원(14)에 의해 발생되는 광의 파장(들)은 요구된 분석물의 검출/그것과의 상호작용에 대한 및/또는 특정 분석물 반응성 재료와의 상호작용에 대한 적합성에 기초하여 선택된다. 도 1에서, 광원(14)은 유리 시트(12)로부터 이격되어 도시되어 센서 시스템(10)의 구성요소를 더 양호하게 도시하지만, 예시적인 실시예에서, 광원(14)은 유리 시트(12)에 근접하여 인접하거나 접촉하여 유리 시트(12) 내로 수용되는 광원(14)에 의해 발생된 광의 부분을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 광원(14)이 유리 시트(12)에 접합되고(또는 그렇지 않으면 그것과 밀착하여 접촉하고) 그에 따라 광원(14)으로부터의 광은 유리 시트 내로 결합되고, 그러한 실시예에서, 광 결합 구조체(예컨대, 프리즘 커플러, 산란 재료 등)가 광을 유리 내로 결합하는 데 이용되지 않는다. 그러나, 일부 다른 실시예에서, 유리 시트(12)는 하나 이상의 광 결합 구조체(예컨대, 프리즘 커플러, 산란 재료 등)를 포함할 수 있고 그에 따라 광원(14)으로부터 유리 시트(12) 내로의 광의 결합을 용이하게 한다.
도시된 실시예에서, 센서 시스템(10)은 분석물(20)로서 도시된, 분석될 재료를 지지하거나 그렇지 않으면 그것과 접촉할 수 있는 분석물 영역(18)을 포함한다. 일반적으로, 광(16)은 유리 시트(12) 내에서 전반사를 통해 광원(14)으로부터 분석물 영역(18)으로 진행하고, 여기서 광(16)은 (직접적으로 또는 간접적으로) 분석물(20)과 상호작용하고 그 결과 도면부호 22가 붙여진 화살표로 그래픽적으로 도시된, 분석될 광의 산출, 생성, 발생 또는 교체를 발생시킨다. 적어도 일부 실시예에서, 유리 시트(12)를 도파로로서 이용함으로써, 상기 시스템과 관련된 광과 분석물 사이의 상호작용은 광이 도파로 내에서 진행하는 동안에 일어나는 다중의 반사에 의해 증가된다. 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 분석물 영역(18)은 유리 시트(12)의 상부 표면의 전체 영역보다 작은 영역인, 일부를 점유한다.
일반적으로, 분석될 광(22)은 전반사를 통해 유리 시트(12) 내에서 포토다이오드(24)로서 도시된, 광 검출기 또는 센서로 진행한다. 이해되는 바와 같이, 포토다이오드(24)는 분석될 광(22)과 상호작용하여 분석될 광(22)의 성질(예컨대, 강도, 파장 등)에 관련되는 신호(26)(예컨대, 전자 신호)를 발생시키는 디바이스이다. 다양한 실시예에서, 센서 시스템(10)의 광 감지 디바이스는 전하 결합 소자(CCD), 포토다이오드, 포토다이오드 어레이, 광전도체, 포토트랜지스터, 광전자증배관 등을 포함하는, 임의의 적합한 광 감지 디바이스를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
신호(26)는 프로세서(30)와 같은, 처리 회로에 의해 수신 및 처리된다. 일반적으로, 프로세서(30)는 신호(26)를 수신하고 신호(26)를 처리하여 분석물(20)의 하나 이상의 특성(예컨대, 존재, 양, 농도, 종류 등)을 결정하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구성된다. 다양한 실시예에서, 프로세서(30)는 신호(26)를 수신 및 처리하는 광범위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 데이터 취득 및 처리는 광원(14)이 켜질 때에 포토다이오드(24)로부터 기인하는 광전류의 DC 측정을 포함한다. 다른 실시예에서, 데이터 취득 및 처리는 위상 시프트 측정 또는 간섭(예컨대, 주변 광) 제거에 의한 저 신호 측정이 가능한 다양한 변조 접근법을 포함한다. 다양한 실시예에서, 프로세서(30)는 스마트폰, 태블릿, 스마트워치, 스마트글래스, 랩탑 등과 같은, 휴대용 범용 컴퓨팅 디바이스의 프로세서일 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(30)는 전용 센서 시스템의 전용 프로세서(예컨대, 전용 프로세서, 마이크로프로세서, ASIC 등)일 수 있다.
일반적으로, 센서 시스템(10)은 광범위한 분석물을 측정, 검출 또는 모니터하도록 구성되는 광범위한 감지 시스템일 수 있다. 예를 들어, 센서 시스템(10)은 다양한 가스, 화학물질, 액체, 바이오마커 등을 측정, 검출 또는 모니터하도록 구성될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 센서 시스템(10)은 각각이 상이한 분석물 및/또는 동일한 분석물의 상이한 성질을 검출 또는 측정하도록 구성되는 다중의 분석물 영역(18)을 포함할 수 있다. 일부 그러한 실시예에서, 상이한 분석물 영역(18)의 각각은 요구된 분석물과 상호작용하는 상이한 분석물 반응성 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템(10)은 분광광도계 적용분야와 같은, 다른 광 분석 적용분야를 위해 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템(10)의 측면도가 도시된다. 유리 시트(12)는 상부 표면(32)으로서 도시된, 제1 주 표면 그리고 하부 표면(34)으로서 도시된, 제2 주 표면을 포함한다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광(16) 및 광(22)은 전반사를 통해 유리 시트(12)의 두께 내에서 진행한다. 이러한 구성에서, 분석물 영역(18)은 상부 표면(32) 상에 위치되거나 그 내에 형성되고, 광원(14) 및 포토다이오드(24)의 둘 모두는 하부 표면(34)을 따라 위치되거나 그것으로부터 지지된다. 도시된 실시예에서, 광원(14)이 하부 표면(34)과 접촉하고 그에 따라 광(16)은 유리 시트(12) 내로 효율적으로 진입하게 되고, 포토다이오드(24)가 하부 표면(34)을 따라 위치되고 그에 따라 광은 유리 시트(12)를 떠나서 포토다이오드(24)와 상호작용할 수 있다. 또한, 이러한 구성에서, 분석물 영역(18)은 광원(14)과 포토다이오드(24) 사이에 위치되고, 구체적으로 광원(14) 및 포토다이오드(24)는 유리 시트(12)의 대향 모서리들을 따라 위치된다.
위에서 언급된 바와 같이, 유리 시트(12)가 광 도파로로서 작용하고 그에 따라 광은 센서 시스템(10)의 상이한 구성요소들 사이에서 전반사를 통해 반송된다. 따라서, 이러한 구성에서, 유리 시트(12)는 광원(14)이 위치되는 입력 영역(36) 그리고 포토다이오드(24)가 위치되는 출력 영역(38)을 갖는다. 따라서, 이러한 구성에서, 유리 시트(12)는 광(16)을 유리 시트(12) 내에서 입력 영역(36)으로부터 분석물 영역(18)으로 반송하는 도파로로서 작용한다. 분석물 영역(18)에서, 유리 시트(12) 내의 광(16)은 (예컨대, 감쇠 광 상호작용을 통해, 굴절률 정합으로 인한 광 결합, 분석물(20)이 액체일 때 임계 각도 변화, 흡수, 광발광 등을 통해) 상부 표면(32) 상의 분석물(20)과, 직접적으로 또는 간접적으로, 상호작용하여 분석될 광(22)을 산출시킨다. 유리 시트(12)는 또한 분석될 광(22)을, 광(22)이 포토다이오드(24)와 상호작용하는, 출력 영역(38)을 향해 유도하는 도파로로서 작용한다.
일부 실시예에서, 유리 시트(12)의 전체가 도파로로서 작용한다. 일부 다른 실시예에서, 유리 시트(12)의 전체가 도파로로서 작용하지 않을 수 있고 도파로 섹션 또는 매설된 도파로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기서 논의된 유리 도파로는 유리 시트(12) 내에 레이저 기록된 도파로 섹션 및/또는 유리 시트(12) 내에 매설되는 이온-교환 도파로일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 것과 같은 일부 실시예에서, 분석물 영역(18)은 표면(32)의 전체 영역을 점유하고, 다른 실시예에서, 분석물 영역(18)은 표면(32)의 모든 영역보다 작은 영역을 점유한다. 유리 시트(12)는 상부 표면(32)과 하부 표면(34) 사이에서 두께(T1)를 갖는다. 구체적인 실시예에서, T1은 20 ㎛ 내지 4 ㎜이고, 구체적으로 20 ㎛ 내지 2 ㎜이다. 도시된 실시예에서, 표면(32)(여기서 논의된 공극 제외) 및 표면(34)은 실질적으로 평면형, 평행한 표면이고, 다른 실시예에서, 표면(32) 및/또는 표면(34)은 볼록한 또는 오목한 만곡된 표면일 수 있거나, 서로에 대해 경사형일 수 있거나, 다른 복잡한 만곡부 또는 형상을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 분석물 영역(18)의 개략 단면도가 도시된다. 유리 시트(12)는 유리 재료의 시트(12)에 형성되어 분석물 영역(18) 내의 외부 표면(32)을 따라 위치되는 복수의 공극(40)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 공극(40)은 유리 시트(12)의 외부 표면(32)을 따라 형성되는 웰, 리세스, 채널, 오목부 등일 수 있다. 일반적으로, 공극(40)은 유리 시트(12) 내에서 진행하여 분석물과 상호작용할 수 있고 동시에 유리 시트(12)가 도파로로서 기능하게 할 수 있는 광의 능력을 증가시키거나 개선하는 방식으로 표면(32)을 따라 크기설정 및/또는 위치설정된다. 도 3의 개략도가 공극(40)을 도시의 용이성을 위해 실질적으로 일관된 웰형 구조로서 도시하지만, 공극(40)은 도 4에 도시된 바와 같이, 유리 시트(12)의 하나 이상의 표면에 인접하여 위치되는 공극의 상호연결된 스펀지형 3 차원, 네트워크일 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 구체적으로, 공극(40)은 유리 시트(12) 내의 광과 분석물 사이의 상호작용 계면을 제공하는 (비다공성, 평면형 표면에 비교될 때에) 표면(32)의 면적을 증가시키는 것으로 보이고, 이러한 상호작용 계면의 면적을 증가시킴으로써, 센서 시스템(10)은 분석물 영역(18) 내의 분석물을 감지할 수 있는 더 감응성인 및/또는 더 정확한 능력을 제공하는 것으로 보인다. 또한, 유리 또는 세라믹 재료(예컨대, 다공성 양극 알루미나 코팅)에 가해지는 다공성 코팅을 이용하는 일부 재료와 대조적으로, 공극(40)은 별개의 추가적인 층에 대한 필요성 없이 일체형 구조로 광/분석물 상호작용 영역의 증가를 제공한다. 본 출원인은 또한 여기서 논의된 일체형 구조 및 공극 구성이 열적으로 안정된 센서 시스템을 제공하고, 얇은 디바이스 적용분야에 적합하고 및/또는 다중화된 검출 재료와의 사용에 적합한 것으로 본다.
다양한 실시예에서, 공극(40)은 구체적으로 광/분석물 상호작용 영역의 이러한 증가를 제공하기에 충분히 크도록 크기설정되고, 동시에 다공성 도파로 표면을 따라 일어날 수 있었던 산란 또는 아웃커플링을 제한 또는 방지하도록 광원(14)으로부터의 광(16)의 파장에 및/또는 분석될 광(22)의 파장에 대해 크기설정된다. 다양한 실시예에서, 공극(40)은 W1로서 대표적으로 도시된, 평균 공극 폭 그리고 D1로서 대표적으로 도시된, 평균 공극 깊이를 갖는다. 일반적으로, 평균 공극 폭(W1)은 분석물 영역(18)의 공극(40)에 대한 유리 시트(12)의 두께에 직각인 치수의 평균이고, 공극(40)이 실질적으로 원형 단면을 갖는 실시예에서, W1은 평균 직경을 나타낸다. 일반적으로, 평균 공극 깊이(D1)는 분석물 영역(18)의 공극(40)에 대한 유리 시트(12)의 두께에 평행한 공극 치수의 평균이다.
다양한 실시예에서, W1은 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 30% 미만이고, 구체적으로 광(16)의 파장의 및/또는 광의 파장(22)의 10% 미만이고, 더 구체적으로 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 1% 내지 9%이다. 일부 그러한 실시예에서, W1은 또한 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 0.1% 초과 그리고 더 구체적으로 1% 초과일 수 있다. 구체적인 실시예에서, W1은 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 4% 초과 내지 6% 미만이고, 구체적으로, W1은 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 약 5%(예컨대, 5% 플러스 또는 마이너스 10%)이다. 다양한 실시예에서, W1은 100 ㎚ 미만이고, 더 구체적으로 1 ㎚ 초과 내지 30 ㎚ 미만이다.
다양한 실시예에서, D1은 광(16)의 파장보다 작고 및/또는 광(22)의 파장보다 작고, 구체적으로 광(16)의 파장의 및/또는 광의 파장(22)의 50% 미만이고, 더 구체적으로 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 30% 미만이다. 일부 그러한 실시예에서, D1은 또한 광(16)의 파장의 및/또는 광(22)의 파장의 5% 그리고 더 구체적으로 10% 초과일 수 있다. 다양한 실시예에서, D1은 10 ㎚ 내지 10 ㎛이다.
다양한 실시예에서, 공극(40)은 평면형 비다공성 표면에 비교될 때에 표면(32)의 표면적을 증가시킨다. 다양한 실시예에서, 표면(32)의 면적은 분석물 영역(18)과 동일한 외부 치수를 갖는 비다공성 평면 유리 표면보다 200% 크거나, 300% 크거나, 500% 크다. 구체적인 실시예에서, 표면(32)의 면적은 분석물 영역(18)과 동일한 외부 치수를 갖는 비다공성 평면형 유리 표면보다 400% 내지 1000% 크다. 구체적인 실시예에서, 유리 시트(12)의 다공성 영역 내의 자유 공간 또는 공기의 백분율은 30% 초과, 50% 초과 및 75% 초과 일 수 있고, 그러한 실시예에서, 다공도는 네트워크에서의 자유 공간의 백분율의 관점에서 정의될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 시스템(10)은 광(16)이 표면(32)에서 분석물과 직접적으로 상호작용하게 하도록 구성될 수 있고, 일부 그러한 실시예에서, 유리 시트(12) 내의 광은 감쇠 광 상호작용을 통해, 굴절률 정합으로 인한 광 결합을 통해, 임계 각도 변화를 통해 또는 흡수를 통해 분석물과 상호작용한다.
다른 실시예에서, 센서 시스템(10)은 표면(32)에 의해 지지되어 공극(40) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 분석물 반응성 재료의 층을 포함한다. 일반적으로, 분석물 반응성 재료는 광(16) 및/또는 분석물(20)과 상호작용하고 분석될 광(22)이 분석물(20)의 성질(예컨대, 분석물(20)의 존재/부존재, 양, 농도 등)에 관련되거나 그것에 기초하여 변동하는 임의의 재료이다. 그러한 실시예에서, 공극(40)을 분석물 반응성 재료로 코팅함으로써, 유리와 분석물 반응성 재료 사이의 계면에서 광(16)과 상호작용하는 데 이용가능한 분석물 반응성 재료의 부분이 증가된다. 유사하게, 공극(40)을 분석물 반응성 재료로 코팅함으로써, 분석물과 분석물 반응성 재료 사이의 계면에서 분석물(20)과 상호작용할 수 있는 분석물 반응성 재료의 부분이 증가된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 분석물 반응성 재료는 분석물 감응성 형광단(fluorophore) 재료의 층(42)으로서 도시된, 형광 분석물 반응성 재료일 수 있다. 이러한 실시예에서, 분석물 감응성 형광단 재료(42)는 표면(32)을 코팅하는, 층에 가해지고 분석물 영역(18) 내의 공극(40) 내에 위치된다. 구체적인 실시예에서, 분석물 감응성 형광단 재료(42)는 형광을 유발하는 광(16)에 의해 여기되고 분석물 감응성 형광단 재료(42)에 의해 발생되는 형광의 강도 또는 다른 특성이 분석물의 존재 시에 변동하는 재료이다. 이러한 방식으로, 분석될 광(22)은 분석물 감응성 형광단 재료(42)로부터의 형광 광을 포함하고, 형광 광의 강도 또는 다른 성질은 분석물 영역(18)에 위치되는 분석물의 존재 또는 양에 관련된다.
구체적인 실시예에서, 분석물 감응성 형광단 재료(42)는 O2 감응성 형광단이고, 구체적인 실시예에서, 분석물 감응성 형광단 재료(42)는 트리스(4,7-디페닐-1, 10-페난트롤린) 루테늄(II) 디클로라이드와 같은, Ru-복합체이다. 이러한 분석물 반응성 재료를 이용하는 그러한 실시예에서, 분석물(20)은 산소이고, 분석물 감응성 형광단 재료(42)의 형광은 산소의 존재 시에 (예컨대, ?칭을 통해) 감소되고, 형광 감소의 정도는 분석물 영역(18)에 존재하는 산소의 양에 관련된다. 따라서, 그러한 실시예에서, 분석될 광(22)의 형광 성분의 강도는 분석물 감응성 형광단 재료(42)와 상호작용하도록 존재하는 산소의 양에 관련된다. 이러한 구성에서, 포토다이오드(24)에 의해 발생되는 신호(26)는 분석물 영역(18)에 존재하는 대기 산소의 양에 관련되고, 프로세서(30)에 의해 판독 및 처리될 수 있다.
도 1 내지 3은 분석물 영역(18)이 유리 시트(12)의 외부 또는 상부 표면에 있는 센서 시스템을 도시하지만, 다른 유리 도파로 센서 구성이 여기서 논의된 나노다공성 표면 구성을 이용하여 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 센서 시스템(10)은 유리 층의 둘 모두에서 도파 모드를 유지하기에 충분한 평탄도와 함께 분석물 반응성 재료로 코팅되는 2개의 유리 시트를 프레싱함으로써 형성되는 유리 도파로 구성의 중심에 있는 다공성 분석물 영역(18)을 포함한다. 다른 실시예에서, 유리 시트(12)는 다층(예컨대, 2개 또는 3개의 층) 용융 형성 유리 시트일 수 있고, 구체적인 실시예에서, 다층 유리 시트의 유리 층 중 하나 이상은 코닝, 인크.(Corning, Inc.)로부터 입수가능한 침출 바이코어(Vycor) 유리의 층이다.
공극(40)에 추가하여, 분석물 영역(18) 내의 표면은 분석물(20)과 광의 상호작용을 향상시키도록 추가로 변형될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 센서 시스템(10)은 표면 증강 라만 산란(surface enhanced Raman scattering)(SERS)을 통해 광(16)과 분석물(20) 사이의 상호작용을 향상시키는 것으로 보이는 분석물 영역(18) 내의 표면(32)에 매설되는 은 나노입자를 포함한다. 그러한 실시예에서, 은 나노 입자는 원위치에서 유리에 매설될 수 있거나, 공극(40)의 형성 후에 표면(32) 상으로 퇴적될 수 있다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 유리 시트(12) 내의 공극(40)의 현미경 사진이 도시된다. 도 4의 사진에 도시된 바와 같이 그리고 위에서 언급된 바와 같이, 공극(40)은 유리 시트(12)의 표면 중 하나에 인접한 공극의 3-차원 네트워크를 형성한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 공극(40)은 화학적 식각 공정을 통해 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 공극(40)은 레이저 식각; 포토리소그래피; e-빔 리소그래피; 식각 마스크의 자체-조립; 나노임프린트 리소그래피; 선택 식각, 블록 공중합체 마스크의 사용 등과 조합되는 상 분리(예컨대, 바이코어 유리의 실투)를 포함하는, 임의의 적합한 공정을 통해 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 유리 시트(12)는 다공성 표면을 갖는 유리를 발생시키는 기술을 통해 제조될 수 있고, 그러한 실시예에서, 공극(40)은 2차 형성 단계를 통해 형성되지 않는다.
도 5를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른, 도파로 기반 유리 센서 시스템(50)과 같은, 도파로 광 감지 시스템이 도시된다. 센서 시스템(50)은 여기서 논의되는 것과 같은 것을 제외하면 센서 시스템(10)과 실질적으로 동일하다. 센서 시스템(10)과 유사하게, 센서 시스템(50)은 광(16)을 수용하는 분석물 영역(18)을 포함하고, 분석될 광(22)은 분석물 영역(18)을 떠나서 포토다이오드(24)와 상호작용한다. 그러나, 도 5에 도시된 구성에서, 광원(14) 및 포토다이오드(24)는 대체로 분석물 영역(18)과 동일한 측면 상에 위치되고, 구체적으로 유리 시트(12)의 공통 모서리에 인접하여 위치된다. 이러한 구성에서, 시스템(50)은 광원(14)과 포토다이오드(24) 사이에 위치되는 광 차단 구조체(52)를 포함하고, 이에 따라 광(16)은 광원(14)으로부터 포토다이오드(24)로 직접적으로 진행하는 것이 차단된다. 이러한 구성은 직접적인 광(16)에 의해 포토다이오드(24)가 포화되는 것을 제한 또는 방지하여 포토다이오드(24)가 분석될 광(22)에 반응하게 하거나 그것에 대한 반응성을 증가시킨다.
또한, 센서 시스템(50)은 제2 포토다이오드(54)로서 도시된, 제2 광 센서를 또한 포함한다. 일반적으로, 포토다이오드(54)는 광원(14)으로부터 광(16)을 수신하여 광(16)의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성되고, 이러한 신호는 프로세서(30)로 전달된다. 따라서, 이러한 구성에서, 포토다이오드(54)는 광원(14)의 출력을 모니터하여 시스템(50)의 동작이 광원(14)으로부터 측정된 광 출력에 관련하여 실시간으로 조정 또는 제어되게 한다. 예를 들어, 형광 분석물 반응성 재료로부터의 형광의 측정된 레벨은 광(16)의 특성(예컨대, 강도, 파장 등) 그리고 존재하는 분석물의 양 둘 모두에 관련될 수 있다. 따라서, 포토다이오드(54)를 통한 광원(14)의 모니터 동작에 의해, 시스템(50)은 광원(14)의 출력의 변동에 기초하여 판독치를 조정함으로써 분석물의 요구된 성질을 더 정확하게 측정할 수 있다.
센서 시스템(50)은 분석물 영역(18)과 제2 포토다이오드(54) 사이에 위치되는 제2 광 차단 구조체(56)를 또한 포함하고, 이에 따라 분석물 영역(18)으로부터 멀어지는 방향으로 진행하는 분석될 광(22)이 제2 포토다이오드(54)로 직접적으로 진행하는 것이 차단된다. 이러한 구성은 포토다이오드(54)가 분석될 광(22)과 누화를 겪는 것을 제한 또는 방지하고 그에 따라 포토다이오드(54)가 광(16)에 반응하게 하거나 그것에 대한 반응성을 증가시킨다. 일반적으로, 광 차단 구조체(52, 56)는 광이 각각, 포토다이오드(24, 54)에 도달하는 것을 제한 또는 방지하는 임의의 적합한 구조체일 수 있다. 다양한 실시예에서, 광 차단 구조체(52, 56)는 불투명한 물리적 구조체, 반사 구조체, 광 흡수 구조체, 광 필터 등일 수 있다.
다양한 실시예에서, 유리 시트(12)는 도파로로서 기능할 수 있는 광범위한 적합한 유리 재료로부터 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유리 시트(12)는 용융 연신 유리 재료로부터 형성될 수 있고, 구체적인 실시예에서, 유리 시트(12)는 코닝, 인크.로부터 입수가능한 이글XG(EagleXG) 유리, 고릴라(Gorilla) 유리, 고순도 용융 실리카(HPFS), 바이코어 유리 또는 아이리스(Iris) 유리일 수 있다. 다양한 실시예에서, 유리 시트(12)는 특정 적용분야에 요구될 때에 광범위한 크기로 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유리 시트(12)의 폭 및/또는 길이는 5 ㎜ 내지 250 ㎝일 수 있다. 일부 실시예에서, 유리 시트(12)의 일부가 센서 시스템(10)을 위한 도파로로서 이용될 수 있고, 다른 실시예에서, 유리 시트(12)의 전체가 센서 시스템(10)을 위한 도파로로서 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유리 시트(12)는 다수의 상이한 적용분야에서 감지를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유리 시트(12)는 전용 센서 디바이스에서의 기판, 모바일 전기 디바이스를 위한 센서가 구비되는 커버 유리, 디스플레이 디바이스를 위한 센서가 구비되는 커버 유리, 자동차 유리, 건물/건축 유리 등일 수 있다.
도 6a 및 6b는 O2 농도에 비례하는 반복가능 신호가 위에서 논의된 바와 같이, 분석물 감응성 형광단 재료로서의, Ru-복합체, 구체적으로 트리스(4,7-디페닐-1, 10-페난트롤린) 루테늄(II) 디클로라이드를 지지하는 나노다공성 분석물 영역을 포함하는 유리 시트 도파로를 이용하여 발생될 수 있다는 것을 보여주는 여기서 논의된 것과 같은 동작 시스템으로부터 발생되는 데이터를 도시한다. 일 실시예에서, 도 5에 도시된 것과 같이, CH00은 포토다이오드(24)로부터의 출력이고, CH07은 포토다이오드(54)로부터의 출력이다. 도 6a 및 6b에서 데이터를 취득하는 데 사용되는 하드웨어는 파형 발생기, LED/레이저 드라이버, 및 로크-인 증폭기를 포함하였다. 산소 함량은 질량 유동 제어기를 사용하여 변동되었다. 도 6a 및 6b에서의 데이터는 산소의 증가에 따른 Ru-복합체 형광의 분명한 ?칭을 도시한다.
그렇지 않은 것으로 명시적으로 언급되지 않으면, 본 명세서에 기재된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로서 해석되도록 의도되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 그 단계에 의해 추종될 순서를 실제로 나열하지 않거나 단계가 특정 순서로 제한되어야 한다는 것이 청구범위 또는 설명에서 그렇지 않은 것으로 구체적으로 언급되지 않는 경우에, 임의의 특정 순서가 추론되도록 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 관사 "a"는 하나 이상의 구성요소 또는 요소를 포함하도록 의도되고, 단지 하나를 의미하는 것으로서 해석되도록 의도되지 않는다.
다양한 변형 및 변화가 개시된 실시예의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 개시된 실시예의 사상 및 실체를 포함하는 개시된 실시예의 변형, 조합, 하위-조합 및 변화가 본 기술분야의 통상의 기술자에게 떠오를 수 있으므로, 개시된 실시예는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 것을 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 도파로 광 감지 시스템이며,
    파장을 갖는 광을 발생시키도록 구성되는 광원;
    광 투과성 재료로부터 형성되는 도파로로서, 도파로는 입력 영역, 출력 영역, 외부 표면 그리고 외부 표면을 따라 위치되는 분석물 영역을 갖고, 광원으로부터의 광은 입력 영역에서 도파로 내로 진입하여 도파로 내에서 전반사에 의해 분석물 영역으로 진행하고, 분석될 광은 도파로 내에서 분석물 영역으로부터 전반사에 의해 출력 영역으로 진행하는, 도파로;
    출력 영역에 결합되는 광 센서로서, 광 센서는 분석될 광과 상호작용하도록 구성되어 분석될 광의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성되는, 광 센서; 및
    분석물 영역 내의 외부 표면을 따라 위치되어 도파로의 광 투과성 재료에 형성되는 복수의 공극으로서, 공극은 평균 공극 폭을 갖고, 평균 공극 폭은 파장의 30% 미만인, 복수의 공극
    을 포함하는, 도파로 광 감지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 평균 공극 폭은 파장의 10% 미만인, 도파로 광 감지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 평균 공극 폭은 100 ㎚ 미만인, 도파로 광 감지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 평균 공극 폭은 1 ㎚ 초과 내지 30 ㎚ 미만인, 도파로 광 감지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 분석물 영역 내의 도파로의 외부 표면에 의해 지지되는 형광 분석물 반응성 재료의 층을 추가로 포함하고, 형광 분석물 반응성 재료의 적어도 일부는 공극 내에 위치되고, 분석될 광은 형광 분석물 반응성 재료에 의해 발생되는 광을 포함하고, 광 센서는 분석될 광의 강도 및 파장 중 적어도 하나에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성되고, 광 투과성 재료는 유리인, 도파로 광 감지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 광원은 LED이고, 광 센서는 포토다이오드이고, 형광 분석물 반응성 재료는 O2 감응성 형광단인, 도파로 광 감지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 광이 광원으로부터 광 센서로 직접적으로 진행하는 것이 차단되도록 광원과 광 센서 사이에 위치되는 제1 광 차단 구조체를 추가로 포함하는, 도파로 광 감지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 광원으로부터 광을 수신하여 광원에 의해 발생되는 광의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성되는 제2 광 센서; 및
    분석물 영역으로부터 멀어지는 방향으로 진행하는 광이 분석물 영역으로부터 제2 광 센서로 직접적으로 진행하는 것이 차단되도록 분석물 영역과 제2 광 센서 사이에 위치되는 제2 광 차단 구조체
    추가로 포함하는, 도파로 광 감지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 도파로는 제1 주 표면, 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면 그리고 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 두께를 갖는 유리의 시트의 적어도 일부이고, 도파로의 외부 표면은 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 적어도 하나에 있는, 도파로 광 감지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 분석물 영역 그리고 복수의 공극은 제1 주 표면 상에 형성되고, 입력 영역 및 출력 영역은 제2 주 표면을 따라 위치되는, 도파로 광 감지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 유리의 시트는 20 ㎛ 내지 4 ㎜의 두께를 갖는, 도파로 광 감지 시스템.
  12. 유리 센서 시스템이며,
    제1 주 표면 그리고 제1 주 표면을 따라 위치되는 다공성 영역을 포함하는 유리 재료의 시트;
    광이 유리 재료의 시트 내에서 전반사에 의해, 광이 분석물과 상호작용하는, 다공성 영역으로 진행하도록 광을 유리 재료의 시트의 제1 영역 내로 유도하는 광원; 및
    유리 재료의 시트의 제2 영역에 결합되는 광 감지 디바이스로서, 광 감지 디바이스는 다공성 영역으로부터 전반사에 의해 제2 영역으로 진행하는 광과 상호작용하고, 광 감지 디바이스는 광 감지 디바이스와 상호작용하는 광의 성질에 관련되는 신호를 발생시키도록 구성되는, 광 감지 디바이스
    를 포함하고,
    다공성 영역은 유리 재료에 형성되는 복수의 공극을 포함하고, 공극은 100 ㎚ 미만의 평균 공극 폭을 갖는,
    유리 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 다공성 영역 내의 제1 주 표면에 의해 지지되는 분석물 반응성 재료의 층을 추가로 포함하고, 분석물 반응성 재료의 적어도 일부는 공극 내에 위치되고, 광원으로부터의 광은 분석물 반응성 재료와 직접적으로 상호작용함으로써 분석물과 상호작용하는, 유리 센서 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 유리의 시트는 20 ㎛ 내지 4 ㎜의 두께를 갖고, 다공성 영역은 제1 주 표면의 전체 영역보다 작은 영역을 점유하고, 분석물 반응성 재료는 광원으로부터의 광에 의해 여기되는 형광 분석물 반응성 재료이고, 광 감지 디바이스와 상호작용하는 광은 광원으로부터의 광에 의한 여기 중에 형광 분석물 반응성 재료에 의해 발생되는 광을 포함하는, 유리 센서 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 복수의 공극은 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 평균 깊이를 갖고, 평균 공극 폭은 1 ㎚ 초과 내지 30㎚ 미만이고, 광원으로부터의 광은 평균 공극 폭의 적어도 20배인 파장을 갖는, 유리 센서 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 제1 주 표면은 실질적으로 평면형 표면인, 유리 센서 시스템.
  17. 감지 시스템의 일부로서 사용하도록 구성되는 센서 도파로이며,
    광 투과성 재료의 시트로서,
    제1 주 표면;
    제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면;
    제1 주 표면 상에 위치되는 분석물 접촉 영역; 및
    분석물 접촉 영역 내의 광 투과성 재료에 형성되는 복수의 공극으로서, 공극은 100 ㎚ 미만의 평균 공극 폭을 갖는, 복수의 공극
    을 포함하는, 광 투과성 재료의 시트; 및
    분석물 접촉 영역 내의 제1 주 표면에 의해 지지되는 분석물 반응성 재료의 층으로서, 분석물 반응성 재료의 적어도 일부는 복수의 공극 내에 위치되는, 분석물 반응성 재료의 층
    을 포함하는, 센서 도파로.
  18. 제17항에 있어서, 복수의 공극은 10 ㎚ 내지 10 ㎛의 평균 깊이를 갖고, 평균 공극 폭은 1 ㎚ 초과 내지 30 ㎚ 미만이고, 광 투과성 재료는 유리 재료이고, 유리 재료의 시트는 20 ㎛ 내지 2 ㎜인 평균 두께를 갖는, 센서 도파로.
  19. 제17항에 있어서, 분석물 반응성 재료는 광원으로부터의 광에 의해 여기될 때에 형광을 발생시키는 형광 분석물 반응성 재료이고, 형광 분석물 반응성 재료의 형광의 양은 분석물의 존재에 관련되는, 센서 도파로.
  20. 제19항에 있어서, 형광 분석물 반응성 재료는 O2 감응성 형광단인, 센서 도파로.
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