WO2018038427A1 - 원거리장 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체 - Google Patents

원거리장 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체 Download PDF

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field plasmonic
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김건희
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Definitions

  • the present invention relates to a visible light lens that can be applied to an optical microscope, and more particularly, a far field that can measure the shape information below the diffraction limit of light using surface plasmon resonance induced by the metal nanostructure.
  • (far-field) plasmonic lenses and far-field plasmonic lens assemblies are used.
  • Optical microscopes are an important tool for microstructure analysis, and are widely used in basic sciences such as physics, chemistry, biology, and medicine.
  • the general optical lens applied to the optical microscope cannot distinguish an object having a size smaller than the half wavelength of the applied wavelength due to the diffraction limit of light, so that the resolution in the visible region is 200 to 300 nm.
  • the level is recognized as a limit.
  • SRP Surface plasmon resonance
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and using a surface plasmon resonance phenomenon, a far-field plasmonic lens for visible light that can measure the shape information below the diffraction limit of light It is to provide.
  • the present invention also provides a far-field far-field for visible light that can greatly improve focal length and spatial focus rate through an optimal design structure of a periodically arranged nanostructure formed on the base substrate and the base substrate. field) to provide a plasmonic lens.
  • a plurality of far-field plasmonic lenses having different resonance wavelengths and focusing distances are arranged, so that a far-field plasmonic lens can be easily used by changing the plasmonic lens as needed. To provide an assembly.
  • a far-field plasmonic lens includes: a base substrate having a positive dielectric constant; And a nanostructure array having a negative dielectric constant and extending in a longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate, wherein the nanostructure array comprises a first nanostructure formed at a central position; It includes a plurality of second nanostructures spaced apart about one nanostructure.
  • the plurality of second nanostructures may be spaced apart at regular intervals about the first nanostructure.
  • the second nanostructure may be formed on an upper surface of the base substrate, and the first nanostructure may be formed by inserting at least a portion of the first nanostructure in a vertical lower direction based on the upper surface of the base substrate.
  • the first nanostructure may be formed to have a vertical length higher than the vertical length of the second nanostructure with respect to the upper surface of the base substrate.
  • the nanostructure array may include at least two first nanostructures.
  • the base substrate is formed of a dielectric
  • the first and second nanostructures may be formed of a metal.
  • the first and second nanostructures may be formed of any one material of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al).
  • the base substrate may be formed of a transparent material.
  • the base substrate is formed in a plane of a circular or oval shape of the top, it may be formed to have a convex three-dimensional shape in the lower direction.
  • the far-field plasmonic lens assembly comprises a plurality of far-field plasmonic lenses spaced apart; And a mounting unit configured to fix the spaced apart plurality of far-field plasmonic lenses, wherein each of the plurality of far-field plasmonic lenses has a positive dielectric constant; And a nanostructure array having a negative dielectric constant and extending in a longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate, wherein the nanostructure array comprises a first nanostructure formed at a central position; The first nanostructure includes a plurality of second nanostructures that are spaced apart at regular intervals.
  • each of the plurality of far-field plasmonic lenses may be designed different from each other at least one of the shape of the base substrate, the refractive index of the base substrate, and the arrangement period of the second nanostructure.
  • the present invention can be applied to an optical microscope for visible light to measure shape information below the diffraction limit of light.
  • the present invention can significantly improve the focal length and the spatial focusing rate through the optimal design structure of the periodically arranged nanostructures formed on the base substrate and the base substrate.
  • the present invention is arranged a plurality of far-field plasmonic lenses having different resonance wavelengths and focusing distance, so that the plasmonic lens can be easily changed and used as needed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a far-field plasmonic lens assembly according to the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens assembly according to the present invention.
  • 10 to 16 are reference diagrams for explaining the operation and effects of the far-field plasmonic lens according to the present invention and one embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the present invention relates to a visible light lens that can be applied to an optical microscope, and more particularly, a far field that can measure the shape information below the diffraction limit of light using surface plasmon resonance induced by the metal nanostructure.
  • (far-field) plasmonic lenses and far-field plasmonic lens assemblies As described above, the plasmonic lens applicable to the optical microscope is currently limited to the near-field mode because of its complicated design structure and particularly short focal length in the visible light region.
  • the present inventors have made intensive efforts to solve the above-described problems, and as a result, the nanostructure array having the negative dielectric constant is formed on the base substrate having the positive dielectric constant. It was confirmed that the effect that can significantly increase the distance and at the same time improve the spatial focusing rate, and completed the far-field plasmonic lens according to the present invention.
  • FIGS. 1 and 3 are reference diagrams for explaining the far-field plasmonic lens according to the present invention, and more specifically, FIGS. 1 and 3 are cross-sectional views of the far-field plasmonic lens according to the present invention, and FIG. Is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
  • the far-field plasmonic lens 100 includes a base substrate 110 having a positive dielectric constant and nanostructure arrays 120 and 130 having a negative dielectric constant.
  • the nanostructure arrays 120 and 130 include a plurality of nanostructures 120 and 130 formed to extend in the longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate 110.
  • the nanostructure arrays 120 and 130 may be formed of a metal material, and may be formed of any one of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al). It may be formed of gold (Au).
  • the base substrate 110 may be formed of a dielectric.
  • the base substrate 110 may be formed of a transparent material, for example, may be formed of any one material of quartz (SiOx) or glass (glass).
  • the nanostructure arrays 120 and 130 include a first nanostructure 120 formed at a central position and a plurality of second nanostructures 130 spaced apart from the first nanostructure 120.
  • the far-field plasmonic lens 100 includes a flat base substrate 110 and a plurality of nanostructure arrays formed on the base substrate 110, wherein each nano The structures may be spaced apart in parallel to each other, the first nanostructures 120 may be formed at a central position, and the second nanostructures 131 to 136 may be arranged to be spaced in both directions of the first nanostructure 120. .
  • the plurality of second nanostructures 130 may be spaced apart from each other by a predetermined period unit L with respect to the first nanostructure 120. More specifically, referring to FIG. 3, the second nanostructures 131 and 132 are disposed on both sides of the first nanostructure 120 by the same distance, respectively, and then the second nanostructures 133 to 133. 136 may be arranged with the same period (L) in a direction away from the first nanostructure 120, respectively.
  • each of the plurality of second nanostructures 131 to 136 may have the same width W and height H, and the first nanostructure 120 may include the second nanostructures 131 to 136. 136 may have a different width W.
  • Figures 1 to 3 are examples for explaining the far-field plasmonic lens 100 according to the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention, the number, width, It is apparent that the height, length, shape and spacing can be designed differently from the accompanying drawings as required (requirements).
  • the far-field plasmonic lens 100 may be positioned between the objective lens and the sample of the optical microscope, and the light source may pass through the objective lens to emit light in the visible region from the top of the far-field plasmonic lens 100 to the downward direction. You can investigate.
  • surface plasmon polaritone SPP due to the coupling of surface plasmon and photons at the interface between the nanostructure arrays 120 and 130 of the far-field plasmonic lens 100 and the base substrate 110. polariton
  • the SPP can be focused in an area smaller than the limit of diffraction (diffraction limit) of light as it appears in the form of an electromagnetic field.
  • the light source primarily focused through the objective lens is secondly focused by the plasmonic lens described in the present invention, and the incident light reflected on the sample surface is measured by the detector, so that the shape information of the sample surface is measured. Can be obtained.
  • the SPP may be focused with a constant focal length in the process of going downward of the base substrate 110, and the focal length may be changed according to the shape or refractive index of the base substrate 110 and may be focused.
  • the resonance wavelength may vary according to the separation period L of the second nanostructure 130 and the refractive index of the base substrate (or the nanostructure).
  • the focusable wavelength is a resonance wavelength capable of representing surface plasmon resonance, and a high field intensity may appear at the focusable wavelength.
  • FIG. 10 is a reference diagram for confirming the surface plasmon resonance wavelength.
  • FIG. 10 shows the width W and the height H of the nanostructures 120 and 130 as 164 nm and 50 nm, and the separation period L of the second nanostructure 130 as 535 nm, respectively. This is the result of computerized transmission of wavelengths by designing the area ratio (ff, fill factor) of nano structure (ideally metal) in all plasmonic lens to 0.3.
  • the first nanostructure PS tooth
  • the second nanostructure 130 is periodically arranged
  • a decrease in transmittance occurs at wavelengths of about 540 nm and 790 nm.
  • the decrease in transmittance at the wavelength of 540 nm is represented by the conversion of the incident photon into surface plasmon due to the generation of SPP at the air-natal interface (AM mode). It can be interpreted that the incident photons are converted into surface plasmons by the generation of SPP at the nano-substrate interface (MS mode).
  • the present invention constitutes a first nanostructure (PS tooth), the second nanostructure 130 is arranged periodically spaced about the first nanostructure 120 (ideally the first nanostructure ( 120 may have a separation distance of half a cycle to a period of the second nanostructure 130), and a decrease in transmittance occurs at wavelengths of about 540 nm (AM mode) and 750 nm (MS mode). It can be seen that a further decrease in transmittance occurs at a wavelength of 650 nm. That is, when the first nanostructure 120 is configured, compared to the case where the first nanostructure 120 is not configured, the resonant wavelength position in the MS mode is shifted to blue and an additional surface plasmon resonance may be exhibited. It can be seen that a resonance wavelength (about 650 nm) may appear.
  • Each resonance mode can be identified by computer simulation.
  • 11 is a reference diagram illustrating an H-Field according to a change in wavelength applied to a far-field plasmonic lens.
  • AM mode 540 nm wavelength
  • 650 nm wavelength coupled mode
  • MS mode wavelength
  • a strong H-Field is displayed while focusing downward.
  • the focusing ratio of the H-Field is relatively weak.
  • two ranges of focusable wavelengths may be obtained by configuring the first nanostructure 120.
  • the focusable wavelength of the far-field plasmonic lens 100 may be changed according to the separation period L of the second nanostructure 130.
  • FIG. 12 is a reference diagram illustrating transmission for each wavelength according to the separation period L of the second nanostructure 130.
  • the separation period L of the second nanostructure 130 may be defined as follows. As it gradually increases from 435nm to 635nm
  • the far-field plasmonic lens 100 may change the focusable wavelength as necessary by varying the separation period L of the second nanostructure 130.
  • FIGS. 4 to 7. 4 are cross-sectional views of the far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a perspective view of the far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
  • the base substrate 110 may be formed to have a circular or oval planar upper surface, and may have a convex three-dimensional shape in the lower direction.
  • the base substrate 210 of the far-field plasmonic lens 200 may be formed in a hemisphere shape having a circular plane on the top.
  • FIG. 13 is a reference diagram illustrating an H-Field according to a change in a wavelength and a shape of a base substrate 210 applied to a far-field plasmonic lens 200
  • FIG. 14 illustrates field intensity according to an advancing distance of an SPP. It is the reference figure which shows. 13 and 14, when the base substrate 210 is formed as a hemisphere, it can be seen that the electric field focusing rate is increased by about 7 times or more compared with the flat base substrate 210.
  • the second nanostructure 130 is formed on an upper surface of the base substrate 210, and the first nanostructure 320 is at least in a vertical lower direction relative to the upper surface of the base substrate 210.
  • a part may be inserted and formed.
  • the first nanostructure 320 may be partially inserted and mounted based on the upper surface of the base substrate 210, unlike the second nanostructure 130.
  • the first nanostructure 320 may be formed to have a vertical length higher than the vertical length of the second nanostructure 130 with respect to the upper surface of the base substrate 210.
  • the first nanostructure 320 is partially inserted with respect to the upper surface of the base substrate 210 and formed to have a vertical length higher than that of the second nanostructure 130. Can be.
  • FIG. 15 is a reference diagram illustrating field intensity according to an advancing distance of an SPP.
  • the first nanostructure Au PS tooth
  • the field concentration rate is improved by 11.3% (wavelength 811 nm-MS mode).
  • the first nanostructure (Au PS tooth) is inserted by 0.5 ⁇ m in the downward direction relative to the upper surface of the base substrate 210 and formed by 0.5 ⁇ m higher than the second nanostructure 130, the first nano structure Compared to the case in which the structure (Au tooth) is formed at the same height as the second nanostructure 130, the electric field focusing rate is improved by 71.5% (wavelength 811 nm-MS mode).
  • the base substrate 210 is designed in a convex three-dimensional shape in the downward direction, and the first nanostructure 320 is based on the upper surface of the base substrate 210.
  • the maximum focusing distance and the focusing ratio may be exhibited.
  • the far-field plasmonic lens 300 may include at least two first nanostructures 320.
  • three first nanostructures are inserted by 0.5 ⁇ m in a downward direction with respect to the upper surface of the base substrate 210 and formed by 0.5 ⁇ m higher than the second nanostructure 130.
  • the intensity and focusing distance of the system is insignificant compared with the case of constructing one first nanostructure (Au PS tooth).
  • FIG. 8 is a perspective view of a far-field plasmonic lens assembly according to the present invention
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the far-field plasmonic lens assembly according to the present invention.
  • the far-field plasmonic lens assembly 400 fixes and supports a plurality of far-field plasmonic lenses 300-1 to 300-3, which are spaced apart, and a plurality of far-field plasmonic lenses. It includes a mounting portion 410.
  • the far-field plasmonic lens may be applied to the far-field plasmonic lens of the various embodiments described above.
  • each of the plurality of far-field plasmonic lenses 300-1 to 300-3 may be designed such that at least one of the shape of the base substrate, the refractive index of the base substrate, and the arrangement period of the second nanostructure are different from each other. have. That is, each of the plurality of far-field plasmonic lenses 300-1 to 300-3 may be designed to have different focusing wavelengths or focusing distances, and may be spaced apart from and fixed to one mounting unit 410.
  • the far-field plasmonic lens assembly 400 may be mounted to an optical microscope, and may be configured such that an appropriate far-field plasmonic lens is applied as necessary through a moving device and a control device configured in the optical microscope.

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Abstract

본 발명에 따른 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈는 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및 음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하되, 상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다.

Description

원거리장 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체
본 발명은 광학 현미경에 적용될 수 있는 가시광선용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 나노 구조체로 유도되는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체에 관한 것이다.
광학 현미경은 미세 구조체 분석의 중요한 도구로서 물리, 화학, 생물, 의료 등 기초과학에서 폭넓게 활용되고 있다. 여기에서, 광학 현미경에 적용되는 일반적인 광학렌즈는 빛의 회절 한계(diffraction limit)로 인하여 적용 파장의 반파장보다 작은 크기를 가지는 물체는 구별할 수 없어, 가시광선 영역에서의 분해능은 200~300 nm 수준이 한계로 인식되고 있다.
이러한 빛의 회절 한계를 극복하기 위한 기술로서, 표면 플라즈몬 공명(SRP, Surface Plasmon Resonance) 현상에 대한 연구가 대두되고 있다.
표면 플라즈몬 공명(SRP)은 금속과 유전체의 계면에 존재하는 표면 플라즈몬이 입사하는 빛과 공명하는 현상으로, 표면 플라즈몬과 입사광의 공명으로 금속-유전체의 계면을 따라 집단적으로 진동하며 흐르는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)이 형성되며, 계면으로부터 수직 방향으로 지수함수적으로 감소되는 전자기장을 띄게 되는 현상을 의미한다.
다만, 표면 플라즈몬 공명 현상에 대한 연구는 광학 현미경 분야보다 바이오 센서 분야에서 활발하게 이루어지고 있으며, 한국등록특허 제1,621,437호(다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서)를 포함한 다수의 선행 기술은 SPR 현상을 이용하여 생체 분자 특성(예 : 굴절률 또는 농도 변화 등)을 측정하는 플라즈모닉 센서의 설계 기술에 집중하고 있다.
현재, 광학 현미경에 적용 가능한 플라즈모닉 렌즈의 설계 기술은 주목할 만한 성과를 나타내고 있지 않으며, 현재까지 제안된 몇몇의 플라즈모닉 렌즈는 설계 구조가 복잡하고 특히 가시광선 영역에서 근접장(near-field) 모드로 제한된다. 이에, 단순한 설계 구조를 가지는 동시에 집속 거리(focal length)를 증가시켜 가시광선 영역에서 원거리장(far-field) 모드로 동작할 수 있는 신규한 플라즈모닉 렌즈의 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 가시광선용 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 베이스 기판 및 베이스 기판 상부에 형성되는 주기적으로 배열된나노 구조체의 최적 설계 구조를 통해, 집속 거리(focal length)와 공간 집속율을 대폭 향상시킬 수 있는 가시광선용 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 서로 상이한 공명 파장과 집속 거리를 가지는 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 배열되어, 필요에 따라 용이하게 플라즈모닉 렌즈를 변경하여 사용할 수 있도록 하는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 조립체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈는 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및 음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하되, 상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 제2 나노 구조체는 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면 상에 형성되고, 상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 상기 제2 나노 구조체의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 구조체 어레이는 적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 유전체로 형성되며, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금속으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 투명 소재(Transparent Materials)로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체는 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈; 및 상기 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부;를 포함하되, 상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및 음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하며, 상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다.
여기에서, 상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은 베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계될 수 있다.
본 발명은 가시광선용 광학 현미경에 적용되어 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 베이스 기판 및 베이스 기판 상부에 형성되는 주기적으로 배열된 나노 구조체의 최적 설계 구조를 통해, 집속 거리(focal length)와 공간 집속율을 대폭 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 서로 상이한 공명 파장과 집속 거리를 가지는 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 배열되어, 필요에 따라 용이하게 플라즈모닉 렌즈를 변경하여 사용할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 단면도이다.
도 10 내지 도 16은 본 발명 및 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 동작 및 효과를 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 광학 현미경에 적용될 수 있는 가시광선용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 나노 구조체로 유도되는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 현재, 광학 현미경에 적용 가능한 플라즈모닉 렌즈는 설계 구조가 복잡하고 특히 가시광선 영역에서 집속 거리(focal length)가 짧아 근접장(near-field) 모드로 제한된다.
본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 양의 유전율을 가지는 베이스 기판 상부에 음의 유전율을 가지는 나노 구조체 어레이를 형성하되, 나노 구조체 어레이의 설계 구조와 베이스 기판의 형상을 최적화하면, 초점거리를 대폭 증가시키는 동시에 공간 집속율을 향상시킬 수 있는 효과가 나타날 수 있음을 확인하고, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 완성하였다.
이하, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 설명하기 위한 참고도이며, 보다 상세하게는, 도 1 및 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 양의 유전율을 가지는 베이스 기판(110) 및 음의 유전율을 가지는 나노 구조체 어레이(120, 130)를 포함한다. 여기에서, 나노 구조체 어레이(120, 130)는 베이스 기판(110)의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 복수의 나노 구조체(120, 130)를 포함한다.
일 실시예에서, 나노 구조체 어레이(120, 130)는 금속 소재로 형성될 수 있으며, 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있고, 바람직하게는 금(Au)으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 기판(110)은 유전체로 형성될 수 있다. 여기에서, 베이스 기판(110)은 투명 소재(Transparent Materials)로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 석영(SiOx) 또는 유리(glass) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
나노 구조체 어레이(120, 130)는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체(120)와, 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체(130)를 포함한다.
예를 들어, 도 1 및 2를 참조하면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 평판 형상의 베이스 기판(110)과, 베이스 기판(110)의 상부에 복수의 나노 구조체 어레이가 형성되되, 각 나노 구조체는 서로 평행하게 이격하여 배열되고, 제1 나노 구조체(120)는 중심위치에 형성되며, 제2 나노 구조체(131 내지 136)가 제1 나노 구조체(120)의 양방향으로 이격하여 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 제2 나노 구조체(130)는 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 일정 주기 단위(L)로 이격하여 배열될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 양측 각각에 동일한 거리만큼 이격되어 제2 나노 구조체(131, 132)가 배치되고, 이후 제2 나노 구조체들(133 내지 136)은 각각 제1 나노 구조체(120)와 멀어지는 방향으로 동일한 주기(L)를 가지며 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 제2 나노 구조체(131 내지 136) 각각은 폭(W) 및 높이(H)가 동일하게 형성될 수 있고, 제1 나노 구조체(120)는 제2 나노 구조체(131 내지 136)와 상이한 폭(W)을 가질 수 있다.
한편, 도 1 내지 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)를 설명하기 위한 예시로서, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 제1 및 제2 나노 구조체의 개수, 폭, 높이, 길이, 형상 및 간격은 필요(요구 조건)에 따라 첨부된 도면과 상이하게 설계될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)가 광학 현미경에 적용되는 경우의 동작 상태를 설명한다.
원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 광학 현미경의 대물 렌즈와 시료 사이에 위치할 수 있으며, 광원은 대물 렌즈를 거쳐, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 상부에서 하부 방향으로 가시광선 영역의 빛을 조사할 수 있다. 이때, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 나노 구조체 어레이(120, 130)와 베이스 기판(110) 사이의 계면에서 표면 플라즈몬과 포톤의 커플링(coupling)으로 인한 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP, surface plasmon polariton)이 생성될 수 있다. 여기에서, SPP는 전자기장의 형태로 나타남에 따라 빛이 가지는 공간 집속성의 한계(회절 한계)보다 더 작은 영역으로 집속이 가능하다. 결과적으로, 대물렌즈를 통해 1차 집속된 광원은 본 발명에서 기술하는 플라즈모닉 렌즈에 의해 2차 집속되고, 이를 시료 표면에 입사시켜 반사되어 나오는 빛을 검출기로 측정하여, 시료 표면의 형상 정보가 획득될 수 있다.
SPP는 베이스 기판(110)의 하부 방향으로 진행하는 과정에서 일정 집속 거리(focal length)를 가지며 집속될 수 있으며, 이때 집속 거리는 베이스 기판(110)의 형상 또는 굴절률에 따라 변화될 수 있고, 집속 가능한 공명 파장은 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L) 및 베이스 기판(또는 나노 구조체)의 굴절률에 따라 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)에서 나노 구조체(120, 130)의 설계에 따른 집속 가능 파장에 대하여 상세하게 설명한다. 여기에서, 집속 가능 파장은 표면 플라즈몬 공명을 나타낼 수 있는 공명 파장으로, 집속 가능 파장에서 높은 계의 강도(field intensity)가 나타날 수 있다.
도 10은 표면 플라즈몬 공명 파장을 확인하기 위한 참고도이다. 여기에서, 도 10은 나노 구조체(120, 130)의 폭(W) 및 높이(H)를 각각 164 nm 및 50 nm로, 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)를 535 nm로, 전체 플라즈모닉 렌즈에서 나노 구조체(이상적으로 금속 재질)의 면적 비율(ff, fill factor)을 0.3으로 설계하여, 파장별 투과율(transmission)을 전산 모사한 결과이다.
도 10을 참조하면, 플라즈모닉 렌즈에 제1 나노 구조체(PS tooth)가 구성되지 않고 제2 나노 구조체(130)만이 주기적으로 배열되는 경우, 약 540 nm 및 790 nm 파장에서 투과율의 감소가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 여기에서, 540 nm 파장에서의 투과율 감소는 대기-나노 구조체(Air-Metal) 계면에서의 SPP 발생에 따라 입사한 포톤이 표면 플라즈몬으로 변환되어 나타난 것이며(AM mode), 790nm 파장에서의 투과율 감소는 나노 구조체-베이스 기판(Metal-Substrate) 계면에서의 SPP 발생에 따라 입사 포톤이 표면 플라즈몬으로 변환되어 나타난 것으로 해석할 수 있다(MS mode).
반면, 본 발명에 따라 제1 나노 구조체(PS tooth)를 구성시키며, 제2 나노 구조체(130)가 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 주기적으로 이격하여 배열(이상적으로는 제1 나노 구조체(120)는 제2 나노 구조체(130)의 주기에 반 주기만큼의 이격 거리를 가질 수 있음)되는 경우, 약 540 nm(AM mode) 및 750 nm(MS mode) 파장에서 투과율 감소가 발생하며, 약 650 nm 파장에서도 추가적으로 투과율 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 나노 구조체(120)를 구성시키는 경우, 제1 나노 구조체(120)를 구성시키지 않는 경우와 비교하여, MS mode에서의 공명 파장 위치가 청색 편이되며, 표면 플라즈몬 공명을 나타낼 수 있는 추가적인 공명 파장(약 650 nm)이 나타날 수 있음을 확인할 수 있다.
각각의 공명 모드(포톤-표면 플라즈몬 커플링)은 전산모사로 확인 가능하다. 도 11은 원거리장 플라즈모닉 렌즈에 적용한 파장의 변화에 따른 H-Field를 나타내는 참고도이다. 도 11 (a) 내지 (d)를 참조하면, 약 540 nm 파장(AM mode)에서는 대기-나노 구조체 경계 면에서 강한 H-Field를 확인할 수 있으며, 약 650 nm 파장(coupling mode) 및 약 750 nm 파장(MS mode)에서는 하부 방향으로 집속하며 진행하는 강한 H-Field가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 한편, 공명 파장이 아닌 1,000nm 파장에서는 H-Field의 집속율은 상대적으로 약하게 나타난다.
즉, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)에 따르면, 제1 나노 구조체(120)를 구성시킴으로써 두 개 범위의 집속 가능 파장을 획득할 수 있다.
본 발명에서 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 집속 가능 파장은 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)에 따라 변화될 수 있다. 도 12는 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)에 따른 파장별 투과율(transmission)을 나타내는 참고도이며, 도 12를 참조하면, 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)가 435nm에서 635nm로 점차 증가됨에 따라
MS mode (또는 AM mode) 파장이 점차 적색 편이함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)를 달리하여 집속 가능 파장을 필요에 따라 변화시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 바람직한 실시예를 도 4 내지도 7을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 4, 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
이하 설명되는 본 발명의 바람직할 실시예에 따르면 상술한 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)와 비교하여 집속율을 약 7배 이상, 집속 거리를 대략 15 μm 이상까지 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 기판(110)은 상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)의 베이스 기판(210)은 상부가 원형 평면인 반구체(hemisphere) 형상으로 형성될 수 있다.
도 13은 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)에 적용한 파장 및 베이스 기판(210) 형상의 변화에 따른 H-Field를 나타내는 참고도이고, 도 14는 SPP의 진행 거리에 따른 전기장 세기(Field intensity)를 나타내는 참고도이다. 도 13 및 14를 참조하면, 베이스 기판(210)이 반구체로 형성되는 경우, 평판 베이스 기판(210)과 비교하여 전기장 집속율이 약 7배 이상 증가함을 확인할 수 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)의 집속율을 보다 향상(대략 70%이상) 시킬 수 있는 설계 구조에 대하여 설명한다.
일 실시예에서, 제2 나노 구조체(130)는 베이스 기판(210)의 상부 표면 상에 형성되고, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 나노 구조체(320)는 제2 나노 구조체(130)와 달리 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 일부가 삽입되어 장착될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 제2 나노 구조체(130)의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 일부가 삽입되며 제2 나노 구조체(130)보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다.
도 15는 SPP의 진행 거리에 따른 전기장 세기(Field intensity)를 나타내는 참고도이다. 도 15을 참조하면, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.1 μm 만큼 높게 형성되는 경우, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 제2 나노 구조체(130)와 동일한 높이로 형성되는 경우와 비교하여, 전기장 집속율이 11.3% 향상됨(파장 811nm- MS mode)을 확인할 수 있다.
더욱이, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.5 μm 만큼 높게 형성되는 경우, 제1 나노 구조체(Au tooth)가 제2 나노 구조체(130)와 동일한 높이로 형성되는 경우와 비교하여, 전기장 집속율이 71.5% 향상됨(파장 811nm- MS mode)을 확인할 수 있다.
즉, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300)의 설계에 있어서, 베이스 기판(210)은 하부 방향으로 볼록한 입체 형상으로 설계하고, 제1 나노 구조체(320)를 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 일부를 삽입시키고 제2 나노 구조체(130)보다 높은 수직 길이를 가지도록 설계하는 경우, 최대의 집속 거리와 집속율을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300)는 적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체(320)를 포함할 수 있다. 도 16을 참조하면, 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.5 μm 만큼 높게 형성된 3개의 제1 나노 구조체(Au PS tooth)를 구성시키는 경우, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)를 1개로 구성시키는 경우와 비교하여 계의 강도 및 집속 거리는 변화가 미미하다.
이하, 도 8 및 9를 참조하여, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체를 설명한다. 도 8은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체(400)는 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300-1 내지 300-3)와, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부(410)를 포함한다. 여기에서, 원거리장 플라즈모닉 렌즈는 상술한 다양한 실시예의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 적용될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각(300-1 내지 300-3)은 베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계될 수 있다. 즉, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각(300-1 내지 300-3)은 집속 가능 파장 또는 집속 거리가 상이하게 설계되고, 하나의 장착부(410)에 이격 배열되어 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체(400)는 광학 현미경에 장착되고, 광학 현미경에 구성되는 이동 장치 및 제어 장치를 통하여 필요에 따라 적절한 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 적용되도록 구성될 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및
    음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하되,
    상기 나노 구조체 어레이는
    중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체를 포함하는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 나노 구조체는
    제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면 상에 형성되고,
    상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 나노 구조체는
    상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 상기 제2 나노 구조체의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 나노 구조체 어레이는
    적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 유전체로 형성되며, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는
    금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 베이스 기판은
    투명 소재(Transparent Materials)로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기판은
    상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
  10. 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체에 있어서,
    이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈; 및
    상기 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부;를 포함하되,
    상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은
    양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및
    음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하며,
    상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 복수의 제2 나노 구조체를 포함하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은
    베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체.
PCT/KR2017/008594 2016-08-23 2017-08-09 원거리장 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체 Ceased WO2018038427A1 (ko)

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