KR20190130912A - 표면 플라즈몬 공명 센서, 그 센서를 이용한 센싱 방법 및 센싱시스템 - Google Patents

표면 플라즈몬 공명 센서, 그 센서를 이용한 센싱 방법 및 센싱시스템 Download PDF

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Abstract

표면 플라즈몬 공명을 이용하여 대상 물질을 측정하는 표면 플라즈몬 공명센서에서, 코어층, 코어층의 외면을 감싸도록 형성되며 표면에 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층을 포함하는 광섬유, 광섬유의 일측에 연결되며, 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 모드가 플라즈몬 공명층을 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부, 그리고 코어층 내부를 통과한 모드를 검출하는 검출부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명센서가 제공된다.

Description

표면 플라즈몬 공명 센서, 그 센서를 이용한 센싱 방법 및 센싱시스템{SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR, SENSING METHOD AND SYSTEM USING THE SENSOR}
본 발명은 음향파 섭동을 이용한 광섬유 기반 표면 플라즈몬 공명 센서에 관한 것이다.
나노 기술의 획기적인 발전과 함께 현장진단(Point Of Care, POC), 바이러스 검사와 같은 바이오센서 시장이 확대됨에 따라, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 기반의 바이오센서 기술은 다양하게 응용되고 있다. 또한, 표면 플라즈몬 공명 기반의 바이오센서 기술은 랩-온-어-칩(Lab-on-a-Chip) 형태로 발전하고 있다. 특히, 바이오센서 기술 중 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 기술은 센서의 소형화, 집적화에 대한 요구에 맞춰 활발히 연구되고 있다.
SPR 바이오센서가 바이오센서 시장에서 경쟁력을 갖추고 상용 제품으로 발전하기 위해서는 비용 효율화(Cost-effective), 이동식(Portable), 사용 편이성(Easy-to-use), 고감도(High sensivity), 실시간 모니터링(Real-time response) 기능이 요구된다.
종래 고감도의 SPR 바이오센서는 부피가 크고 비용이 높은 문제점이 있고, 부피가 작은 SPR 바이오센서는 감도 및 해상도가 떨어지는 문제점이 있다.
한 실시예는 음향파 섭동을 이용하여 분석 대상 물질을 센싱하는 감도를 향상시키는 광섬유 기반의 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공한다.
한 실시예에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 대상 물질을 측정하는 표면 플라즈몬 공명센서가 제공된다. 상기 표면 플라즈몬 공명센서는 코어층, 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성되며 표면에 상기 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층을 포함하는 광섬유, 상기 광섬유의 일측에 연결되며, 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 상기 모드가 상기 플라즈몬 공명층을 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부, 그리고 상기 코어층 내부를 통과한 모드를 검출하는 검출부를 포함한다.
상기 플라즈몬 공명층은, 금속 콜로이드(Colloid)로 형성될 수 있다.
상기 플라즈몬 공명층은, 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고 상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 코팅층은, 금속 필름으로 형성될 수 있다.
상기 코팅층은, 플라즈모닉 나노 구조가 형성될 수 있다.
상기 플라즈몬 공명층은, 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고 각각 일정간격 이격되며, 상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 복수의 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 코팅층은, 금속 필름으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 코팅층은, 플라즈모닉 나노 구조가 형성될 수 있다.
상기 음향파 섭동 발생부는, 제1관통홀이 형성된 금속 블록, 일측과 타측을 관통하는 제2관통홀이 형성되며, 일측은 상기 제2관통홀이 상기 제1관통홀에 일치되도록 결합되며, 타측은 상기 제2관통홀이 상기 광섬유 일측의 코어층에 일치되도록 결합되는 진동자, 그리고 상기 제1관통홀, 제2관통홀을 통과하여 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시키도록 상기 진동자에 신호를 전달하는 신호발생기를 포함할 수 있다.
상기 광섬유의 타측에 연결되며, 상기 음향파 섭동을 제거하는 음향 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 표면 플라즈몬 공명센서를 복수로 이용하여 복수의 대상 물질을 센싱하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 코어층 및 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성되며 표면에 상기 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층을 포함하는 광섬유, 상기 광섬유의 일측에 연결되며, 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 상기 모드가 상기 플라즈몬 공명층을 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부를 각각 포함하는 복수의 표면 플라즈몬 공명센서, 하나의 광원에 의한 광을 상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서에 분배시키는 멀티플렉서, 그리고 상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서 각각에 광이 분배되도록 상기 멀티플렉서를 동작시키며, 상기 멀티플렉서로부터 각 센서에 분배된 광에, 음향파 섭동이 발생하도록 상기 음향파 섭동 발생부를 동작시키는 제어부를 포함한다.
상기 시스템의 상기 멀티플렉서와 상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서 각각은, 길이가 서로 다른 광섬유로 연결될 수 있다.
상기 시스템의 상기 플라즈몬 공명층은, 금속 콜로이드(Colloid)로 형성될 수 있다.
상기 시스템의 상기 플라즈몬 공명층은, 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고 상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 시스템의 상기 코팅층은, 금속 필름으로 형성될 수 있다.
상기 시스템의 상기 코팅층은, 플라즈모닉 나노 구조가 형성될 수 있다.
본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서에 따르면, 음향파 섭동을 이용하여 광섬유로 전달되는 빛의 모드와 플라즈몬 모드의 커플링이 최대가 되게 함으로써, 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 센싱 감도 향상을 통해 소형화가 가능한 장점이 있다.
또한, 공명 파장이 다른 다수의 분석 대상 물질을 한번에 센싱할 수 있다.
도 1 및 도 2는 표면 플라즈몬 공명 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 프리즘을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 11은 광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 구성도이다.
도 13은 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15는 금속 종류에 따른 유전률 및 표면 플라즈몬 공명 각도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17은 한 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명센서의 음향파 섭동에 의한 입사광의 전파상수(Propagation constant) 변동 및 위상 정합(Phase matching) 조건 변화를 나타내는 도면이다.
도 18은 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 20은 한 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 21 및 도 22는 한 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센싱시스템의 스펙트럼 및 시간 함수 그래프를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 실시예에 대하여 본 기재가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 기재는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1 및 도 2는 표면 플라즈몬 공명 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)은 입사광의 전파상수(Propagation constant)와 금속 표면의 자유전자 진동(Oscillation)의 유전상수(Dielectric constant)가 일치하여 공명이 발생할 때, 입사광의 에너지 일부가 표면 플라즈몬으로 전달되는 현상이다.
공명이 발생하는 전파상수 조건은 식 1과 같이 표현되며, 커플링 조건은 식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, ksp는 표면 플라즈몬의 전파상수, k0는 대기에서의 전파상수, k는 입사된 빛의 전파상수에서 표면과 같은 방향의 성분, εm은 금속의 유전율, εs은 프리즘과 같은 유전체의 유전률, θ는 입사각이다.
도 2를 참조하면, 표면 플라즈몬 공명센서는 공명 조건인 입사각 및 파장의 변화를 이용하여 생체분자 간의 결합(Binding) 이벤트를 모니터링할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 프리즘을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 프리즘을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서는 공명 각도 및 공명 파장을 확인하기 위해서 프리즘으로 입사되는 신호의 반사 또는 투과 신호를 측정하는 구조를 갖는다. 프리즘을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서는 나노 구조의 특성을 최적화할 수 있는 물질 및 구조, 또는 입사광에 의한 굴절률을 잘 변화(Modulation)시킬 수 있는 물질 및 구조가 중요하다.
도 7 내지 도 11은 광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서는 프리즘을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 프리즘 입사 구조를 대체한 구조를 갖는다. 광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 커플링 조건은 광섬유 코어의 크기나 굴절률 크기, 그리고 광섬유 구조 등에 따라 조절될 수 있다.
광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 성능을 높이기 위해서는 광섬유 내부로 진행하는 모드(Guided mode)와 금속 물질의 플라즈몬 모드(Plasmon mode)와의 커플링이 최대가 되어야 한다. 광섬유 표면에서의 플라즈모닉 구조는 표면 플라즈몬 공명 현상에 의한 강한 전자기장을 발생시킴으로써, 빛과 매질의 상호작용을 증가시킬 수 있다.
광섬유를 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 광섬유는 광섬유 내부로 진행하는 모드와 플라즈몬 모드 간의 강한 상호작용을 발생시키기 위해 도 8 내지 도 11과 같은 구조를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 헤테로-코어(Hetero-core) 구조는 코어 크기가 다른 두 개의 광섬유를 연결함으로써, 코어가 큰 광섬유에서 코어가 작은 광섬유로 빛이 진행하면서 클래딩(Cladding)으로 빠져 나오는 모드를 플라즈모닉 모드와 상호 작용하게 만드는 구조이다. 헤테로-코어 구조는 굴절률 변화가 작아서 센싱 감도가 낮다는 단점이 있다.
도 9를 참조하면, D형 SPR 프로브(Probe) 구조는 단면적을 D모양으로 사이드 폴리싱(Side polishing)함으로써, 광섬유 내로 진행하다가 D형 구조에 의해 코어 밖으로 빠져나가는 모드를 플라즈모닉 모드와 상호 작용하게 만드는 구조이다. D형 SPR 프로브는 코어의 크기나 재료에 따라 민감하게 변하기 때문에 구현이 어려운 문제점이 있다.
도 10을 참조하면, U형 SPR 프로브 구조는 광섬유를 구부림으로써, 광섬유 내로 진행하던 모드를 클래딩으로 빠져나가게 하여 플라즈모닉 모드와 상호 작용하게 만드는 구조이다. U형 SPR 프로브 구조는 구부림 손실이 주위 진동에 의해 민감하게 변하기 때문에 안정적인 성능을 얻기 어려운 문제점이 있다.
도 11을 참조하면, 피버-팁(Fiber-Tip) 구조는 광섬유의 끝단을 뾰족하게 만들고 금속 필름으로 코팅하는 구조이다. 피버-팁(Fiber-Tip) 구조는 마이크로 미터 크기로 정교하게 제어되어야 하므로, 제조가 복잡하다.
아래에서는 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서에 대해 설명하도록 한다.
도 12는 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서의 블록도이다. 도 13은 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서(1)는 광섬유(100), 음향파 섭동 발생부(200)(Acoustic transducer) 및 검출부(500)를 포함한다.
광섬유(100)는 코어층(110), 코어층(110)의 외면을 감싸도록 형성된 플라즈몬 공명층(130)을 포함할 수 있다.
여기서, 플라즈몬 공명층(130)은 한 실시예로서 금속 콜로이드(Colloid)로 형성된 층일 수 있다. 플라즈몬 공명층(130)의 제조과정은, 광섬유(100)의 클래딩층(131) 및 코팅층(132)을 제거하고, 그 부분에 금속 콜로이드를 채우는 것이다. 이를 통해, 표면 플라즈몬 공명으로 인한 에너지 이동이 최대가 될 수 있다.
플라즈몬 공명층(130)은 다른 실시예로서 코어층(110)의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩(Cladding)층(131) 및 클래딩층(131)을 감싸도록 형성된 코팅층(132)을 포함할 수 있다.
여기서, 코팅층(132)은 한 실시예로서 금속 필름으로 형성된 층일 수 있다. 코팅층(132)의 제조과정은, 광섬유(100)의 코팅층을 제거하고, 그 부분에 금(Au), 은(Ag) 등의 금속 필름으로 코팅하는 것이다. 이를 통해, 표면 플라즈몬 공명으로 인한 에너지 이동이 최대가 될 수 있다. 한편, 코팅층 제거 과정은 클래딩 모드 스트립퍼(Stipper)에 의해 수행될 수 있다.
플라즈몬 공명층(130)의 표면 내지 외면에 대상 물질(15)이 배치된다.
코팅층(132)은 다른 실시예로서 플라즈모닉(Plasmonic) 나노 구조가 형성된 층일 수 있다. 코팅층(132)의 제조과정은, 광섬유(100)의 폴리머 코팅층을 제거하고, 금속 재질 및 나노 크기 사이즈의 플라즈모닉 나노 구조를 새기는 것이다. 이를 통해, 표면 플라즈몬 공명으로 인한 에너지 이동이 최대가 될 수 있다.
음향파 섭동 발생부(200)는 광섬유(100) 일측에 연결되며, 금속 블록(210), 진동자(230) 및 신호발생기(250)를 포함할 수 있다.
여기서, 금속 블록(210)은 한 실시예로서 알루미늄 재질일 수 있다. 금속 블록(210)은 광원(10)에 의한 모드가 통과할 수 있는 제1관통홀(211)을 가진다. 금속 블록(210)은 진동자(230)를 지지하는 역할을 한다.
진동자(230)는 여러가지 형태를 가질 수 있으나, 한 실시예로서 혼(Horn) 타입의 PZT 진동자(Vibrator)일 수 있다. 진동자(230)는 일측과 타측을 관통하는 제2관통홀(232)을 가지며, 진동자(230)의 일측은 제2관통홀(232)이 금속 블록(210)의 제1관통홀(211)에 일치되도록 결합되며, 진동자(230)의 타측은 제2관통홀(232)이 광섬유(100)의 코어층(110)에 일치되도록 결합된다.
신호발생기(250)는 한 실시예로서 RF(Radio Frequency) 발생기일 수 있다. 신호발생기(250)는 광섬유(100)에 결합된 진동자(230)에 신호를 전달하여 광섬유(100)를 진동시키도록 만든다. 이를 통해, 광섬유(100)에 입력된 모드에 음향파 섭동이 발생하게 된다. 한편, 신호발생기(250)의 RF 주파수를 조절함으로써, 코어층(110) 내부를 통과하는 모드(11)가 최대한 플라즈몬 공명층(130)을 통과하도록 할 수 있다.
검출부(500)는 광섬유(100) 타측에 배치된다. 검출부(500)는 코어층(110) 내부를 통과한 모드(11)를 검출하게 된다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서(1)는 음향 댐퍼(Acoustic damper)(400)를 더 포함할 수 있다. 음향 댐퍼(400)는 여러가지 형태로 형성될 수 있으며, 한 실시예로서 음향 댐퍼(400)는 에폭시(Epoxy)를 광섬유(100)의 타측에 고정시킴으로써 형성될 수 있다. 이를 통해, 음향파 섭동이 제거된다.
한 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 표면 플라즈몬 공명센서(1)에 따르면, 제1관통홀(211) 및 제2관통홀(232)을 통과하여 코어층(110) 내부로 입사되는 모드(11)는 음향파 섭동에 의해 플라즈몬 공명층(130)으로 효과적으로 전달된다. 또한, 플라즈몬 공명층(130)을 통과한 모드(13)가 대상 물질(15)이 위치한 표면 플라즈몬 모드와 효율적으로 커플링됨으로써, 대상 물질(15)인 바이오 분자를 센싱하는 감도가 증가하게 된다.
도 14 및 도 15는 금속 종류에 따른 유전률 및 표면 플라즈몬 공명 각도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 사용하는 금속의 종류, 콜로이드의 농도, 필름의 두께 및 나노 구조에 따라 금속의 흡수(Absorption) 스펙트럼의 피크(Peak) 파장이 변하므로, 상술한 금속 콜로이드, 금속 필름 및 플라즈모닉 나노 구조 설계시 바이오 분자의 진동 스펙트럼이 고려되어야 한다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명센서(1)의 음향파 섭동에 의한 모드(11)의 전파상수(Propagation constant) 변동 및 위상 정합(Phase matching) 조건 변화를 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 음향파 섭동 발생부(200)에 의한 음향파 섭동이 발생하면 광섬유(100) 내로 진행하던 입사광인 모드(11)의 전파상수(Propagation constant)의 변화가 발생하게 된다. 이를 통해, 모드(11)과 플라즈몬 모드의 위상 정합(Phase matching) 조건이 다양해지게 되고, 광섬유(100) 내로 진행하던 입사광의 모드(11)과 플라즈몬 모드와의 상호작용은 더욱 증가하게 된다.
구체적으로, 음향파 섭동 발생부(200)에 의한 음향파 섭동은 광섬유(100) 내로 진행하던 모드(11)를 바이오 분자가 있는 구간의 플라즈몬 공명층(130)으로 효과적으로 빠져나가게 함으로써, 광섬유(100) 내로 진행하던 모드(11)와 플라즈몬 모드의 커플링 신호를 크게 한다. 또한, 음향파 섭동 발생부(200)에 의한 음향파 섭동은 모드(11)의 전파상수(Propagation constant)를 변화시키고, 광섬유(100) 내로 진행하던 모드(11)와 플라즈몬 모드의 위상 정합(Phase matching) 조건을 다양하게 만들어서 표면 플라즈몬 공명이 더 강하고 민감하게 발생되도록 한다.
도 18은 다른 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서(2)를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 다른 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서(2)는 광섬유(100), 음향파 섭동 발생부(200) 및 검출부(500)를 포함한다. 한편, 다채널 표면 플라즈몬 공명센서(2)는 앞서 설명한 표면 플라즈몬 공명센서(1)과 플라즈몬 공명층(140)을 제외하고 나머지 구성이 동일하므로, 이하 플라즈몬 공명층(140)에 대해서만 설명한다.
광섬유(100)는 코어층(110), 코어층(110)의 외면을 감싸도록 형성된 플라즈몬 공명층(140)을 포함할 수 있다. 여기서, 플라즈몬 공명층(140)은 코어층(110)의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층(141), 각각 일정간격 이격되며 클래딩층(141)의 외면을 감싸도록 형성된 복수의 코팅층(142a, 142b, 142c, 142d)을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 코팅층(142a, 142b, 142c, 142d) 각각의 일정간격은 설계자에 의해 다양하게 설계될 수 있다.
복수의 코팅층(142a, 142b, 142c, 142d)은 한 실시예로서 금(Au), 은(Ag) 등의 금속 필름으로 형성된 층일 수 있다. 제조과정은 표면 플라즈몬 공명센서(1)의 코팅층(132) 제조과정과 동일하다.
복수의 코팅층(142a, 142b, 142c, 142d)은 다른 실시예로서 플라즈모닉(Plasmonic) 나노 구조가 형성된 층일 수 있다. 제조과정은 표면 플라즈몬 공명센서(1)의 코팅층(132) 제조과정과 동일하다.
도 19는 다른 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서(2)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 다른 실시예에 따른 음향파 섭동을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센서(2)에 따르면, 복수의 코팅층(142a, 142b, 142c, 142d) 각각에 복수의 대상 물질을 일렬로 배열시켜서 복수의 대상 물질을 한번에 검출하는 것이 가능하다. 또한, 복수의 대상 물질이 서로 다른 공명 파장을 가지더라도 하나의 스펙트럼 상에서 한번에 측정이 가능하다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센싱시스템를 설명하기 위한 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센싱시스템은, 복수의 표면 플라즈몬 공명센서(3a, 3b, 3c, 3d), 멀티플렉서(30), 디멀티플렉서(40), 제어부(50) 및 검출부(600)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 표면 플라즈몬 공명 센서(3a, 3b, 3c, 3d)는 대상 물질을 센싱하는 센서로서, 복수의 표면 플라즈몬 공명 센서(3a, 3b, 3c, 3d) 각각은 코어층(110a, 110b, 110c, 110d) 및 코어층(110a, 110b, 110c, 110d)의 외면을 감싸도록 형성되며, 표면에 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층(150a, 150b, 150c, 150d)을 포함하는 광섬유(100a, 100b, 100c, 100d), 광섬유(100a, 100b, 100c, 100d)의 일측에 연결되며 코어층(110a, 110b, 110c, 110d) 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 모드가 플라즈몬 공명층(150a, 150b, 150c, 150d)으로 쉽게 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부(200a, 200b, 200c, 200d)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 표면 플라즈몬 공명 센서(3a, 3b, 3c, 3d) 각각은 앞서 설명한 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명센서(1)과 동일하므로, 구조에 관한 상세한 설명은 생략한다.
멀티플렉서(30)는 1xN WDM(Wavelength Division Multiplex)로서, 제어부(50)의 명령에 의해, 하나의 광원에 의한 광을 복수의 표면 플라즈몬 공명센서(3a, 3b, 3c, 3d)에 분배시킨다.
멀티플렉서(30)와 복수의 표면 플라즈몬 공명센서(3a, 3b, 3c, 3d) 각각은 길이가 서로 다른 광섬유(32a, 32b, 32c, 32d)로 연결된다. 광섬유(32a, 32b, 32c, 32d)의 길이에 따라 센서(3a, 3b, 3c, 3d) 각각에 광이 입력되는 시간이 달라지게 되고, 이를 통해 비슷한 공명 파장을 가지는 대상 물질들도 시간차를 두고 센싱하는 것이 가능하다. 한편, 광섬유(32a, 32b, 32c, 32d)의 길이는 설계자에 의해 다양하게 설계될 수 있다. 센서(3a, 3b, 3c, 3d)에 광이 입력되는 시간의 지연은 광섬유(32a, 32b, 32c, 32d) 길이 조절 외에도 필터(Filter) 적용을 통해서도 가능하다.
디멀티플렉서(40)는 복수의 표면 플라즈몬 공명센서(3a, 3b, 3c, 3d)로부터 검출된 복수의 신호를 하나로 통합하여 출력선으로 전송한다.
제어부(50)는 하나의 광원에 의한 광이 N개의 채널에 해당하는 복수의 표면 플라즈몬 공명센서(3a, 3b, 3c, 3d)로 분배되도록 멀티플렉서(30)를 제어하며, 멀티플렉서(30)로부터 각 센서에 분배된 광에, 음향파 섭동이 발생하도록 음향파 섭동 발생부(200a, 200b, 200c, 200d)를 제어한다.
도 21 및 도 22는 한 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센싱시스템의 스펙트럼 및 시간 함수 그래프를 나타내는 도면이다.
또 다른 실시예에 따른 음향파 섭동 및 시간 지연을 이용한 다채널 표면 플라즈몬 공명센싱시스템에 따르면, 도 21에 도시된 것과 같이 하나의 광원으로도 서로 다른 공명 파장을 가지는 분자를 한번에 측정할 수 있다. 또한, 도 22에 도시된 것과 같이, 비슷한 공명 파장을 가지는 분자들도 시간 지연을 통해 분석 대상 물질들을 구분하여 측정이 가능하다.
이상에서 본 기재의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 기재의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 대상 물질을 측정하는 표면 플라즈몬 공명센서에서,
    코어층, 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성되며 표면에 상기 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층을 포함하는 광섬유,
    상기 광섬유의 일측에 연결되며, 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 상기 모드가 상기 플라즈몬 공명층을 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부, 그리고
    상기 코어층 내부를 통과한 모드를 검출하는 검출부
    를 포함하는 표면 플라즈몬 공명센서.
  2. 제1항에서,
    상기 플라즈몬 공명층은,
    금속 콜로이드(Colloid)로 형성된, 표면 플라즈몬 공명센서.
  3. 제1항에서,
    상기 플라즈몬 공명층은,
    상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고
    상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 코팅층을 포함하는, 표면 플라즈몬 공명센서.
  4. 제3항에서,
    상기 코팅층은,
    금속 필름으로 형성된, 표면 플라즈몬 공명센서.
  5. 제3항에서,
    상기 코팅층은,
    플라즈모닉 나노 구조가 형성된, 표면 플라즈몬 공명센서.
  6. 제1항에서,
    상기 플라즈몬 공명층은,
    상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고
    각각 일정간격 이격되며, 상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 복수의 코팅층을 포함하는, 표면 플라즈몬 공명센서.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 코팅층은,
    금속 필름으로 형성된, 표면 플라즈몬 공명센서.
  8. 제6항에서,
    상기 복수의 코팅층은,
    플라즈모닉 나노 구조가 형성된, 표면 플라즈몬 공명센서.
  9. 제1항 또는 제6항에서,
    상기 음향파 섭동 발생부는,
    제1관통홀이 형성된 금속 블록,
    일측과 타측을 관통하는 제2관통홀이 형성되며, 일측은 상기 제2관통홀이 상기 제1관통홀에 일치되도록 결합되며, 타측은 상기 제2관통홀이 상기 광섬유 일측의 코어층에 일치되도록 결합되는 진동자, 그리고
    상기 제1관통홀, 제2관통홀을 통과하여 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시키도록 상기 진동자에 신호를 전달하는 신호발생기를 포함하는, 표면 플라즈몬 공명센서.
  10. 제1항 또는 제6항에서,
    상기 광섬유의 타측에 연결되며, 상기 음향파 섭동을 제거하는 음향 댐퍼
    를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명센서.
  11. 표면 플라즈몬 공명센서를 복수로 이용하여 복수의 대상 물질을 센싱하는 시스템에서,
    코어층 및 상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성되며 표면에 상기 대상 물질이 배치된 플라즈몬 공명층을 포함하는 광섬유, 상기 광섬유의 일측에 연결되며, 상기 코어층 내부로 입사되는 모드에 음향파 섭동을 발생시켜 상기 모드가 상기 플라즈몬 공명층을 빠져나가도록 만드는 음향파 섭동 발생부를 각각 포함하는 복수의 표면 플라즈몬 공명센서,
    하나의 광원에 의한 광을 상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서에 분배시키는 멀티플렉서, 그리고
    상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서 각각에 광이 분배되도록 상기 멀티플렉서를 동작시키며, 상기 멀티플렉서로부터 각 센서에 분배된 광에, 음향파 섭동이 발생하도록 상기 음향파 섭동 발생부를 동작시키는 제어부
    를 포함하는 센싱시스템.
  12. 제11항에서,
    상기 멀티플렉서와 상기 복수의 표면 플라즈몬 공명센서 각각은, 길이가 서로 다른 광섬유로 연결된, 센싱시스템.
  13. 제11항에서,
    상기 플라즈몬 공명층은,
    금속 콜로이드(Colloid)로 형성된, 센싱시스템.
  14. 제11항에서,
    상기 플라즈몬 공명층은,
    상기 코어층의 외면을 감싸도록 형성된 클래딩층, 그리고
    상기 클래딩층의 외면을 감싸도록 형성된 코팅층을 포함하는, 센싱시스템.
  15. 제14항에서,
    상기 코팅층은,
    금속 필름으로 형성된, 센싱시스템.
  16. 제14항에서,
    상기 코팅층은,
    플라즈모닉 나노 구조가 형성된, 센싱시스템.
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