KR20210009558A - 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법 - Google Patents

극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210009558A
KR20210009558A KR1020190086228A KR20190086228A KR20210009558A KR 20210009558 A KR20210009558 A KR 20210009558A KR 1020190086228 A KR1020190086228 A KR 1020190086228A KR 20190086228 A KR20190086228 A KR 20190086228A KR 20210009558 A KR20210009558 A KR 20210009558A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polar solvent
layer
nano
optical sensor
insulating layer
Prior art date
Application number
KR1020190086228A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102233627B1 (ko
Inventor
유용상
유의상
정철현
송현석
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020190086228A priority Critical patent/KR102233627B1/ko
Publication of KR20210009558A publication Critical patent/KR20210009558A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102233627B1 publication Critical patent/KR102233627B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법이 제공된다. 나노 광학 센서는 기판; 상기 기판 상에 위치한 제1 전극층; 상기 제1 금속층 상에 위치한 절연층; 상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층; 상기 금속 나노 구조층 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 상기 절연층은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하고, 상기 용매 주입 공간에 주입되는 용매는 극성 용매이며, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되지 않는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입되지 않는 상태이고, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입된다.

Description

극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법{Nano optical sensor capable of wetting of polar solvent and method for analyzing polar solvent using the same}
본 발명은 나노 광학 센서 및 이를 활용한 용매 분석 방법에 관한 것으로, 극성 용매의 웨팅(wetting, 젖음, 투입)이 가능한 나노 플라즈모닉스를 이용한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법에 관한 것이다.
나노 플라즈모닉스는 나노 구조에 특정 분자가 점착/접착하게 되면 공명파의 파장이 변하게 되고, 나노 구조물의 구조의 형태, 주기/편광 방향 등에 따라 흡광/발광 특성이 변하게 되는 현상을 이용한 것으로, 일본 특허 공개 문헌 JP2015-55482와 같이, 나노 플라즈모닉스 현상을 이용한 선택적인 광 흡수 장치, 고감도 센서 개발 등의 개발이 활발히 수행되고 있다. 또한, 나노 구조체를 이용한 플라즈모닉스 현상과 이를 통한 광의 선택적 흡/발광 특성을 이용한 디바이스는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 그 중에서도 나노 플라즈모닉스 현상의 생물학적 및 화학적 응용은 특정 물질에 대한 분석을 시각적으로 확인할 수 있는 장점을 제공하는 바, 4차 산업 혁명 시대에서 가장 유망한 미래 응용 분야로 간주되고 있다.
다만, 나노 구조물을 이용한 생물학적 및 화학적 감지를 수행하기 위해서는 극성 용매를 활용한 환경, 대표적으로 수성 환경이 필요로 한다. 광학 유체, 플라즈마 유체 역학, 메타 물질, 국지적 표면 플라즈몬 공명 및 수성 표면 강화 라만 분광법 등은 상술한 극성 용매를 활용하여 수행된다. 그러나, 고체 기판의 표면 에너지는 화학적 조성뿐만 아니라 기하학적 배열에 의해 결정되기 때문에, 미세/나노 구조를 가진 표면은 소수성(hydrophobicity)를 가지게 된다. 감지를 위한 용매가 나노 구조로 원활히 주입 및/또는 웨팅이 수행되지 않음에 따른 많은 어려움이 발생한다.
나노 플라즈모닉스를 활용한 디바이스의 효율적인 생물학적 및 화학적 응용을 위해, 본 출원의 발명자들은 나노 구조물에 극성 용매를 효율적으로 주입하면서 가시 광선 영역 내의 색 변화를 통해 극성 용매의 주입 정도를 판단할 수 있는 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법을 개발하는 데 이르렀다.
일본 특허 공개 문헌 JP2015-55482 (2015년 3월 23일)
나노 구조물에 극성 용매를 효율적으로 주입하면서 가시 광선 영역 내의 색 변화를 통해 극성 용매의 주입 정도를 판단할 수 있는 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서는 기판; 상기 기판 상에 위치한 제1 전극층; 상기 제1 금속층 상에 위치한 절연층; 상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층; 상기 금속 나노 구조층 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 상기 절연층은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하고, 상기 용매 주입 공간에 주입되는 용매는 극성 용매이며, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되지 않는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입되지 않는 상태이고, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입되다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법은 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극층, 상기 제1 금속층 상에 위치한 절연층, 상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층, 상기 금속 나노 구조층 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 상기 절연층은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하는 나노 광학 센서를 준비하는 단계; 상기 용매 주입 공간에 극성 용매를 주입하는 단계; 상기 전압 형성부를 통해 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하여 상기 극성 용매를 상기 절연층의 복수의 공간으로 주입시키는 단계; 및 상기 나노 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 나노 광학 센서는 유입되는 용매에 따른 가시 광선 내에서의 색 변화뿐만 아니라, 일렉트로웨팅(Electrowetting)에 따른 극성 용매의 유입까지 가능할 수 있다.
본 실시예에 따른 나노 광학 센서는 종래 나노 광학 센서가 가지는 극성 용매를 용이하게 감지하기 어려운 기술적 한계를 해결할 뿐만 아니라, 극성 용매의 유입 여부 및 유입 정도를 색상 변화를 통해 용이하게 확인할 수 있어, 보다 용이하게 현장에서 사용이 가능한 높은 현장성(On-site)를 제공할 수 있다.
또한, 극성 용매가 절연층의 식각된 공간에 유입된 상태는 다른 조작을 수행하지 않는 한 계속 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 나노 광학 센서는 극성 용매가 유입된 상태를 계속 유지할 수 있으며, 이의 계속적인 관측을 제공할 수 있다.
또한, 즉, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서는 극성 용매와 함께 이에 포함된 표적 물질을 절연층으로 유입시킬 수 있으며, 표적 물질의 유입 여부 및 함량에 따른 변화를 표시 색상의 변화로서 나타낼 수 있다. 즉, 극성 용매 내에 포함된 표적 물질이 식별되고, 표적 물질의 함량이 특정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서 구성을 도시한 단면도이다.
도 2a는 금속 나노 섬 구조를 포함하는 금속 나노 구조층을 마스크로 사용하여 절연층의 식각이 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2b는 절연층의 식각이 수행되는 시간(0s, 20s, 40s, 60s)에 따라 변화되는 나노 광학 센서에서 반사되는 색상 및 광학 특성을 나타낸다.
도 2c는 절연층의 식각이 수행되는 시간에 따른 최대 흡광 파장대를 도시한 그래프이다.
도 3a는 전압 인가에 따른 극성 용매의 접촉각의 변화를 관측한 결과를 도시한 것이다.
도 3b는 전압 인가에 따른 젖음 특성 변화를 관측한 결과를 도시한 것이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 나노 광학 센서에 극성 용매(물)을 주입하고 전압을 온/오프(On/Off)한 경우, 나타내는 색상의 변화를 도시한 것이다.
도 4b는 전압 인가에 따라 나노 구조 표면에서 극성 용매의 상태 변화를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 실시예에 따른 전압을 인가함에 따라 변화되는 나노 광학 센서의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 6a는 나노 광학 센서에 유입한 용매에 따라 나노 광학 센서가 표시하는 색상이 변화되는 것을 도시한 도면이다.
도 6b는 나노 광학 센서에 유입한 용매에 따라 나노 광학 센서의 반사 스펙트럼의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6c는 나노 광학 센서에 유입된 용매에 따른 절연층의 변화를 나타낸 측면 SEM 이미지 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법의 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 기판(100), 제1 금속층(110), 절연층(120), 금속 나노 구조층(130), 제2 금속층(140) 및 전압 형성부(150)을 포함한다. 여기서, 절연층(120)은 부분적으로 식각된 공간을 포함할 수 있고, 금속 나노 구조층(130)은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 절연층(120)은 부분적으로 수직 식각된 공간을 포함할 수 있다.
기판(100)은 평판 형태의 리기드(rigid)한 투명 기판일 수 있다. 기판(100)은 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 플라스틱, 실리콘 또는 기타 고분자로 이루어지는 금속 증착이 가능하며, 투명한 모든 종류의 베이스 기판일 수 있다.
기판(100)의 일면에 제1 금속층(110)이 형성될 수 있다. 제1 금속층(110)은 열증착(thermal evaporation) 공정을 통해 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도금, 스퍼터링 등의 공정으로도 형성될 수 있다. 제1 금속층(110)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 단일 물질이나 합금으로 구성될 수 있다. 바람직하게, 제1 금속층(110)은 금(Au)으로 이루어진 단일 박막층일 수 있다. 제1 금속층(110)은 반사 금속층일 수 있다. 제1 금속층(110)은 100nm 이상의 두께로 형성될 수 있다. 제1 금속층(110)은 상부로부터 유입되는 빛을 반사하여 절연층(120), 금속 나노 구조층(130)으로 빛을 집중시킬 수 있으며, 이에 따라 나노 플라즈모닉스 효과가 향상될 수 있다.
절연층(120)은 제1 금속층(110)상에 위치할 수 있다. 절연층(120)은 부분적으로 식각된 형태일 수 있다. 절연층(120)은 스핀 코팅(Spin coating) 공정을 통해 박막으로 형성된 후, 금속 나노 구조층(130)을 마스크로 활용하여 반응성 이온 식각 공정을 통해 부분 식각된 상태이다.
절연층(120)은 소수성 물질로 구성된 복수개의 기둥과 상기 복수개의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 기둥은 상부에 위치하는 금속 나노 구조층(130)의 박막층 또는 나노 섬과 오버랩될 수 있다. 즉, 금속 나노 구조층(130)의 박막층 또는 나노 섬에 의해 상기 기둥은 식각되지 않고 대응되어 잔존된 상태에 해당한다. 복수의 공간은 일정 유체가 채워진 상태일 수 있으며, 기둥의 굴절률은 복수의 공간에 채원진 유체의 굴절률과 상이할 수 있다. 예시적으로 기둥은 높은 투과도를 가지는 비정형 불소 중합체(Amorphous Fluoropolymer)로 구성되어 굴절률이 1.34일 수 있고, 공간에는 공기가 채워져 굴절률이 1.0006일 수 있다. 절연층(120)은 전체적으로 투명한 상태일 수 있고, 전체적인 두께는 140nm 내지 180nm일 수 있다.
금속 나노 구조층(130)은 절연층(120) 상에 위치할 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 복수의 금속 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조일 수 있다. 나노 섬 네트워크 구조를 구성하는 각 금속 나노 섬은 일정 크기 이상의 군집을 형성한 상태일 수 있다. 나노 섬 네트워크는 나노 섬이 확장되어 서로 연결된 것으로, 나노 섬 네트워크 구조는 절연층(120)의 표면을 외부로 노출하는 복수의 개구부를 포함할 수 있다. 상기 복수의 개구부는 금속이 증착되지 않고 나노 섬 간의 연결이 이루어지지 않은 영역일 수 있다. 상기 복수의 개구부는 작은 구멍이나 빈틈, 공극(Cavity) 등의 표현으로 대체될 수 있다.
금속 나노 구조층(130)은 금속 나노 섬의 자기 조립을 유도할 수 있는 느린 속도로 열 증착 공정이 수행되어 형성된 상태일 수 있다. 금속 나노 구조층(130)을 형성하는 열 증착 공정 속도는 제1 금속층(110)을 형성하는 열 증착 공정 속도보다 느리게 수행될 수 있다. 절연층(120)의 표면은 소수성을 가지는 바, 초기 증착시 절연층(120) 상에는 일정 크기의 나노 섬 구조가 분산되어 형성될 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 절연층(120) 표면으로의 표면의 전체적인 도포를 목적으로 하는 증착이 아닌, 초기 형성된 나노 섬 구조에 증착이 수행될 수 있다. 금속 나노 구조층(130)은 제1 금속층(110)의 증착 속도(1~2 Å/s)에 비해 현저히 감소된 0.3 Å/s의 증착 속도로 수행될 수 있다. 이러한 0.3 Å/s의 금속 증착 속 도는 금속 나노 섬의 자기 조립을 유도할 수 있다. 열 증착 공정이 진행됨에 따라 직경이 커진 나노 섬은 이웃하는 나노 섬과 연결되어 나노 섬 네트워크를 형성할 수 있다. 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 27nm 내지 38nm일 수 있다. 보다 바람직한 금속 나노 구조층(130)의 두께는 35nm일 수 있다.
금속 나노 구조층(130)에 적용되는 금속은 백금, 금, 은, 알루미늄 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 금속 나노 구조층(130)에 적용되는 금속은 바람직하게 금(Au)일 수 있으며, 제1 금속층(110)에 사용된 금속과 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 금속 나노 구조층(130)은 반응성 이온 식각 공정의 마스크로써 기능을 할 수 있다. 즉, 금속 나노 섬이 상부에 형성된 절연층(120)은 일정 폭의 기둥으로 잔존할 수 있고, 개구부와 대응되는 절연층은 유체가 유입될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 또한, 금속 나노 구조층(130)은 자기 조립을 통해 형성된 나노 구조물로써 형성된 나노 구조물 사이에 일어나는 나노 갭 플라즈모닉스 현상을 야기할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 본원 발명의 나노 광학 센서는 단순히 금속 나노 입자에 기반한 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized surface plasmon resonance; LSPR) 현상에 기반하지 않으며, 종래 MDM접합 구조(금속층-유전 필름층(절연층)-금속층, Metal-Dielectric-Metal layer)를 개선한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 나노 구조층(130)과 제1 금속층(110) 사이의 빛의 상보적인 간섭을 통한 페브리-페로 공진(Fabry-Perot resonance)에 기반한 것으로 나노 구조층(130)과 제1 금속층(110) 사이에 위치한 수직 식각된 절연층(120)을 통해 플라즈모닉 공명이 보다 극대화될 수 있다. 여기서, 절연층(120)의 내부 구조가 변화됨에 따라 나노 광학 센서(10)에서 반사되는 색상 및 광학 특성은 변화될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 절연층(120)의 식각 정도에 따라 플라즈모닉 현상을 일으키는 데 중요한 요소가 되는 유효 유전률(effective refractive index of insulator layer) 값이 결정될 수 있으며, 특정 영역의 파장을 선택적으로 흡수하고, 이를 제외한 파장의 빛을 반사, 표시할 수 있게 된다.
도 2a는 금속 나노 섬 구조를 포함하는 금속 나노 구조층(130)을 마스크로 사용하여 절연층(120)의 식각이 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이며, 도 2b는 절연층(120)의 식각이 수행되는 시간(0s, 20s, 40s, 60s)에 따라 변화되는 나노 광학 센서(10)에서 반사되는 색상 및 광학 특성을 나타낸다. 도 2c는 절연층(120)의 식각이 수행되는 시간에 따른 최대 흡광 파장대를 도시한 그래프이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 식각 공정이 진행됨에 따라 절연층(120)은 식각된 공간이 형성되며, 식각된 공간의 크기는 점점 커질 수 있다. 본 실시예에 따른 절연층(120)은 이러한 식각 공정이 충분히 수행되어 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥(p)과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간(v)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 본 실시예에 따른 절연층(120)은 상술한 식각 공정을 60초 동안 지속하여 생성된 상태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 일정 크기의 굴절률(n=1.34)을 가진 절연층(120)의 식각 공간이 공기로 대체되면서 절연층(120)의 광학 특성이 변화될 수 있다. 여기서, 공기의 굴절률(n=1.0006)은 절연층(120)의 굴절률보다 낮을 수 있고, 절연층(120)의 내부 굴절률 분포가 변화될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 식각 공정이 진행됨에 따라 연두색에서 보라색으로 색 변이를 확인할 수 있다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 식각 공정이 진행됨에 따라 최대 흡광 파장대가 변화되는 것을 확인할 수 있다.
절연층(120)에 형성되는 나노 구조는 플라즈모닉 센서에서 흡광 파장 영역대의 주변 굴절률에 대한 민감도를 보다 향상시킬 수 있고, 플라즈모닉 현상에 기반한 가시 광선 영역에서의 파장 시프트를 극대화 할 수 있으며, 가시 광선 영역에서의 색상 변화를 유도할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 절연층(120)은 식각된 절연층(120)의 빈 공간에 공기(n= 1.0006)가 아닌 다른 용매가 유입되는 정도에 따라, 플라즈모닉 현상을 일으키는 데 중요한 요소가 되는 유효 유전률(effective refractive index of insulator layer) 값이 달라질 수 있으며, 특정 영역의 파장을 선택적으로 흡수하고, 이를 제외한 파장의 빛을 반사, 표시할 수 있게 된다. 즉, 종래 절연층의 공간을 차지하는 제1 유체와 상이한 굴절률을 가지는 제2 유체가 절연층에 유입됨에 따라 복수의 공간은 제1 유체에서 제2 유체로 대체되고, 복수의 공간이 제2 유체로 채워짐에 따라, 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 상기 유효 유전률에 따라 나노 광학 센서(10)가 표시하는 빛의 파장인 공명 파장이 가시광선 영역 내에서 전이될 수 있다. 따라서, 절연층(120)의 빈 공간에 유입되는 용매의 특성을 나노 광학 센서(10)의 색 변이에 따라 감지할 수 있다.
본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)에서, 감지를 위한 용매는 금속 나노 구조층(130)의 상부에서 유입될 수 있다. 즉, 금속 나노 구조층(130)은 나노 섬 네트워크 사이에 형성되는 개구부를 포함하는 바, 용매는 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통해 절연층(120)의 빈 공간으로 유입될 수 있다. 여기서, 용매가 비극성 용매, 소수성을 가진 용매인 경우, 상술한 감지를 위한 용매의 유입이 문제없이 수행될 수 있다. 다만, 금속 나노 구조층(130)은 미세한 나노 구조로써, 표면은 소수성(hydrophobicity)을 가질 수 있다. 따라서, 감지를 위한 용매가 극성 용매, 친수성 용매인 경우, 소수성 표면을 가진 금속 나노 구조층(130) 상에 친수성의 극성 용매는 분리된 별도의 층으로 존재할 수 있다. 즉, 극성 용매는 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통해 절연층(120)의 빈 공간으로 유입되지 않고 금속 나노 구조층(130)상에 일정한 층을 형성하게 된다. 여기서, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)은 일렉트로웨팅(Electrowetting)을 통해 이러한 극성 용매를 금속 나노 구조층(130)의 개구부로 통과하여 절연층(120)의 공간으로 유입시킬 수 있다.
극성 용매는 금속 나노 구조층(130) 상에 소정의 접촉각(contact angle,
Figure pat00001
)을 형성할 수 있으며, 이는 형성되는 전압(
Figure pat00002
)에 따라 변화될 수 있다. 여기서, 접촉각은 액체와 고체 사이의 표면장력(Surface Tension)에 의해 영향을 받으며, 표면장력이 높을수록 물의 젖음성은 높아지고 접촉각은 작아지게 된다. 즉, 접촉각이 작을수록 친수성(Hydrophilic)이 크고, 젖음성(wettability)가 좋을 수 있다. 이러한 표면장력은 전압에 의해 제어될 수 있으며, 일렉트로웨팅(Electrowetting)의 동력학은 하기 수학식 1과 같은 Lippman 방정식에 의해 설명될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
(여기서,
Figure pat00004
: 용매의 접촉각,
Figure pat00005
: 전압,
Figure pat00006
: 초기 용매의 접촉각,
Figure pat00007
: 용매와 고체 사이의 계면에서의 캐퍼시턴스,
Figure pat00008
: 액체 / 증기 계면 장력)
즉, 인가되는 전압에 의해 극성 용매가 금속 나노 구조층(130) 상에서 형성하는 접촉각은 작아질 수 있으며, 극성 용매의 젖음성이 좋아져서 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과할 수 있게 된다.
도 3a 및 도 3b는 일렉트로웨팅(Electrowetting)을 통해 극성 용매를 절연층(120)의 식각된 공간에 유입시킨 결과를 도시한 그래프이다. 구체적으로, 도 3a는 전압 인가에 따른 극성 용매의 접촉각의 변화를 관측한 결과를 도시한 것이다. 도 3b는 전압 인가에 따른 젖음 특성 변화를 관측한 결과를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상술한 바와 같이, 극성 용매는 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과하지 못하고 금속 나노 구조층(130) 상에 액체 방울(Drop)과 같이 위치할 수 있다. 액체 방울이 위치한 공간에 일정 크기의 전압을 형성하는 경우, 금속 나노 구조층(130)의 표면 장력이 변화되어 일렉트로웨팅(Electrowetting) 현상이 발생할 수 있다. 전압을 인가하기 이전 금속 나노 구조층(130) 상에 극성 용매는 약 100°의 접촉각(contact angle)을 형성하나, 전압이 인가됨에 따라 극성 용매의 접촉각이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 식각 시간이 0초, 20초, 40초 및 60초(0s, 20s, 40s 및 60s)인 경우, 접촉각은 92°, 73°, 65° 및 56°의 값으로 포화되는 것을 확인할 수 있으며, 즉 절연층(120)의 내부 공간이 커질수록 극성 용매의 접촉각이 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, 접촉각이 작아짐에 따라 젖음성이 좋아져서 금속 나노 구조층(130) 상의 용매가 절연층(120)의 공간까지 유입되는 습윤 천이(Dewetted -> Wetted)가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한, 습윤 천이는 절연층(120)의 식각 시간(0초, 20초, 40초, 60초: 식각 시간은 절연층(120)의 식각 정도에 비례)에 따라 다르게 나타나는 것 또한 확인할 수 있다. 즉, 절연층(120)의 내부 공간이 충분히 형성된 상태(식각 공정 시속 시간이 40초, 60초)에서는 일렉트로웨팅(Electrowetting) 현상을 이용한 습윤 천이가 발생하여 금속 나노 구조층(130) 상의 용매가 절연층(120)의 공간까지 유입시킬 수 있다. 본원 발명의 나노 광학 센서(10)는 유입되는 용매에 따른 가시 광선 내에서의 색 변화뿐만 아니라, 일렉트로웨팅(Electrowetting)에 따른 극성 용매의 유입까지 가능할 수 있다. 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 종래 나노 광학 센서가 가지는 극성 용매를 용이하게 감지하기 어려운 기술적 한계를 해결할 뿐만 아니라, 극성 용매의 유입 여부 및 유입 정도를 색상 변화를 통해 용이하게 확인할 수 있어, 보다 용이하게 현장에서 사용이 가능한 높은 현장성(On-site)를 제공할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 금속 나노 구조층(130) 상에는 제2 전극층(140)이 위치할 수 있다. 제2 전극층(140)은 금속 나노 구조층(130)과 일정 거리 이격되어 금속 나노 구조층(130) 상에 위치할 수 있으며, 제2 전극층(140)과 금속 나노 구조층(130) 사이에는 일정 공간이 형성될 수 있다. 상기 일정 공간은 제2 전극층(140)과 금속 나노 구조층(130) 사이에는 배치된 스페이서(160)에 의해 정의될 수 있다. 상기 일정 공간은 스페이서(160)의 높이 및 배치 위치에 따라 달라질 수 있다. 스페이서(160)는 100um 두께의 PDMS로 구성되어, 도 1에 도시된 바와 같이, 외곽 부분에 배치되어 상기 공간을 정의할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제2 전극층(140)과 금속 나노 구조층(130) 사이에 형성되는 상기 일정 공간은 용매 주입을 위한 용매 주입 공간에 해당한다. 용매 주입 공간에 주입된 용매가 예시적으로 도 1에 도시된 물(Water, H2O)과 같은 극성 용매인 경우, 상기 주입된 용매는 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과하지 못하고, 상기 금속 나노 구조층(130) 상에 정의된 공간에 머무르게 된다. 전압 형성부(150)는 제2 전극층(140)과 제1 전극층(110)과 사이에 전압을 형성할 수 있으며, 제2 전극층(140)과 제1 전극층(110) 사이에 형성된 전압에 의해 상기 금속 나노 구조층(130) 상에 머무르는 극성 용매는 상기 개구부를 통과하여 절연층(120)의 식각된 공간으로 유입될 수 있다. 제1 전극층(110)과 제2 전극층(140) 사이에 전압이 형성되지 않는 경우, 상기 극성 용매는 금속 나노 구조층(130)을 통과하여 절연층(120)의 복수의 공간으로 유입되지 않는 상태이며, 1 전극층(110)과 제2 전극층(140) 사이에 전압이 형성 되는 경우, 상기 극성 용매는 금속 나노 구조층(130)을 통과하여 절연층(120)의 복수의 공간으로 유입될 수 있다.
본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)의 제2 전극층(140)은 표시 또는 반사되는 빛을 시인할 수 있는 면에 위치할 수 있다. 따라서, 제2 하는 바, 투명 전극층일 수 있다. 제2 전극층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 제2 전극층(140) 상에는 제2 전극층을 지지하고 보호하기 위한 투명 기판(170)이 더 배치될 수도 있다.
전압 형성부(150)는 제1 전극층(110)과 제2 전극층(140) 사이에 소정의 전압을 형성할 수 있으며, 상술한 일렉트로웨팅에 의해 금속 나노 구조층(130) 상에 머무르는 극성 용매는 상기 개구부를 통과하여 절연층(120)의 식각된 공간으로 유입될 수 있다. 절연층(120)의 식각된 공간에 극성 용매가 유입됨에 따라 절연층(120)의 유효 유전률(effective refractive index of insulator layer) 값이 달라질 수 있으며, 특정 영역의 파장을 선택적으로 흡수하고, 이를 제외한 파장의 빛을 반사, 표시할 수 있게 된다. 즉, 극성 용매의 유입에 따라 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상이 변화될 수 있다.
도 4a 내지 도 5는 극성 용매의 유입에 따른 나노 광학 센서(10)의 색상 변화와 광학 특성 변화를 실험한 결과를 도시한 것이다. 여기서, 나노 광학 센서(10)는 60초의 식각 공정을 수행한 절연층(120)을 포함하고 있으며, 금속 나노 구조층(130) 상에 극성 용매가 주입되고, 전압 형성부(150)에 의해 소정의 전압(4V DC)이 제공될 수 있다. 구체적으로, 도 4a는 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)에 극성 용매(물)을 주입하고 전압을 온/오프(On/Off)한 경우, 나타내는 색상의 변화를 도시한 것이며, 도 4b는 전압 인가에 따라 나노 구조 표면에서 극성 용매의 상태 변화를 개략적으로 도시한 것이다. 도 5는 본 실시예에 따른 전압을 인가함에 따라 변화되는 나노 광학 센서(10)의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, Voff에 상태의 나노 광학 센서(10)는 보라색을 표시하나, Von 상태의 광학 센서(10)는 초록색을 표시하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 전압 형성에 따라 극성 용매가 유입됨에 따라 광학 센서(10)는 초기와 다른 색상을 표시할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광학 센서(10)는 극성 용매의 유입 여부를 표시 색상의 변화를 통해 확인할 수 있다. 또한, 광학 센서(10)가 초록색으로 변화된 이후, 즉, 극성 용매가 절연층(120)의 내부 구조에 유입된 상태가 된 이후, 제1 전극(110)과 제2 전극(140) 사이의 전압을 형성하지 않더라도(Voff 상태) 다시 나노 광학 센서(10)는 보라색으로 돌아가지 않고 초록색을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 나노 광학 센서(10)는 절연층(120) 내부 공간을 차지하고 있는 극성 용매가 제거(예를 들어, 증발)된 이후에 다시 보라색을 표시하는 것을 확인할 수 있다.
나노 광학 센서(10)에 유입된 극성 용매는 전압 형성 여부에 따라 나노 구조 표면에서 도 4b에 도시된 3가지 상태(카시 상태, 중간 상태, 웬젤 상태)로 존재할 수 있다. 여기서, 카시 상태(Cassie state)는 극성 용매가 금속 나노 구조층(130) 상에 존재하는, 머무르는 상태를 의미한다. 즉, 극성 용매가 금속 나노 구조층(130) 상으로 유입되었으나 전압이 인가되지 않은 상황에서 극성 용매는 카시 상태를 유지한다. 웬젤 상태(Wenzel state)는 극성 용매가 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과하여 절연층(120)의 식각된 공간을 완전하게 채운 상태, 완전 습윤 상태를 의미한다. 즉, 웬젤 상태(Wenzel state)는 전압 형성에 따른 일렉트로웨팅 효과로 극성 용매가 절연층(120)의 식각된 공간을 완전하게 채워 포화된 상태를 의미할 수 있다. 웬젤 상태는 절연층(120)에 극성 용매가 더 유입될 수 없는 상태일 수 있으며, 전압이 증가 또는 형성된 상태가 유지되더라도 나노 광학 센서의 광학 특성이 변화되지 않는다. 중간 상태(Intermediate state)는 카시 상태와 웬젤 상태의 전이 상태에 해당한다. 즉, 전압이 형성됨에 따라 극성 용매가 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과하여 절연층(120)의 식각된 공간으로의 유입이 진행되고 있는 상태일 수 있다.
여기서, 카시 상태는 준-안정적인 상태이고, 웬젤 상태는 카시 상태보다 안정적인 상태일 수 있으며, 일렉트로웨팅을 통해 카시 상태에서 웬젤 상태로의 상태 전환이 가능할 수 있다. 즉, 웬젤 상태에서 카시 상태로의 전환의 에너지 장벽은 카시 상태에서 웬젤 상태로의 전환의 에너지 장벽보다 훨씬 높은 상태에 해당한다. 따라서, 형성된 전압을 제거된 상황, 일반적인 상황에서는 웬젤 상태에서 카시 상태로의 전환이 발생되지 않는다. 즉, 극성 용매가 절연층(120)의 식각된 공간에 유입된 웬젤 상태는 다른 조작을 수행하지 않는 한 계속 유지될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 극성 용매가 유입된 상태를 유지할 수 있으며, 이의 계속적인 관측을 제공할 수 있다.
또한, 이러한 극성 용매의 3가지 상태는 도 5에서도 관측할 수 있다. 도 5에서, Voff에 해당하는 구간은 카시 상태, Von 이후 선형적으로 반사 스펙트럼이 변화하는 구간은 중간 상태, Von 상태에서 반사 스펙트럼이 더 이상 변화되지 않고 유지되는 구간은 웬젤 상태에 해당한다. 즉, 중간 상태에서 반사 스펙트럼의 선형적 변화가 관측된다. 이러한, 중간 상태의 반사 스펙트럼이 극성 용매의 유입 정도에 따라 선형적으로 쉬프트되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 반사 스펙트럼의 이동에 따라 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상도 계속적으로 변화될 수 있다. 따라서, 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상을 확인하면, 절연층(120)로 유입된 극성 용매의 유입량, 유입 정도가 확인될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)은 일렉트로웨팅을 통해 극성 용매를 나노 구조에 유입하되, 표시 색상 변화를 통해 극성 용매의 유입 여부 및 유입 정도를 용이하게 표시할 수 있다.
도 6a는 나노 광학 센서에 유입한 용매에 따라 나노 광학 센서가 표시하는 색상이 변화되는 것을 도시한 도면이며, 도 6b는 나노 광학 센서에 유입한 용매에 따라 나노 광학 센서의 반사 스펙트럼의 변화를 도시한 그래프이고, 도 6c는 나노 광학 센서에 유입된 용매에 따른 절연층의 변화를 나타낸 측면 SEM 이미지 사진이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)에 유입되는 극성 용매는 상기 극성 용매에 용해 가능한 표적 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 표적 물질은 상기 나노 광학 센서(10)를 통해 관측 또는 분석하기 위한 대상 물질일 수 있으며, 극성을 나타내어 상기 극성 용매에 충분히 용해되어 육안으로는 상기 표적 물질의 존재 여부가 확인되지 않는 물질일 수 있다. 즉, 표적 물질은 광학 감지를 위한 표적 물질에 해당하며, 생물학적 및/또는 화학적 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적으로, 상기 표적 물질은 D-글루코스(D-Glucose)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 절연층(120)에 유입된 극성 용매에 따라 절연층(120)의 유효 유전률 값이 변화되고, 이에 따라 나노 광학 센서가 표시하는 빛의 파장인 공명 파장이 전이될 수 있다. 즉, 반사 스펙트럼의 쉬프트가 발생될 수 있다. 이러한, 절연층(120)의 유효 유전률 값의 변화는 극성 용매에 포함된 상기 표적 물질에 의해서도 발생할 수 있다. 즉, 전압이 형성되는 경우 극성 용매에 포함된 표적 물질은 극성 용매와 함께 절연층(120)으로 유입될 수 있다. 도 6c의 SEM 이미지를 참조하면, 절연층(120)에 D-글루코스가 유입된 상태를 확인할 수 있다. 극성 용매와 함께 유입된 표적 물질에 따라 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화될 수 있으며, 이에 따라 반사 스펙트럼의 쉬프트가 발생하여 나노 광학 센서(10)에서 표시되는 색상이 변화될 수 있다. 또한, 유효 유전률 값의 변화는 표적 물질의 함량에 따라서도 달라질 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 절연층(120)에 극성 용매가 유입되지 않은 상황(Air)에서 나노 광학 센서(10)는 보라색을 표시하나, 극성 용매(Water)가 유입된 상황에서는 짙은 녹색, D-Glucose 2.5 wt.%를 포함하는 극성 용매에서는 연녹색, D-Glucose 5.0 wt.%를 포함하는 극성 용매에서는 노란색을 표시하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 극성 용매의 유입 유무, 표적 물질을 포함 여부, 및 표적 물질의 함량 정도에 따라 나노 광학 센서(10)의 반사 스펙트럼이 쉬프트되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)는 극성 용매와 함께 이에 포함된 표적 물질을 절연층(120)으로 유입시킬 수 있으며, 표적 물질의 유입 여부 및 함량에 따른 변화를 표시 색상의 변화로서 나타낼 수 있다. 즉, 극성 용매 내에 포함된 표적 물질이 식별되고, 표적 물질의 함량이 특정될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 광학 센서(10)를 활용한 극성 용매 분석 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법의 순서도이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법은 나노 광학 센서를 준비하는 단계(S100), 용매 주입 공간에 극성 용매를 주입하는 단계(S110), 전압을 형성하여 극성 용매를 절연층의 복수의 공간으로 주입시키는 단계(S120) 및 나노 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
먼저, 나노 광학 센서를 준비한다(S100).
여기서, 나노 광학 센서는 도 1 내지 도 6c에서 설명된 나노 광학 센서(10)일 수 있다. 상술한 바와 같이, 나노 광학 센서(10)는 기판(100), 기판(100) 상에 위치한 제1 전극층(110), 제1 금속층(110) 상에 위치한 절연층(120), 절연층(120) 상에 위치한 금속 나노 구조층(130), 금속 나노 구조층(130) 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층(140) 및 제1 전극층(110)과 제2 전극층(140) 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부(150)를 포함하되, 금속 나노 구조층(130)은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 절연층(120)은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 공간은 복수의 기둥과 상이한 굴절률을 가진 유체가 채워진 상태일 수 있다.
나노 광학 센서가 준비된 이후, 용매 주입 공간에 극성 용매를 주입한다(S110).
제2 전극층(140)과 금속 나노 구조층(130) 사이에 형성되는 상기 일정 공간은 용매 주입을 위한 용매 주입 공간에 해당한다. 용매 주입 공간에 주입된 용매가 극성 용매인 경우, 상기 주입된 용매는 금속 나노 구조층(130)의 개구부를 통과하지 못하고, 상기 금속 나노 구조층(130) 상에 정의된 공간에 머무르게 된다.
여기서, 극성 용매는 분석 대상 시료일 수 있다. 즉, 극성 용매 자체가 분석 대상 시료일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 극성 용매는 상기 극성 용매에 용해 가능한 표적 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로, 극성 용매는 증류수일 수 있으며, 미확인된 분석 대상 물질을 포함하는 상태일 수 있다. 다른 예시로, 극성 용매는 증류수일 수 있으며, 확인된 분석 대상 물질을 포함하나, 증류수에 포함된 분석 대상 물질의 함량을 모르는 상태일 수 있다.
전압 형성부를 통해 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하여 상기 극성 용매를 상기 절연층의 복수의 공간으로 주입시킨다(S120).
전압 형성부(150)는 제1 전극층(110)과 제2 전극층(140) 사이에 소정의 전압을 형성할 수 있으며, 상술한 일렉트로웨팅에 의해 금속 나노 구조층(130) 상에 머무르는 극성 용매는 상기 개구부를 통과하여 절연층(120)의 식각된 공간으로 유입될 수 있다. 절연층(120)의 식각된 공간에 극성 용매가 유입됨에 따라 절연층(120)의 유효 유전률(effective refractive index of insulator layer) 값이 달라질 수 있으며, 특정 영역의 파장을 선택적으로 흡수하고, 이를 제외한 파장의 빛을 반사, 표시할 수 있게 된다. 즉, 상기 용매가 상기 복수의 공간으로 유입됨에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이될 수 있다. 상기 공명 파장의 전이는 가시 광선 영역내에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 극성 용매가 상기 극성 용매에 용해 가능한 표적 물질을 포함하는 경우, 상기 극성 용매에 포함된 상기 표적 물질 및/또는 상기 표적 물질의 함량에 따라 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이될 수 있다.
즉, 극성 용매의 유입에 따라 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상이 변화될 수 있다.
나노 광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인한다(S130).
광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인하여 극성 용매의 특성을 분석할 수 있다. 광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인하여 적어도 극성 용매를 식별할 수 있다. 또한, 광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인하여 확인된 극성 용매 내에 포함되어 있는 분석 대상 물질을 식별할 수도 있다. 또한, 광학 센서(10)에서 표시되는 색을 확인하여 확인된 극성 용매 내에 확인된 분석 대상 물질의 함량을 특정할 수도 있다.
본 실시예에 따른 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법에서, 상기 용매 주입 공간에 위치한 극성 용매는 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층 상에 머무르는 상태인 카시 상태, 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층의 개구부를 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간을 완전하게 채운 상태인 웬젤 상태 또는 상기 카시 상태와 상기 웬젤 상태의 전이 상태에 해당하는 중간 상태로 존재할 수 있다. 극성 용매의 상태와 본 실시예에 따른 극성 용매 분석 방법의 각 단계를 비교하면, 상기 카시 상태는 상기 용매 주입 공간에 극성 용매를 주입하는 단계(S110), 상기 중간 상태는 상기 극성 용매를 상기 절연층의 복수의 공간으로 주입시키는 단계(S120), 상기 웬젤 상태는 상기 나노 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하는 단계(S130)에 대응될 수 있다. 즉, 상기 나노 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하는 단계(S130)는 극성 용매가 절연층의 복수의 공간을 완전하게 채운 상태에서 수행될 수 있다.
여기서, 카시 상태는 준-안정적인 상태이고, 웬젤 상태는 카시 상태보다 안정적인 상태일 수 있으며, 일렉트로웨팅을 통해 카시 상태에서 웬젤 상태로의 상태 전환이 가능할 수 있다. 즉, 웬젤 상태에서 카시 상태로의 전환의 에너지 장벽은 카시 상태에서 웬젤 상태로의 전환의 에너지 장벽보다 훨씬 높은 상태에 해당한다. 따라서, 형성된 전압을 제거된 상황, 일반적인 상황에서는 웬젤 상태에서 카시 상태로의 전환이 발생되지 않는다. 상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입된 이후, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전압이 오프(off)되더라도 상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간에 유입된 상태가 계속 유지될 수 있다.
중간 상태에서 반사 스펙트럼의 선형적 변화가 관측된다. 이러한, 중간 상태의 반사 스펙트럼이 극성 용매의 유입 정도에 따라 선형적으로 쉬프트되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 반사 스펙트럼의 이동에 따라 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상도 계속적으로 변화될 수 있다. 따라서, 나노 광학 센서(10)가 표시하는 색상을 확인하면, 절연층(120)로 유입된 극성 용매의 유입량, 유입 정도가 확인될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 극성 용매 분석 방법의 극성 용매를 상기 절연층의 복수의 공간으로 주입시키는 단계(S120)는 표시되는 색상을 확인하여 극성 용매의 유입량, 유입 정도를 확인하는 과정을 포함할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 나노 광학 센서 100: 기판
110: 제1 금속층 120: 절연층
130: 금속 나노 구조층 140: 제2 금속층
150: 전압 형성부 160: 스페이서

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치한 제1 전극층;
    상기 제1 금속층 상에 위치한 절연층;
    상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층;
    상기 금속 나노 구조층 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층; 및
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하되,
    상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 상기 절연층은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하고,
    상기 용매 주입 공간에 주입되는 용매는 극성 용매이며,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되지 않는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입되지 않는 상태이고,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압이 형성되는 경우, 상기 극성 용매는 상기 금속 나노 구조층을 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입되는 나노 광학 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 용매가 상기 복수의 공간으로 유입됨에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이되는 나노 광학 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 공명 파장의 전이는 가시 광선 영역내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입된 이후, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전압이 오프(off)되더라도 상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간에 유입된 상태가 계속 유지되는 나노 광학 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 극성 용매는 상기 극성 용매에 용해 가능한 표적 물질을 포함하며,
    상기 극성 용매에 포함된 상기 표적 물질에 따라 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이되는 나노 광학 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 용매 주입 공간에 위치한 극성 용매는 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층 상에 머무르는 상태인 카시 상태, 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층의 개구부를 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간을 완전하게 채운 상태인 웬젤 상태 또는 상기 카시 상태와 상기 웬젤 상태의 전이 상태에 해당하는 중간 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 중간 상태에서 나노 광학 센서의 반사 스펙트럼은 선형적으로 쉬프트되는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서.
  8. 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극층, 상기 제1 금속층 상에 위치한 절연층, 상기 절연층 상에 위치한 금속 나노 구조층, 상기 금속 나노 구조층 상에 용매 주입을 위한 용매 주입 공간을 용매 주입 공간을 형성하면서 상기 금속 나노 구조층과 이격되어 위치하는 제2 전극층 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하는 전압 형성부를 포함하되, 상기 금속 나노 구조층은 복수의 나노 섬들이 연결된 나노 섬 네트워크 구조이며, 상기 절연층은 소수성 물질을 포함하는 복수의 기둥과 상기 복수의 기둥에 의해 정의된 복수의 공간을 포함하는 나노 광학 센서를 준비하는 단계;
    상기 용매 주입 공간에 극성 용매를 주입하는 단계;
    상기 전압 형성부를 통해 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 형성하여 상기 극성 용매를 상기 절연층의 복수의 공간으로 주입시키는 단계; 및
    상기 나노 광학 센서에서 표시되는 색을 확인하는 단계를 포함하는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 용매가 상기 복수의 공간으로 유입됨에 따라, 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이되는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 공명 파장의 전이는 가시 광선 영역내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간으로 유입된 이후, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 전압이 오프(off)되더라도 상기 극성 용매가 상기 절연층의 복수의 공간에 유입된 상태가 계속 유지되는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 극성 용매는 상기 극성 용매에 용해 가능한 표적 물질을 포함하며,
    상기 극성 용매에 포함된 상기 표적 물질에 따라 상기 절연층의 유효 유전률 값이 변화되고, 반사 스펙트럼에서 공명 파장이 전이되는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 용매 주입 공간에 위치한 극성 용매는 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층 상에 머무르는 상태인 카시 상태, 상기 극성 용매가 상기 금속 나노 구조층의 개구부를 통과하여 상기 절연층의 복수의 공간을 완전하게 채운 상태인 웬젤 상태 또는 상기 카시 상태와 상기 웬젤 상태의 전이 상태에 해당하는 중간 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 중간 상태에서 나노 광학 센서의 반사 스펙트럼은 선형적으로 쉬프트되는 것을 특징으로 하는 나노 광학 센서를 활용한 극성 용매 분석 방법.
KR1020190086228A 2019-07-17 2019-07-17 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법 KR102233627B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190086228A KR102233627B1 (ko) 2019-07-17 2019-07-17 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190086228A KR102233627B1 (ko) 2019-07-17 2019-07-17 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210009558A true KR20210009558A (ko) 2021-01-27
KR102233627B1 KR102233627B1 (ko) 2021-03-30

Family

ID=74238194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190086228A KR102233627B1 (ko) 2019-07-17 2019-07-17 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102233627B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040086572A (ko) * 2003-03-31 2004-10-11 루센트 테크놀러지스 인크 나노구조 및 마이크로구조 표면상의 액체의 이동을제어하는 방법 및 장치
JP2010014622A (ja) * 2008-07-04 2010-01-21 Hitachi High-Technologies Corp 核酸分析デバイス、核酸分析装置及び核酸分析方法
JP5049391B2 (ja) * 2008-10-29 2012-10-17 パナソニック株式会社 検知素子、検知装置及び酸素濃度検査装置
KR20140140886A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 한국과학기술원 대면적 금속 나노 구조물 및 투명전극층을 포함하는 표면증강라만산란 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 표면증강라만 분광방법
JP2015055482A (ja) 2013-09-10 2015-03-23 セイコーエプソン株式会社 分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子及び電子機器
KR101937294B1 (ko) * 2017-07-24 2019-01-11 한국과학기술연구원 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040086572A (ko) * 2003-03-31 2004-10-11 루센트 테크놀러지스 인크 나노구조 및 마이크로구조 표면상의 액체의 이동을제어하는 방법 및 장치
JP2010014622A (ja) * 2008-07-04 2010-01-21 Hitachi High-Technologies Corp 核酸分析デバイス、核酸分析装置及び核酸分析方法
JP5049391B2 (ja) * 2008-10-29 2012-10-17 パナソニック株式会社 検知素子、検知装置及び酸素濃度検査装置
KR20140140886A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 한국과학기술원 대면적 금속 나노 구조물 및 투명전극층을 포함하는 표면증강라만산란 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 표면증강라만 분광방법
JP2015055482A (ja) 2013-09-10 2015-03-23 セイコーエプソン株式会社 分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子及び電子機器
KR101937294B1 (ko) * 2017-07-24 2019-01-11 한국과학기술연구원 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102233627B1 (ko) 2021-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11717831B2 (en) Colorimetric sensors and methods of manufacturing the same
JP4045287B2 (ja) ナノサイズの多孔性材料を利用した表面プラズモン共鳴素子及びその製造方法
US10359362B2 (en) Method for manufacturing nanoparticle array, surface plasmon resonance-based sensor and method for analyzing using same
US9678014B2 (en) Capillary flow plasmonic sensor
Luo et al. Atto-Molar Raman detection on patterned superhydrophilic-superhydrophobic platform via localizable evaporation enrichment
US9074938B2 (en) Substrate for surface enhanced Raman spectroscopy analysis and manufacturing method of the same, biosensor using the same, and microfluidic device using the same
JP2008014933A (ja) ラマン分光用デバイス、及びラマン分光装置
JP2014530369A (ja) 分子検知デバイス
Zhou et al. Au-nanorod-clusters patterned optical fiber SERS probes fabricated by laser-induced evaporation self-assembly method
US8154722B2 (en) Sensor element structure, sensor element array, and manufacturing method of sensor element array
KR101937294B1 (ko) 광학 센서, 이의 제조 방법 및 이를 활용한 유체 분석 방법
US20140198376A1 (en) Optical sensing chip
Lee et al. Fabrication of a SERS-encoded microfluidic paper-based analytical chip for the point-of-assay of wastewater
Xu et al. Multiscale structure enabled effective plasmon coupling and molecular enriching for SERS detection
US10488333B2 (en) Optical sensor, manufacturing method thereof, and fluid analysis method using the same
KR102233627B1 (ko) 극성 용매의 웨팅이 가능한 나노 광학 센서 및 이를 활용한 극성 용매 분석 방법
Heidarzadeh Highly sensitive plasmonic sensor based on ring shape nanoparticles for the detection of ethanol and D-glucose concentration
El Barghouti et al. Effect of MoS2 layer on the LSPR in periodic nanostructures
Yuan et al. Optimization of surface enhanced Raman scattering performance based on Ag nanoparticle-modified vanadium-titanium nanorods with tunable nanogaps
Luo et al. Laser-textured High-throughput Hydrophobic/Superhydrophobic SERS platform for fish drugs residue detection
KR20170036896A (ko) 표면증강 라만 산란 센서, 그 제조 방법 및 이를 이용한 측정 방법
JP6835585B2 (ja) 試料観察用のコントラスト増幅支持体、その製造方法および用途
US10620120B2 (en) Nanoplasmonic devices and applications thereof
KR102150465B1 (ko) 나노 플라즈모닉스를 이용한 양면 표시 장치 및 이의 제조 방법
US20200240922A1 (en) Assembly having nanoporous surface layer with hydrophobic layer

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant