KR20220006181A - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부; 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부; 및 상기 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부;를 포함하도록 형성된다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치{Fluorescence amplifier device by surface plasmon resonance}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치에 관한 것으로, 특히, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 형광물질에서 발생하는 형광을 증폭하는 형광 증폭 장치에 관한 것이다.
현재, 형광은 의료 진단 검사, 바이오 물질의 표지(label), 형광관과 같은 광원, 이미징(imaging), 반도체 등 무기/유기물성의 연구, 우주선(cosmic ray) 검출, 광물학, 환경 감시 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
그러나, 이러한 다양한 분야에서 응용되는 일반적인 형광기법은 주로 자외선(UV)이나 파장이 짧은 가시광선 영역의 청색광 계열을 여기(excitation) 광원으로 사용하기 때문에 슬라이드 글라스, 물 또는 기타 유/무기 물질 등에서 원치 않게 자가형광(autofluorescence)이 발생할 수 있으며, 이러한 자가형광은 형광의 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio)를 악화시키는 문제점이 존재한다.
또, 여기된 형광분자 사이의 상호작용으로 인해서 발생하는 광표백(photo-blenching) 효과로 인하여 형광 염료를 높은 농도로 사용하거나 강한 여기 광원을 사용하는 경우 형광 분자가 광화학적으로 불안정하여 광분해(photo-degradation)하게 되는 문제점도 존재한다.
또한, 형광분자에서 사방으로 발산하는 형광 신호를 광학 수집기(높은 수차를 갖는 대물렌즈 또는 비구면 렌즈)를 이용하여 채집하는데, 일반적인 경우 약 1%의 낮은 채집 효율을 가지므로, 혈액을 이용한 다채널 분석 등의 미량의 타겟 물질을 검출해야 하는 경우, 광전 증폭관(PMT, PhotoMultiplier Tube)등과 같이 검출 신호 증폭 기술을 갖춘 고가의 광전자 검출기를 사용하여야 하는 문제점이 존재한다.
한국공개특허 제10-2009-0064917호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 형광 신호를 증폭함으로써 높은 감도를 가지며 형광을 측정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치가 제공된다. 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부; 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부; 및 상기 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부;를 포함하도록 형성된다.
상기 광원은 중심값이 470nm인 상기 제1광을 발광하는 LED로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부는, 상기 제1광을 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제1광의 상기 노이즈인 제1노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 형광증폭부는, 형광 물질을 포함하도록 형성된 형광층; 상기 형광층의 하부에 형성되는 부도체층; 상기 부도체층의 하부에 형성되는 도금층; 및 상기 도금층의 하부에 형성되는 유전체층;을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 형광층은, SiO2 용액(Tesol)에 형광물질을 섞은 후 상기 부도체층 위에 스핀코팅을 수행하여 형성될 수 있다.
상기 형광층은, 100nm 이하의 직경을 가지는 복수의 은(Ag) 나노 입자를 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 형광층은, 두께가 170nm 내지 240nm로 형성될 수 있다.
상기 은 나노 입자는, 상기 제1광을 전달받아 산란광을 생성하여 국소 표면 플라즈몬 공명 효과를 생성할 수 있다.
상기 형광 물질은 Rho110으로 형성될 수 있다.
상기 부도체층은, 플루오린화 마그네슘(MgF2)이 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 도금층은, 은(Ag)이 50nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 유전체층은, 상기 제2광의 통과를 위해 투명한 유리로 형성될 수 있다.
상기 형광증폭부는, 표면 플라즈몬 공명 효과를 발생시키기 위해 상기 형광체층 및 상기 부도체층을 광 도파로로 이용할 수 있다.
상기 형광증폭부는, 상기 국소 표면 플라즈몬 공명 및 상기 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 상기 제1광을 상기 증폭된 형광인 상기 제2광으로 변환하여 생성할 수 있다.
상기 제2필터부는, 상기 제2광을 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제2광의 상기 노이즈인 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 렌즈부는, 비구면 볼록렌즈 또는 복합 렌즈로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는 형광 물질에서 발생하는 형광을 증폭시켜 측정 센서가 종래보다 많은 양의 형광을 측정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는, 필터를 이용하여 생성되는 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 중 형광증폭부의 다양한 구성을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 다양한 실험 결과를 나타낸 도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 구성을 나타낸 도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치(100)는, 광원(110), 제1필터부(120), 형광증폭부(130), 제2필터부(140), 렌즈부(150) 및 측정부(160)를 포함하도록 형성된다.
광원(110)은, 제1광을 생성하여 제1필터부(120)로 방출하도록 형성된다(A). 광원(110)은, 제1광을 생성할 수 있도록 LED로 형성될 수 있으며, 제1광은 바람직하게는 중심값이 470nm인 청색광 계열의 가시광선일 수 있다.
제1필터부(120)는, 제1광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제1필터부(120)는 제1광의 진행 방향인 광원(110)의 하부 방향에 구비되며, 제1광이 제1필터부(120)를 통과하면, 제1광에 포함된 제1노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
광원(110)이 470nm인 청색광 계열의 가시광선을 제1광으로 생성하더라도, 제1광은 470nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 형광증폭부(130)에서 형광을 생성할 때 영향을 줄 수 있기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제1광이 형광증폭부(130)로 이동하여야 한다.
따라서, 제1필터부(120)는 바람직하게는 제1광의 중심값인 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제1노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 460nm 내지 480nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제1광은 제1필터부(120)를 통과하면서 제1노이즈가 제거되어 460nm 내지 480nm인 청색 계열의 파장인 빛으로 형광증폭부(130)에 입사될 수 있다(B).
형광증폭부(130)는 제1필터부(120)의 하부이자 제1광의 진행방향에 구비된다. 형광증폭부(130) 제1광을 전달받아 제2광인 형광을 생성하고, 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 제2광을 증폭하도록 형성되며(C), 바람직하게는 형광증폭부(130)는 470nm 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해 형광증폭부(130)는 후술될 도 2a 내지 도 2d에 도시되고 있는 내부 구성을 이용할 수 있다.
제2필터부(140)는, 제2광의 진행방향인 형광증폭부(130)의 하부에 구비되며, 제2광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제2필터부(140)는 제2광이 제2필터부(140)를 통과하면, 제2광에 포함된 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
여기서 형광증폭부(130)가 제1광을 이용하여 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색광 계열의 가시광선을 제2광으로 생성하더라도, 제2광은 525nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 측정부(160)에서 형광량을 측정하는 과정에 영향을 미치기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제2광이 측정부(160)로 이동하여야 한다.
따라서, 제2필터부(140)는 바람직하게는 제2광의 중심값인 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제2노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 515nm 내지 535nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제2광은 제2필터부(140)를 통과하면서 제2노이즈가 제거되어 515nm 내지 535nm인 녹색 계열의 파장인 빛으로 렌즈부(150)에 입사될 수 있다(D).
렌즈부(150)는, 제2광을 전달받아 초점 방향으로 제2광을 수집하도록 형성된다. 렌즈부(150)는 이를 위해 제2광의 진행방향인 제2필터부(140)의 하부 방향에 구비되며, 일 측이 볼록한 비구면 볼록렌즈 또는 복합렌즈로 형성될 수 있다.
렌즈부(150)의 타 측으로 입사된 제2광은, 렌즈부를 통과하면서 렌즈부(150)의 초점 방향으로 진행 방향이 변경되어 서로 모이도록 진행된다(E).
마지막으로, 측정부(160)는, 제2광을 획득하여 형광량을 측정하도록 형성된다. 이를 위해 측정부(160)는 제2광의 진행방향인 렌즈부(150)의 하부에 구비될 수 있으며, 바람직하게는 렌즈부(150)의 초점 부근에 형성됨으로써, 렌즈부(150)를 통과한 제2광을 최대한 획득하도록 형성될 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 2d에는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광증폭부의 구성이 도시되고 있다. 도 2a는 형광증폭부의 기본 구성인 유전체층, 부도체층 및 형광층으로 형성되며, 도 2b 내지 도 2d는 도 2a를 변형하여 실험비교하기 위해 형성된 형광증폭부의 다른 예이다.
이하에서는 상술한 형광증폭부의 4가지 예 중 본 발명의 형광 증폭 장치의 효과를 극대화할 수 있는 최적의 형광측정부를 획득하기 위한 실험 결과에 대해 설명하도록 한다.
도 2a는 형광증폭부가 유전체층 및 형광층으로 형성되며, 도 2b는 형광증폭부가 유전체층, 형광층 및 형광층에 포함되는 은 나노 입자로 형성되고, 도 2c는 형광증폭부가 유전체층, 금속층, 부도체층 및 형광층로 형성되며, 도 2d는 형광증폭부가 유전체층, 금속층, 부도체층, 형광층 및 형광층에 포함되는 은 나노 입자로 형성된다.
먼저, 본 실험에서의 형광증폭부(130)를 구성하는 물질들의 유전율은 하기 표 1과 같이 나타난다.
물질 유전율
470nm 520nm
은(Ag, 금속층) -8.2568+0.23408i -11.168+0.28323i
플루오르화 마그네슘
(MgF2, 부도체층)		 2.0312 2.0266
실리콘(SiO2, 형광층) 2.1609 2.1533
유리
(soda lime glass-clear,
유전체층)		 2.3415 2.3311
또, 본 실험에서, 각각의 구성은 도 2a는 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않는 Non-SPCE 구조이며, 도 2b는 국소 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 구조이고, 도 2c는 표면 플라즈몬 공명만 발생하는 SPCE 구조이며, 도 2d는 국소 표면 플라즈몬 공명과 표면 플라즈몬 공명이 모두 발생하는 LSPR + SPCE 구조이다.
도 2a를 살펴보면, 도 2a는 형광증폭부(130)가 유전체층(211) 및 형광층(221)으로 형성된다. 이때, 형광층(221)은 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(211)에 형성될 수 있다.
형광층(221)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(221)을 형성하기 위해 생성된 유전체층(211)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이 과정에서 도 2a는, 특별한 증폭 구조가 존재하지 않기 때문에 형광층(221)을 구성하는 형광의 형광 효율에 따라 제2광의 세기가 결정될 수 있다.
다음으로, 도 2b를 살펴보면, 도 2b는 형광증폭부(130)가 유전체층(212), 형광층(222) 및 형광층(222)에 포함되는 은 나노 입자(232)로 형성된다. 도 2b는 도 2a의 구성 중 형광층(221)에 은 나노 입자(232)가 포함된 구조이다. 이때, 형광층(222) 및 은 나노 입자(232)는 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(212)에 형성되며, 스핀 코팅으로 인해 은 나노 입자(232)는 형광층(222) 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
형광층(222)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(222)을 형성하기 위해 생성된 유전체층(212)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이때, 형광층(222)에 포함된 은 나노 입자(232)는 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 증폭된 제2광을 생성할 수 있다.
은 나노 입자(232)는, 빛이 형광층(222)을 지나는 과정에서 빛을 받아 진동하게되고, 은 나노 입자(232)의 진동으로 약 30nm 반경의 강력한 전기장이 생성된다.
은 나노 입자(232)는 진동과정에서 470nm의 산란광을 방출하게 되며, 형광층(222)은, 제1광뿐 아니라 산란광을 더 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성할 수 있다.
생성된 제2광은, 형광층(222)의 하부를 통해 유전체층(212)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있으며, 이 과정에서 도 2b는, 도 2a과 비교하면, 은 나노 입자(232)의 진동 과정에서 생성된 산란광을 더 이용하기 때문에 도 2a에 비해 큰 광량을 가지는 제2광을 방출할 수 있다.
다음으로 도 2c를 살펴보면, 도 2c는 형광증폭부(130)가 유전체층(213), 금속층(243), 부도체층(253) 및 형광층(223)로 형성된다. 이때, 형광층(223)은, 부도체층(253)에 스핀 코팅을 이용하여 형성될 수 있다.
형광층(223)은, 상부측으로 제1광을 전달받으며, 형광층(223)의 하부에 형성된 부도체층(253) 및 부도체층(253)의 하부에 형성된 금속층(243)을 이용한 SPCE 구조를 이용하여 제1광을 증폭된 형광인 제2광을 생성하고, 생성된 제2광을 하부측으로 방출할 수 있다.
이러한 구조는 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 광 도파로(Waveguide) 역할을 부도체층(253) 및 형광층(223)이 수행하기 때문이다.
마지막으로 도 2d를 살펴보면, 도 2d는, 형광증폭부(130)가 유전체층(214), 금속층(244), 부도체층(254), 형광층(224) 및 형광층(224)에 포함되는 은 나노 입자(234)로 형성된다.
도 2d는 도 2c의 구성 중 형광층(223)에 은 나노 입자(234)가 포함된 구조이다. 이때, 형광층(224) 및 은 나노 입자(234)는 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(214)에 형성되며, 스핀 코팅으로 인해 은 나노 입자(234)는 형광층(224) 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
형광층(224)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(224)을 형성하기 위해 구비된 유전체층(214)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이때, 형광층(224)에 포함된 은 나노 입자(234)는 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 증폭된 제2광을 생성할 수 있다.
은 나노 입자(234)는, 빛이 형광층(224)을 지나는 과정에서 빛을 받아 진동하게 되고, 은 나노 입자(234)의 진동으로 약 30nm 반경의 강력한 전기장이 생성된다.
은 나노 입자(234)는 진동과정에서 470nm의 산란광을 방출하게 되며, 형광층(224)은, 제1광뿐 아니라 산란광을 더 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성할 수 있다.
한편, 형광층(224)은 하부에 형성된 부도체층(254) 및 부도체층(254)의 하부에 형성된 금속층(244)을 이용한 SPCE 구조를 이용하여 제1광을 증폭된 형광인 제2광을 생성하고, 생성된 제2광을 하부측으로 방출할 수 있다.
이러한 구조는 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 광 도파로(Waveguide) 역할을 부도체층(254) 및 형광층(224)이 수행하기 때문이다.
즉, 도 2d에 도시되고 있는 형광증폭부(130)는, 도 2a의 Non-SPCE, 도 2b의 LSPR, 도 2c의 SPCE와 비교하여 국소 플라즈몬 공명 및 표면 플라즈몬 공명을 모두 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성하기 때문에 도 2a 내지 도 2c의 형광증폭부(130)보다 높은 형광량을 제공할 수 있다.
한편, 표면 플라즈몬 공명(SPCE)의 효율을 최대한으로 이용하기 위해서는 광 도파로의 두께가 조건에 맞도록 설정되어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 도 2a 내지 도 2d의 구성의 효율을 확인하고, 두께에 따른 구성별 효율을 더 확인하는 실험을 수행하였다.
하기 표 2 내지 5는 각각 형광체에 포함된 SiO2의 함량이 20%, 30%, 40% 및 50%일 때 도 2a 내지 도 2d의 형광증폭부의 광효율 및 증폭팩터(Enhancement factor)를 획득한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 53.75313
SD[nW] 0.01635
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 245.49847
SD[nW] 0.06126
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 283.11511
SD[nW] 0.06126
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 304.30666
SD[nW] 0.33565
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 4.56715
SPCE/Normal 5.26695
(LSPR+SPCE)/Normal 5.66119
표 2는 형광체의 SiO2 함량이 20%이며, 두께가 140.7nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 61.7113
SD[nW] 0.01601
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 252.27913
SD[nW] 0.06021
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 217.47111
SD[nW] 0.06021
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 428.96168
SD[nW] 0.09577
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 408805
SPCE/Normal 3.52401
(LSPR+SPCE)/Normal 6.9511
표 3은 형광체의 SiO2 함량이 30%이며, 두께가 159.4nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 67.3363
SD[nW] 0.02221
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 263.3073
SD[nW] 0.04044
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 2099.26483
SD[nW] 0.04044
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 7676.9583
SD[nW] 0.06673
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 3.91033
SPCE/Normal 31.17583
(LSPR+SPCE)/Normal 114.00921
표 4는 형광체의 SiO2 함량이 40%이며, 두께가 198.6nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 66.14673
SD[nW] 0.02425
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 281.61357
SD[nW] 0.04059
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 1790.52391
SD[nW] 0.04059
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 5001.89344
SD[nW] 0.083
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 4.25741
SPCE/Normal 27.06897
(LSPR+SPCE)/Normal 75.61815
표 5는 형광체의 SiO2 함량이 50%이며, 두께가 259.3nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
표 2 내지 5의 실험 결과를 살펴보면 형광체의 농도는 80%, 70%, 60% 및 50%로 점차 감소하지만, 유효 광량의 크기는 형광체의 농도가 감소하더라도 감소하지 않는 결과가 나타났다. 따라서, 본 실험 결과에서 형광체의 농도는 유효 광량의 변화에 영향을 미칠 정도로 큰 변인이 아닌 것으로 판단되었다.
한편, 그와 동시에 표 2 내지 5의 실험 결과에서, 형광층의 두께는 140.7nm, 159.4nm, 198.6nm 및 259.3nm로 점차 증가하였다. 이러한 두께 증가에 따른 실험 결과 그래프가 도 3a에 도시되고 있다.
도 3a를 참고하면, 본 실험 결과는, Non-SCPE 구조인 도 2a의 구조의 경우, 두께에 의한 유효 광량의 차이를 거의 확인할 수 없지만, LSPR 구조인 도 2b의 구조의 경우, 두께가 증가할수록 유효 광량이 증가하는 것으로 확인되었다.
또, SPCE 구조인 도 2c 구조의 경우, 표 2 및 표 3의 실험과 비교하여 표 4 및 표 5의 실험에서 매우 큰 폭으로 유효 광량이 증가한 것을 확인할 수 있었으며, LSPR + SPCE 구조인 도 2d 구조의 경우 도 2c 구조보다 더욱 큰 폭으로 유효 광량이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 3a를 더 살펴보면, SPCE 구조 및 LSPR+SPCE 구조 모두 198.6nm 두께의 형광층의 경우가 259,3nm 두께의 형광층의 경우보다 높은 유효 광량을 기록한 것으로 확인되었다.
도 3b는 형광층의 두께에 따른 공명 비율을 나타낸 도이다. 여기서, 공명 비율은, 표면 플라즈몬 공명의 Q-factor(Quality-factor)에 비례하는 값으로 표면 플라즈마 공명이 발생할 수 있는 비율을 의미하며, 높은 값일수록 표면 플라즈마 공명이 잘 일어나는 것을 의미한다.
도 3b를 참고하면, 본 발명에서는, 470nm인 제1광의 표면 플라즈마 공명은 형광층의 두께가 160nm이상으로 갈수록 증가하다, 170nm 부근에서 피크를 기록하고 감소하여 200nm 이후로는 거의 일정하게 유지되도록 나타난다.
또, 525nm인 제2광의 표면 플라즈마 공명은, 형광층의 두께가 180nm를 초과하고부터 급격히 증가한 후 195nm부근에 피크가 존재하며 이후, 240nm를 초과하는 범위에서는 일정 값에 수렴하도록 감소하는 특성이 나타난다.
이러한 결과는, 표면 플라즈몬 공명이 효과적으로 발생하기 위해서는 광 도파로의 두께가 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 특정 배수 조건을 만족하여야 하기 때문이며, 도 3b의 실험 결과를 토대로 본 발명의 LSPR+SPCE 구조는, 160nm 내지 200nm 사이의 두께를 가지는 형광층을 가지는 것이 가장 높은 표면 플라즈몬 공명 효과를 기대할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명 중 가장 바람직한 실시예의 형광증폭부는, 도 3의 실험 결과를 이용하면 도 2d의 구조인 LSPR+SPCE 구조를 가짐과 동시에 형광층(224)의 두께가 170nm 내지 240nm로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치
110: 광원 120: 제1필터부
130, 200: 형광증폭부 140: 제2필터부
150: 렌즈부 160: 측정부
211,212,213,214: 유전체층 221, 222, 223, 224: 형광층
243,244: 도금층 253,254: 부도체층

Claims (16)

  1. 제1광을 발광하는 광원;
    상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부;
    상기 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부;
    상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부;
    상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부; 및
    상기 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부;를 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 중심값이 470nm인 상기 제1광을 발광하는 LED로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1필터부는,
    상기 제1광을 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제1광의 상기 노이즈인 제1노이즈를 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 형광증폭부는,
    형광 물질을 포함하도록 형성된 형광층;
    상기 형광층의 하부에 형성되는 부도체층;
    상기 부도체층의 하부에 형성되는 도금층; 및
    상기 도금층의 하부에 형성되는 유전체층;을 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 형광층은, SiO2 용액(Tesol)에 형광물질을 섞은 후 상기 부도체층 위에 스핀코팅을 수행하여 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 형광층은, 100nm 이하의 직경을 가지는 복수의 은(Ag) 나노 입자를 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 형광층은, 두께가 170nm 내지 240nm로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 은 나노 입자는, 상기 제1광을 전달받아 산란광을 생성하여 국소 표면 플라즈몬 공명 효과를 생성하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 형광 물질은 Rho110으로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 부도체층은, 플루오린화 마그네슘(MgF2)이 10nm의 두께로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 도금층은, 은(Ag)이 50nm의 두께로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 유전체층은, 상기 제2광의 통과를 위해 투명한 유리로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 형광증폭부는, 표면 플라즈몬 공명 효과를 발생시키기 위해 상기 형광체층 및 상기 부도체층을 광 도파로로 이용하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 형광증폭부는, 상기 국소 표면 플라즈몬 공명 및 상기 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 상기 제1광을 상기 증폭된 형광인 상기 제2광으로 변환하여 생성하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제2필터부는,
    상기 제2광을 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제2광의 상기 노이즈인 제2노이즈를 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 렌즈부는, 비구면 볼록렌즈 또는 복합 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
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