WO2016093569A1 - 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2016093569A1
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정기훈
정혁진
강민희
박문성
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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    • D21H19/02—Metal coatings
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    • D21H27/00—Special paper not otherwise provided for, e.g. made by multi-step processes
    • D21H27/02—Patterned paper

Definitions

  • the present invention relates to a plasmonic paper and a method for producing the same, and more particularly, to a plasmonic paper and a method for producing the plasmonic nanostructure formed on the surface of the paper.
  • the surface plasmon resonance (SPR) characteristics are exhibited by the behavior of the free electrons and thus have unique optical properties.
  • the surface plasmon resonance refers to a phenomenon in which free electrons of a metal surface vibrate collectively due to resonance of a specific energy of light when the light is incident between the surface of the metal nanoparticle, which is a conductor, and a dielectric such as air and water.
  • the surface plasmon generated in the nanometer-sized metal structure is called Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR), and the local surface plasmon resonance is a biosensor as well as biomolecule detection that is difficult to measure by amplifying an optical signal.
  • LSPR Localized Surface Plasmon Resonance
  • Surface-enhanced Raman scattering, metal-enhanced fluorescence, and localized surface plasmon resonance mutations can be used to detect the local surface plasmon resonance and use it for precise detection of molecules or biosensors.
  • Surface-Enhanced Raman Scatting refers to a phenomenon in which Raman Scatting is amplified from 7 to 9 powers of 10 by local surface plasmon resonance occurring on a rough metal surface.
  • each molecule has its own quantized energy state due to its vibration and rotation depending on its molecular structure. Depending on the energy state, the light is absorbed into an excited state and then returned to the ground state, releasing energy in its original form.
  • Raman scattering shows the inherent properties of the material. Raman scattering signal is displayed even if there is only one molecule. There is an easy advantage.
  • the metal enhanced fluorescence refers to a phenomenon in which a fluorescence signal is amplified by using local surface plasmon resonance as in the surface enhanced Raman scattering described above.
  • the local surface plasmon resonance variation may be used for precise detection of molecules by detecting a slight change in the wavelength of the local surface plasmon resonance by using an optical refractive index having a light weight depending on the concentration of the sample.
  • plasmonic nanostructures In order to use the surface enhanced Raman scattering, metal enhanced fluorescence, and localized surface plasmon resonance variations described above, plasmonic nanostructures must be formed on the test material.
  • an object of the present invention is to induce local surface plasmon resonance on the paper surface to form a plasmonic nanostructure, thereby amplifying the effect of fluorescence and Raman scattering and local surface plasmon Since the variation sensitivity of resonance can be obtained, it is to provide a plasmonic paper capable of high-sensitivity detection of a biochemical sample including a biomolecule and a manufacturing method thereof.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention are characterized in that the target material of the paper material containing cellulose and plasmonic nanostructures are formed on the surface of the target material.
  • the plasmon material is characterized in that the formed spaced apart.
  • the plasmonic nanostructure is characterized in that the granulated plasmon material is formed spaced at intervals of less than the wavelength of light.
  • the plasmon material may be any one selected from a metal, an alloy, a conductive oxide including indium tin oxide (ITO), a semiconductor including silicon, a nitride semiconductor, an oxide semiconductor, an amorphous semiconductor, a low molecular compound, and a carbon compound. It is characterized by one or more.
  • ITO indium tin oxide
  • the plasmon material is characterized in that it comprises a metal of any one or more selected from silver, gold, platinum, aluminum, iron, zinc, copper, tin, nickel, and alloys of any one or more selected from bronze, brass.
  • the manufacturing method of the plasmonic paper Deposition step of depositing and applying a plasmon material on the surface of the target material; And a granulation step of granulating the plasmon material deposited in the deposition step.
  • the deposition step is characterized in that to deposit the plasmon material to a thickness of 1nm to 50nm.
  • the granulation step is characterized in that using a heat treatment method at 30 °C to 160 °C.
  • the granulation step is characterized in that it is carried out in any one selected from inert gas, vacuum, air.
  • the inert gas is characterized in that any one or more selected from nitrogen, argon, helium, neon, krypton, xenon.
  • the plasmonic paper according to the present invention and a method for producing the same have a plasmonic nanostructure that induces local surface plasmon resonance on the surface of the paper, so that the amplification effect of fluorescence and Raman scattering and variation sensitivity of local surface plasmon resonance can be obtained.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention form a plasmonic paper having a plasmonic nanostructure that induces local surface plasmon resonance, thereby producing a plasmonic sensing substrate having a large-area local surface plasmon resonance structure.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention form a plasmonic paper having a plasmonic nanostructure inducing local surface plasmon resonance, and thus, highly sensitive measurements can be made even with a very small amount of sample solution using the absorbency of the paper. There is an advantage.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention have an advantage that can be applied to various plasmonic sensing by forming a plasmonic paper in which plasmonic nanostructures are formed to induce localized surface plasmon resonance.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention form a plasmonic paper in which plasmonic nanostructures inducing local surface plasmon resonance are formed only on the surface of the paper, thereby absorbing natural moisture using the absorbency of the paper ( There is an advantage that can be separated and measured without affecting the hygroscopic nature.
  • the plasmonic paper and the manufacturing method thereof according to the present invention form a plasmonic paper in which a plasmonic nanostructure inducing local surface plasmon resonance is formed on the paper surface, whereby the substrate is formed of a paper material and is flexible, and the plasmonic There is an advantage that it is easy to form the structure.
  • FIG. 1 shows a plasmonic paper according to the invention.
  • FIG. 2 is a view showing a manufacturing method of plasmonic paper according to the present invention.
  • Figure 3 is another view showing the manufacturing method of the plasmonic paper according to the present invention.
  • Figure 4 is a plasmon material according to the invention showing the density of the nano-island (nano-island) according to the thickness and the wavelength of the local surface plasmon resonance.
  • FIG. 5 is a view showing the heat treatment test results of the granulation step of the manufacturing method of the plasmonic paper according to the present invention.
  • the plasmonic paper according to the present invention forms a plasmonic nanostructure 200 that induces local surface plasmon resonance on a target material (paper) 100, thereby amplifying the effect of fluorescence and Raman scattering and sensitivity of local surface plasmon resonance variation. Since it can be obtained, the present invention relates to a plasmonic paper capable of high sensitivity detection of biochemical samples including biological molecules.
  • the plasmonic paper according to the present invention is characterized in that the plasmonic nanostructure 200 is formed on the surface of the target material 100 of the paper material containing cellulose (cellulose),
  • the morphic nanostructure 200 is characterized in that the granulated plasmon material 210 is formed spaced apart.
  • the target material 100 is formed of a paper containing cellulose which is used as a mass of paper or textile fibers, and the target material 100 is formed of a paper material, thereby using the absorbency of paper. Therefore, there is an advantage that high sensitivity can be measured even with a very small amount of sample solution.
  • the substrate on which the plasmonic structure is formed is not only flexible to form various types of plasmonic structures, but also has an advantage of easily forming plasmonic structures.
  • the plasmonic paper according to the present invention has an advantage in terms of cost efficiency compared to conventional expensive substrates by forming the substrate from the target material 100 of the paper material.
  • the plasmonic nanostructure 200 is a plasmon material 210 is granulated to form a nano island (nano island), the nano islands are spaced apart is formed on the surface of the target material (100) do.
  • the distance between the nano-islets that is, the period of the plasmonic nano-structure 200 is recommended to be formed spaced apart to the size of the light wavelength or less for the induction of Raman scattering, various sizes depending on the test purpose and the surrounding environment Of course, the embodiment is formed to be spaced apart.
  • the plasmon material 210 is selected from a metal, an alloy, a conductive oxide including indium tin oxide (ITO), a semiconductor including silicon, a nitride semiconductor, an oxide semiconductor, an amorphous semiconductor, a low molecular compound, and a carbon compound. It is characterized by any one or more.
  • ITO indium tin oxide
  • plasmon material 210 with silver (Ag) for the metal, but if it is a material capable of inducing local surface plasmon resonance, gold (Au), platinum (Pt), aluminum (Al), iron ( Fe), zinc (Zn), copper (Cu), tin (Sn), nickel (Ni) and the like can of course be used.
  • the alloy forming the plasmon material 210 an alloy of the metals described above is used, and bronze and copper and zinc alloys, such as bronze and copper, may be used.
  • Parylene may be used as the low molecular weight compound, and polymer carbon compound, carbon nanotube (CNT), graphite, and graphene may be used as the carbon compound.
  • CNT carbon nanotube
  • graphite graphite
  • graphene graphene
  • the plasmonic paper according to the present invention has a plasmonic nanostructure 200 formed on the surface of the target material 100 of the paper material, thereby amplifying the fluorescence and Raman scattering effect and the sensitivity of mutation of the local surface plasmon resonance. Since it can be obtained, not only has the advantage that high sensitivity detection of biochemical samples including biomolecules can be obtained, but also has the advantage of enabling mass production of plasmonic sensing substrates having a large-area local surface plasmon resonance structure.
  • the plasmonic paper according to the present invention forms a plasmonic nanostructure 200 in the target material 100 of a good absorbent paper material, so that the high sensitivity can be measured even with a very small amount of sample solution using the absorbency of the paper.
  • the target material 100 of the paper material in place of the test material in which the conventional plasmonic nanostructure 200 is formed, there is an advantage that can be variously applied to the formation of plasmonic sensing.
  • the manufacturing method of the plasmonic paper according to the present invention is a deposition step (S100) and the deposition step (deposited by applying a plasmon material 210 on the surface of the target material 100) It characterized in that it comprises a granulation step (S200) for granulating the plasmon material 210 deposited in S100.
  • the deposition step (S100) is a step of depositing a plasmon material 210 on the surface of the target material 100, characterized in that formed in a thickness of 1nm to 50nm. It is done.
  • the granulation step is a step of forming a nano-island formed by granulating the plasmon material 210 deposited on the surface of the target material 100, As described above, the nano-islets are formed to be spaced apart at intervals equal to or less than the wavelength of light.
  • the method of granulating the plasmon material 210 in the granulation step may be a granulation of the plasmon material 210 by using a heat treatment method, laser processing, electromagnetic wave irradiation, and the like, in addition to the method described above
  • a heat treatment method laser processing, electromagnetic wave irradiation, and the like
  • embodiments of various granulation methods are possible.
  • the granulation step may perform the granulation of the plasmon material 210 in the air, but may perform the granulation of the plasmon material 210 in a vacuum or inert gas to increase the stability of the granulation work. .
  • FIG. 4 is a view showing the density of the nano-islets according to the thickness of the plasmon material 210 according to the present invention and the wavelength of the local surface plasmon resonance.
  • the thickness of the plasmon material 210 is formed to a thickness in the range of 1nm to 50nm as described above, the plasmon material 210 used is used as silver.
  • the thickness of the plasmon material 210 is 10 nm
  • the density of the formed nanoisles is the highest
  • the wavelength of the local surface plasmon resonance is formed the largest when the nm is 10 nm.
  • the thickness of the plasmon material 210 can be formed in the range of 1 nm to 50 nm depending on the wavelength size and the test environment of the local surface plasmon resonance to be output, but the largest wavelength output of the local surface plasmon resonance for high density measurement In order to do so, it is recommended to deposit the plasmon material 210 at 10 nm and granulate it as described above.
  • the target material is formed of a paper material containing cellulose, and since the cellulose is an organic material, in the plasmonic paper manufacturing method according to the present invention, the granulation step is performed by heat treating the target material at an appropriate temperature. You must be angry.
  • cellulose which is an organic material
  • optical noise absorption, fluorescence, and Raman scattering
  • the present inventors derived the heat treatment temperature 30 °C to 160 °C through the test to minimize the noise of the substrate due to the heat treatment at the same time high-sensitivity surface enhancement Raman signal measurement.
  • the plasmonic paper according to the present invention can separate the mixture by combination with paper chromatography and perform plasmonic character detection.
  • the molecules separated at the color sensing positions of the fuel molecules (CR, TB, CV) in the aqueous mixture can be clearly distinguished from each other, and the corresponding absorption peaks can be identified.
  • the plasmonic paper according to the present invention has the advantage of using paper chromatography to separate the mixture and perform ultra-sensitive plasmonic detection.
  • the plasmonic paper according to the present invention has an advantage that it can be used in various fields by forming a plasmonic structure on a target material made of a flexible paper material.

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

본 발명은 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종이재질의 대상물질 표면에 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조를 형성함으로써, 형광 및 라만산란의 증폭효과와 국소 표면 플라즈몬 공명의 변이 민감성을 획득할 수 있으므로, 생체 분자를 비롯한 생화학 시료의 고감도 검출이 가능한 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법
본 발명은 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종이 표면에 플라즈모닉 나노 구조가 형성된 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
도체인 금속의 내부에는 수많은 자유 전자들이 존재하며, 자유 전자는 금속 원자에 속박되어 있지 않으므로, 외부의 특정 자극에 쉽게 감응할 수 있다.
특히, 금속의 크기가 나노 크기가 되면 이러한 자유 전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 특성이 나타나 독특한 광학적 성질을 가지게 된다.
상기 표면 플라즈몬 공명은 도체인 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인해 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다.
이 때, 나노미터 크기의 금속 구조에서 발생한 표면 플라즈몬을 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)이라 하며, 상기 국소 표면 플라즈몬 공명은 광학신호를 증폭시키면 측정하기 힘든 생체 분자 검출은 물론 바이오센서에 이용할 수 있다.
상기 국소 표면 플라즈몬 공명을 감지하여 분자의 정밀 검출 또는 바이오센서에 이용하기 위해서는 표면증강 라만산란, 금속증강 형광 및 국소 표면 플라즈몬 공명 변이를 이용할 수 있다.
상기 표면증강 라만산란(Surface-Enhanced Raman Scatting)은 거친 금속 표면에서 일어나는 국소 표면 플라즈몬 공명에 의해 라만산란(Raman Scatting)이 10의 7승에서 9승까지 증폭되는 현상을 말한다.
라만산란에 대해 좀 더 상세하게 설명하자면, 각각의 분자는 분자 구조에 따라 고유한 진동, 회전에 따른 양자화된 에너지 상태를 가지고 있는데, 분자에 단파장의 빛을 조사하게 되면 빛을 받은 분자는 고유한 에너지 상태에 따라 빛을 흡수하여 들뜬 상태(excited state)가 되었다가 다시 원래 빛의 형태로 에너지를 방출하면서 바닥 상태(ground state)로 돌아가게 된다.
이 때, 방출하는 다양한 빛 중에서 적색 편이된 빛을 방출하는 현상을 스토크스-라만 편이(Stokes-Raman Shift)라 하며, 이 현상을 라만산란이라고 한다.
즉, 각각의 분자는 분자 구조에 따라 고유한 에너지 상태를 가지고 있기 때문에 라만산란은 물질의 고유한 성질을 나타내며, 하나의 분자만 있더라도 라만산란 신호가 나타나기 때문에 극미량의 시료를 사용하여도 시료 검출이 용이한 장점이 있다.
상기 금속증강 형광(Metal Enhanced Fluorescence)은 상기에 기재된 표면증강 라만산란처럼 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용해 형광 신호가 증폭되는 현상을 말한다.
상기 국소 표면 플라즈몬 공명 변이는 시료의 농동에 따라 광학 굴절률이 벼하는 것을 이용하여 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장이 미세하게 변화함을 감지하여 분자의 정밀 검출에 이용할 수 있다.
상기에 기재된 표면증강 라만산란, 금속증강 형광 및 국소 표면 플라즈몬 공명 변이를 이용하기 위해서는 시험물질에 플라즈모닉 나노 구조를 형성하여야 한다.
그러나 일반적으로 시험물질에 플라즈모닉 나노 구조를 형성하기 위해서는 한정된 시험물질에 플라즈모닉 나노 구조를 형성해야 하므로, 대면적 플라즈모닉 나노 구조를 형성하기 어려우며, 시험물질에 라만산란을 위한 플라즈모닉 나노 구조 형성에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
아울러, 종래의 플라즈모닉 기판들은 대부분 유연하지 않아 다양한 형태의 플라즈모닉 구조를 형성하기 어려우며, 가격이 비싼 단점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종이 표면에 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하여 플라즈모닉 나노 구조를 형성함으로써, 형광 및 라만산란의 증폭효과와 국소 표면 플라즈몬 공명의 변이 민감성을 획득할 수 있으므로, 생체 분자를 비롯한 생화학 시료의 고감도 검출이 가능한 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 셀룰로스(cellulose)를 포함하는 종이재질의 대상물질과, 상기 대상물질 표면에 플라즈모닉 나노 구조가 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 플라즈모닉 나노 구조는 입자화된 플라즈몬물질들이 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 플라즈모닉 나노 구조는 상기 입자화된 플라즈몬물질들이 광파장 이하의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈몬물질은 금속, 합금, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)을 포함하는 전도성 산화물, 실리콘을 포함하는 반도체, 질화물 반도체, 산화물 반도체, 비결정 반도체, 저분자 화합물, 탄소 화합물 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 플라즈몬물질은 은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 니켈 중 선택되는 어느 하나 이상인 금속과, 청동, 황동 중 선택되는 어느 하나 이상인 합금을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 플라즈모닉 종이의 제조방법에 있어서, 상기 대상물질 표면에 플라즈몬물질을 증착하여 도포하는 증착단계; 및 상기 증착단계에서 증착된 플라즈몬물질을 입자화하는 입자화단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증착단계는 상기 플라즈몬물질을 1nm 내지 50nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 입자화단계는 30℃ 내지 160℃에서 열처리 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 입자화단계는 불활성기체, 진공, 대기 중 선택되는 어느 하나에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 불활성기체는 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 종이 표면에 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조를 형성함으로써, 형광 및 라만산란의 증폭효과와 국소 표면 플라즈몬 공명의 변이 민감성을 획득할 수 있으므로, 생체 분자를 비롯한 생화학 시료의 고감도 검출이 가능한 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조가 형성된 플라즈모닉 종이를 형성함으로써, 대면적 국소 표면 플라즈몬 공명 구조를 가지는 플라즈모닉 센싱 기판의 양산을 가능하게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조가 형성된 플라즈모닉 종이를 형성함으로써, 종이의 흡수성을 이용하여 극미량의 시료용액으로도 고감도 측정이 가능한 장점이 있다.
또, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조가 형성되는 플라즈모닉 종이를 형성함으로서, 다양한 플라즈모닉 센싱에 적용 가능한 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조가 종이 표면에만 형성되는 플라즈모닉 종이를 형성함으로써, 종이의 흡수성을 이용하여 자연적인 습기의 흡수(hygroscopic nature)에 영향 없이 분리 및 측정 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조가 종이 표면에 형성되는 플라즈모닉 종이를 형성함으로써, 기판이 종이 재질로 형성되어 유연하며, 플라즈모닉 구조를 형성하기 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이의 제조 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이의 제조 방법을 나타낸 또 다른 도면.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈몬물질이 두께에 따른 나노섬(nano-island)의 밀도 및 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이의 제조 방법 중 입자화단계의 열처리 시험 결과를 나타낸 도면.
이하, 상기한 바와 같은 특징을 가지는 플라즈모닉 종이 및 이의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 대상물질(종이)(100)에 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 플라즈모닉 나노 구조(200)를 형성함으로써, 형광 및 라만산란의 증폭 효과와 국소 표면 플라즈몬 공명 변이의 민감성을 획득할 수 있으므로, 생체 분자를 비롯한 생화확 시료의 고감도 검출이 가능한 플라즈모닉 종이에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 셀룰로스(cellulose)를 포함하는 종이 재질의 대상물질(100) 표면에 플라즈모닉 나노 구조(200)가 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 플라즈모닉 나노 구조(200)는 입자화된 플라즈몬물질(210)들이 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 대상물질(100)은 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되는 셀룰로스를 포함하는 종이로 형성되며, 상기 대상물질(100)은 종이 재질로 형성됨으로써, 종이의 흡수성을 이용하여 극미량의 시료 용액으로도 고감도 측정이 가능한 장점이 있다.
또한, 종이재질로 형성됨으로써, 플라즈모닉 구조가 형성되는 기판이 유연하여 다양한 형태의 플라즈모닉 구조를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈모닉 구조를 형성하기 용이한 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 기판을 종이재질의 대상물질(100)로 형성함으로써, 종래의 가격이 비싼 기판들에 비해 가격 측면에서도 효율적인 장점이 있다.
상기 플라즈모닉 나노 구조(200)는 입자화된 플라즈몬물질(210)들이 입자화되어 나노섬(nano island)을 형성하게 되며, 상기 나노섬들이 이격되어 대상물질(100) 표면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 나노섬 간의 이격거리 즉, 상기 플라즈모닉 나노 구조(200)의 주기는 라만산란의 유도를 위해 광파장 이하의 크기로 이격되어 형성되는 것이 권장되나, 시험 목적 및 주변 환경에 따라 다양한 크기로 이격되어 형성되는 실시예가 가능함은 물론이다.
상기 플라즈몬물질(210)은 금속, 합금, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)을 포함하는 전도성 산화물, 실리콘을 포함하는 반도체, 질화물 반도체, 산화물 반도체, 비결정 반도체, 저분자 화합물, 탄소 화합물 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
즉, 상기에 기재된 물질 중 적어도 어느 하나를 이용하거나, 둘 이상을 혼합하여 사용 가능함은 물론이다.
상기 금속에는 은(Ag)으로 플라즈몬물질(210)을 형성하는 것이 권장되나, 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도할 수 있는 물질이라면 은 외에도 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 철(Fe), 아연(Zn), 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni) 등을 이용 가능함은 물론이다.
상기 플라즈몬물질(210)을 형성하는 합금에는 상기에 기재된 금속들의 합금이 이용되며, 구리와 주석계의 합금인 청동(bronze) 및 구리와 아연계 합금인 황동(brass) 등이 이용 가능하다.
상기 저분자 화합물에는 패럴린(parylene)등이 이용될 수 있으며, 상기 탄소 화합물에는 고분자 탄소 화합물, CNT(carbon nano tube), 흑연 및 그래핀(graphene) 등이 이용될 수 있다.
상기에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 종이재질의 대상물질(100) 표면에 플라즈모닉 나노 구조(200)가 형성됨으로써, 형광 및 라만산란의 증폭효과와 국소 표면 플라즈몬 공명의 변이 민감성을 획득할 수 있으므로, 생체 분자를 비롯한 생화학 시료의 고감도 검출이 가능한 장점이 있을 뿐만 아니라, 대면적 국소 표면 플라즈몬 공명 구조를 가지는 플라즈모닉 센싱 기판의 양산을 가능하게 하는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 흡수성이 좋은 종이재질의 대상물질(100)에 플라즈모닉 나노 구조(200)를 형성함으로써, 종이의 흡수성을 이용하여 극미량의 시료용액으로도 고감도 측정이 가능한 장점이 있으며, 종래의 플라즈모닉 나노 구조(200)가 형성되는 시험물질을 대신하여 종이재질의 대상물질(100)을 이용함으로써, 플라즈모닉 센싱 형성에 다양하게 적용될 수 있는 장점이 있다.
상기에 기재된 플라즈모닉 종이의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이의 제조 방법은 상기 대상물질(100) 표면에 플라즈몬물질(210)을 증착하여 도포하는 증착단계(S100)와 상기 증착단계(S100)에서 증착된 상기 플라즈몬물질(210)을 입자화하는 입자화단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 증착단계(S100)는 대상물질(100) 표면에 플라즈몬물질(210)을 증착하는 단계로서, 1nm 내지 50nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 입자화단계는 대상물질(100) 표면에 증착된 플라즈몬물질(210)을 입자화시켜, 이격되어 형성되는 나노섬을 형성하는 단계로서, 상기에 기재된 바와 같이, 광파장 이하의 간격으로 이격되도록 나노섬을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 입자화단계에서 상기 플라즈몬물질(210)을 입자화하는 방법은 열처리 방법을 이용하여 플라즈몬물질(210)을 입자화할 수 있으며, 상기에 기재된 방법 외에 공지된 기술인 레이저 가공, 전자기파 조사 등 다양한 입자화 방법의 실시예가 가능함은 물론이다.
상기에 기재된 입자화 방법은 종래의 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 열처리를 이용한 상기 플라즈몬물질(210)을 입자화하기 위해서는 30℃ 내지 160℃의 온도에서 입자화하는 것이 권장된다.
아울러, 상기 입자화단계는 대기 중에서 플라즈몬물질(210)의 입자화를 수행할 수 있으나, 입자화 작업의 안정성을 높이기 위해 진공 또는 불활성기체 내에서 플라즈몬물질(210)의 입자화를 수행할 수 있다.
<본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 제조 방법의 증착단계에서 증착되는 플라즈몬물질의 증착 두께>
도 4는 본 발명에 다른 플라즈몬물질(210)의 두께에 따른 나노섬의 밀도 및 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장을 나타낸 도면이다.
이 때, 플라즈몬물질(210)의 두께는 상기에 기재된 바와 같이 1nm 내지 50nm의 범위의 두께로 형성되며, 사용되는 플라즈몬물질(210)은 은으로 이용되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈몬물질(210)의 두께가 10nm일 때, 형성되는 나노섬의 밀도가 가장 높았으며, 10nm일 때 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장이 가장 크게 형성되는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 플라즈몬물질(210)의 두께는 출력하고자 하는 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장 크기 및 시험환경에 따라 1nm 내지 50nm의 범위로 형성 가능하나, 고밀도 측정을 위해 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장을 가장 크게 출력하기 위해서는 상기에 기재된 바와 같이 10nm로 플라즈몬물질(210)을 증착하여 입자화하는 것이 권장된다.
<본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 제조 방법에서 플라즈몬물질을 열처리하기 위한 온도>
본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 셀룰로스를 포함하는 종이재질로 대상물질이 형성되며, 셀룰로스는 유기물질이므로, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이 제조 방법에서 입자화단계는 대상물질을 적정 온도에서 열처리 하여 입자화해야 한다.
즉, 유기물질인 셀룰로스는 열변성에 따른 종이재질의 기판의 광학적 노이즈(흡광, 형광, 라만산란)가 현격하게 증가함으로써, 고감도 표면 증강 라만 분광신호의 검출이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
이에 본 출원인은 열처리에 따른 기판의 잡음은 최소화하는 동시에 고감도 표면 증강 라만 신호 측정이 가능한 열처리 온도인 30℃ 내지 160℃를 시험을 통하여 도출하였다.
(1:열처리 온도가 200℃, 2:열처리 온다가 180℃, 3:열처리 온도가 160℃, 4:열처리를 하지 않은 경우)
<본 발명에 따른 플라즈모닉 종이와 크로마토 그래피의 조합에 의한 실시예>
본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 종이 크로마토 그래피와의 조합에 의해 혼합물질을 분리하고, 플라즈모닉 특성 검출을 수행할 수 있다.
이는 플라즈모닉 종이의 크로마토 그래피 분리 후, 수성 혼합물에 연료 분자(CR, TB, CV)의 색채 감지 위치에서 분리된 분자는 각각 명확하게 구별 가능하며, 그에 대응되는 흡수 피크를 확인할 수 있다.
또한, 크로마토 그래피 분리 후, 라벨 없이 표면증강 라만산란의 측정을 수행할 수 있다.
이는 크로마토 그래피 분리 후, 매우 낮은 농도로 혼합된 염료 분자의 형광 신호가 플라즈모닉 종이에 흡수되어 명확한 분할을 보여줄 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 종이 크로마토 그래피를 이용해, 혼합물질을 분리하고 초고감도 플라즈모닉 검출을 수행할 수 있는 장점이 있다.
이는 종래의 플라즈모닉 센서로는 실현이 불가능한 것으로, 본 발명에 따른 플라즈모닉 종이는 유연한 종이 재질의 대상물질에 플라즈모닉 구조를 형성함으로써, 다양한 분야에서 이용 가능한 장점이 있다.
[부호의 설명]
100 : 대상물질
200 : 플라즈모닉 나노 구조
210 : 플라즈몬물질
S100 : 증착단계
S200 : 입자화단계

Claims (9)

  1. 셀룰로스(cellulose)를 포함하는 종이재질의 대상물질과,
    상기 대상물질 표면에 플라즈모닉 나노 구조가 형성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 플라즈모닉 나노 구조는
    입자화된 플라즈몬물질들이 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 나노 구조는
    상기 입자화된 플라즈몬물질들이 광파장 이하의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈몬물질은
    금속, 합금, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)을 포함하는 전도성 산화물, 실리콘을 포함하는 반도체, 질화물 반도체, 산화물 반도체, 비결정 반도체, 저분자 화합물, 탄소 화합물 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 플라즈몬물질은
    은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 니켈 중 선택되는 어느 하나 이상인 금속과,
    청동, 황동 중 선택되는 어느 하나 이상인 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 선택되는 어느 한 항에 기재된 플라즈모닉 종이의 제조방법에 있어서,
    상기 대상물질 표면에 플라즈몬물질을 증착하여 도포하는 증착단계; 및
    상기 증착단계에서 증착된 플라즈몬물질을 입자화하는 입자화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 증착단계는
    상기 플라즈몬물질을 1nm 내지 50nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이 제조 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 입자화단계는
    30℃ 내지 160℃에서 열처리 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이 제조 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 입자화단계는
    불활성기체, 진공, 대기 중 선택되는 어느 하나에서 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이 제조 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 불활성기체는
    질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 종이 제조 방법.
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