KR20180127781A - 광센서 모듈 및 이를 포함하는 광센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 광센서 모듈은 센싱 대상물질을 포함하는 센싱 대상물질 층, 상기 센싱 대상물질 층의 상부에 위치한 제1유전체 층, 상기 제1유전체 층의 상부에 위치하며, 상기 제1유전체 층과 서로 다른 굴절률을 가지는 제2유전체 층 및 상기 제2유전체 층의 상부에 위치하며, 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 포함한다.

Description

광센서 모듈 및 이를 포함하는 광센서 장치{OPTICAL SENSOR AND OPTICAL SENSOR APPARATUS INCLUDING THE SAME }
본 발명의 기술적 사상은 광센서 모듈 및 이를 포함하는 광센서 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 이용한 광센서 모듈 및 이를 포함하는 광센서 장치에 관한 것이다.
광센서의 종류에는 SPR(Surface Plasmon Resonance) 센서와 GMR(Guided Mode Resonance) 센서가 있다.
SPR 센서는 유전체와 계면을 이루는 금속 박막 표면에서 발생하는 자유전자들의 전하 밀도파(charge density wave)인 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 이용하여 대상물질을 센싱하는 기술로서, 주로 바이오 센서(biosensor)로 활용된다.
다만, SPR 센서는 SPR 센서에 포함되는 금속에 의해 금속 고유의 옴 손실(ohmic loss)을 가진다.
한편, GMR 센서는 SPR 센서의 대안으로 다양한 연구가 진행되고 있으나, SPR 센서에 비하여 민감도가 떨어지는 한계를 가진다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제는 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 이용한 광센서 모듈 및 이를 포함하는 광센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 광센서 모듈은 센싱 대상물질을 포함하는 센싱 대상물질 층, 상기 센싱 대상물질 층의 상부에 위치한 제1유전체 층, 상기 제1유전체 층의 상부에 위치하며, 상기 제1유전체 층과 서로 다른 굴절률을 가지는 제2유전체 층 및 상기 제2유전체 층의 상부에 위치하며, 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 광센서 모듈은, 상기 고 대비 격자층의 상부에 위치하는 유전체 기판을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 광센서 모듈의 분해능은, 상기 제2유전체 층의 두께에 기초하여 결정될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 제1격자는, 상기 제2격자의 굴절률의 2배보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 고 대비 격자 층은, 상기 제1격자와 상기 제2격자가 반복되는 패턴으로 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 제2격자는, 상기 제2유전체 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 제1유전체 층은, 상기 제2유전체 층의 상기 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 고 대비 격자 층의 두께는, 상기 광 센서 모듈의 폭에서 상기 제1격자가 차지하는 폭의 비율, 및 반사율 특성에 따라 결정될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 센싱 대상물질을 센싱하기 위한 광 신호는, 상기 고 대비 격자 층에 의해 상기 제1유전체 층으로 집속되어 전달될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 광 신호는, 상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 뒤, 상기 제1유전체 층, 상기 제2유전체 층, 상기 고 대비 격자 층을 통하여 상기 광센서 모듈의 외부로 출력될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 제1유전체 층의 두께는, 상기 광 신호의 위상 변화 스펙트럼 및 결정된 상기 제2유전체 층의 두께에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 광센서 장치는 광센서 모듈, 상기 광센서 모듈로 센싱 대상물질을 감지하기 위한 광 신호를 조사하는 광원, 상기 광센서 모듈의 상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 상기 광 신호를 검출하는 광 검출기 및 상기 광 검출기에 의해 검출된 상기 광 신호의 위상에 기초하여 상기 센싱 대상물질을 감지하는 프로세서를 포함하며, 상기 광센서 모듈은, 센싱 대상물질을 포함하는 센싱 대상물질 층, 상기 센싱 대상물질 층의 상부에 위치한 제1유전체 층, 상기 제1유전체 층의 상부에 위치하며, 상기 제1유전체 층과 서로 다른 굴절률을 가지는 제2유전체 층 및 상기 제2유전체 층의 상부에 위치하며, 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 제1격자는, 상기 제2격자의 굴절률의 2배보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 센싱 대상물질을 센싱하기 위한 광 신호는, 상기 고 대비 격자 층에 의해 상기 제1유전체 층으로 집속되어 전달될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 광 신호는, 상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 뒤, 상기 제1유전체 층, 상기 제2유전체 층, 상기 고 대비 격자 층을 통하여 상기 광 검출기로 출력될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 방법과 장치는 금속 없이 유전체만으로 광센서 모듈을 구현함으로써 금속 사용에 따른 옴 손실을 제거하여 저전력으로 센싱 대상물질을 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 방법과 장치는 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 이용함으로써 높은 분해능을 가질 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 광센서 장치의 광 검출기에서 센싱 대상물질의 굴절률에 따라 검출되는 광신호의 크기와 위상 변화의 일 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 광센서 모듈의 공진 조건에서의 전기장 세기를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 광센서 장치의 제2유전체 층의 두께변화에 따른 분해능 변화의 일 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 광센서 장치의 일 실시 예에 따른 광 신호의 파장과 고 대비 격자 층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 광센서 장치의 일 실시 예에 따른 제1유전체 층의 두께변화 및 제2유전체 층의 두께변화에 따른 광 신호의 위상변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 광센서 장치의 광 검출기에서 센싱 대상물질의 굴절률에 따라 검출되는 광신호의 크기와 위상 변화의 다른 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 광센서 장치의 제2유전체 층의 두께변화에 따른 분해능 변화의 다른 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 광센서 장치의 다른 실시 예에 따른 광 신호의 파장과 고 대비 격자 층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 광센서 장치의 다른 실시 예에 따른 제1유전체 층의 두께변화 및 제2유전체 층의 두께변화에 따른 광 신호의 위상변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광센서 모듈(105), 광원(160), 광원 제어회로(170), 광 검출기(180), 및 프로세서(190)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 광센서 장치(100)는 바이오 센서(biosensor)로 구현될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
광센서 모듈(105)은 센싱 대상물질 층(110), 제1유전체 층(120), 제2유전체 층(130), 고 대비 격자 층(140), 및 유전체 기판(150)을 포함할 수 있다.
센싱 대상물질 층(110)은 센싱 대상 물질을 포함하는 층으로, 센싱 대상 물질 층(110)은 센싱 대상 물질의 종류에 따라 제1굴절률(nSense)을 가질 수 있다.
실시 예에 따라, 광센서 장치(100)가 바이오센서로 구현되는 경우, 센싱 대상물질 층(110)은 센싱 대상 물질인 생체분자(biomolecule)가 물에 섞이는 형태로 구성될 수 있다.
제1유전체 층(120)은 센싱 대상물질 층(110)의 상부에 위치하며, 유전체로 구성될 수 있다. 제1유전체 층(120)은 제1유전체의 종류에 따라 제2굴절률(nSlab)을 가질 수 있다.
제2유전체 층(130)은 제1유전체 층(120)의 상부에 위치하며, 제1유전체 층(120)의 제2굴절률(nSlab)과는 서로 다른 굴절률인 제3굴절률(nGap)을 가질 있다.
고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층(140)은 제2유전체 층(130)의 상부에 위치하며, 고 굴절률(nH)을 가지는 제1격자(142)와 저 굴절률(nL)을 가지는 제2격자(144-1, 144-2)를 포함할 수 있다.
고 굴절률(nH)는 저굴절률(nL)에 비하여 상대적으로 큰 굴절률 값을 가진다.
실시 예에 따라, 고 대비 격자 층(140)은 제1격자(142)와 제2격자(144-1, 144-2)가 반복되는 다양한 형태의 패턴으로 구성될 수 있다.
유전체 기판(150)은 고 대비 격자 층(140)의 상부에 위치하며 제4굴절률(nSub)을 가질 수 있다.
실시 예에 따라, 유전체 기판(150)은 글라스(glass) 기판 또는 공기(air) 층으로 구성될 수도 있다.
광원(160)은 광원 제어회로(170)의 제어에 따라 센싱 대상물질 층(110)에 포함되어 있는 센싱 대상물질을 감지하기 위한 광 신호를 광센서 모듈(105)로 출력할 수 있다.
실시 예에 따라, 광원 제어회로(170)는 광원(160)에 의해 출력되는 광 신호의 크기, 파장 및 주파수를 제어할 수 있다.
광원(160)으로부터 출력된 광 신호는 유전체 기판(150)을 통하여 고 대비 격자 층(140)을 전달되며, 고 대비 격자 층(140)에 의해 광 신호가 제2유전체 층(130)을 거쳐 제1유전체 층(120)으로 집속될 수 있다.
실시 예에 따라, 유전체 기판(150)은 유전체 기판(150)의 굴절률(nSub)에 따라 광 신호가 고 대비 격자 층(140)으로 입사되는 각도를 조절할 수 있다.
제1유전체 층(120)으로 집속되어 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 광 신호는 제1유전체 층(120), 제2유전체 층(130), 고 대비 격자 층(140), 및 유전체 기판(150)을 통하여 광센서 모듈(105)의 외부로 출력될 수 있다.
광 검출기(180)는 광센서 모듈(105)의 외부로 출력된 광 신호를 수광 및 검출할 수 있다.
프로세서(190)는 광 검출기(180)에 의해서 검출된 광 신호의 세기 및 위상 변화를 판단할 수 있다.
또한, 프로세서(190)는 판단된 광 신호의 위상 변화에 기초하여, 센싱 대상물질 층(110)에 포함된 센싱 대상물질의 종류를 감지할 수 있다.
실시 예에 따라, 프로세서(190)는 광 검출기(180)에 의해서 검출된 광 신호의 세기 또는 위상 변화에 따라 광원 제어회로(170)를 통하여 광원(160)으로부터 출력되는 광 신호의 세기, 파장, 또는 주파수를 제어할 수 있다.
도 2는 도 1의 광센서 장치의 광 검출기에서 센싱 대상물질의 굴절률에 따라 검출되는 광신호의 크기와 위상 변화의 일 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 모듈(105) 구조를 이용하는 경우, 미세한 센싱 대상물질의 굴절률 변화(△nSens), 예컨대 2x10-9의 굴절률 변화에도 반사된 광 신호의 위상이 -π(rad)에서 +π(rad) 까지 급변하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 모듈(105)에는 금속이 포함되지 않아 금속 사용에 따른 옴 손실이 없기 때문에, 입사된 광 신호의 크기(amplitude) 그대로 반사된 광 신호로 검출될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 광센서 모듈의 공진 조건에서의 전기장 세기를 나타낸 도면이다.
도 1과 도 3을 참조하면, 광센서 모듈(105)은 고 대비 격자 층(140)에 의하여 입사된 광 신호를 제1유전체 층(120)으로 집속하며, 집속된 광 신호는 공진조건에서 전기장의 세기가 약 5000 억배까지 증대됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광센서 모듈(150)은 광 신호의 집속에 의하여 높은 분해능을 가질 수 있다.
도 4는 도 1의 광센서 장치의 제2유전체 층의 두께변화에 따른 분해능 변화의 일 실시 예를 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 4를 참조하면, 광센서 장치(100)의 제2유전체 층(130)의 두께(dGap) 변화에 따른 광센서 장치(100)의 분해능(resolution) 변화가 나타나 있다.
광센서 장치(100)의 분해능은 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)에 기초하여 결정될 수 있다.
도 4의 그래프에서 확인할 수 있듯이 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)이 두꺼워질수록 광센서 장치(100)의 단위 위상 대비 굴절률(RIU/deg)이 감소, 즉 분해능은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
실시 예에 따라, 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)는 요구되는 광센서 장치(100)의 크기와 요구되는 노이즈 민감도를 만족하는 최대 두께로 설계될 수 있다.
도 5는 도 1의 광센서 장치의 일 실시 예에 따른 광 신호의 파장과 고 대비 격자 층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 5를 참조하면, 광센서 장치(100)의 고 대비 격자 층(140)의 두께(dGrat)는 기 결정된 광신호의 파장 대역에 따라 높은 반사율을 갖도록 설계될 수 있다.
실시 예에 따라, 고 대비 격자 층(140)의 두께(dGrat)는 광 센서 모듈(105)의 폭(Period)에서 제1격자(142)가 차지하는 폭(wGart)의 비율, 및 반사율(│R│) 특성에 따라 광대역에서 높은 반사율을 갖도록 설계될 수 있다.
예컨대, 광 센서 모듈(105)의 폭(Period)에서 제1격자(142)가 차지하는 폭(wGart)의 비율이 50%인 경우, 도 5를 참조하면 고 대비 격자 층(140)의 두께(dGrat)가 약 0.3um~0.4um로 설계되는 경우에 광 신호의 파장 1.4um~2um의 광대역에서 높은 반사율을 가질 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 광 센서 모듈(105)이 광대역 반사 특성을 갖도록 하기 위해서 제1격자(142)의 굴절률(nH)이 제2격자(144-1, 144-2)의 굴절률(nL)의 2배보다 큰 굴절률을 갖도록 설계할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 광 센서 모듈(105)이 광대역 반사 특성을 갖도록 하기 위해서 제2격자(144-1, 144-2)의 굴절률(nL)이 제2유전체 층(130)의 굴절률(nGap)보다 큰 굴절률을 갖도록 설계할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 광 센서 모듈(105)이 광대역 반사 특성을 갖도록 하기 위해서 제1유전체 층(120)의 굴절률(nSlab)이 제2유전체 층(130)의 굴절률(nGap)보다 큰 굴절률을 갖도록 설계할 수 있다.
도 6은 도 1의 광센서 장치의 일 실시 예에 따른 제1유전체 층의 두께변화 및 제2유전체 층의 두께변화에 따른 광 신호의 위상변화를 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 6을 참조하면, 제1유전체 층(120)의 두께(dSlab)는 광 신호의 위상(Phase/π) 변화 스펙트럼 및 기 결정된 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)에 기초하여 결정될 수 있다.
실시 예에 따라, 도 6에서 높은 위상 값을 나타내는 붉은색과 낮은 위상 값을 나타내는 짙은 파란색이 경계를 이루는 곡선이 제1유전체 층(120)의 두께(dSlab)를 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 기 결정된 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)이 1.4um인 경우 제1유전체 층(120)의 두께(dSlab)는 상기 곡선 상의 값인 0.2445um로 설계될 수 있다.
도 7은 도 1의 광센서 장치의 광 검출기에서 센싱 대상물질의 굴절률에 따라 검출되는 광신호의 크기와 위상 변화의 다른 실시 예를 나타낸 그래프이다. 도 8은 도 1의 광센서 장치의 제2유전체 층의 두께변화에 따른 분해능 변화의 다른 실시 예를 나타낸 그래프이다. 도 9는 도 1의 광센서 장치의 다른 실시 예에 따른 광 신호의 파장과 고 대비 격자 층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다. 도 10은 도 1의 광센서 장치의 다른 실시 예에 따른 제1유전체 층의 두께변화 및 제2유전체 층의 두께변화에 따른 광 신호의 위상변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 광원(160)으로부터 유전체 기판(150) 또는 고 대비 격자 층(140)에 광 신호가 비스듬히, 즉 광센서 모듈(105)의 수직 방향에서 일정한 각도를 가지는 방향으로 입사된 경우의 그래프를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광 신호가 비스듬히 입사된 경우라도 미세한 센싱 대상물질의 굴절률 변화(△nSens), 예컨대 2x10-9의 굴절률 변화에도 반사된 광 신호의 위상이 -π(rad)에서 +π(rad) 까지 급변하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 입사된 광 신호의 크기(amplitude) 그대로 손실 없이 반사된 광 신호로 검출될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광 신호가 비스듬히 입사되는 경우에도, 광 신호가 수직으로 입사된 경우의 도 4에서와 마찬가지로 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)가 증가할수록 광센서 장치(100)의 단위 위상 대비 굴절률(RIU/deg)이 감소, 즉 분해능은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광 신호가 비스듬히 입사되는 경우에도, 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)는 요구되는 광센서 장치(100)의 크기와 요구되는 노이즈 민감도를 만족하는 최대 두께로 설계될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광 신호가 비스듬히 입사되는 경우 반사율(│R│) 특성이 도 9와 같이 달라지며, 고 대비 격자 층(140)의 두께(dGrat)는 광 센서 모듈(105)의 폭(Period)에서 제1격자(142)가 차지하는 폭(wGart)의 비율과, 도 4와는 다른 특성을 나타내는 도 9에 도시된 반사율(│R│) 특성에 따라 광대역에서 높은 반사율을 갖도록 설계될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광센서 장치(100)는 광 신호가 비스듬히 입사되는 경우 광 신호의 위상(Phase/π) 변화 스펙트럼이 도 10과 같이 달라지며, 제1유전체 층(120)의 두께(dSlab)는 도 10에 도시된 광 신호의 위상(Phase/π) 변화 스펙트럼 및 기 결정된 제2유전체 층(130)의 두께(dGap)에 기초하여 결정될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100 : 광센서 장치
105 : 광센서 모듈
160 : 광원
170 : 광원 제어회로
180 : 광 검출기
190 : 프로세서

Claims (15)

  1. 센싱 대상물질을 포함하는 센싱 대상물질 층;
    상기 센싱 대상물질 층의 상부에 위치한 제1유전체 층;
    상기 제1유전체 층의 상부에 위치하며, 상기 제1유전체 층과 서로 다른 굴절률을 가지는 제2유전체 층; 및
    상기 제2유전체 층의 상부에 위치하며, 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 포함하는, 광센서 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광센서 모듈은,
    상기 고 대비 격자층의 상부에 위치하는 유전체 기판을 더 포함하는, 광센서 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광센서 모듈의 분해능은,
    상기 제2유전체 층의 두께에 기초하여 결정되는, 광센서 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1격자는,
    상기 제2격자의 굴절률의 2배보다 큰 굴절률을 가지는, 광센서 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고 대비 격자 층은,
    상기 제1격자와 상기 제2격자가 반복되는 패턴으로 구성되는, 광센서 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2격자는,
    상기 제2유전체 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는, 광센서 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1유전체 층은,
    상기 제2유전체 층의 상기 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는, 광센서 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고 대비 격자 층의 두께는,
    상기 광 센서 모듈의 폭에서 상기 제1격자가 차지하는 폭의 비율, 및 반사율 특성에 따라 결정되는, 광센서 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 대상물질을 센싱하기 위한 광 신호는,
    상기 고 대비 격자 층에 의해 상기 제1유전체 층으로 집속되어 전달되는, 광센서 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광 신호는,
    상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 뒤, 상기 제1유전체 층, 상기 제2유전체 층, 상기 고 대비 격자 층을 통하여 상기 광센서 모듈의 외부로 출력되는, 광센서 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1유전체 층의 두께는,
    상기 광 신호의 위상 변화 스펙트럼 및 결정된 상기 제2유전체 층의 두께에 기초하여 결정되는, 광센서 모듈.
  12. 광센서 모듈;
    상기 광센서 모듈로 센싱 대상물질을 감지하기 위한 광 신호를 조사하는 광원;
    상기 광센서 모듈의 상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 상기 광 신호를 검출하는 광 검출기; 및
    상기 광 검출기에 의해 검출된 상기 광 신호의 위상에 기초하여 상기 센싱 대상물질을 감지하는 프로세서를 포함하며,
    상기 광센서 모듈은,
    상기 센싱 대상물질을 포함하는 센싱 대상물질 층;
    상기 센싱 대상물질 층의 상부에 위치한 제1유전체 층;
    상기 제1유전체 층의 상부에 위치하며, 상기 제1유전체 층과 서로 다른 굴절률을 가지는 제2유전체 층; 및
    상기 제2유전체 층의 상부에 위치하며, 고굴절률을 가지는 제1격자와 저굴절률을 가지는 제2격자를 포함하는 고 대비 격자(High Contrast Grating(HCG)) 층을 포함하는, 광센서 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1격자는,
    상기 제2격자의 굴절률의 2배보다 큰 굴절률을 가지는, 광센서 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 센싱 대상물질을 센싱하기 위한 광 신호는,
    상기 고 대비 격자 층에 의해 상기 제1유전체 층으로 집속되어 전달되는, 광센서 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광 신호는,
    상기 센싱 대상물질의 굴절률에 기초하여 반사된 뒤, 상기 제1유전체 층, 상기 제2유전체 층, 상기 고 대비 격자 층을 통하여 상기 광 검출기로 출력되는, 광센서 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040090071A (ko) * 2003-04-16 2004-10-22 삼성전자주식회사 다층 박막 구조를 가진 ｄｎａ 칩
KR100927379B1 (ko) * 2008-11-13 2009-11-19 지에스건설 주식회사 다층의 유전체를 구비한 가스센서 칩 및 그 제조방법
KR20130110900A (ko) * 2012-03-30 2013-10-10 중앙대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다층 박막 센서
US20160161331A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 Technische Universitat Berlin Optical sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040090071A (ko) * 2003-04-16 2004-10-22 삼성전자주식회사 다층 박막 구조를 가진 ｄｎａ 칩
KR100927379B1 (ko) * 2008-11-13 2009-11-19 지에스건설 주식회사 다층의 유전체를 구비한 가스센서 칩 및 그 제조방법
KR20130110900A (ko) * 2012-03-30 2013-10-10 중앙대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다층 박막 센서
US20160161331A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 Technische Universitat Berlin Optical sensor

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