KR20230028616A - Upconversion plasmonic structure comprising quasi-periodic metal nanostructure - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an upconversion plasmonic structure including a quasi-periodic metal nanostructure, and more specifically, to an upconversion plasmonic structure including a quasi-periodic metal nanostructure, wherein optically and kinetically enhanced reversible switching control of photochemical isomers is possible. The upconversion plasmonic structure includes: a metal film layer; an insulating layer formed on the metal film layer; and a quasi-periodic metal nanostructure formed on the insulating layer.

Description

준주기성 금속나노구조를 포함하는 상향변환 플라즈모닉 구조체 {UPCONVERSION PLASMONIC STRUCTURE COMPRISING QUASI-PERIODIC METAL NANOSTRUCTURE}Upconversion plasmonic structure containing quasi-periodic metal nanostructure {UPCONVERSION PLASMONIC STRUCTURE COMPRISING QUASI-PERIODIC METAL NANOSTRUCTURE}

본 발명은 단일 파장 기반의 광화학 이성질체의 가역적인 스위칭 제어가 가능한 준주기성 금속나노구조를 포함하는 상향변환 플라즈모닉 구조체 및 이를 포함하는 광화학 스위칭 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an upconversion plasmonic structure including a quasi-periodic metal nanostructure capable of controlling reversible switching of photochemical isomers based on a single wavelength, and a photochemical switching device including the same.

광이성질 유기물은 특정파장에 따라 분자의 구조가 바뀌는 광이성질화 특성이 있는 물질을 의미하며, 도 1에서와 같이 조사되는 빛의 파장에 따라 분자의 화학구조가 변화하게 된다.The photoisomeric organic material refers to a material having a photoisomerization property in which the molecular structure changes according to a specific wavelength, and the chemical structure of the molecule changes according to the wavelength of light irradiated as shown in FIG. 1.

최근 20여년 동안, 광이성질 유기물은 다양한 전자, 분광 및 광학 시스템으로의 응용가능성으로 인해 주목을 받아왔다. 이 중에서도, 상대적으로 빠른 반응속도, 높은 광이성질 양자 수율, 그리고 높은 안정성 등으로 인해 디아릴 에텐 계열 분자들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(O. Nevskyi et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12698, D. Kim et al., Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800678, G. Naren et al., Nat. Commun. 2019, 10, 3996).In the last 20 years, photoisomeric organics have attracted attention due to their potential applications in various electronic, spectroscopic and optical systems. Among them, due to their relatively fast reaction rate, high optical isomer quantum yield, and high stability, studies on diaryl ethene-based molecules are being actively conducted (O. Nevskyi et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12698, D. Kim et al., Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800678, G. Naren et al., Nat. Commun. 2019, 10, 3996).

하지만, 광이성질 유기물을 실질적으로 응용하기 위해서는 광이성질 유기물의 가역적 광이성질화 제어가 필요하고, 이를 위해서는 국부적인 영역에서 단파장 영역의 자외선 빛과 가시광선 영역의 빛과 같은 파장이 상이한 두 개 이상의 빛의 광경로를 정확히 일치시켜야 한다. 그러나, 파장영역이 상당히 다른 자외선과 가시광선의 광경로를 일치시키는 것은 광학적으로 굉장히 어렵기 때문에 광이성질 유기물의 응용에서의 제약이 있다.However, in order to practically apply photoisomeric organic materials, reversible photoisomerization control of photoisomeric organic materials is required. More than one optical path of light must be precisely matched. However, since it is optically very difficult to match optical paths of ultraviolet and visible light, which have significantly different wavelength ranges, there are limitations in the application of photoisomeric organic materials.

상기 문제에 대한 한가지 대안으로 희토류 금속 기반의 상향변환 나노입자(Upconverting nanoparticles, UCNPs)의 포토 스위칭(Photo-switching) 특성을 이용해 광이성질 유기물의 광이성질화 반응을 제어하는 방법이 제안되었다(P. Dawson et al., J. Am. Chem. Soc. 2018, 1440, 5714, and A. Teitelboim et al., J. Phys. Chem. C 2019, 123, 2678). 이 방법은 상향변환 나노입자가 근적외선 영역과 같은 장파장 영역의 광자를 여러 번 흡수하여 하나의 자외선 또는 가시광선 영역과 같은 단파장 영역의 광자를 방출하는 상향변환 특성을 이용한다(J. Lai et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14419 and K. Zheng et al., Adv. Mater. 2018, 30, 1801726).As an alternative to the above problem, a method of controlling the photoisomerization reaction of photoisomeric organic materials using the photo-switching characteristics of rare earth metal-based upconverting nanoparticles (UCNPs) has been proposed ( P. Dawson et al., J. Am. Chem. Soc. 2018, 1440, 5714, and A. Teitelboim et al., J. Phys. Chem. C 2019, 123, 2678). This method utilizes an upconversion property in which upconverting nanoparticles absorb photons in a long-wavelength region such as the near-infrared region several times and emit photons in a short-wavelength region such as a single ultraviolet or visible region (J. Lai et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14419 and K. Zheng et al., Adv. Mater. 2018, 30, 1801726).

도 2는 상향변환 나노입자(upconverting nanoparticles, UCNPs)의 일 예를 로서 상향변환 나노입자의 광학적 특성을 개략적으로 나타낸 것이다. 상향변환 나노입자는 화학적 조성 설계를 통해, 입사된 근적외선(Near-Infrared, NIR)의 빛의 세기를 조절하여, 상향변환 나노입자에서 방출되는 광자의 파장을 자외선 영역 또는 가시광선 영역으로 선택적으로 발광하도록 제작할 수 있다.Figure 2 schematically shows the optical properties of upconverting nanoparticles (UCNPs) as an example of upconverting nanoparticles. Upconversion nanoparticles selectively emit wavelengths of photons emitted from upconversion nanoparticles in the ultraviolet or visible region by adjusting the intensity of incident near-infrared (NIR) light through chemical composition design. can be made to do so.

상기 상향변환 나노입자의 포토 스위칭 특성을 이용하면, 광이성질 유기물의 유효 흡광 영역을 명확히 통제할 수 있을 뿐만 아니라, 파장 선택에 대한 한계를 극복할 수 있다.By using the photo-switching characteristics of the up-conversion nanoparticles, it is possible to clearly control the effective light absorption area of the photoisomeric organic material and overcome the limitations of wavelength selection.

그러나, 이러한 유망한 전망에도 불구하고 상향변환 나노입자는 낮은 발광 양자 수율과 낮은 광흡수 효율 등으로 인하여 광화학 반응의 매개체로 사용하기에는 근본적인 한계가 있다(S. Fischer et al., Nano Lett. 2016, 16, 7241, N. J. J. Johnson et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3275, and M. D. Wisser et al., Nano Lett. 2018, 18, 2689).However, despite these promising prospects, upconversion nanoparticles have fundamental limitations in their use as a medium for photochemical reactions due to their low luminescence quantum yield and low light absorption efficiency (S. Fischer et al., Nano Lett. 2016, 16 , 7241, N. J. J. Johnson et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3275, and M. D. Wisser et al., Nano Lett. 2018, 18, 2689).

본 발명은 종래 상향변환 나노입자의 낮은 발광 양자 수율과 낮은 광흡수 효율 문제를 극복하고, 이를 광이성질화 유기화합물에 적용하여 광화학 스위칭 매개체로서의 응용을 목적으로 한다.The present invention aims to overcome the problems of low light emission quantum yield and low light absorption efficiency of conventional upconverted nanoparticles, and apply them to photoisomerized organic compounds to be applied as a photochemical switching medium.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 금속필름층, 상기 금속필름층 상에 형성된 절연층 및 상기 절연층 상에 형성된 준주기성(quasi-periodic) 금속나노구조를 포함하며, 상기 절연층은 상향변환 나노입자(upconverting nanoparticles)를 내부에 포함한다.In order to achieve the above object, an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention includes a metal film layer, an insulating layer formed on the metal film layer, and a quasi-periodic metal nanostructure formed on the insulating layer. The insulating layer includes upconverting nanoparticles therein.

상기 준주기성 금속나노구조는, 주기성 금속나노구조를 상기 절연층 상에 서로 다른 회전각도로 2회 전사하여 형성될 수 있다.The quasi-periodic metal nanostructure may be formed by transferring the periodic metal nanostructure onto the insulating layer twice at different rotation angles.

상기 주기성 금속나노구조는 육각배열(hexagonal array)의 금속나노구조일 수 있으며, 구체적으로 상기 육각배열(hexagonal array)의 금속나노구조를 5°내지 40° 회전각 차이로 2회 전사하여 형성될 수 있다.The periodic metal nanostructure may be a hexagonal array metal nanostructure, and specifically, may be formed by transferring the hexagonal array metal nanostructure twice with a rotation angle difference of 5° to 40°. there is.

상기 절연층의 두께는 1㎚ 내지 1㎛일 수 있다.The insulating layer may have a thickness of 1 nm to 1 μm.

상기 절연층 내부에 포함된 상향변환 나노입자는 일분자층(monolayer)로 형성될 수 있다.The upconversion nanoparticles included in the insulating layer may be formed as a monolayer.

상기 금속필름층 및 상기 준주기성 금속나노구조는 각각 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 이루어질 수 있다.Each of the metal film layer and the quasi-periodic metal nanostructure may be made of one selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는 상기 본 상향변환 플라즈모닉 구조체 및 광이성질 유기물 층을 포함한다.A photochemical switching device according to another aspect of the present invention includes the present up-conversion plasmonic structure and a photoisomeric organic material layer.

구체적으로 상기 광이성질 유기물 층은 상기 상향변환 플라즈모닉 구조체의 준주기성 금속나노구조 상에 형성될 수 있다.Specifically, the photoisomeric organic material layer may be formed on the quasi-periodic metal nanostructure of the upconversion plasmonic structure.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 비휘발성 광메모리 소자는 상기 광화학 스위칭 소자를 포함한다.A nonvolatile optical memory device according to another aspect of the present invention includes the photochemical switching device.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 형광 현미경은 상기 광화학 스위칭 소자를 포함한다.A fluorescence microscope according to another aspect of the present invention includes the photochemical switching element.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 트랜지스터는 상기 광화학 스위칭 소자를 포함한다.A transistor according to another aspect of the present invention includes the photochemical switching element.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법은 (S1) 금속필름층 상에 상향변환 나노입자를 포함하는 절연층을 적층하는 단계; (S2) 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임 상에 금속 박막을 1차 진공증착하는 단계; (S3) 상기 S2 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 절연층 상부에 1차 전사하여 주기성 금속나노구조를 형성하는 단계; (S4) 상기 전사프레임 상에 금속박막을 2차 진공증착하는 단계 및 (S5) 상기 S4 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 1차 전사와 일치하지 않도록 회전하여 상기 S3 단계에서 형성된 주기성 적층체 상부에 2차 전사하여 준주기성 금속나노구조를 형성하는 단계를 포함한다.An upconversion plasmonic structure manufacturing method according to another aspect of the present invention includes (S1) stacking an insulating layer including upconversion nanoparticles on a metal film layer; (S2) firstly vacuum-depositing a metal thin film on the transfer frame on which protrusions are periodically formed at a constant height on the base portion; (S3) forming a periodic metal nanostructure by firstly transferring the metal thin film deposited on the protruding portion of the transfer frame formed in step S2 to an upper portion of the insulating layer; (S4) vacuum depositing a second metal thin film on the transfer frame; and (S5) rotating the metal thin film deposited on the protruding portion of the transfer frame formed in step S4 so as not to coincide with the first transfer. and forming a quasi-periodic metal nanostructure by performing secondary transfer on top of the periodic laminate formed in the above.

상기 전사프레임은 베이스부 상에 일정한 높이의 돌출부가 육각배열(hexagonal array)의 형태로 주기적으로 형성될 수 있다.In the transfer frame, protrusions having a certain height may be periodically formed in a hexagonal array on the base portion.

상기 S5 단계의 2차 전사는 상기 S3 단계의 1차 전사와 5° 내지 40°의 회전각 차이가 있을 수 있다.The secondary transfer of the step S5 may have a rotation angle difference of 5° to 40° from the primary transfer of the step S3.

상기 전사프레임은 베이스부 상에 일정한 높이의 돌출부는 원기둥 형태일 수 있다.The transfer frame may have a cylindrical shape of a protrusion having a certain height on the base portion.

상기 S3 단계의 1차 전사는 소프트베이킹 공정으로 진행하고, 상기 S5 단계의 2차 전사는 하드베이킹 공정으로 진행할 수 있다.The first transfer of step S3 may be performed by a soft baking process, and the second transfer of step S5 may be performed by a hard baking process.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자 제조방법은 (S1) 금속 기재층 상에 상향변환 나노입자를 포함하는 절연층을 적층하는 단계; (S2) 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임 상에 금속 박막을 1차 진공증착하는 단계; (S3) 상기 S2 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 절연층 상부에 1차 전사하여 주기성 금속나노구조를 형성하는 단계; (S4) 상기 전사프레임 상에 금속박막을 2차 진공증착하는 단계; (S5) 상기 S4 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 1차 전사와 일치하지 않도록 회전하여 상기 S3 단계에서 형성된 주기성 적층체 상부에 2차 전사하여 준주기성 금속나노구조를 형성하는 단계 및 (S6) 상기 준주기성 금속나노구조 상부에 광이성질 유기물 층을 적층하는 단계를 포함한다.A photochemical switching device manufacturing method according to another aspect of the present invention includes (S1) stacking an insulating layer including upconversion nanoparticles on a metal substrate layer; (S2) firstly vacuum-depositing a metal thin film on the transfer frame on which protrusions are periodically formed at a constant height on the base portion; (S3) forming a periodic metal nanostructure by firstly transferring the metal thin film deposited on the protruding portion of the transfer frame formed in step S2 to an upper portion of the insulating layer; (S4) secondary vacuum deposition of a metal thin film on the transfer frame; (S5) The metal thin film deposited on the protrusion of the transfer frame formed in step S4 is rotated so as not to coincide with the first transfer, and the second transfer is performed on the upper part of the periodic stack formed in step S3 to form a quasi-periodic metal nanostructure. and (S6) stacking a photo-isomeric organic material layer on top of the quasi-periodic metal nanostructure.

본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 광대역 공진 구조를 통하여, 광이성질 반응에 실질적으로 필요한 자외선 및 가시광선 영역을 모두 포함하는 광대역 파장에서의 공명 모드 활성화가 가능하다.The upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention is capable of activating a resonance mode in a broadband wavelength including both ultraviolet and visible regions substantially necessary for a photoisomeric reaction through a broadband resonance structure.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는 상기 상향변환 플라즈모닉 구조체를 포함하여 광학적으로, 그리고 반응속도론적으로 향상된 가역적 광이성질화 반응이 가능하다.In addition, the photochemical switching device according to one aspect of the present invention includes the up-conversion plasmonic structure and is capable of optically and kinetically improved reversible photoisomerization.

따라서 본 발명의 광화학 스위칭 소자는 광화학 이성질체의 이성질화 반응 제어를 통해 비휘발성 광메모리 소자, 초고해상도 형광 현미경 등으로의 응용가능성을 제고한다.Therefore, the photochemical switching device of the present invention improves the applicability to non-volatile optical memory devices, super-resolution fluorescence microscopes, etc. through the control of the isomerization reaction of photochemical isomers.

도 1은 광이성질 유기물의 일 예로서, 파장에 따른 고리닫힘 반응과 고리열림 반응 시 유기물의 화학 구조 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 상향변환 나노입자의 일 예로서, 이의 광학적 특성을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 3의 상향변환 플라즈모닉 구조체가 기재상에 형성된 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법을 간략히 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법에 따라 회전각을 달리하였을 때 형성되는 금속나노구조를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 통해서 얻어진 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학 스위칭 소자의 구조를 간략히 나타낸 모식도와, 절연층 내의 상향변환 나노입자가 포함된 것을 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy)을 통해 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학 스위칭 소자를 통한 광이성질 유기물의 광화학적 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 준주기성 금속 나노구조가 도입된 실시예(MIM 10°) 및 비교예들에 대한 모식도이다.
도 11은 강한 세기(588 W/cm2)의 근적외선 입사 조건(a)과 약한 세기(31W/cm2)의 근적외선 입사 조건(b)에서의 비교예와 실시예의 발광 세기를 비교한 결과이다.
도 12는 비교예 및 실시예에 포함된 상향변환 나노입자의 여기 파장에서의 흡광도 비교한 결과이다.
도 13은 실시예의 여기 파장 및 최대 발광 파장에서의 전기장 분포에 대한 유한차시간구역 (finite-difference time domain, FDTD) 계산 결과이다.
도 14는 비교예 및 실시예의 주요 발광 파장들에서의 상대적인 전기장 증폭 세기를 비교한 결과이다.
도 15는 본 발명에서 구현한 가역적 광이성질화 반응에 대한 모식도 및 파장이 980nm인 근적외선의 세기에 따른 실시예의 발광정도를 Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 카메라를 이용하여 촬영한 사진이다.
도 16은 근적외선 조사를 통해 유도된 광이성질화 반응에 따른 흡광도 변화를 UV-Vis-NIR spectrometer로 측정한 결과 및 2-DTE의 실제 색 변화 사진이다.
도 17은 실시예의 고리닫힘 반응에 따른 발광 특성 변화에 대한 측정값을 나타낸 것이다.
도 18은 준주기성 금속 나노구조체의 도입 여부에 따른 발광 세기를 정량적으로, 그리고 거시적으로 도시한 결과이다.
도 19는 근적외선 조사 조건 변화에 따라 제어되는 가역적 광이성질 유기화합물의 흡광도 변화를 실제 시간 도메인에서 측정한 결과이다.
도 20은 근적외선 조사 조건 변화에 따른 최대 발광 파장에서의 발광 세기 변화를 측정한 결과이다.
도 21은 샘플의 광학 이미지를 측정하기 위한 장치를 나타내는 모식도이다,
도 22는 근적외선 조사 세기 및 시간에 따른 가역적 광이성질 특성을 CMOS 카메라를 통해 촬영된 광학 이미지로 나타낸 결과이다.
도 23은 가역적 광이성질 반응을 반복하여 각각 흡광(a)과 발광(b) 특성의 안정성을 평가한 내용이다.
FIG. 1 is an example of a photoisomeric organic material, and shows chemical structure changes of the organic material during a ring-closing reaction and a ring-opening reaction according to wavelength.
2 is an example of an upconversion nanoparticle, which is a conceptual diagram showing its optical properties.
3 is a schematic diagram schematically showing an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention.
4 is a schematic diagram schematically showing that the upconversion plasmonic structure of FIG. 3 is formed on a substrate.
5 briefly illustrates a method for manufacturing an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention.
Figure 6 is an image obtained through a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope) of the metal nanostructure formed when the rotation angle is changed according to the upconversion plasmonic structure manufacturing method of the present invention.
7 is a schematic diagram briefly showing the structure of a photochemical switching device according to an embodiment of the present invention, and a photograph taken through transmission electron microscopy of upconversion nanoparticles included in an insulating layer.
8 is a schematic diagram schematically showing a photochemical switching device according to an aspect of the present invention.
9 illustrates changes in photochemical properties of a photoisomeric organic material through a photochemical switching device according to an embodiment of the present invention.
10 is a schematic view of an example (MIM 10°) in which a quasi-periodic metal nanostructure is introduced and comparative examples according to an embodiment of the present invention.
11 is a comparison result of emission intensities of Comparative Example and Example under a near-infrared incident condition (a) of strong intensity (588 W/cm 2 ) and a near-infrared incident condition (b) of weak intensity (31 W/cm 2 ).
12 is a result of comparing the absorbance at the excitation wavelength of the upconverted nanoparticles included in Comparative Examples and Examples.
13 is a finite-difference time domain (FDTD) calculation result for electric field distribution at the excitation wavelength and the maximum emission wavelength of the embodiment.
14 is a result of comparing relative electric field amplification intensities at main emission wavelengths of Comparative Examples and Examples.
15 is a schematic diagram of the reversible photoisomerization reaction implemented in the present invention and a photo taken using a Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera for the degree of emission according to the intensity of near-infrared rays having a wavelength of 980 nm.
16 is a photograph of the actual color change of 2-DTE and the result of measuring the absorbance change according to the photoisomerization reaction induced by near-infrared irradiation with a UV-Vis-NIR spectrometer.
17 shows measured values for changes in luminescence characteristics according to the ring closure reaction of Example.
18 is a quantitative and macroscopic view of the emission intensity according to whether quasi-periodic metal nanostructures are introduced or not.
19 is a result of measuring a change in absorbance of a reversible optically isomeric organic compound controlled according to a change in near-infrared irradiation conditions in an actual time domain.
20 is a result of measuring a change in emission intensity at a maximum emission wavelength according to a change in near-infrared irradiation conditions.
21 is a schematic diagram showing a device for measuring an optical image of a sample,
22 is a result showing the reversible optical isomerism characteristics according to the intensity and time of near-infrared ray irradiation as an optical image taken through a CMOS camera.
23 shows the evaluation of the stability of light absorption (a) and light emission (b) characteristics, respectively, by repeating the reversible photoisomerization reaction.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the usual or dictionary meaning, and the inventor appropriately uses the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical ideas of the present invention, so at the time of this application, they can be replaced. It should be understood that there may be many equivalents and variations.

금속 나노 구조체에서 유도되는 전자기장 국소화 및 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)은 상향변환 나노입자의 광학적 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구성은 갭 플라즈몬 공진 모드(gap plasmon resonance mode) 형성으로 인해 절연체 내에 강한 전기장 집속(electric-field confinement)을 유도하며, 이를 상향변환 나노입자의 여기/발광(excitation/emission) 영역에 부합하도록 설계함으로써 상향변환 발광 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.Electromagnetic field localization and surface plasmon resonance induced in metal nanostructures can enhance the optical properties of upconversion nanoparticles. In particular, the Metal-Insulator-Metal (MIM) configuration induces strong electric-field confinement in the insulator due to the formation of a gap plasmon resonance mode, which leads to upconversion nano By designing to match the excitation/emission region of the particle, the upconversion emission characteristics can be dramatically improved.

가역적 광이성질화를 구현하기 위해서는 광이성질 반응에 실질적으로 필요한 자외선 및 가시광선 영역을 모두 포함하는 광대역 파장에서의 공명 모드 활성화가 필요하며, 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 주기적인 나노 구조체를 미세하게 조정하여 제작한 준주기성(quasi-periodic) 금속 나노 구조체를 이용하여 광대역 상향변환 발광 증폭을 유도하는 구조이다.In order to implement reversible photoisomerization, resonance mode activation is required in a broadband wavelength that includes both ultraviolet and visible light regions substantially necessary for photoisomerization, and the upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention It is a structure that induces broadband upconversion luminescence amplification by using quasi-periodic metal nanostructures manufactured by finely adjusting periodic nanostructures.

도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체를 개략적으로 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram schematically showing an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 금속필름층(20), 금속 필름층(20) 상에 형성된 절연층(30) 및 절연층(30) 상에 형성된 준주기성(quasi-periodic) 금속나노구조(40)를 포함하며, 절연층(30)은 상향변환 나노입자(upconverting nanoparticles, 31)를 내부에 포함하는 것을 특징으로 한다. Referring to FIG. 3 , the upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention includes a metal film layer 20, an insulating layer 30 formed on the metal film layer 20, and a semi-formed insulating layer 30. A quasi-periodic metal nanostructure 40 is included, and the insulating layer 30 includes upconverting nanoparticles 31 therein.

또한 준주기성 금속나노구조(40)을 이루는 나노금속체(41)는 플라즈몬 공명이 가능하도록 최대길이가 적외선 파장보다 작은 2,000㎚ 이하인 것이 바람직하며, 예를 들어 나노금속체(41) 지름이 200㎚이고, 높이는 10 내지 1,000㎚ 일 수 있다.In addition, the nanometal body 41 constituting the quasi-periodic metal nanostructure 40 preferably has a maximum length of 2,000 nm or less, which is smaller than the infrared wavelength, so that plasmon resonance is possible. For example, the diameter of the nano metal body 41 is 200 nm. And, the height may be 10 to 1,000 nm.

이때 상향변환 나노입자(upconverting nanoparticles, UCNPs)는 근적외선에 의해 여기되고, 가시광선 및 자외선을 방출하는 특성을 가진 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 (NaYF4:Yb3+,Er3+), (NaYF4:Yb3+,Tm3+), (NaGdF4:Yb3+,Er3+), (NaYF4:Yb3+,Er3+/NaGdF4) 및 (NaGdF4:Yb3+,Er3+/NaGdF4) 등이 사용될 수 있고, 도 2는 상향변환 나노입자(UCNPs)의 일 예로 코어(core)로 NaYF4:Yb3+,Er3 를, 쉘(shell)로 NaYF4:Yb3+,Tm3+로 사용한 나노입자를 나타낸 것이다.At this time, upconverting nanoparticles (UCNPs) are excited by near-infrared rays and may be used that have the property of emitting visible and ultraviolet rays, for example (NaYF 4 :Yb 3+ ,Er 3+ ), ( NaYF 4 :Yb 3+ ,Tm 3+ ), (NaGdF 4 :Yb 3+ ,Er 3+ ), (NaYF 4 :Yb 3+ ,Er 3+ /NaGdF 4 ) and (NaGdF 4 :Yb 3+ ,Er 3+ /NaGdF 4 ) may be used, and FIG. 2 shows NaYF 4 :Yb 3+ ,Er 3 as an example of upconversion nanoparticles (UCNPs) as a core and NaYF 4 :Yb as a shell. It shows the nanoparticles used as 3+ and Tm 3+ .

본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조로 갭 플라즈몬 공진 모드(gap plasmon resonance mode)를 유도하며, 이때 MIM 구조에서 준주기성 금속 나노구조를 도입하고, 절연체 내의 상향변환 나노입자를 함께 도입하여, MIM 구성의 공진 효과를 상향변환 나노입자의 여기/발광영역에 최적화한 구성이다. The upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention induces a gap plasmon resonance mode in a Metal-Insulator-Metal (MIM) structure, and at this time, a quasi-periodic metal in the MIM structure It is a configuration in which the resonance effect of the MIM configuration is optimized for the excitation/emission region of the upconversion nanoparticles by introducing a nanostructure and upconverting nanoparticles in an insulator together.

도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체가 기재(10) 상에 형성된 것을 개략적으로 나타낸 모식도로서, 기재(10)는 예를 들어 이산화규소(SiO2)를 사용할 수 있으나, 종류에 특별히 제한되지 않는다.4 is a schematic diagram schematically showing that an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention is formed on a substrate 10, and the substrate 10 may use, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), but the type is not particularly limited to

주기성 금속나노구조를 도입하는 경우, 갭 플라즈몬 공명 모드의 공명 영역이 근적외선 영역, 또는 가시광선 영역으로 제한되는 문제가 있으나, 본 발명의 준주기성 금속나노구조(40)는 플라즈몬 공명 모드의 공명 영역이 유기화합물의 광화학 반응 매개체로 이용될 수 있는 자외선 영역까지 확장될 수 있다.In the case of introducing a periodic metal nanostructure, there is a problem that the resonance region of the gap plasmon resonance mode is limited to the near-infrared region or the visible ray region, but the quasi-periodic metal nanostructure 40 of the present invention has a resonance region of the plasmon resonance mode It can be extended to the ultraviolet region that can be used as a photochemical reaction medium for organic compounds.

준주기성 금속나노구조(40)는 절연층 상에 주기성 금속나노구조를 서로 일치하지 않도록 2회 전사하는 방법을 통하여 형성할 수 있으며, 예를 들어, 주기성 금속나노구조를 절연층 상에 서로 다른 회전각도로 2회 전사하여 준주기성 금속나노구조(40)를 형성할 수 있으며, 전사 방법은 예를 들어 금속 접촉식 전사법을 사용할 수 있다.The quasi-periodic metal nanostructure 40 may be formed by transferring the periodic metal nanostructure on the insulating layer twice so as not to coincide with each other. The quasi-periodic metal nanostructure 40 may be formed by transferring at an angle twice, and as a transfer method, for example, a metal contact transfer method may be used.

도 5는 준주기성 금속나노구조를 형성하는 일 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 상향변환 나노입자가 포함된 절연층(30) 상에 주기성 금속나노구조를 1차 전사(c)한 후, 1차 전사된 주기성 금속나노구조체 상에 1차 전사체와 일치하지 않는 회전각도로(d) 주기성 금속나노구조를 2차 전사(e)하여, 준주기성 금속나노구조(f)를 형성할 수 있다.5 schematically illustrates an embodiment of forming a quasi-periodic metal nanostructure. Referring to FIG. 5, after primary transfer (c) of the periodic metal nanostructure on the insulating layer 30 including the upconversion nanoparticles, the primary transferred periodic metal nanostructure coincides with the primary transfer material. A quasi-periodic metal nanostructure (f) may be formed by secondary transfer (e) of the periodic metal nanostructure at a rotation angle (d) that does not occur.

준주기성 금속나노구조(40)를 형성하는 주기성 금속나노구조는 1차 전사시 사용하는 구조와 2차 전사시 사용하는 구조가 동일한 것이 생산성 측면에서 바람직할 수 있으나, 상이한 구조를 사용할 수 있으며, 1차 전사체와 2차 전사체가 서로 일치하지만 않으면 된다.The periodic metal nanostructure forming the quasi-periodic metal nanostructure 40 may preferably have the same structure used for primary transfer and secondary transfer in terms of productivity, but different structures may be used. It is only necessary that the primary transcript and the secondary transcript do not coincide with each other.

준주기성 금속나노구조(40)를 형성하는 일 실시예로서 주기성 금속나노구조는 육각배열(hexagonal array)일 수 있다. 육각배열(hexagonal array)의 경우 회전각의 조절을 통하여 다양한 준주기성 금속나노구조를 용이하게 형성할 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다. As an example of forming the quasi-periodic metal nanostructure 40, the periodic metal nanostructure may be in a hexagonal array. In the case of a hexagonal array, it may be preferable in terms of easily forming various quasi-periodic metal nanostructures by adjusting the rotation angle.

도 6은 육각배열(hexagonal array)의 주기성 금속나노구조를 절연체 상에 금속 접촉식 전사법으로 1회 전사된 전사체 상에 2차 전사를 1차 전사체와 각각 10°(a), 20°(b), 30°(c)의 회전각 차이로 하여, 1차 전사와 동일한 육각배열(hexagonal array)의 주기성 금속나노구조를 전사하였고, 2차 전사된 2차 전사체를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 통하여 촬영한 사진이다.6 shows a periodic metal nanostructure in a hexagonal array on an insulator by a metal contact transfer method, and secondary transfer is performed on a transfer body once transferred to the primary transfer body at 10° (a) and 20°, respectively. (b), with a difference in rotation angle of 30° (c), the periodic metal nanostructure of the same hexagonal array as the primary transfer was transferred, and the secondary transferred material was scanned using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope). This is a picture taken through Electron Microscopy (SEM).

준주기성 금속나노구조(40)가 도입된 경우 1차 전사만으로 형성된 주기성 금속나노구조가 도입된 경우보다 발광 수율이 모두 개선된 결과를 보이나, 특히 주기성 금속나노구조가 육각배열(hexagonal array)인 경우, 1차 전사를 통해 형성된 1차 전사체와 2차 전사를 통해 형성된 2차 전사체의 회전각이 5° 내지 40°일 수 있으며, 특히 회전각이 5° 내지 15°인 경우 절연층(30) 내의 상향변환 나노입자(31)의 여기 파장 흡광도 및 근적외선 입사 조건의 발광세기가 특히 우수하다.When the quasi-periodic metal nanostructure 40 is introduced, the emission yield is all improved compared to the case where the periodic metal nanostructure formed only by primary transfer is introduced. In particular, when the periodic metal nanostructure is in a hexagonal array , The rotation angle of the primary transfer member formed through the primary transfer and the secondary transfer member formed through the secondary transfer may be 5 ° to 40 °, particularly when the rotation angle is 5 ° to 15 °, the insulating layer (30 ), the excitation wavelength absorbance of the upconverted nanoparticles 31 and the luminescence intensity under near-infrared incident conditions are particularly excellent.

본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체에서, 금속 필름층(20)과 준주기성 금속나노구조(40) 사이에 위치한 절연층(30)은 상향변환나노입자(31)가 금속(20 또는 41)과 접촉시 형광이 소멸되는 문제점을 막기 위해 필요하나, MIM 구성을 통한 갭 플라즈몬 공진 모드가 우수하게 발현되기 위해서는 얇을수록 바람직하다, 이로부터, 절연층(30)의 두께는 1㎚ 내지 1㎛로 형성할 수 있다. 절연층의 두께가 1㎚ 미만인 경우 지나치게 얇은 두께로 인하여 상향변환 나노입자가 절연체 외부로 노출되며 절연 효과가 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며, 1㎛보다 절연층의 두께가 두꺼운 경우 MIM 구조의 금속 간의 간격이 넓어지며 갭 플라즈몬 공진 효과가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.In the upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention, the insulating layer 30 located between the metal film layer 20 and the quasi-periodic metal nanostructure 40 is such that the upconversion nanoparticles 31 form the metal 20 or 41), it is necessary to prevent the problem of extinction of fluorescence upon contact, but the thinner the better, the better the gap plasmon resonance mode through the MIM configuration is expressed. From this, the thickness of the insulating layer 30 is 1 nm to 1 can be formed in μm. When the thickness of the insulating layer is less than 1 nm, the upconversion nanoparticles are exposed to the outside of the insulator due to the excessively thin thickness, and the insulation effect may deteriorate. This widens, and a problem in which the gap plasmon resonance effect is reduced may occur.

절연층(30)은 내부에 상향변환 나노입자(31)를 포함하며, 금속 필름층(20), 절연층(30), 상향변환 나노입자(31) 및 준주기성 금속나노구조(40) 간의 상호 작용을 통하여 표면/갭 플라즈몬 공명을 발생시키며, 발생된 표면/갭 플라즈몬 공명은 근적외선 영역부터 자외선 영역까지의 광대역 공진 모드를 형성하게 된다. 이때 표면/갭 플라즈몬 공명이 보다 효과적으로 발생하도록 하기 위해서는, 절연층(30) 내부에 포함된 상향변환 나노입자(31)가 일분자층(monolayer)로 형성되는 것이 바람직하다.The insulating layer 30 includes upconverted nanoparticles 31 therein, and the interaction between the metal film layer 20, the insulating layer 30, the upconverted nanoparticles 31 and the quasi-periodic metal nanostructures 40 Through this action, surface/gap plasmon resonance is generated, and the generated surface/gap plasmon resonance forms a broadband resonance mode from the near infrared region to the ultraviolet region. At this time, in order to generate surface/gap plasmon resonance more effectively, it is preferable that the upconversion nanoparticles 31 included in the insulating layer 30 are formed as a monolayer.

도 7은 본 발명의 일 실시예로서 광이성질 유기물 층(DTE film)이 준주기성 금속(은) 나노 구조(Quasi-periodic Ag nanostructures) 상에 형성된, 광화학 스위칭 소자의 구조를 간략히 나타낸 것이며, 이와 함께 절연체 내부에 상향변환 나노 입자가 일분자층(monolayer)로 형성된 것을 투과 전자 현미경(TEM)으로 촬영한 사진을 함께 나타낸 것이다.7 schematically shows the structure of a photochemical switching device in which a DTE film is formed on quasi-periodic metal (silver) nanostructures as an embodiment of the present invention. Together, it shows a picture taken with a transmission electron microscope (TEM) of the upconversion nanoparticles formed as a monolayer inside the insulator.

상기 금속필름층(20)와 준주기성 금속나노구조(40)는 MIM 구조를 형성하기 위하여 갭 플라즈몬 공명모드 형성이 가능한 금속이면 특별히 제한되지 않으며, 금속필름층(20)과 준주기성 금속나노구조(40)의 금속 종류가 같을 수도 있으나, 상이할 수도 있다. 예를 들어, 금속필름층(20) 및 준주기성 금속나노구조(40)는 각각 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 이들의 합금일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예로서 도 5 내지 도 6과 같이 금속필름층(20)과 준주기성 금속나노구조(40) 모두 은(Ag)을 사용할 수 있다.The metal film layer 20 and the quasi-periodic metal nanostructure 40 are not particularly limited as long as they are metal capable of forming a gap plasmon resonance mode to form the MIM structure, and the metal film layer 20 and the quasi-periodic metal nanostructure ( 40) may have the same type of metal, but may be different. For example, the metal film layer 20 and the quasi-periodic metal nanostructure 40 may each be gold, silver, aluminum, copper, platinum, or an alloy thereof, and as an embodiment of the present invention, FIGS. 5 to 6 As described above, both the metal film layer 20 and the quasi-periodic metal nanostructure 40 may use silver (Ag).

본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체는 광이성질 유기물의 광이성질화 반응을 제어할 수 있는 자외선 빛을 발광할 수 있으므로, 이를 활용하여 본 발명의 다른 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는 상기 상향변환 플라즈모닉 구조체 및 광이성질 유기물 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.Since the upconversion plasmonic structure according to one aspect of the present invention can emit ultraviolet light capable of controlling the photoisomerization reaction of photoisomeric organic matter, a photochemical switching device according to another aspect of the present invention using this It is characterized in that it comprises the up-conversion plasmonic structure and a photo-isomeric organic material layer.

광이성질 유기물은 조사되는 빛의 파장에 의해 화학구조가 변화되는 물질을 의미하며, 예를 들어 도 1과 같은 물질을 사용할 수 있으며, 도 1의 광이성질 물질은 자외선에 대하여 고리열림반응을 하고, 가시광선에 대하여 고리닫힘반응을 한다. 따라서 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는 절연층(30) 내부에 포함된 상향변환 나노입자(31)가 근적외선을 흡수하며, 흡수하는 근적외선의 빛의 세기에 따라 상향변환 나노입자(31)가 방출하는 빛의 파장이 가시광선 또는 자외선으로 달라지고, 금속필름층(20), 절연층(30) 및 준주기성 금속나노구조(40)로 이루어진 MIM 구조를 통하여, 상향변환 나노입자(31)로부터 방출된 빛이 플라즈몬 공명에 의해 증폭되고, 광이성질 유기물층의 화학구조를 가역적으로 변환시킬 수 있다.The photoisomeric organic material means a material whose chemical structure is changed by the wavelength of irradiated light. For example, the material shown in FIG. 1 can be used, and the photoisomeric material in FIG. and reacts with visible light to close the ring. Therefore, in the photochemical switching device according to one aspect of the present invention, the upconversion nanoparticles 31 included in the insulating layer 30 absorb near-infrared rays, and the upconversion nanoparticles 31 according to the intensity of the absorbed near-infrared rays The wavelength of the emitted light is changed to visible light or ultraviolet light, and through the MIM structure composed of the metal film layer 20, the insulating layer 30, and the quasi-periodic metal nanostructure 40, Light emitted from is amplified by plasmon resonance and can reversibly change the chemical structure of the photoisomeric organic material layer.

광이성질 유기물은 예를 들어 풀지드(fulgide)계 화합물, 디아릴에텐(diarylethene)계 화합물, 아조벤젠(azobenzene)계 화합물 및 스피로피란(spiropyran)계 화합물 중 1종 이상을 사용할 수 있으며, 예를 들어 디아릴에텐계로서 2,3-Bis(2-methyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene, 또는 2,3-Bis(2-ethyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene를 사용할 수 있으나, 상기 예시 및 실시예에 한정되지 않으며, 광이성질 유기물이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 광이성질 유기물 층의 두께는 플라즈모닉 공명효과를 고려하여 10 nm 내지 1,000 nm인 것이 바람직하다.The photoisomeric organic material may use, for example, at least one of a fulgide-based compound, a diarylethene-based compound, an azobenzene-based compound, and a spiropyran-based compound. For example, 2,3-Bis(2-methyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene as a diarylethene, or 2,3-Bis(2-ethyl-6- Phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene may be used, but is not limited to the above examples and examples, and any photoisomeric organic material may be used without particular limitation. The thickness of the photoisomeric organic material layer is preferably 10 nm to 1,000 nm in consideration of the plasmonic resonance effect.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자의 구조의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 광화학 스위칭 소자는 금속필름층(20) 상에 형성된 상향변환 나노입자(31)를 내부에 포함하는 절연층(30), 절연층(30) 상에 형성된 준주기성 금속나노구조(40) 및 준주기성 금속나노구조(40) 상에 형성된 광이성질 유기물 층(50)을 포함한다. 본 발명의 광화학 소자의 일 실시예로서, 금속필름층(20) 하부에 기재가 위치할 수 있으며, 기재는 금속필름층을 용이하게 형성하기 위해 사용될 수 있고 예를 들어 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있다.7 to 8 show an embodiment of a structure of a photochemical switching device according to an aspect of the present invention. Referring to FIG. 8 , the photochemical switching device includes an insulating layer 30 including upconversion nanoparticles 31 formed on the metal film layer 20 therein, and a quasi-periodic metal nanostructure formed on the insulating layer 30. (40) and a photoisomeric organic material layer (50) formed on the quasi-periodic metal nanostructure (40). As an embodiment of the photochemical device of the present invention, a substrate may be positioned below the metal film layer 20, and the substrate may be used to easily form the metal film layer, for example, silicon dioxide (SiO 2 ) can be formed

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학 스위칭 소자를 통한 광이성질 유기물의 광화학적 특성 변화를 나타낸 것으로 강한 세기의 근적외선이 조사된 경우의 파장에 따른 흡광도 그래프(a)와 약한 세기의 근적외선이 조사된 경우의 파장에 따른 흡광도(Absorbance) 그래프(b)가 차이가 있음을 나타낸다. 파장에 따른 흡광도 양상은 광이성질 유기물 구조에 따라 변화하므로도 9를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는 근적외선의 빛의 세기만을 변화시켜 광이성질 유기물(DTE)의 구조를 변화시킬 수 있음을 나타낸다. 이러한 특성을 이용하여, 본 발명의 일 측면에 따른 광화학 스위칭 소자는, 비휘발성 광메모리 소자, 형광 현미경 또는 트랜지스터 등에 포함되어 사용될 수 있다. 형광 현미경은 구체적으로 초고해상도 형광 현미경일 수 있으며, 트랜지스터는 광기반 트랜지스터일 수 있다.9 is a graph showing the change in photochemical properties of a photoisomeric organic material through a photochemical switching device according to an embodiment of the present invention, and a graph of absorbance according to wavelength when near-infrared rays of strong intensity are irradiated (a) and near-infrared rays of weak intensity It shows that there is a difference in the absorbance graph (b) according to the wavelength when irradiated. Since the absorbance pattern according to the wavelength changes according to the structure of the photoisomeric organic material, referring to FIG. indicates that it can be changed. Using these characteristics, the photochemical switching device according to one aspect of the present invention may be included and used in a non-volatile optical memory device, a fluorescence microscope, or a transistor. The fluorescence microscope may specifically be a super-resolution fluorescence microscope, and the transistor may be a light-based transistor.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체의 제조방법은 하기 5단계를 필수적으로 포함하는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 (S1) 금속필름층 상에 상향변환 나노입자를 포함하는 절연층을 적층하는 단계, (S2) 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임 상에 금속 박막을 1차 진공증착하는 단계, (S3) 상기 S2 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 절연층 상부에 1차 전사하여 주기성 금속나노구조를 형성하는 단계, (S4) 상기 전사프레임 상에 금속박막을 2차 진공증착하는 단계 및 (S5) 상기 S4 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 1차 전사와 일치하지 않도록 회전하여 상기 S3 단계에서 형성된 주기성 적층체 상부에 2차 전사하여 준주기성 금속나노구조를 형성하는 단계를 포함한다.The method for manufacturing an upconversion plasmonic structure according to another aspect of the present invention is characterized in that it essentially includes the following 5 steps, specifically (S1) an insulating layer containing upconversion nanoparticles on a metal film layer Laminating step, (S2) primary vacuum deposition of a metal thin film on the transfer frame on which protrusions are periodically formed at a constant height on the base portion, (S3) the metal deposited on the protrusions of the transfer frame formed in step S2. Forming a periodic metal nanostructure by first transferring a thin film onto the insulating layer, (S4) vacuum depositing a second metal thin film on the transfer frame, and (S5) protruding parts of the transfer frame formed in the step S4. and forming a quasi-periodic metal nanostructure by rotating the metal thin film deposited thereon so as not to coincide with the first transfer and performing secondary transfer on top of the periodic stack formed in the step S3.

본 발명의 제조방법은 고정된 주기성 금속나노구조의 회전각도를 미세하게 조절하며 연속적인 금속 접촉식 전사(sequential metal-contact transfer)를 통해 발광체가 포함된 절연층 상에 다양한 준주기성 금속 나노구조를 효율적이면서도 효과적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.The manufacturing method of the present invention finely adjusts the rotation angle of a fixed periodic metal nanostructure and forms various quasi-periodic metal nanostructures on an insulating layer containing a light emitting body through sequential metal-contact transfer. It has the advantage of being able to manufacture efficiently and effectively.

도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법을 간략히 나타낸 것으로, 도 5를 참조하여 각 단계를 구체적으로 설명한다.FIG. 5 briefly illustrates a method for manufacturing an upconversion plasmonic structure according to an aspect of the present invention, and each step will be described in detail with reference to FIG. 5 .

(S1) 단계Step (S1)

도 5의 a를 참조하면, 금속필름층(20) 상에 상향변환 나노입자(30)가 내부에 포함된 절연층을 적층하여 적층구조를 먼저 형성한다. 이때 금속필름층(20) 형성을 용이하게 하기 위하여 금속필름층(20) 하부에 기재(10)가 위치할 수 있으며, 기재의 종류는 절연체인 것이 바람직하고, 예를 들어 이산화규소(SiO2)를 사용할 수 있다.Referring to a of FIG. 5 , a stacked structure is first formed by stacking an insulating layer including upconversion nanoparticles 30 therein on the metal film layer 20 . At this time, in order to facilitate the formation of the metal film layer 20, the substrate 10 may be located under the metal film layer 20, and the type of substrate is preferably an insulator, for example, silicon dioxide (SiO 2 ) can be used.

(S2) 단계Step (S2)

도 5의 b를 참조하면, 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임(42) 상에 금속 박막을 1차 진공증착한다. 증착되는 금속박막은 플라즈몬 공명이 가능한 금속이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 은(Ag)을 사용할 수 있다.Referring to b of FIG. 5 , a metal thin film is first vacuum deposited on the transfer frame 42 having periodically formed protrusions at a constant height on the base portion. The metal thin film to be deposited is not particularly limited as long as it is a metal capable of plasmon resonance, and silver (Ag) can be used, for example.

전사프레임(42) 상의 돌출부는 주기적으로 형성되며, 예를 들어 육각배열(hexagonal array)로 주기적으로 형성될 수 있다. The protrusions on the transfer frame 42 are formed periodically, for example, may be formed periodically in a hexagonal array.

전사프레임(42)의 돌출부는 전사프레임 상에 금속박막이 증착되었을 때 고점에서 증착된 금속 박막과 저점에서 증착된 금속박막의 불연속성이 나타나도록 하는 역할을 한다. 또한 전사프레임(42)을 통한 금속 전사가 용이하도록 돌출부는 일정한 높이로 고점은 평평한 것이 바람직하다. 돌출부는 예를 들어 원기둥 형태일 수 있으나, 모양에 특별히 한정되지 않으나, 전사된 금속나노구조가 플라즈몬 공명이 가능하도록 작게 형성되어야 하며, 구체적으로 적외선 파장보다 작은 2,000 nm 이하인 것이 바람직하다.When the metal thin film is deposited on the transfer frame, the protruding portion of the transfer frame 42 serves to show discontinuity between the metal thin film deposited at a high point and the metal thin film deposited at a low point. In addition, it is preferable that the protruding part has a constant height and the high point is flat so that metal transfer through the transfer frame 42 is easy. The protruding portion may have, for example, a cylindrical shape, but the shape is not particularly limited, and the transferred metal nanostructure must be formed small to enable plasmon resonance, and specifically, it is preferably 2,000 nm or less, which is smaller than the infrared wavelength.

(S3) 단계Step (S3)

도 5의 c를 참조하면, S2 단계에서 1차 진공증착된 전사프레임의 상면을 S1 단계에서 형성한 절연층 상부에 1차 전사한다. 이때 금속 접촉식 전사법을 이용하여 전사할 수 있으며, 전사를 통하여 전사프레임의 고점인 돌출부 상에 증착된 금속만이 절연층 상부에 전사되어, 절연층 상부에 주기성 금속나노구조가 형성된다.Referring to FIG. 5(c), the upper surface of the transfer frame, which is firstly vacuum-deposited in step S2, is firstly transferred on top of the insulating layer formed in step S1. At this time, the transfer may be performed using a metal contact transfer method, and through the transfer, only the metal deposited on the protrusion, which is the high point of the transfer frame, is transferred to the upper portion of the insulating layer, thereby forming a periodic metal nanostructure on the upper portion of the insulating layer.

(S4) 단계 및 (S5) 단계Steps (S4) and (S5)

도 5의 d 및 e를 참조하면, S4 단계 및 S5 단계는 앞서 S2 단계와 S3 단계를 반복하되, S3 단계에서 전사된 주기성 금속나노구조와 일치하지 않도록 회전각도를 조절하여 주기성 금속나노구조가 전사된 적층체 상에 2차 전사하는 것에서 차이가 있다. Referring to d and e of FIG. 5 , steps S4 and S5 repeat steps S2 and S3, but the periodic metal nanostructure is transferred by adjusting the rotation angle so that it does not coincide with the periodic metal nanostructure transferred in step S3. There is a difference in the secondary transfer on the laminated body.

이때 전사프레임(42)으로서 상기 돌출부가 육각배열(hexagonal array)로 형성된 경우, S3 단계의 1차 전사와 S5 단계의 2차 전사 사이의 회전각에 특별히 한정되는 것은 아니나, 5° 내지 40°의 회전각 차이가 있도록 2차 전사할 수 있으며, 특히 5° 내지 15°의 회전각 차이일 때 플라즈모닉 공명이 보다 효과적으로 발생할 수 있으며, 예를 들어 본 발명의 일 실시예로서 회전각 차이가 10°일 때 우수한 플라즈모닉 공명이 관찰되었다.At this time, when the protrusions as the transfer frame 42 are formed in a hexagonal array, the rotation angle between the primary transfer of step S3 and the secondary transfer of step S5 is not particularly limited, but is 5 ° to 40 ° Secondary transfer can be performed so that there is a rotation angle difference, and plasmonic resonance can occur more effectively when the rotation angle difference is between 5° and 15°, for example, when the rotation angle difference is 10° as an embodiment of the present invention. Excellent plasmonic resonance was observed when

S3 단계의 1차 전사와 S5 단계의 2차 전사는 회전각 차이를 제외하면 동일한 방법으로 진행할 수 있으나, S3 단계의 1차 전사는 절연층상에 직접적으로 전사를 하는 것이고, S5 단계의 2차 전사는 1차 전사가 이미 진행된 주기성 금속나노구조 상부에 추가적으로 전사하는 것으로, S3 단계의 1차 전사는 소프트베이킹 공정으로 진행하고, S5 단계의 2차 전사는 하드베이킹 공정으로 진행하는 것이 공정 효율 측면에서 바람직하다.The primary transfer of step S3 and the secondary transfer of step S5 can proceed in the same way except for the difference in rotation angle, but the primary transfer of step S3 is directly transferred onto the insulating layer, and the secondary transfer of step S5 is additionally transferred on top of the periodic metal nanostructure on which the primary transfer has already proceeded, and the primary transfer in step S3 proceeds with a soft baking process, and the secondary transfer in step S5 proceeds with a hard baking process in terms of process efficiency. desirable.

S3 단계의 소프트베이킹 공정은 구체적으로 금속이 상면에 증착된 전사프레임의 상면을 절연층 상면에서 50 내지 100 ℃의 온도에서, 5 내지 30 분 간 금속 접촉식 전사를 진행할 수 있으며, S5 단계의 하드베이킹 공정은 구체적으로 금속이 증착된 전사프레임의 상면을 주기성 금속나노구조가 형성된 절연층 상면에서 전사할 회전각 설정 후 120 내지 170 ℃의 온도에서 50 내지 70 분 간 금속 접촉식 전사를 진행하는 것일 수 있다.In the soft baking process of step S3, in detail, the upper surface of the transfer frame on which the metal is deposited on the upper surface may be subjected to metal contact transfer at a temperature of 50 to 100 ° C. for 5 to 30 minutes on the upper surface of the insulating layer. In the baking process, after setting the rotation angle to transfer the upper surface of the transfer frame on which the metal is deposited to the upper surface of the insulating layer on which the periodic metal nanostructure is formed, metal contact type transfer is performed at a temperature of 120 to 170 ° C. for 50 to 70 minutes. can

본 발명의 또 다른 측면에 따른 광화학 스위칭 소자 제조방법은, 상기 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법의 5단계 이후, 준주기성 금속나노구조 상부에 광이성질 유기물 층을 적층하는 단계를 더 포함하여 제조할 수 있다. 광이성질 유기물은 예를 들어 풀지드(fulgide)계 화합물, 디아릴에텐(diarylethene)계 화합물, 아조벤젠(azobenzene)계 화합물 및 스피로피란(spiropyran)계 화합물 중 1종 이상을 사용할 수 있으며, 광이성질 유기물의 적층은 예를 들어 유기물질을 직접 스핀코팅, 노즐코팅, drop casting 등의 방법으로 진행할 수 있으며, 기능에 따라 광이성질 유기물의 특성을 고려하여 다른 물질(예를 들어, SiO2 sol-gel, TiO2 sol-gel 등)과 혼합하여 적층해서 사용할 수도 있다.A method for manufacturing a photochemical switching device according to another aspect of the present invention may further include stacking a photoisomeric organic material layer on top of the quasi-periodic metal nanostructure after step 5 of the method for manufacturing the upconversion plasmonic structure. can The photoisomeric organic material may use, for example, at least one of a fulgide-based compound, a diarylethene-based compound, an azobenzene-based compound, and a spiropyran-based compound. The stacking of heterogeneous organic materials may be carried out by, for example, direct spin coating, nozzle coating, drop casting, etc. of organic materials, and depending on the function, other materials (eg, SiO 2 sol-gel, TiO 2 sol-gel, etc.) may be mixed and stacked for use.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 제조예 및 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the manufacturing examples and examples described herein.

[제조예 : 상향변환 플라즈모닉 구조체의 제조][Preparation Example: Preparation of Upconversion Plasmonic Structure]

지름이 200nm로 일정한 홀 패턴이 주기적으로 식각되어 새겨져 있는 polyurethane acrylate (PUA) 마스터(master)에 자외선 경화 물질인 perfluoropolyether(PFPE)를 떨어뜨린 후 polyethylene terephthalate(PET) 필름을 두고 질소 공급 및 압력을 가하면서 15분간 UVA 환경에 노출시켜 PFPE를 경화한다.Perfluoropolyether (PFPE), an ultraviolet curing material, was dropped on a polyurethane acrylate (PUA) master on which a hole pattern with a constant diameter of 200 nm was periodically etched and engraved, and then a polyethylene terephthalate (PET) film was placed and nitrogen supply and pressure were applied. PFPE is cured by exposing to a UVA environment for 15 minutes while adding.

PFPE의 경화가 완료된 후 PUA master로부터 조심스레 떼어내면 원기둥 형태의 PFPE 전사프레임이 완성된다. 본 발명의 제조예에서 사용한 PFPE 전사프레임은 베이스부가 약 50mm x 50mm의 크기이며, 돌출부인 원기둥의 지름이 200nm, 높이가 200nm, 원기둥 중심 사이의 간격이 400nm인 육각배열(hexagonal array)의 형태를 갖고 있다.After the curing of PFPE is complete, if you carefully separate it from the PUA master, a cylindrical PFPE transfer frame is completed. The PFPE transfer frame used in the production example of the present invention has a base portion of about 50 mm x 50 mm in size, a cylinder with a diameter of 200 nm, a height of 200 nm, and a hexagonal array with a distance of 400 nm between the centers of the cylinders. I have it.

제작된 PFPE 전사프레임의 높이(200㎚)에 비해 훨씬 얇은 금속 박막(35㎚)을 진공 증착하면 나노구조체의 고점과 저점에서 금속의 이어짐 없는 구조를 얻을 수 있다.By vacuum depositing a much thinner metal thin film (35 nm) than the height (200 nm) of the fabricated PFPE transfer frame, a structure without metal connection at the high and low points of the nanostructure can be obtained.

첫 번째로 전사할 금속 나노 구조체가 증착된 PFPE 전사프레임을 정렬 마스크 위의 절연체 박막에 정렬한 후 약 80℃ 온도에서 15~20분 간의 소프트베이킹 공정을 진행하여 전사한다(1차 전사). 이후, 1차 전사와 2차 전사의 회전각 차이를 10°로 설정하여 두 번째로 전사할 금속 나노 구조체를 정렬한 후 140℃ 온도에서 1시간의 하드베이킹 공정을 통해 준주기성 금속 나노구조가 형성된다.First, after aligning the PFPE transfer frame on which the metal nanostructure to be transferred is deposited on the insulator thin film on the alignment mask, it is transferred by performing a soft baking process at about 80 ° C for 15 to 20 minutes (first transfer). Thereafter, by setting the rotation angle difference between the first transfer and the second transfer to 10°, the second metal nanostructure to be transferred is aligned, and then a quasi-periodic metal nanostructure is formed through a hard baking process at 140° C. for 1 hour. do.

본 발명에서는 상향변환 나노입자를 SiO2 sol-gel인 Perhydropolysilazane (PHPS)와 2.85wt%의 비율로 톨루엔(toluene)에 혼합한 후 은(Ag) 금속이 증착된 기판 위에 3000rpm 속도에 60초 간 스핀 캐스팅(spin casting)하여 형성하였다. In the present invention, upconverted nanoparticles are mixed with Perhydropolysilazane (PHPS), which is a SiO 2 sol-gel, and toluene at a ratio of 2.85 wt%, and then spin for 60 seconds at a speed of 3000 rpm on a substrate on which silver (Ag) metal is deposited It was formed by spin casting.

금속기판은 세정된 기판에 은 필름(Ag film) 100 nm을 thermal evaporator를 이용하여 1 x 10-5 torr 에서 증착하여 제작하였다The metal substrate was fabricated by depositing a 100 nm silver film on the cleaned substrate at 1 x 10 -5 torr using a thermal evaporator.

[실험예 1: 상향변환 플라즈모닉 구조체의 광대역 공진 효과 확인][Experimental Example 1: Confirmation of Broadband Resonance Effect of Upconversion Plasmonic Structure]

제조예 1에서 제조한 상향변환 플라즈모닉 구조체(실시예, MIM 10°)에 빛의 세기를 달리하여 근적외선을 조사하였으며, 본 발명의 상향변환 플라즈모닉 구조체를 통하여 상향변환 나노입자의 여기 파장인 980nm 영역에서의 흡수 증가뿐만 아니라 모든 발광 영역에서 비약적인 증가폭이 나타났으며, 그 결과를 도 10 내지 도 14에 나타내었다.The upconversion plasmonic structure prepared in Preparation Example 1 (Example, MIM 10 °) was irradiated with near-infrared rays by varying the intensity of light, and the upconversion plasmonic structure of the present invention was used to excite the upconversion nanoparticles at 980 nm. In addition to an increase in absorption in the region, a rapid increase was observed in all light emitting regions, and the results are shown in FIGS. 10 to 14 .

도 10 내지 도 14는 본 발명의 상향변환 플라즈모닉 구조체 도입을 통해 향상된 상향변환 나노입자의 광학적 특성을 측정 및 계산한 결과로써, 도 10은 본 발명에서 제시한 준주기성 금속 나노구조가 포함된 MIM 10°(실시예1), Ref(비교예 1), MI single(비교예 2), IM(비교예 3), MIM single(비교예 4)에 대한 모식도이다. 10 to 14 are results of measuring and calculating the optical properties of improved upconversion nanoparticles through the introduction of the upconversion plasmonic structure of the present invention. It is a schematic diagram for 10 ° (Example 1), Ref (Comparative Example 1), MI single (Comparative Example 2), IM (Comparative Example 3), and MIM single (Comparative Example 4).

(실험예 1-1 : 근적외선 입사 조건에 따른 발광 비교)(Experimental Example 1-1: Comparison of emission according to near-infrared incident conditions)

도 11의 a는 강한 세기(588 W/cm2)의 근적외선 입사 조건에서의 비교예와 실시예의 발광 세기를 비교한 결과로, 각 주요 발광 파장에서 실시예의 경우 비교예들과 비교할 때, 최대 130 (346 nm), 223 (452 nm), 436 (544 nm), 그리고 502 (657 nm) 배의 발광 증폭을 달성하였다. 또한 도 11의 b는 약한 세기(31W/cm2)의 근적외선 입사 조건에서의 비교예와 실시예의 발광 세기를 비교한 결과로, 실시예의 경우 비교예들과 비교할 때, 주요 발광 파장에서 최대 200 (544 nm) 그리고 257 (657 nm) 배의 발광 증폭을 나타냈다.Figure 11a is a result of comparing the luminous intensity of Comparative Example and Example under near-infrared ray incident conditions of strong intensity (588 W/cm 2 ), when compared to Comparative Examples in the case of Example at each main emission wavelength, up to 130 (346 nm), 223 (452 nm), 436 (544 nm), and 502 (657 nm) fold amplification of luminescence was achieved. In addition, b of FIG. 11 is a result of comparing the luminous intensity of the comparative example and the example under the near-infrared light incident condition of weak intensity (31W/cm 2 ), and in the case of the example, compared to the comparative examples, up to 200 ( 544 nm) and 257 (657 nm) times.

(실험예 1-2 : 구조에 따른 흡광도 비교)(Experimental Example 1-2: Comparison of absorbance according to structure)

도 12는 비교예 및 실시예에 포함된 상향변환 나노입자의 여기 파장에서의 흡광도 비교로, 실시예의 발광 증폭 현상에 대한 steady-state 관점의 근거가 된다. 명확한 비교를 위해 실시예(MIM 10°) 및 비교예 2 내지 4(MI single, IM, MIM single)의 흡광도를 비교예 1(Ref)의 흡광도로 나눈 상대적인 흡광 강도를 도시하였다. 구체적으로, 해당 파장(980 nm)에서 실시예 1(MIM 10°)은 비교예 1(Ref) 대비 약 55배 증폭된 흡광도를 나타냈으며, 비교예 4(MIM single)보다 약 11배 증폭된 흡광도를 나타냈다.Figure 12 is a comparison of the absorbance at the excitation wavelength of upconversion nanoparticles included in Comparative Examples and Examples, which is the basis for the steady-state view of the luminescence amplification phenomenon of the Examples. For clear comparison, the relative absorbance intensity obtained by dividing the absorbance of Example (MIM 10°) and Comparative Examples 2 to 4 (MI single, IM, MIM single) by the absorbance of Comparative Example 1 (Ref) is shown. Specifically, Example 1 (MIM 10 °) at the corresponding wavelength (980 nm) exhibited absorbance amplified about 55 times compared to Comparative Example 1 (Ref), and absorbance amplified about 11 times than Comparative Example 4 (MIM single) showed

(실험예 1-3 : 전기장 분포에 따른 유한차시간구역 비교)(Experimental Example 1-3: Comparison of finite difference time zone according to electric field distribution)

도 13은 실시예 1의 여기 파장 및 최대 발광 파장에서의 전기장 분포에 대한 유한차시간구역 (finite-difference time domain, FDTD) 계산 결과로, 흡광도 증폭 및 공진모드의 형성에 대한 이론적인 근거가 된다. 여기 파장에서의 전자기장 분포는 은 나노 구조체(실시예 1)의 주위로 강하게 집속되는 국소 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance) 현상을 나타냈으며, 최대 발광 파장에서의 전기장 분포는 갭 플라즈몬 공진 모드의 형태로 유도되었다.13 is a finite-difference time domain (FDTD) calculation result for the electric field distribution at the excitation wavelength and maximum emission wavelength of Example 1, which provides a theoretical basis for absorbance amplification and formation of a resonance mode. . The electromagnetic field distribution at the excitation wavelength showed a localized surface plasmon resonance phenomenon that was strongly focused around the silver nanostructure (Example 1), and the electric field distribution at the maximum emission wavelength was in the form of a gap plasmon resonance mode. was induced by

(실험예 1-4 : 발광 파장에 따른 전기장 증폭세기 비교)(Experimental Example 1-4: Comparison of electric field amplification intensity according to emission wavelength)

도 14는 비교예 및 실시예의 주요 발광 파장들에서의 상대적인 전기장 증폭 세기를 비교한 결과이다. 해당 수치는 3차원 유한차시간구역 계산을 통해 도출한 각 발광 파장에서의 전자기장 세기를 비교예 3 (IM)의 계산 결과로 나눈 값이다. 이때 비교예 1(Ref)에서는 전자기장 증폭이 나타나지 않아(0에 수렴) 표시하지 않았으며, 도 14를 참조하면, 준주성의 실시예 1(MIM 10°)의 전기장 세기가, 주기성의 비교예 4(MIM single)보다 크게 증폭된 것을 확인할 수 있다. 각 발광 파장에서의 전자기장 세기의 상대적인 수치는 측정을 통해 얻어진 발광 세기 증폭 경향과 동일한 경향을 나타내며, 이는 흡광 공진모드 유도와 더불어 발광 증폭 현상의 중요한 이론적 근거가 된다.14 is a result of comparing relative electric field amplification intensities at main emission wavelengths of Comparative Examples and Examples. The corresponding numerical value is a value obtained by dividing the electromagnetic field strength at each emission wavelength derived from the three-dimensional finite-order time domain calculation by the calculation result of Comparative Example 3 (IM). At this time, in Comparative Example 1 (Ref), electromagnetic field amplification did not appear (converge to 0), so it was not displayed. Referring to FIG. It can be confirmed that the amplification is greater than that of (MIM single). The relative value of the electromagnetic field intensity at each emission wavelength shows the same tendency as the emission intensity amplification trend obtained through measurement, which is an important theoretical basis for the emission amplification phenomenon along with the induction of the absorption resonance mode.

[실험예 2: 광화학 스위칭 소자의 가역적인 광이성질화 반응 실험][Experimental Example 2: Reversible Photoisomerization Reaction Experiment of Photochemical Switching Device]

본 발명에 따른 광화학 스위칭 소자의 광화학 스위칭 매개체로써의 실증을 위해, 준주기성 플라즈모닉 구조체의 상층부에 두께가 270 nm 인 디아릴에텐(diarylethene)계인 2,3-Bis(2-methyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene(1), 및 2,3-Bis(2-ethyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene(2) 광이성질 유기물 층을 도입하였다. 제조예에서 제조된 실시예 1에 2,3-Bis(2-methyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene을 유기물층으로 도입하여 광화학 스위칭 소자(실시예 1-1)를 제조하였으며, 실시예 1에 2,3-Bis(2-ethyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene을 유기물층으로 도입하여 광화학 스위칭 소자(실시예 1-2)를 제조하였다. 상기 광이성질 유기물은 도 1을 참조하면, 강한 세기의 근적외선 조사 조건에서 증폭된 자외선 영역 발광을 흡수하여 고리닫힘 반응이 발생하며, 약한 세기의 근적외선 조사 조건에서는 증폭된 가시광 영역 발광을 흡수하여 고리열림 반응이 발생한다. For demonstration of the photochemical switching device according to the present invention as a photochemical switching medium, 2,3-Bis(2-methyl-6- phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene(1), and 2,3-Bis(2-ethyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl) A photoisomeric organic layer of thiophene(2) was introduced. Photochemical switching device (Example 1 -1) was prepared, and 2,3-Bis (2-ethyl-6-phenyl-1,1-dioxobenzo[b]thiophen-3-yl)thiophene was introduced into the organic layer in Example 1 to form a photochemical switching device (practice Example 1-2) was prepared. Referring to FIG. 1, the photoisomeric organic material absorbs the amplified emission of light in the ultraviolet region under high-intensity near-infrared irradiation conditions and causes a ring closure reaction, and absorbs the amplified visible light emission under low-intensity near-infrared irradiation conditions. An opening reaction occurs.

실험예 2에서는 본 발명의 광화학 스위칭 소자(실시예 1-2, 실시예 1-2)의 포토 스위칭 상향변환 특성을 통하여 가역적인 광이성질화 반응이 효율적으로 제어되는지 여부를 발광 이미지화와 광학 특성 변화 측정을 통해 실증하였다.In Experimental Example 2, whether or not the reversible photoisomerization reaction is efficiently controlled through the photoswitching upconversion characteristics of the photochemical switching device (Example 1-2, Example 1-2) of the present invention was determined by luminescence imaging and optical properties It was verified through change measurement.

도 15 내지 20은 준주기성 플라즈모닉 구조체(실시예 1)가 적용된 광이성질 유기화합물 공진구조체(실시예 1-1, 실시예 1-2)의 광학적 특성을 측정한 결과로써, 도 15는 본 발명에서 구현한 가역적 광이성질화 반응에 대한 모식도 및 파장이 980nm인 근적외선의 세기에 따른 실시예 1-1의 발광정도를 Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 카메라를 이용하여 촬영한 사진이다.15 to 20 show the results of measuring the optical properties of photo-isomeric organic compound resonance structures (Examples 1-1 and 1-2) to which the quasi-periodic plasmonic structure (Example 1) is applied. This is a schematic diagram of the reversible photoisomerization reaction implemented in the invention and the degree of emission of Example 1-1 according to the intensity of near-infrared rays having a wavelength of 980 nm using a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera.

(실험예 2-1 : 광이성질화 반응에 따른 흡광도 비교)(Experimental Example 2-1: Comparison of absorbance according to photoisomerization reaction)

도 16은 근적외선 조사를 통해 유도된 광이성질화 반응에 따른 흡광도 변화를 UV-Vis-NIR spectrometer로 측정한 결과 및 2-DTE의 실제 색 변화 사진(좌측 상단, 2o: 색변화 전, 2c: 색변화 후)이다. 본 발명에서 사용한 두 DTE 박막(실시예 1-1, 실시예 1-2)은 고리닫힘 반응이 진행됨에 따른 300 nm 이하 UV 영역에서의 흡광도 감소 및 약 500 nm 대의 흡광도 증가 특성을 나타냈다. Figure 16 is a result of measuring the absorbance change according to the photoisomerization reaction induced by near-infrared irradiation with a UV-Vis-NIR spectrometer and a photograph of the actual color change of 2-DTE (upper left, 2o: before color change, 2c: after color change). The two DTE thin films (Example 1-1 and Example 1-2) used in the present invention showed a decrease in absorbance in the UV region below 300 nm and an increase in absorbance in the range of about 500 nm as the ring closure reaction progressed.

(실험예 2-2 : 광이성질화 반응에 따른 발광 강도 비교)(Experimental Example 2-2: Comparison of luminescence intensity according to photoisomerization reaction)

도 17은는 실시예 1-1 및 실시예 1-2의 발광 특성 변화에 대한 측정값으로, 근적외선 조사 조건 하에서 고리닫힘 반응이 진행됨에 따라 DTE 박막의 발광 특성이 발현됨을 확인할 수 있다. FIG. 17 is a measurement value of the change in light emitting characteristics of Example 1-1 and Example 1-2, and it can be confirmed that the light emitting characteristic of the DTE thin film is developed as the ring closure reaction proceeds under the near-infrared irradiation condition.

(실험예 2-3 : 준주기성 구조체 도입여부에 따른 발광 세기 비교)(Experimental Example 2-3: Comparison of luminescence intensity according to introduction of quasi-periodic structure)

도 18은는 준주기성 금속 나노구조체의 도입 여부에 따른 발광 세기를 정량적으로, 그리고 거시적으로 도시한 결과로, 준주기성 금속 나노구조체(PMIM10°)를 통한 증폭된 상향변환 발광으로 인해 두 DTE 박막(실시예 1-1(Methyl), 실시예 1-2(Ethyl)) 모두 약 10 배에 근접한 발광 세기 증폭을 나타낸다. 해당 DTE 발광 증폭은 CMOS 카메라를 통해 촬영하였다. 18 is a result of quantitatively and macroscopically illustrating the emission intensity according to whether a quasi-periodic metal nanostructure is introduced or not, and two DTE thin films (implemented Example 1-1 (Methyl) and Example 1-2 (Ethyl)) both show luminescence intensity amplification approaching about 10 times. The corresponding DTE luminescence amplification was captured through a CMOS camera.

(실험예 2-4 : 근적외선 조사에 따른 광이성질 유기화합물의 흡광도 비교)(Experimental Example 2-4: Comparison of absorbance of optical isomeric organic compounds according to near-infrared irradiation)

도 19는 근적외선 조사 조건 변화에 따라 제어되는 가역적 광이성질 유기화합물의 흡광도 변화를 실제 시간 도메인에서 측정한 결과이다. 해당 측정은 각 DTE의 고리닫힘 구조의 가시광 영역 최대 흡광 파장을 기준으로 도시하였다. 구체적으로, 준주기성 금속 나노구조체를 도입한 DTE 구조체의 경우(1 PMIM10°, 2 PMIM10°), 강한 세기의 근적외선 조사 조건에서 최대 흡광도에 도달하는데 약 10초 내외의 시간이 필요한 반면, 비교예에 DTE 박막을 도입한 경우(1 PRef, 2 PRef), 약 30초 내외의 시간이 소요되었다. 마찬가지로, 해당 구조체들에 약한 세기의 근적외선을 조사한 경우, 준주기성 나노 구조체(1 PMIM10°, 2 PMIM10°)는 약 28초 후 흡광도가 0에 수렴한 반면, 비교예(1 PRef, 2 PRef)의 경우 약 60초 후 고리열림 반응이 종결되었다. 19 is a result of measuring a change in absorbance of a reversible optically isomeric organic compound controlled according to a change in near-infrared irradiation conditions in an actual time domain. The measurement was shown based on the maximum absorption wavelength in the visible light region of the ring-closed structure of each DTE. Specifically, in the case of the DTE structure introducing the quasi-periodic metal nanostructure (1 PMIM10°, 2 PMIM10°), it takes about 10 seconds to reach the maximum absorbance under high-intensity near-infrared irradiation conditions, whereas in Comparative Example In the case of introducing the DTE thin film (1 PRef, 2 PRef), it took about 30 seconds. Similarly, when the corresponding structures were irradiated with weak intensity near-infrared rays, the absorbance of the quasi-periodic nanostructures (1 PMIM10°, 2 PMIM10°) converged to 0 after about 28 seconds, whereas the comparative examples (1 PRef, 2 PRef) In this case, the ring opening reaction was terminated after about 60 seconds.

(실험예 2-5 : 근적외선 조사에 따른 광이성질 유기화합물의 발광 특성 비교)(Experimental Example 2-5: Comparison of luminescence characteristics of optical isomeric organic compounds according to near-infrared irradiation)

도 20은 근적외선 조사 조건 변화에 따른 최대 발광 파장에서의 발광 세기 변화를 측정한 결과이다. 강한 세기의 근적외선 조사 조건 및 약한 세기의 근적외선 조사 조건에서 실험예 2-4와 유사한 경향을 나타냈다.20 is a result of measuring a change in emission intensity at a maximum emission wavelength according to a change in near-infrared irradiation conditions. In the high-intensity near-infrared irradiation condition and the weak-intensity near-infrared irradiation condition, a similar trend to Experimental Example 2-4 was shown.

[실험예 3 : 광화학 스위치 소자의 광학 이미지 측정][Experimental Example 3: Optical Image Measurement of Photochemical Switch Device]

도 21 내지 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학 스위칭 소자를 이용하여 실제 샘플의 광학 이미지를 측정한 결과로써, 도 21은 샘플의 광학 이미지를 측정하기 위한 장치를 나타내는 모식도이다,21 to 23 are results of measuring an optical image of an actual sample using a photochemical switching device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 21 is a schematic diagram showing a device for measuring an optical image of a sample,

(실험예 3-1 : 근적외선 조사 세기 및 시간에 따른 가역적 광이성질 특성 관찰)(Experimental Example 3-1: Observation of reversible optical heterogeneity characteristics according to near-infrared irradiation intensity and time)

도 22는 근적외선 조사 세기 및 시간에 따른 가역적 광이성질 특성을 광학 이미지로 나타낸 결과로, CMOS 카메라를 통해 촬영하였다. 본 발명의 형광 이미징 템플릿으로의 응용 가능성에 대한 실증을 위해 특정 패턴을 도입하였으며, 도 22의 결과를 통하여, 시간차 광변환 과정 및 발광 증폭은 본 발명에서 제안한 구조가 유의미한 발광 증폭 매개체로 사용될 수 있음을 시사한다. 22 shows optical images of reversible optical isomerism according to the intensity and time of near-infrared ray irradiation, and was taken through a CMOS camera. A specific pattern was introduced to demonstrate the applicability of the present invention as a fluorescence imaging template, and through the results of FIG. 22, the time difference photoconversion process and luminescence amplification suggest that the structure proposed in the present invention can be used as a significant luminescence amplification medium. suggests

(실험예 3-2 : 발광특성 안정성 평가)(Experimental Example 3-2: Evaluation of stability of luminous properties)

도 23은 가역적 광이성질 반응을 반복하여 각각 흡광(a)과 발광(b) 특성의 안정성을 평가한 내용이다. DTE 분자의 경우, 상대적으로 강한 에너지를 갖는 자외선 및 가시광 영역의 외부 광원을 이용하여 광이성질화 반응이 제어되기 때문에 광이성질화 반응을 반복함에 따라 그 특성을 쉽게 잃어버리게 된다는 사실이 널리 알려져 있다. 본 발명에서 제안한 준주기성 나노구조체의 경우, DTE 분자에 영향을 거의 주지 않는 근적외선 영역의 외부 광원을 사용하기 때문에, 약 20회 이상의 가역성 평가에서 약 95% 이상의 기존 광특성을 유지하였다. 23 shows the evaluation of the stability of light absorption (a) and light emission (b) characteristics, respectively, by repeating the reversible photoisomerization reaction. In the case of DTE molecules, it is widely known that the photoisomerization reaction is controlled using an external light source in the ultraviolet and visible light regions having relatively strong energy, so that the photoisomerization reaction easily loses its properties as the photoisomerization reaction is repeated. there is. In the case of the quasi-periodic nanostructure proposed in the present invention, since an external light source in the near-infrared region, which has little effect on DTE molecules, is used, about 95% or more of the existing optical properties are maintained in reversibility evaluations of about 20 times or more.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and variations are possible without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be obvious to those skilled in the art.

10 : 기재
20 : 금속필름층
30 : 절연층
31 : 상향변환 나노입자
40 : 준주기성 금속나노구조
41 : 나노금속체
10: materials
20: metal film layer
30: insulating layer
31: upconversion nanoparticles
40: quasi-periodic metal nanostructure
41: nano metal body

Claims (18)

금속필름층;
상기 금속필름층 상에 형성된 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성된 준주기성(quasi-periodic) 금속나노구조;를 포함하며,
상기 절연층은 상향변환 나노입자(upconverting nanoparticles)를 내부에 포함하는, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
a metal film layer;
an insulating layer formed on the metal film layer; and
A quasi-periodic metal nanostructure formed on the insulating layer;
The insulating layer includes upconverting nanoparticles therein, upconverting plasmonic structure.
제1항에 있어서,
상기 준주기성 금속나노구조는, 주기성 금속나노구조를 상기 절연층 상에 서로 다른 회전각도로 2회 전사하여 형성된 것인, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 1,
The quasi-periodic metal nanostructure is formed by transferring the periodic metal nanostructure on the insulating layer twice at different rotation angles.
제2항에 있어서,
상기 주기성 금속나노구조는 육각배열(hexagonal array)의 금속나노구조인, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 2,
The periodic metal nanostructure is a metal nanostructure of a hexagonal array, an upconversion plasmonic structure.
제3항에 있어서,
상기 준주기성 금속나노구조는 상기 육각배열(hexagonal array)의 금속나노구조를 5°내지 40° 회전각 차이로 2회 전사하여 형성된 것인, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 3,
The quasi-periodic metal nanostructure is formed by transferring the metal nanostructure of the hexagonal array twice with a rotation angle difference of 5 ° to 40 °, upconversion plasmonic structure.
제1항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 1㎚ 내지 1㎛인, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 1,
The insulating layer has a thickness of 1 nm to 1 μm, upconversion plasmonic structure.
제1항에 있어서,
상기 절연층 내부에 포함된 상향변환 나노입자는 일분자층(monolayer)로 형성된, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 1,
The upconversion nanoparticles included in the insulating layer are formed as a monolayer, upconversion plasmonic structure.
제1항에 있어서,
상기 금속필름층 및 상기 준주기성 금속나노구조는 각각 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 이루어진, 상향변환 플라즈모닉 구조체.
According to claim 1,
The metal film layer and the quasi-periodic metal nanostructure are each made of one member selected from the group consisting of gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 상향변환 플라즈모닉 구조체; 및
광이성질 유기물 층;을 포함하는 광화학 스위칭 소자.
Claims 1 to 7 of any one of the up-conversion plasmonic structure; and
A photochemical switching device comprising a photoisomeric organic material layer.
제8항에 있어서,
상기 광이성질 유기물 층은 상기 상향변환 플라즈모닉 구조체의 준주기성 금속나노구조 상에 형성된, 광화학 스위칭 소자.
According to claim 8,
The photo-isomeric organic material layer is formed on the quasi-periodic metal nanostructure of the up-conversion plasmonic structure, photochemical switching element.
제8항의 광화학 스위칭 소자를 포함하는 비휘발성 광메모리 소자.
A non-volatile optical memory device comprising the photochemical switching device of claim 8.
제8항의 광화학 스위칭 소자를 포함하는 형광 현미경.
A fluorescence microscope comprising the photochemical switching element of claim 8.
제8항의 광화학 스위칭 소자를 포함하는 트랜지스터.
A transistor comprising the photochemical switching element of claim 8 .
(S1) 금속필름층 상에 상향변환 나노입자를 포함하는 절연층을 적층하는 단계;
(S2) 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임 상에 금속 박막을 1차 진공증착하는 단계;
(S3) 상기 S2 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 절연층 상부에 1차 전사하여 주기성 금속나노구조를 형성하는 단계;
(S4) 상기 전사프레임 상에 금속박막을 2차 진공증착하는 단계; 및
(S5) 상기 S4 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 1차 전사와 일치하지 않도록 회전하여 상기 S3 단계에서 형성된 주기성 적층체 상부에 2차 전사하여 준주기성 금속나노구조를 형성하는 단계;
를 포함하는 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법.
(S1) stacking an insulating layer containing upconversion nanoparticles on the metal film layer;
(S2) firstly vacuum-depositing a metal thin film on the transfer frame on which protrusions are periodically formed at a constant height on the base portion;
(S3) forming a periodic metal nanostructure by firstly transferring the metal thin film deposited on the protruding portion of the transfer frame formed in step S2 to an upper portion of the insulating layer;
(S4) secondary vacuum deposition of a metal thin film on the transfer frame; and
(S5) The metal thin film deposited on the protrusion of the transfer frame formed in step S4 is rotated so as not to coincide with the first transfer, and the second transfer is performed on the upper part of the periodic stack formed in step S3 to form a quasi-periodic metal nanostructure. doing;
Upconversion plasmonic structure manufacturing method comprising a.
제13항에 있어서,
상기 전사프레임은 베이스부 상에 일정한 높이의 돌출부가 육각배열(hexagonal array)의 형태로 주기적으로 형성된 것인, 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법.
According to claim 13,
The transfer frame is an upconversion plasmonic structure manufacturing method in which protrusions of a certain height are periodically formed on the base portion in the form of a hexagonal array.
제14항에 있어서,
상기 S5 단계의 2차 전사는 상기 S3 단계의 1차 전사와 5° 내지 40°의 회전각 차이가 있는, 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법.
According to claim 14,
The secondary transfer of the step S5 has a rotation angle difference of 5 ° to 40 ° from the primary transfer of the step S3, upconversion plasmonic structure manufacturing method.
제14항에 있어서,
상기 전사프레임은 베이스부 상에 일정한 높이의 돌출부는 원기둥 형태인, 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법.
According to claim 14,
The transfer frame is a method of manufacturing an upconversion plasmonic structure in which a protrusion of a certain height on the base portion has a cylindrical shape.
제13항에 있어서,
상기 S3 단계의 1차 전사는 소프트베이킹 공정으로 진행하고,
상기 S5 단계의 2차 전사는 하드베이킹 공정으로 진행하는, 상향변환 플라즈모닉 구조체 제조방법.
According to claim 13,
The primary transfer of step S3 proceeds to a soft baking process,
The secondary transfer of step S5 proceeds to a hard baking process, an upconversion plasmonic structure manufacturing method.
(S1) 금속 기재층 상에 상향변환 나노입자를 포함하는 절연층을 적층하는 단계;
(S2) 베이스부 상에 일정한 높이로 주기적으로 돌출부가 형성된 전사프레임 상에 금속 박막을 1차 진공증착하는 단계;
(S3) 상기 S2 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 절연층 상부에 1차 전사하여 주기성 금속나노구조를 형성하는 단계;
(S4) 상기 전사프레임 상에 금속박막을 2차 진공증착하는 단계;
(S5) 상기 S4 단계에서 형성된 전사 프레임의 돌출부 상에 증착된 금속박막을 상기 1차 전사와 일치하지 않도록 회전하여 상기 S3 단계에서 형성된 주기성 적층체 상부에 2차 전사하여 준주기성 금속나노구조를 형성하는 단계; 및
(S6) 상기 준주기성 금속나노구조 상부에 광이성질 유기물 층을 적층하는 단계;
를 포함하는 광화학 스위칭 소자 제조방법.
(S1) depositing an insulating layer containing upconversion nanoparticles on the metal substrate layer;
(S2) firstly vacuum-depositing a metal thin film on the transfer frame on which protrusions are periodically formed at a constant height on the base portion;
(S3) forming a periodic metal nanostructure by firstly transferring the metal thin film deposited on the protruding portion of the transfer frame formed in step S2 to an upper portion of the insulating layer;
(S4) secondary vacuum deposition of a metal thin film on the transfer frame;
(S5) The metal thin film deposited on the protrusion of the transfer frame formed in step S4 is rotated so as not to coincide with the first transfer, and the second transfer is performed on the upper part of the periodic stack formed in step S3 to form a quasi-periodic metal nanostructure. doing; and
(S6) stacking a photo-isomeric organic material layer on top of the quasi-periodic metal nanostructure;
Photochemical switching device manufacturing method comprising a.
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