KR20230119975A - 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치 - Google Patents

스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판 및 상기 기판의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array)를 포함하고, 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)는, 상기 기판과 상기 기판 일측에 인접하게 배치된 마스크가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크를 통과한 타겟물질이 상기 기판에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치에 관한 것이다.

Description

스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치 {Stencil Lithography-based Inclined Plasmonic Nanostructure and Linear Polarization Measurement Device Using Same}
본 발명은 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 기판과 마스크가 기울어진 상태에서 타겟물질이 증착됨으로써 기울어진 나노 필러 어레이를 갖는 나노구조체와 상기 나노구조체의 편광의존 특성을 이용하여 선형 편광을 측정하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치에 관한 것이다.
플라즈모닉(Plasmonic) 효과는 외부의 빛에 의해 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 현상으로 금속에서 나타나는 광-전자효과이다. 이는, 특정 파장의 입사광에서 대부분의 광 에너지가 자유전자로 전이되는 공명 현상에 의한 것이다. 공명 현상은 음의 유전 상수를 가지는 전도성이 높은 금속과 양의 유전 상수를 가지는 일반적인 절연체 재료 사이에 발생하며, 입사광의 주파수가 금속의 표면 플라즈몬 고유 진동의 주파수와 일치할 때 입사광의 대부분이 흡수된다.
나노 사이즈의 금속 입자의 경우 가시광선 내지 근적외선 대연 빛의 전기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 광흡수가 일어나 선명한 색을 띄게 되는데 이러한 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 이러한 현상은 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시키며 빛 에너지가 표면 플라즈몬에 의해 변환되어 금속의 나노입자 표면에 축적되었음을 의미하고 빛의 회절 한계보다 작은 영역에서 광 제어가 가능함을 의미한다. 즉, 광 흡수 대역의 증폭과 제어가 가능함으로 형광 분광학, 다양한 종류의 센서, 광전자소자 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
또한, 리소그래피(Lithography)는 패턴 형성을 위한 미세 가공 기술로, 기판의 표면에 포토레지스트 액을 도포하고 마스크를 통해서 빛을 선택적으로 조사함으로써 마스크의 패턴과 동일한 패턴을 기판에 형성시키는 포토 리소그래피(Photo lithography)와 세도우 마스크(Shadow Mask)를 이용해 기판의 표면 위로 직접 증착하는 스탠실 리소그래피(Stencil lithography)가 있다. 이때, 스탠실 리소그래피(Stencil lithography)는 공정의 간소화, 마스크 재사용, 제조비용의 절감과 같은 장점들로 인해 포토 리소그래피(Photo lithography)가 갖는 기술적 한계점들을 극복할 수 있다.
이와 관련하여, 관련문헌 1은 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용한 패턴의 제조 방법에 관한 것으로, 볼록 공중합체를 이용한 나노 구조체를 제조할 수 있고, 관련문헌 2는 나노 구조체 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 나노구조체에 관한 것으로 건식 에칭 공정을 미세하게 제어하여 나노 구조체를 제조할 수 있다. 다만, 관련문헌 1 내지 2는 포토 리소그래피(Photo lithography) 방식으로 포토레지스트 나노 구조체를 제조함으로 공정이 복합하고, 마스크를 일회성으로 사용할 수밖에 없는 기술적 한계가 존재한다.
KR 10-1572109 KR 10-2164381
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 나노구조체 제조공정을 간소화하고, 제조공정에 사용되는 마스크를 재사용할 수 있고, 특정 파장을 감자하여 형광 분광학, 센서, 광전자소자 등 다양한 분야에 적용이 가능하도록, 기판과 마스크가 기울어진 상태에서 타겟물질이 증착됨으로써 기울어진 나노 필러 어레이를 갖는 나노구조체와 상기 나노구조체의 편광의존 특성을 이용하여 선형 편광을 측정하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체 및 이를 이용한 선형 편광 측정 장치를 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체는 기판; 및 상기 기판의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array);를 제공하고, 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)는, 상기 기판과 상기 기판 일측에 인접하게 배치된 마스크가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크를 통과한 타겟물질이 상기 기판에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치는 광원을 방출하는 레이저; 상기 광원을 선형 편광시키는 선형 편광판; 상기 선형 편광판으로부터 선형 편광된 상기 광원의 편광축을 회전시킴으로써 편광각을 조절하는 반파장판; 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체에 입사될 수 있도록 편광축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터; 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판으로부터 조절된 편광각에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기;를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치는 광원을 방출하는 레이저; 상기 광원의 광대역 파장에서 특정 파장만을 통과시키는 밴드패스 필터; 상기 밴드패스 필터로부터 통과된 파장의 중심축을 회전시킴으로써 각도를 조절하는 반파장판; 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체에 입사될 수 있도록 파장의 중심축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터; 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판으로부터 조절된 각도에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기; 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원의 광량을 측정하는 카메라;를 제공한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 기판과 마스크가 기울어진 상태에서 타겟물질이 증착됨으로써 기울어진 나노 필러 어레이를 갖는 나노구조체를 구비하고 상기 나노구조체의 편광의존 특성을 이용하여 선형 편광을 측정함으로써, 나노구조체 제조공정을 간소화하고, 제조공정에 사용되는 마스크를 재사용할 수 있고, 특정파장을 감지하여 형광 분광학, 센서, 광전자소자 등 다양한 분야에 적용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체의 제조과정을 표시한 도면이다.
도 2는 종래 나노구조체의 나노 필러 어레이(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체의 나노 필러 어레이(b)를 표시한 도면이다.
도 3은 종래 나노구조체로부터 출력된 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체로부터 출력된 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체에서 선형 편광의 변화에 따른 공명파장에서의 반사도 변화를 표시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체의 높이에 따른 공명파장의 변화를 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치를 표시한 도면이다.
도 7은 종래 나노구조체로부터 반사되어 출력된 파장에 대한 강도를 표시한 스펙트럼 및 편광각에 대한 반사율을 표시한 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체로부터 반사되어 출력된 파장에 대한 강도를 표시한 스펙트럼 및 편광각에 대한 반사율을 표시한 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 편광각(0p, 30p, 60p, 90p)에 따른 국소화된 전기장의 구배의 변화를 표시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 이실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치를 표시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 펄스레이저의 파장에 대한 강도 스펙트럼(a)과 밴드패스 필터가 포함된 선형 편광 측정 장치의 파장에 대한 강도 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
도 11은 종래 나노구조체를 대상으로 밴드패스 필터를 포함하는 편광 측정 장치로부터 출력된 파장별 각도에 대한 강도 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체를 대상으로 밴드패스 필터를 포함하는 편광 측정 장치로부터 출력된 파장별 각도에 대한 강도 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
도 12는 종래 나노구조체를 대상으로 수평/수직 편광일 때 카메라로부터 촬영된 촬영본 및 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체를 대상으로 수평/수직 편광일 때 카메라로부터 촬영된 촬영본 및 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)의 제조과정을 표시한 도면이다. 도 2는 종래 나노구조체의 나노 필러 어레이(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)의 나노 필러 어레이(120)(b)를 표시한 도면이다. 도 3은 종래 나노구조체로부터 출력된 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)로부터 출력된 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)에서 선형 편광의 변화에 따른 공명파장에서의 반사도 변화를 표시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)의 높이에 따른 공명파장의 변화를 표시한 도면이다.
우선, 도 1을 보면, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 기판(110) 및 상기 기판(110)의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)를 포함한다. 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)는 상기 기판(110)과 상기 기판(110) 일측에 인접하게 배치된 마스크(200)가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크(200)를 통과한 타겟물질(T)이 상기 기판(110)에 증착됨으로써 형성될 수 있다.
여기서, 상기 타겟물질(T)은 상기 마스크(200) 일측과 마주보도록 배치된 용기(300)에 구비되고, 가열부(400)에 의하여 가열됨으로써 상기 마스크(200) 일측 방향으로 증발 또는 기화될 수 있다. 상기 가열부(400)는 가장 바람직하게, 상기 용기(300) 하단에 배치되어 간접적으로 상기 타겟물질(T)을 가열 시킬 수 있다. 상기 가열부(400)는 필라멘트(Filament)로 형성되거나, 전자 빔(E-beam)일 수 있다.
그리고 상기 마스크(200)는, 동일한 지름을 갖는 다수 개의 원형 천공부(210)를 포함하고, 상기 다수 개의 원형 천공부(210) 중에서 인접하는 3개의 원형 천공부(210)가 각각 정삼각형을 이루도록 지그재그 방식으로 배열될 수 있다.
다시 말하면, 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)가 제조됨에 있어서, 상기 기판(110)과 마스크(200)가 소정거리 이격된 상태에서 소정각도로 기울어진 상태일 수 있다. 그리고 열린 상태에서 내부에 상기 타겟물질(T)이 구비되는 상기 용기(300)는 상기 마스크(200)와 소정거리 이격된 상태에서 상기 마스크(200) 일측과 마주보도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 용기(300) 일측에는 가열부(400)가 구비되어 상기 타겟물질(T) 또는 상기 용기(300)를 가열시킬 수 있다. 상기 타겟물질(T)은 고체상 또는 액체상을 갖는 금속일 수 있고, 가장 바람직하게, 금(Au)일 수 있다. 즉, 상기 타겟물질(T)인 금(Au)이 가열부(400)에 의하여 가열됨으로써 상기 마스크(200) 일측 방향으로 증발 또는 기화될 수 있고, 상기 마스크(200)의 원형 천공부(210)를 통과한 금(Au)만이 상기 기판(110)에 증착될 수 있다. 이에 따라 기울어져 형성된(Inclined) 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)가 상기 기판(110) 일측에 일정한 패턴을 갖고 형성될 수 있다.
종래에는 기울어진 나노구조체가 제작되는데 E-beam 리소그래피 방식을 이용하여 상당히 복잡한 제작공정을 거쳐야 되지만, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 스탠실 또는 마스킹 기반의 리소그래피를 이용하여 One-step으로 제작공정이 단순한 장점이 있다.
도 2는 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 통해서 확인한 것으로, 도 2의 (a)를 보면 종래 나노구조체는 나노 필러 어레이(Nano pillar array)가 기판에 수직으로 형성된 것을 확인할 수 있고, 도 2의 (b)를 보면 본 발명의 일실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)가 기판(110)에 소정각도로 기울어져 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 3의 (a)를 보면, 종래 나노구조체는 나노 필러 어레이(Nano pillar array)가 기판에 수직으로 형성됨으로써, 입사된 가시광선이 긴 파장(750nm 내지 550nm)에서 동일한 출력강도를 보이고 짧은 파장(551nm 내지 380nm)으로 갈수록 점점 작아지는 출력강도를 보임으로, 긴 파장을 구분할 수 없는 기술적 한계가 존재한다. 도 3의 (b)를 보면, 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해서 본 발명의 일실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 기울어져 형성된 상기 나노 필러 어레이(Inclined Nano pillar array)(120)를 포함함으로써, 입사되는 광원의 선형 편광이 달라짐에 따라 특정파장에서 공명정도가 극심하게 변화되어 급격한 반사도 차이가 발생하게 되고, 이에 따라 입사된 가시광선의 긴 파장(550nm 내지 750nm) 영역을 구분할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 4는 맥스웰 방정식 전산모사 시뮬레이션의 결과로 출력된 그래프로, 금(Au)으로 형성되고 기울어져 형성된 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)를 포함하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)에 선형 편광의 변화에 따른 공명파장에서의 급격한 반사도 변화를 확인할 수 있다. 편광각이 0도 내지 90도 사이 이내로 변화되면 특정파장인 652nm에서 광원이 반사되지 않고 대부분 흡수되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 특정파장인 700nm 부근에서는 편광각에 따라서 반사율이 상이한 것을 확인할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 급격한 반사율 사이는 편광각이 변화함에 따라 본 발명의 나노구조체(100)에서 발생하는 국소 표면 플라즈몬의 구배 및 공명 세기의 변화에 기인한 것임을 맥스웰 방정식 기반의 전산모사 시뮬레이션을 통해서 확인하였다.
한편, 본 발명은 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이에 따라서 반사율의 급격한 변화를 보이는 특정파장 즉, 공명파장이 변화될 수 있다. 여기서, 반사율의 급격한 변화를 보인다는 것은 가시광선 범위인 500nm 내지 750nm 범위이내에서 반사율이 가장 낮다는 말로 표현할 수 있다. 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이는 상기 기판(110)으로부터 기울어진 단면의 중심점까지의 거리를 일컫는다. 도 5를 보면, 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이가 300nm, 350nm및 400nm인 경우 가장 반사율이 낮은 파장이 각각 653nm, 625nm 및 624nm로 상이한 것을 확인할 수 있었다.
하기에서는 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)의 선형 편광 변화에 따른 특정파장에서의 급격한 변화를 보이는 이러한 특성을 이용한 선형 편광을 측정하는 장치를 구현하고자 한다. 이는, 종래 회절광학계 기반의 다소 복잡한 시스템으로 구성되어 있는 선형 편광 장치 보다 간단하게 구성될 수 있는 현저한 효과가 있다.
스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치
실시예 1
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)를 이용한 선형 편광 측정 장치를 표시한 도면이다. 도 7은 종래 나노구조체로부터 반사되어 출력된 파장에 대한 강도를 표시한 스펙트럼 및 편광각에 대한 반사율을 표시한 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)로부터 반사되어 출력된 파장에 대한 강도를 표시한 스펙트럼 및 편광각에 대한 반사율을 표시한 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 편광각(0p, 30p, 60p, 90p)에 따른 국소화된 전기장의 구배의 변화를 표시한 도면이다.
우선 도 6을 보면, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)를 이용한 선형 편광 측정 장치는 광원을 방출하는 레이저(1), 상기 광원을 선형 편광시키는 선형 편광판(2), 상기 선형 편광판(2)으로부터 선형 편광된 상기 광원의 편광축을 회전시킴으로써 편광각을 조절하는 반파장판(3), 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)에 입사될 수 있도록 편광축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터(4) 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 편광각에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기(5)를 포함한다.
이때, 상기 레이저(1)는 광대역의 파장을 가지는 백색광원일 수 있고, 예컨대 할로겐램프일 수 있다. 상기 선형 편광판(2)은 상기 광원의 진행 방향을 기준으로 수직 방향으로 편광시킬 수 있다. 그리고 상기 선형 편광판(2)으로부터 수직 선형 편광된 상기 광원의 편광축을 소정각도로 회전시킬 수 있다. 이때, 편광각은 0도 내지 90도 범위이내일 수 있다.
또한, 상기 레이저(1), 선형 편광판(2), 반파장판(3), 빔 스플리터(4) 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 일직선상에 배치될 수 있다. 이는, 광원의 진행방향을 고려한 것으로 결과적으로 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원이 상기 빔 스플리터(4)를 통해서 일직선상에 수직하게 배치된 상기 분광기(5)에 입사될 수 있다.
또한, 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 상술한 바와 같이 기판(110), 상기 기판(110)의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)를 포함하고, 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)는, 상기 기판(110)과 상기 기판(110) 일측에 인접하게 배치된 마스크(200)가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크(200)를 통과한 타겟물질(T)이 상기 기판(110)에 증착됨으로써 형성될 수 있다. 이때, 상기 타겟물질(T)은 금(Au)일 수 있고, 고체상 또는 액체상으로 용기(300)에 구비된 금(Au)이 가열부(400)에 의하여 가열됨으로써 상기 마스크(200) 일측 방향으로 증발 또는 기화된 후 상기 기판(110)에 증착된 것일 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 마스크(200)의 원형 천공부(210)를 통과한 금(Au)만이 상기 기판(110)에 증착될 수 있다. 이에 따라 나노 필러 어레이(Nano pillar array)가 상기 기판(110) 일측에 일정한 패턴을 갖고 형성될 수 있다.
종래에는 기울어진 나노구조체가 제작되는데 E-beam 리소그래피 방식을 이용하여 상당히 복잡한 제작공정을 거쳐야 되지만, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 스탠실 또는 마스킹 기반의 리소그래피를 이용하여 One-step으로 제작공정이 단순한 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이에 따라서 반사율의 급격한 변화를 보이는 특정파장 즉, 공명파장이 변화될 수 있다. 여기서, 반사율의 급격한 변화를 보인다는 것은 가시광선 범위인 500nm 내지 750nm 범위이내에서 반사율이 가장 낮다는 말로 표현할 수 있다. 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이는 상기 기판(110)으로부터 기울어진 단면의 중심점까지의 거리를 일컫는다.
다음으로, 상기 분광기(5)는 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 편광각에 따른 스펙트럼을 각각 계측할 수 있다. 이때, 상기 스펙트럼은 상기 편광각이 0도 내지 90도 범위이내에서 증가할수록, 700nm 내지 750nm 파장에서 강도(Intensity)와 반사율(Reflectance)이 0 내지 1 범위이내에서 지수함수적으로 증가할 수 있다.
도 7의 (a)를 보면, 상기 편광각이 0도 내지 90도 범위이내에서 10도 간격으로 변화하더라도 종래 나노구조체는 가시광선 범위인 550nm 내지 750nm에서 강도(Intensity)가 모두 동일한 것을 확인할 수 있다. 그리고 편광각에 대한 반사율을 보더라도 반사율이 0.6 내지 0.7 범위 이내로 거의 동일한 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 7의 (b)를 보면 본 발명의 일실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사되어 상기 분광기(5)에 입사된 광원의 경우, 상기 편광각이 0도 내지 90도 범위이내에서 10도 간격으로 변화하면 가시광선 파장범위 중 700nm 내지 750nm 파장에서 편광각별로 강도(Intensity)가 상당한 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 그리고 편광각에 대한 반사율을 보더라도 반사율이 0 내지 1범위에서 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명은 700nm 내지 750nm 파장에서의 강도(Intensity) 변화와 반사율(Reflectance) 변화를 이용하여 해당 파장을 감지하는 편광 센서 등으로 활용될 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 도 8은 맥스웰 방정식 solver 전산모사 시뮬레이션을 통한 이론적 검증으로부터 도출된 데이터이다. 본 발명의 일실시예에 따라 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사되어 상기 분광기(5)에 입사된 광원의 경우, 700nm 내지 750nm 파장에서 강도(Intensity)와 반사율(Reflectance)이 급격하게 변화되는 것이 편광각이 0도, 30도, 60도, 90도로 변화함에 따라 국소화된 전기장의 구배의 변화에 기인함을 해당 시뮬레이션을 통해서 확인할 수 있다.
따라서 종래 선형 편광 측정 장치는 회절광학계 기반의 다소 복잡한 시스템으로 구성되어 있으나, 본 발명은 종래 대비 선형 편광 변화를 간단하게 측정하고 분석할 수 있는 현저한 효과가 있다.
실시예 2
이하, 본 발명에 따른 이실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 이실시예에 따른 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)를 이용한 선형 편광 측정 장치를 표시한 도면이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 펄스레이저의 파장에 대한 강도 스펙트럼(a)과 밴드패스 필터(6)가 포함된 선형 편광 측정 장치의 파장에 대한 강도 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다. 도 11은 종래 나노구조체를 대상으로 밴드패스 필터(6)를 포함하는 편광 측정 장치로부터 출력된 파장별 각도에 대한 강도 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)를 대상으로 밴드패스 필터(6)를 포함하는 편광 측정 장치로부터 출력된 파장별 각도에 대한 강도 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다. 도 12는 종래 나노구조체를 대상으로 수평/수직 편광일 때 카메라로부터 촬영된 촬영본 및 스펙트럼(a)과 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조체(100)를 대상으로 수평/수직 편광일 때 카메라(7)로부터 촬영된 촬영본 및 스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
우선 도 9를 보면, 본 발명의 이실시예에 따르면 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)를 이용한 선형 편광 측정 장치는 광원을 방출하는 레이저(1),상기 광원의 광대역 파장에서 특정 파장만을 통과시키는 밴드패스 필터(6), 상기 밴드패스 필터(6)로부터 통과된 파장의 중심축을 회전시킴으로써 각도를 조절하는 반파장판(3), 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)에 입사될 수 있도록 파장의 중심축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터(4), 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 각도에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기(5) 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원의 광량을 측정하는 카메라(7)를 포함한다.
여기서, 상기 레이저(1)는 가장 바람직하게, 광대역 파장범위를 갖는 광원을 방출하는 펨토초 펄스 레이저일 수 있다.
또한, 상기 특정 파장은, 700nm 내지 750nm 파장을 통과시킬 수 있다. 그리고 상기 스펙트럼은, 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 각도가 0도 내지 90도 범위이내에서 증가할수록, 상기 특정 파장에서 강도(Intensity)가 0 내지 1 범위이내에서 지수함수적으로 증가할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 밴드패스 필터(6)는 상기 특정 파장으로 700nm 내지 750nm 범위이내 파장을 통과시킬 수 있고, 710nm 필터, 720nm 필터, 730nm 필터 및 740nm 필터 중 하나일 수 있다. 도 10의 (a)를 보면 상기 밴드패스 필터(6)를 통과하기 전 상기 레이저(1)로부터 방출된 상기 광원을 대상으로 파장에 대한 강도(Intensity)를 표시한 그래프를 확인할 수 있다. 즉, 모든 대역에서 강도(Intensity)가 확인됨으로 편광특성을 확인할 수 없다. 10의 (b)를 보면 상기 밴드패스 필터(6)를 통과한 후 상기 710nm 파장만이 통과된 상기 광원을 대상으로 파장에 대한 강도(Intensity)를 표시한 그래프를 확인할 수 있다. 이때, 710nm 필터를 통과한 상기 광원의 강도는 710nm 파장에서 유의미한 큰 값을 가질 수 있다. 720nm, 730nm 및 740nm 필터도 동일하다.
또한 도 11의 (a)를 보면, 종래 나노구조체로부터 반사된 광원을 대상으로 710nm, 720nm, 730nm 및 740nm 파장에 대해서 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 각도가 0도 내지 90도 범위이내에서 증가하더라도 상기 특정 파장에서 강도(Intensity)가 0.9 내지 1 범위이내에서 거의 동일함을 확인할 수 있다. 즉, 모든 대역에서 강도(Intensity)가 동일함으로 편광특성을 확인할 수 없다.
반면에, 도 11의 (b)를 보면, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 광원을 대상으로 710nm, 720nm, 730nm 및 740nm 파장에 대해서 상기 반파장판(3)으로부터 조절된 각도가 0도 내지 90도 범위이내에서 증가할수록, 상기 특정 파장에서 강도(Intensity)가 0 내지 1 범위이내에서 지수함수적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 이일실시예에 따른 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)를 이용한 선형 편광 측정 장치는 상기 카메라(7)를 이용하여 선형 편광을 측정할 수 있다.
도 12의 (a)를 보면, 종래 나노구조체에 상기 밴드패스 필터로 710nm 필터를 이용하여 710nm 파장만이 통과된 상기 광원이 상기 반파장판(3)에 입사될 수 있고, 상기 반파장판(3)을 통해서 710nm 파장의 중심축이 회전됨으로써 상기 수평편광 및 수직편광 되어 상기 카메라(7)에 입사될 수 있다. 그러면 상기 카메라(7)는 수평편광 및 수직편광 모두에서 광량이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 12의 (b)를 보면, 본 발명의 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)에 710nm 필터를 이용하여 710nm 파장만이 통과된 상기 광원이 상기 반파장판(3)에 입사될 수 있고, 상기 반파장판(3)을 통해서 710nm 파장의 중심축이 회전됨으로써 상기 수평편광 및 수직편광 되어 상기 카메라(7)에 입사될 수 있다. 그 결과, 상기 카메라(7)는 수평편광에서는 광량이 적고, 수직편광에서는 광량이 많아 광량의 급격한 변화를 확인할 수 있다.
도 10 내지 도 12에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)의 편광특성을 이용함으로써 710nm, 720nm, 730nm 및 740nm 파장을 상기 카메라(7)를 통한 광량의 변화 및 분광기(5)를 통한 강도(Intensity)의 변화를 측정 및 감지할 수 있는 현저한 효과가 있다. 이는 특정 파장을 측정할 수 있는 센서에 활용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 이실시예에 따라 상기 레이저(1), 밴드패스 필터(6), 반파장판(3), 빔 스플리터(4) 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 일직선상에 배치될 수 있다. 이는, 광원의 진행방향을 고려한 것으로 결과적으로 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)로부터 반사된 상기 광원이 상기 빔 스플리터(4)를 통해서 일직선상에 수직하게 배치된 상기 카메라(7) 및 분광기(5)에 입사될 수 있다.
따라서 종래 선형 편광 측정 장치는 회절광학계 기반의 다소 복잡한 시스템으로 구성되어 있으나, 본 발명은 종래 대비 선형 편광 변화를 간단하게 측정하고 분석할 수 있는 현저한 효과가 있다.
다음으로, 본 발명의 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는, 상술한 바와 같이 기판(110), 상기 기판(110)의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)를 포함한다. 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)는, 상기 기판(110)과 상기 기판(110) 일측에 인접하게 배치된 마스크(200)가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크(200)를 통과한 타겟물질(T)이 상기 기판(110)에 증착됨으로써 형성된다. 이때, 상기 타겟물질(T)은 금(Au)일 수 있고, 고체상 또는 액체상으로 용기(300)에 구비된 금(Au)이 가열부(400)에 의하여 가열됨으로써 상기 마스크(200) 일측 방향으로 증발 또는 기화된 후 상기 기판(110)에 증착된 것일 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 마스크(200)의 원형 천공부(210)를 통과한 금(Au)만이 상기 기판(110)에 증착될 수 있다. 이에 따라 기울어져 형성된 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)가 상기 기판(110) 일측에 일정한 패턴을 갖고 형성될 수 있다.
종래에는 기울어진 나노구조체가 제작되는데 E-beam 리소그래피 방식을 이용하여 상당히 복잡한 제작공정을 거쳐야 되지만, 본 발명의 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체(100)는 스탠실 또는 마스킹 기반의 리소그래피를 이용하여 One-step으로 제작공정이 단순한 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이에 따라서 반사율의 급격한 변화를 보이는 특정파장 즉, 공명파장이 변화될 수 있다. 여기서, 반사율의 급격한 변화를 보인다는 것은 가시광선 범위인 500nm 내지 750nm 범위이내에서 반사율이 가장 낮다는 말로 표현할 수 있다. 상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)(120)의 높이는 상기 기판(110)으로부터 기울어진 단면의 중심점까지의 거리를 일컫는다.
실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 필요한 작업을 수행하는 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되고 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
그리고 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈 또는 컴포넌트와 같은 컴퓨터 실행 가능 명령어들의 일반적인 맥락에서 설명될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈 또는 컴포넌트들은 특정 작업을 수행하거나 특정 데이터 형식을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 데이터 구조를 포함한다. 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 처리 디바이스들에 의해 작업들이 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 실시될 수도 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 메모리 저장 디바이스들을 포함하는 로컬 및 원격 컴퓨터 저장 매체에 둘 다에 위치할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 으로 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100.. 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체
110.. 기판
120.. 나노 필러 어레이(Nano pillar array)
200.. 마스크
210.. 원형 천공부
300.. 용기
400.. 가열부
T.. 타겟물질
1.. 레이저
2.. 선형 편광판
3.. 반파장판
4.. 빔 스플리터
5.. 분광기
6.. 밴드패스 필터
7.. 카메라

Claims (8)

  1. 기판; 및
    상기 기판의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array);를 포함하고,
    상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)는,
    상기 기판과 상기 기판 일측에 인접하게 배치된 마스크가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크를 통과한 타겟물질이 상기 기판에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 타겟물질은,
    상기 마스크 일측과 마주보도록 배치된 용기에 구비되고, 가열부에 의하여 가열됨으로써 상기 마스크 일측 방향으로 증발 또는 기화되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크는,
    동일한 지름을 갖는 다수 개의 원형 천공부;를 포함하고,
    상기 다수 개의 원형 천공부 중에서 인접하는 3개의 원형 천공부가 각각 정삼각형을 이루도록 지그재그 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체.
  4. 광원을 방출하는 레이저;
    상기 광원을 선형 편광시키는 선형 편광판;
    상기 선형 편광판으로부터 선형 편광된 상기 광원의 편광축을 회전시킴으로써 편광각을 조절하는 반파장판;
    스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체에 입사될 수 있도록 편광축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터; 및
    상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판으로부터 조절된 편광각에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기;를 포함하고,
    상기 레이저, 선형 편광판, 반파장판, 빔 스플리터 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체는 일직선상에 배치되고,
    상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체는,
    기판;
    상기 기판의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array);를 포함하고,
    상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)는,
    상기 기판과 상기 기판 일측에 인접하게 배치된 마스크가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크를 통과한 타겟물질이 상기 기판에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스펙트럼은,
    상기 편광각이 0도 내지 90도 범위이내에서 증가할수록, 700nm 내지 750nm 범위이내 파장에서 강도(Intensity)와 반사율(Reflectance)이 0 내지 1 범위이내에서 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치.
  6. 광원을 방출하는 레이저;
    상기 광원의 광대역 파장에서 특정 파장만을 통과시키는 밴드패스 필터;
    상기 밴드패스 필터로부터 통과된 파장의 중심축을 회전시킴으로써 각도를 조절하는 반파장판;
    스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체에 입사될 수 있도록 파장의 중심축이 회전된 상기 광원을 분리하는 빔 스플리터;
    상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원을 대상으로 상기 반파장판으로부터 조절된 각도에 따른 스펙트럼을 각각 계측하는 분광기; 및
    상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체로부터 반사된 상기 광원의 광량을 측정하는 카메라;를 포함하고,
    상기 레이저, 밴드패스 필터, 반파장판, 빔 스플리터 및 상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체는 일직선상에 배치되고,
    상기 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체는,
    기판;
    상기 기판의 일측 표면에서 동일한 방향으로 기울어져 형성된 나노 필러 어레이(Nano pillar array);를 포함하고,
    상기 나노 필러 어레이(Nano pillar array)는,
    상기 기판과 상기 기판 일측에 인접하게 배치된 마스크가 소정각도로 기울어진 상태에서 상기 마스크를 통과한 타겟물질이 상기 기판에 증착됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 특정 파장은,
    700nm 내지 750nm 범위이내 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스펙트럼은,
    상기 반파장판으로부터 조절된 각도가 0도 내지 90도 범위이내에서 증가할수록, 상기 특정 파장에서 강도(Intensity)가 0 내지 1 범위이내에서 지수함수적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스탠실 리소그래피 기반의 기울임 플라즈모닉 나노구조체를 이용한 선형 편광 측정 장치.
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