WO2018169119A1 - Nanoplasmonic sensor and manufacturing method therefor - Google Patents

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WO2018169119A1
WO2018169119A1 PCT/KR2017/003590 KR2017003590W WO2018169119A1 WO 2018169119 A1 WO2018169119 A1 WO 2018169119A1 KR 2017003590 W KR2017003590 W KR 2017003590W WO 2018169119 A1 WO2018169119 A1 WO 2018169119A1
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WO
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substrate
metal
dielectric
metal structure
nano
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Application number
PCT/KR2017/003590
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
위정섭
옥종걸
Original Assignee
한국표준과학연구원
서울과학기술대학교 산학협력단
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/552Attenuated total reflection

Definitions

  • the present invention relates to a nano plasmonic sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a nano plasmonic sensor using a local surface plasmon resonance phenomenon in a metal structure and a method for manufacturing the same.
  • Plasmon resonance is a phenomenon caused by the behavior of free electrons in a metal. When light enters between a metal surface and a dielectric, the free electrons on the metal surface vibrate collectively due to resonance with the electromagnetic field of specific energy. It is a phenomenon.
  • SPR Surface Plasmon Resonance
  • LSPR Local Surface Plasmon Resonance
  • One of the technical problems of the present invention is to provide a nano plasmonic sensor using a local surface plasmon resonance phenomenon in a metal structure and a method of manufacturing the same.
  • Nanoplasmic sensor the substrate, at least one dielectric structure disposed to extend in one direction on the substrate, the upper surface and one side of the dielectric structure is disposed to extend to the upper surface of the substrate And a measuring unit for measuring a local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
  • the metal structure may include a first horizontal portion disposed on an upper surface of the dielectric structure, a vertical portion bent from the first horizontal portion and disposed along one side of the dielectric structure, and bent from the vertical portion. It may include a second horizontal portion disposed along the upper surface of the substrate.
  • the second horizontal portion may be bent in a direction opposite to the first horizontal portion from the vertical portion.
  • the length of the first horizontal portion may be longer than the length of the second horizontal portion.
  • the overall width of the metal structure may range from 10 nm to 1000 nm.
  • the thickness of the metal structure may range from 1 nm to 200 nm.
  • the dielectric structure may have a rectangular parallelepiped shape.
  • the plurality of dielectric structures may be disposed spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the measurement unit may be disposed on an upper portion of the substrate, and may include a light source unit generating incident light incident on the metal structure, and an analysis object disposed below or on the surface of the metal structure. It may include a light receiving unit for detecting the light to be changed.
  • the substrate may be a flexible substrate.
  • the nano plasmonic sensor according to the exemplary embodiments may include a metal structure including at least two bent portions bent in different directions, and a measuring unit measuring a local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
  • the structure may further include a dielectric structure having a hexahedron shape, wherein the metal structure may be disposed on one side of the dielectric structure, and the bent portions may be bent in opposite directions from each other at the upper and lower portions of the dielectric structure.
  • a method of manufacturing a nano plasmonic sensor may include forming a dielectric layer on a substrate, patterning the dielectric layer using a mold including a nano pattern, and forming a dielectric structure on the substrate. Supplying the metal material at a predetermined angle with respect to the metal material, thereby depositing the metal material on the top and one side of the dielectric structure and a portion of the exposed top surface of the substrate to form the metal structure.
  • the metal material may be supplied at an angle of 10 ° to 80 ° with respect to the direction perpendicular to the substrate.
  • At least some of the above steps may be performed by a roll to roll nanoimprint process.
  • a highly sensitive nano plasmonic sensor can be provided by extending the oscillation path of the local surface plasmon using a metal structure having two bends.
  • a method of manufacturing a nanoplasmonic sensor that can manufacture a nanosensitized sensor having high sensitivity by controlling the shape of a metal structure can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nano plasmonic sensor in accordance with an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a sensing unit according to an exemplary embodiment.
  • 3A and 3B are schematic perspective views of a sensing unit according to an exemplary embodiment.
  • 4A to 4C are schematic step-by-step diagrams illustrating a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • 6A to 6C are cross-sectional views illustrating one step of a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 7A-7C are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
  • 8A and 8B are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
  • Embodiments of the present invention may be modified in various other forms, or various embodiments may be combined, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
  • the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nano plasmonic sensor in accordance with an exemplary embodiment.
  • the nano plasmonic sensor 10 includes a sensing unit 100 and a measuring unit 200.
  • the sensing unit 100 may detect a change in the plasmon resonance characteristic by the analyte 300, and the measurement unit 200 may detect a change in the optical characteristic.
  • the nano plasmonic sensor 10 may be used for the detection, measurement, and analysis of biomolecules such as biological enzymes, cells, and proteins, and chemicals using plasmon resonance.
  • the sensing unit 100 may include a substrate 101, a dielectric structure 110, and a metal structure 120.
  • the substrate 101 may be selected from a conventional semiconductor substrate such as a silicon substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 101 may be a translucent substrate that transmits a specific light source, and may be made of, for example, polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the substrate 101 may be made of a transparent oxide such as titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like.
  • the dielectric structures 110 may be disposed on the substrate 101, and a plurality of dielectric structures 110 may be spaced apart at predetermined intervals in one direction.
  • the dielectric structure 110 may have a rectangular parallelepiped shape and may be disposed to extend in a direction not shown.
  • the dielectric structure 110 may be made of a thermosetting, thermoplastic and / or photocurable material, and may be a polymer resin layer.
  • the dielectric structure 110 may be made of polyurethane acrylate (PUA).
  • the metal structure 120 may cover the top surface and one side surface of the dielectric structure 110 and extend to the top surface of the substrate 101.
  • the metal structure 120 may have a double-bent structure including at least two bent portions B1 and B2 that are bent in different directions at the top and the bottom of the dielectric structure 110.
  • 1 illustrates a structure in which the metal structure 120 covers the left side surface of the dielectric structure 110, but the shape of the metal structure 120 is not limited thereto, and in some embodiments, the metal structure 120 may include the dielectric structure ( It may have a structure covering the right side of the 110.
  • the overall width W of the metal structure 120 on the substrate 101 that is, the length measured from one end to the other end of the metal structure 120 on the substrate 101 may range from 10 nm to 1000 nm.
  • the sensing unit 100 may include only one dielectric structure 110 and the metal structures 120. It may be.
  • the structure of the metal structure 120 will be described in more detail with reference to FIG. 2 below.
  • the metal structure 120 may include at least one of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), and platinum (Pt), and may be made of an alloy thereof.
  • the surface of the metal structure 120 may further include a surface coating layer including a functional group that adsorbs the analyte 300.
  • the metal structure 120 may detect the analyte 300, and may be in contact with the analyte 300 directly or in proximity to the analyte 300.
  • the plasmon resonance characteristic of the metal structure 120 may be changed by the analyte 300, and the shape of the electromagnetic field may be changed.
  • the analyte 300 may include, for example, metal ions, chemicals, or biomolecules such as DNA and proteins.
  • the measurement unit 200 is disposed above the sensing unit 100 and disposed under the light source unit 210 and the sensing unit 100 that generate incident light incident to the metal structure 120, and the metal structure 120. It may include a light receiving unit 220 for detecting the light is changed by the analysis object 300 is located on the surface or the periphery.
  • the light source unit 210 may generate light having a wavelength of about 200 nm to 2000 nm, for example, may generate infrared light or visible light.
  • a polarizer may be included to polarize incident light.
  • the light receiving unit 220 may be disposed on the substrate 101, such as the light source unit 210, depending on the material of the substrate 101, and may be combined with an optical microscope to observe the change of the analyte 300. The same separate monitoring unit may be further included.
  • the measuring unit 200 measures a plasmon resonance phenomenon in the metal structure 120 and, for example, a UV-Vis spectrometer that measures scattering, absorption or extinction characteristics. It may include.
  • the measurement unit 200 may change the resonance frequency such as the presence or absence of the analyte 300 and the chemical reaction around the metal structure 120, or the scattering, absorption, It can measure by a change in absorbance value.
  • Nanoplasmonic sensor 10 unlike the structure in which the metal thin film is entirely coated on the substrate 101, has a structure that is segmented from each other by the bent portions (B1, B2) in one direction
  • the sensitivity of the localized surface plasmons of the metal structures 120 may be used to improve the sensitivity.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a sensing unit according to an exemplary embodiment.
  • the metal structure 120 is bent from the first horizontal portion 121 and the first horizontal portion 121 disposed on the top surface of the dielectric structure 110 to form one side or sidewall of the dielectric structure 110. It may include a vertical portion 122 and a second horizontal portion 123 bent from the vertical portion 122 disposed along the upper surface of the substrate 101. The first horizontal part 121 and the second horizontal part 123 may be bent in opposite directions with respect to the vertical part 122, and the metal structure 120 may be double-bended including at least two bent parts. It may have a structure. However, the vertical portion 122 does not necessarily have to be perpendicular to the upper surface of the substrate 101, but may be disposed to be inclined at a predetermined angle with the upper surface of the substrate 101.
  • the length L1 of the first horizontal portion 121 on the dielectric structure 110 may be longer than the length L2 of the second horizontal portion 123 on the substrate 101. It may be formed to be stably separated from the structure 120.
  • the relative lengths of the first horizontal part 121 and the second horizontal part 123 are not limited thereto and may be variously changed in the embodiments.
  • the length L1 of the first horizontal portion 121 may be in the range of 5 nm to 500 nm, for example, in the range of 50 nm to 90 nm.
  • the length L2 of the second horizontal portion 123 may be in a range of 5 nm to 500 nm, for example, in a range of 20 nm to 60 nm.
  • the height H of the vertical portion 122 on one side of the dielectric structure 110 may range from 20 nm to 500 nm, for example, may range from 80 nm to 120 nm.
  • the entire length of the metal structure 120 that is, the length L1 of the first horizontal part 121, the length L2 of the second horizontal part 123, and the height H of the vertical part 122.
  • the dielectric structure 110 adjacent to one end of the second horizontal portion 123 may be spaced apart from each other.
  • the separation distance L3 between one end of the second horizontal portion 123 and the dielectric structure 110 adjacent thereto may be in a range of 10 nm to 300 nm, for example, in a range of 70 nm to 110 nm. Can be.
  • the separation distance L3 may be determined in a range in which adjacent metal structures 120 are formed only on one sidewall of the dielectric structure 110 and are not connected to each other between adjacent dielectric structures 110.
  • the metal structure 120 may be arranged to extend along the dielectric structure 110 in a non-double bent direction.
  • the length L4 of the metal structure 120 in the direction may be determined in consideration of the size of the sensor unit 100 and may range from several hundred nanometers to several tens of centimeters.
  • the thicknesses T1 and T2 of the metal structure 120 may range from 1 nm to 200 nm, and at least the first horizontal portion 121, the vertical portion 122, and the second horizontal portion 123 may form a continuous film. It can be determined by the thickness that can be formed.
  • the thickness of the metal structure 120 is the thickness T1 on the side of the dielectric structure 110, that is, the thickness T1 at the vertical portion 122 and the first horizontal portion 121 and the second horizontal portion 123.
  • the thickness T2 at may be the same or different.
  • 3A and 3B are schematic perspective views of a sensing unit according to an exemplary embodiment.
  • the sensing unit 100 may be disposed with the dielectric structures 110 spaced apart from each other in one direction, for example, the x direction, thus contacting each of the dielectric structures 110.
  • the 120 may also be spaced apart from each other.
  • the dielectric structures 110 and the metal structures 120 may extend along the top surface of the substrate 101.
  • the number of the dielectric structures 110 and the metal structures 120 disposed on the substrate 101 is not limited to those shown in the drawings, and the desired size of the sensing unit 100, And various sizes according to the size and type of the analyte.
  • the sensing unit 100a may include a substrate 101, a dielectric structure 110a, and a metal structure 120a.
  • the dielectric structures 110 and the metal structures 120 may be spaced apart from each other with a predetermined length in the y direction. Therefore, the metal structures 120 may have a three-dimensional structure spaced apart in both the x and y directions.
  • 4A to 4C are schematic step-by-step diagrams illustrating a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • the dielectric layer 110P may be formed on the substrate 101 by using an airbrush 410.
  • Substrate 101 is a layer in which a metal structure 120 (see FIG. 1) is formed on the upper surface of the substrate 101 may correspond to a substrate forming a part of the nano plasmonic sensor.
  • the substrate 101 may be selected from a semiconductor substrate or an insulating substrate.
  • the substrate 101 may be a light transmissive substrate, and may transmit a specific light source.
  • the dielectric layer 110P is a layer forming the dielectric structure 110 (see FIG. 1) through a subsequent process, and may be made of a thermosetting, thermoplastic and / or photocurable material, and may be a polymer resin layer.
  • the dielectric layer 110P may be evenly formed using the airbrush 410 as shown in FIG. 4A, but is not limited thereto.
  • the dielectric layer 110P may be applied onto the substrate 101 by spin coating, screen printing, spraying, or the like.
  • the thickness of the dielectric layer 110P may be selected according to the size of the metal structure 120 to be formed.
  • the dielectric layer 110P may be patterned to form the dielectric structure 110.
  • the dielectric layer 110P may be formed using a nano imprint process.
  • an imprint mold 420 having a nano-sized line pattern may be used.
  • the imprint mold 420 may be made of a flexible material and prepared in the form of a roller, as shown at the top of FIG. 4B.
  • the imprint mold 420 may be made of, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the dielectric layer 110P may be pressed and patterned by the imprint mold 420 to form the dielectric structure 110.
  • the UV lamp 430 may be disposed inside the imprint mold 420, and may be used to cure the dielectric layer 110P when the dielectric layer 110P is formed of a photocurable material. As such, when using the roller-shaped imprint mold 420, the dielectric structure 110 may be easily formed on the large-area substrate 101.
  • the method of manufacturing the dielectric structure 110 is not limited thereto, and may be formed by a photolithography process and an etching process. In some embodiments, some of the dielectric layer 110P material may remain on the upper surface of the substrate 101 between the dielectric structures 110, and the remaining dielectric layer 110P material may be removed by an additional process.
  • a metal material may be deposited on the substrate 101 and the dielectric structure 110 to form the metal structure 120.
  • the metal structure 120 may be formed on one side of the top surface of the exposed substrate 101 and the top surface of the dielectric structure 110.
  • the metal structure 120 arranges the substrate 101 and the metal material source such that the substrate 101 and the source of the metal material have a predetermined slope so that the metal material has a predetermined angle ⁇ with respect to the substrate 101. It can be formed by being supplied and deposited.
  • the shape of the metal structure 120 to be formed may be changed. Therefore, in the present embodiment, the metal material is deposited on the upper surface and one side of the dielectric structure 110, so that the metal structures 120 are not connected between the dielectric structures 110 adjacent to each other. ⁇ ) can be adjusted.
  • the angle ⁇ may be, for example, in a range of 20 ° to 60 °, the height and width of the dielectric structure 110, the separation distance between the dielectric structures 110, the thickness of the metal structure 120, and the like. In consideration of this, it may be selected at an angle satisfying the above conditions. This will be described in more detail with reference to FIGS. 6A to 6C below.
  • the metal material is supplied with a predetermined angle ( ⁇ ) with respect to the substrate 101 to be deposited, so that a double-bending structure can be realized by only one deposition process, and a lift-off process. Since no separate process is required, the manufacturing process can be simplified.
  • the metal structure 120 may be formed using, for example, physical vapor deposition (PVD), such as thermal evaporation, electron beam evaporation, or sputtering. .
  • PVD physical vapor deposition
  • the dielectric structure 110 is not separately removed on the substrate 101, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the present invention is not limited thereto, and in an exemplary embodiment, the dielectric structure 110 may be removed using a separate wet etching process so that only the metal structure 120 remains.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • the apparatus 1000 for manufacturing a nanoplasmonic sensor includes a supply roll 401, a winding roll 402, an airbrush 410, an imprint mold 420, a UV lamp 430, and a deposition chamber ( 440).
  • the nanoplasmonic sensor described above with reference to FIGS. 4A to 4C may be performed using the apparatus 1000 for manufacturing the nanoplasmonic sensor.
  • the supply roll 401 and the winding roll 402 may feed and wind the substrate 101.
  • the substrate 101 may be a flexible substrate.
  • the supply roll 401 and the winding roll 402 may serve to move the substrate 101 so that the manufacturing process proceeds sequentially.
  • the airbrush 410 may be used to form the dielectric layer 110P on the substrate 101 as described above with reference to FIG. 4A.
  • the patterning process may be performed using the imprint mold 420 and the UV lamp 430 on the coated dielectric layer 110P, whereby the dielectric structure 110 may be formed.
  • the chamber 440 may include an outlet 442, and may be maintained at an atmospheric pressure lower than atmospheric pressure by discharging air to the outlet 442 by a pump (not shown).
  • a metal material source 445 may be provided in the chamber 440, from which a metal material may be supplied and deposited on the substrate 101.
  • the apparatus 1000 for manufacturing a nanoplasmonic sensor of the present embodiment by performing an imprint process using a roll to roll method, process efficiency may be improved and mass productivity may be improved. However, the entire manufacturing process does not have to be performed in a roll-to-roll manner as shown, and at least some processes may be performed in this manner.
  • the process of forming the metal structure 120 may be performed by moving the substrate 101 to a separate deposition apparatus. .
  • 6A to 6C are cross-sectional views illustrating one step of a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
  • the metal structure 120 in the forming of the metal structure 120 described above with reference to FIG. 4C, the metal structure 120 is formed differently according to the angle ⁇ supplied to the substrate 101. The shapes of are shown.
  • the metal material may not be deposited on the sidewall of the insulator structure 110 or may not be deposited as a continuous film.
  • the metal structures 120L may be formed on the insulator structure 110 and the substrate 101, respectively, and thus may not be connected to each other.
  • the metal material is deposited on only one side of the dielectric structure 110, and extends from the top surface of the dielectric structure 110 to the substrate 101.
  • the metal structure 120 may be formed.
  • the metal structures 120 may not be connected between the dielectric structures 110 adjacent to each other.
  • the angle ⁇ may be, for example, in the range of 10 ° to 80 °, the angle ⁇ being the height and width of the dielectric structure 110, the separation distance between the dielectric structures 110, the metal structure
  • the thickness of 120 may vary.
  • the metal material may not be deposited on the lower sidewall of the insulator structure 110 and the upper surface of the substrate 101.
  • the metal structure 120H may be formed only on the top of the insulator structure 110. This may be a structure caused by the metal material not reaching the region close to the substrate 101 because it is covered by the adjacent insulator structure 110.
  • the angle ⁇ at which the metal material is supplied to the substrate 101 is appropriately selected in relation to the size and arrangement of the dielectric structure 110, so that the same area as shown in FIG. 6B.
  • the metal structure 120 having the maximum length can be formed, it is possible to secure the vibration path of the plasmon generated by the metal structure 120.
  • the number of metal structures 120 formed in the unit area is maximized and at the same time the vibration path of the plasmon in each metal structure 120 It can be maximized.
  • FIGS. 7A-7C are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
  • the nano plasmonic sensors used for the measurement have a structure as shown in FIGS. 6A to 6C, respectively, and different deposition angles of gold (Au) forming the metal structures 120 are manufactured.
  • the nano plasmonic sensors are manufactured by forming the dielectric structures 110 made of PUA on the substrate 101 made of PET, and then forming the metal structures 120 made of gold (Au).
  • was 5 °
  • Fig. 7B was formed under the condition that ⁇ was 35 °
  • Fig. 7C was 50 °.
  • Dielectric structures 110 were formed with a width of about 70 nm and a height of about 100 nm, and the thickness of the metal structures 120 on the dielectric structures 110 and the substrate 101 was about 20 nm.
  • the metal structures 120 are formed on the substrate 101 to a length of about 40 nm, and thus the total length along the bending direction of the metal structures 120 is about 210 nm.
  • FIG. 7A to 7C show absorption spectra measured in water, which is air and de-ionized water, using the nanoplasmonic sensors, respectively.
  • the plasmon resonance condition of the metal structure 120 is changed according to the refractive index of the surrounding material, thereby changing the absorption spectrum.
  • the absorption spectrum changes according to the surrounding environment of the metal structure 120, and shows different peak wavelengths in air and deionized water.
  • FIG. 7A the shift of the peak wavelength does not appear clearly
  • FIG. 7C the shift of the peak wavelength is relatively small.
  • the double-bended embodiment of the present invention as shown in Figure 7b showed the largest peak wavelength shift in accordance with the change of the surrounding material, it is about three times shifted compared to the structure once bent in Figure 7c. According to the results of FIG. 7C, the double-bended sensor exhibited a high index of refraction index of about 210 nm / RIU, and the figure of merit of the sensor was about 4.2.
  • the nano plasmonic sensor of the present invention exhibited an extinction peak at a long wavelength of about 810 nm, unlike a metal structure having no double-bending structure.
  • Simulation results show that at relatively short wavelengths, such as about 560 nm, each of the first horizontal portion 121, the vertical portion 122, and the second horizontal portion 123 in FIG. 2 acts as an electric dipole, but at about 810 nm.
  • the entire metal structure 120 may act as one electric dipole having a long oscillation length.
  • the long vibration length of the surface plasmon can increase the sensitivity of the sensor.
  • the metal structure 120 may be bent twice in the same substrate 101 area to have a relatively long length. Accordingly, such a local electric field may be formed, thereby improving the sensitivity of the sensor. Can be.
  • 8A and 8B are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
  • Beta amyloid peptides are known as biomarkers for Alzheimer's.
  • the beta amyloid aqueous solution was measured by evaporation on the sensor surface, and the mass of beta amyloid remaining on the sensor surface was in the range of 2 ⁇ 10 -15 g to 2 ⁇ 10 -10 g.
  • the refractive index around the metal structure is changed by the beta amyloid molecule to shift the spectral peak.
  • FIG. 8B the spectral shift was observed when the mass of the beta amyloid was greater than 2 ⁇ 10 ⁇ 14 g, and the spectral shift was saturated when the mass was 2 ⁇ 10 ⁇ 10 g or more. appear.
  • the measurement minimum limit of the sensor is about 20 femtograms, and the nanoplasmonic sensor according to the embodiment of the present invention can be used as a molecular sensor having a femtogram level sensitivity.
  • Nano plasmonic sensor can be used for the detection, measurement and analysis of biomolecules, such as biological enzymes, cells and proteins, and chemicals using plasmon resonance.

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Abstract

A nanoplasmonic sensor according to the present invention comprises: a substrate; at least one dielectric structure arranged on the substrate so as to extend in one direction; a metal structure covering the top surface and one side surface of the dielectric structure and arranged so as to extend to the top surface of the substrate; and a measurement part for measuring a local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure. In addition, a method for manufacturing a nanoplasmonic sensor, of the present invention, comprises the steps of: forming a dielectric layer on a substrate; forming a dielectric structure by using a mold, which includes a nanopattern, and patterning the dielectric layer; and supplying a metal material for the substrate at a predetermined angle so as to deposit the metal material on one part of the exposed top surface of the substrate, thereby forming a metal structure.

Description

나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법Nano plasmonic sensor and manufacturing method thereof
본 발명은 나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano plasmonic sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a nano plasmonic sensor using a local surface plasmon resonance phenomenon in a metal structure and a method for manufacturing the same.
플라즈몬 공명(plasmon resonance)은 금속 내의 자유 전자의 거동에 의한 현상으로, 금속 표면과 유전체의 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상이다. Plasmon resonance is a phenomenon caused by the behavior of free electrons in a metal. When light enters between a metal surface and a dielectric, the free electrons on the metal surface vibrate collectively due to resonance with the electromagnetic field of specific energy. It is a phenomenon.
표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)은 금속 박막의 표면을 따라 전파하는 자유 전자의 양자화된 진동에 의해 공명이 일어나는 현상을 말한다. 한편, 금속 박막이 아닌 금속으로 이루어진 수 nm 내지 수백 nm 크기의 금속 구조물은 외부에서 입사되는 특정한 파장의 빛에 의하여 전도대에 있는 전자들의 집단적 진동이 유발되어 전기 쌍극자 혹은 다중극자 특성을 띠게 된다. 그 결과, 벌크 상태에서와는 달리 해당 파장 영역의 빛을 강하게 산란 및 흡수를 하게 되며 국소 영역에서의 전자기장이 증가하는데, 이를 국소 표면 플라즈몬 공명(Local Surface Plasmon Resonance, LSPR)이라 한다. 특히, 금(Au), 은(Ag) 등의 귀금속(noble metal)으로 이루어진 나노 크기의 금속 구조물에서의 플라즈몬 공명에 의한 광학 현상을 이용하여, 실시간 화학/생물학 센서와 같은 소자들이 광범위하게 연구되고 있다.Surface Plasmon Resonance (SPR) refers to a phenomenon in which resonance occurs by quantized vibration of free electrons propagating along the surface of a metal thin film. On the other hand, a metal structure of several nm to several hundred nm size of the metal rather than the metal thin film is caused by the collective vibration of the electrons in the conduction band by light of a specific wavelength incident from the outside to have an electric dipole or multi-pole characteristics. As a result, unlike in the bulk state, the light is strongly scattered and absorbed in the wavelength region, and the electromagnetic field in the local region is increased, which is called Local Surface Plasmon Resonance (LSPR). In particular, using optical phenomena caused by plasmon resonance in nanoscale metal structures made of noble metals such as Au and Ag, devices such as real-time chemical / biological sensors have been extensively studied. have.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.One of the technical problems of the present invention is to provide a nano plasmonic sensor using a local surface plasmon resonance phenomenon in a metal structure and a method of manufacturing the same.
예시적인 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 센서는, 기판, 상기 기판 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되는 적어도 하나의 유전체 구조물, 상기 유전체 구조물의 상면 및 일 측면을 덮고 상기 기판의 상면으로 연장되도록 배치되는 금속 구조물, 및 상기 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함한다.Nanoplasmic sensor according to the exemplary embodiments, the substrate, at least one dielectric structure disposed to extend in one direction on the substrate, the upper surface and one side of the dielectric structure is disposed to extend to the upper surface of the substrate And a measuring unit for measuring a local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
일 예로, 상기 금속 구조물은, 상기 유전체 구조물의 상면에 배치되는 제1 수평부, 상기 제1 수평부로부터 절곡되어 상기 유전체 구조물의 일 측면을 따라 배치되는 수직부, 및 상기 수직부로부터 절곡되어 상기 기판의 상면을 따라 배치되는 제2 수평부를 포함할 수 있다.For example, the metal structure may include a first horizontal portion disposed on an upper surface of the dielectric structure, a vertical portion bent from the first horizontal portion and disposed along one side of the dielectric structure, and bent from the vertical portion. It may include a second horizontal portion disposed along the upper surface of the substrate.
일 예로, 상기 제2 수평부는 상기 수직부로부터 상기 제1 수평부와 반대 방향으로 절곡될 수 있다.For example, the second horizontal portion may be bent in a direction opposite to the first horizontal portion from the vertical portion.
일 예로, 상기 제1 수평부의 길이는 상기 제2 수평부의 길이보다 길 수 있다.For example, the length of the first horizontal portion may be longer than the length of the second horizontal portion.
일 예로, 상기 금속 구조물의 전체 폭은 10 nm 내지 1000 nm의 범위일 수 있다.For example, the overall width of the metal structure may range from 10 nm to 1000 nm.
일 예로, 상기 금속 구조물의 두께는 1 nm 내지 200 nm의 범위일 수 있다.For example, the thickness of the metal structure may range from 1 nm to 200 nm.
일 예로, 상기 유전체 구조물은 직육면체 형상을 가질 수 있다.For example, the dielectric structure may have a rectangular parallelepiped shape.
일 예로, 상기 유전체 구조물은 복수 개가 서로 소정 거리로 이격되어 배치될 수 있다.For example, the plurality of dielectric structures may be disposed spaced apart from each other by a predetermined distance.
일 예로, 상기 측정부는, 상기 기판의 상부에 배치되며, 상기 금속 구조물로 입사되는 입사광을 발생시키는 광원부, 및 상기 기판의 하부에 배치되며, 상기 금속 구조물의 표면 또는 주변에 위치하는 분석 대상물에 의해 변화되는 광을 검출하는 수광부를 포함할 수 있다.For example, the measurement unit may be disposed on an upper portion of the substrate, and may include a light source unit generating incident light incident on the metal structure, and an analysis object disposed below or on the surface of the metal structure. It may include a light receiving unit for detecting the light to be changed.
일 예로, 상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다.For example, the substrate may be a flexible substrate.
예시적인 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 센서는, 서로 다른 방향으로 절곡되는 적어도 두 개의 절곡부들을 포함하는 금속 구조물, 및 상기 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함한다.The nano plasmonic sensor according to the exemplary embodiments may include a metal structure including at least two bent portions bent in different directions, and a measuring unit measuring a local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
일 예로, 육면체 형상을 갖는 유전체 구조물을 더 포함하고, 상기 금속 구조물은 상기 유전체 구조물의 일 측면 상에 배치되며, 상기 절곡부들은 상기 유전체 구조물의 상부 및 하부에서 서로 반대 방향으로 절곡될 수 있다.For example, the structure may further include a dielectric structure having a hexahedron shape, wherein the metal structure may be disposed on one side of the dielectric structure, and the bent portions may be bent in opposite directions from each other at the upper and lower portions of the dielectric structure.
예시적인 실시예들에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법은, 기판 상에 유전층을 형성하는 단계, 나노 패턴을 포함하는 몰드를 이용하여 상기 유전층을 패터닝하여 유전체 구조물을 형성하는 단계, 및 상기 기판에 대하여 소정 각도로 금속 물질을 공급함으로써, 상기 유전체 구조물의 상면과 일 측면, 및 상기 기판의 노출된 상면의 일부에 금속 물질을 증착하여 금속 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.According to exemplary embodiments, a method of manufacturing a nano plasmonic sensor may include forming a dielectric layer on a substrate, patterning the dielectric layer using a mold including a nano pattern, and forming a dielectric structure on the substrate. Supplying the metal material at a predetermined angle with respect to the metal material, thereby depositing the metal material on the top and one side of the dielectric structure and a portion of the exposed top surface of the substrate to form the metal structure.
일 예로, 상기 금속 물질은 상기 기판에 수직한 방향에 대하여 10 ° 내지 80 °의 각도로 공급될 수 있다.For example, the metal material may be supplied at an angle of 10 ° to 80 ° with respect to the direction perpendicular to the substrate.
일 예로, 상기 단계들 중 적어도 일부는 롤투롤(roll to roll) 나노임프린트(nanoimpint) 공정으로 수행될 수 있다.For example, at least some of the above steps may be performed by a roll to roll nanoimprint process.
두 개의 절곡부를 갖는 금속 구조물을 이용하여 국소 표면 플라즈몬의 진동 경로(oscillation path)를 확장함으로써 고감도의 나노 플라즈모닉 센서가 제공될 수 있다.A highly sensitive nano plasmonic sensor can be provided by extending the oscillation path of the local surface plasmon using a metal structure having two bends.
또한, 금속 구조물의 형상을 제어하여 고감도의 나노 플라즈모닉 센서를 제조할 수 있는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, a method of manufacturing a nanoplasmonic sensor that can manufacture a nanosensitized sensor having high sensitivity by controlling the shape of a metal structure can be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and advantageous advantages and effects of the present invention is not limited to the above description, it will be more readily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a nano plasmonic sensor in accordance with an exemplary embodiment.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.2 is a schematic perspective view illustrating a sensing unit according to an exemplary embodiment.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예에 따른 센싱부의 개략적인 사시도들이다.3A and 3B are schematic perspective views of a sensing unit according to an exemplary embodiment.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.4A to 4C are schematic step-by-step diagrams illustrating a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법 중 일 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.6A to 6C are cross-sectional views illustrating one step of a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.7A-7C are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
도 8a 및 도 8b는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.8A and 8B are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Embodiments of the present invention may be modified in various other forms, or various embodiments may be combined, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a nano plasmonic sensor in accordance with an exemplary embodiment.
도 1을 참조하면, 나노 플라즈모닉 센서(10)는 센싱부(100) 및 측정부(200)를 포함한다. 센싱부(100)는 분석 대상물(300)에 의한 플라즈몬 공명 특성의 변화를 감지할 수 있으며, 측정부(200)는 이에 따른 광 특성의 변화를 검출할 수 있다. 나노 플라즈모닉 센서(10)는 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 생체 효소, 세포 및 단백질과 같은 생체 분자, 및 화학 물질의 검출, 측정 및 분석에 이용될 수 있다.Referring to FIG. 1, the nano plasmonic sensor 10 includes a sensing unit 100 and a measuring unit 200. The sensing unit 100 may detect a change in the plasmon resonance characteristic by the analyte 300, and the measurement unit 200 may detect a change in the optical characteristic. The nano plasmonic sensor 10 may be used for the detection, measurement, and analysis of biomolecules such as biological enzymes, cells, and proteins, and chemicals using plasmon resonance.
센싱부(100)는 기판(101), 유전체 구조물(110) 및 금속 구조물(120)을 포함할 수 있다.The sensing unit 100 may include a substrate 101, a dielectric structure 110, and a metal structure 120.
기판(101)은 실리콘 기판과 같은 통상의 반도체 기판 또는 절연성 기판 중 선택될 수 있다. 또한, 기판(101)은 특정 광원을 투광시키는 투광성 기판일 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 기판(101)은 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3) 등과 같은 투명한 산화물로 이루어질 수도 있다.The substrate 101 may be selected from a conventional semiconductor substrate such as a silicon substrate or an insulating substrate. In addition, the substrate 101 may be a translucent substrate that transmits a specific light source, and may be made of, for example, polyethylene terephthalate (PET). In an exemplary embodiment, the substrate 101 may be made of a transparent oxide such as titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like.
유전체 구조물(110)은 기판(101) 상에 배치될 수 있으며, 일 방향에서 복수 개가 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 유전체 구조물(110)은 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 도시되지 않은 방향으로 길게 연장되도록 배치될 수 있다. 유전체 구조물(110)은 열경화성, 열가소성 및/또는 광경화성 물질로 이루어질 수 있으며, 고분자 수지층일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유전체 구조물(110)은 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA)로 이루어질 수 있다.The dielectric structures 110 may be disposed on the substrate 101, and a plurality of dielectric structures 110 may be spaced apart at predetermined intervals in one direction. In addition, the dielectric structure 110 may have a rectangular parallelepiped shape and may be disposed to extend in a direction not shown. The dielectric structure 110 may be made of a thermosetting, thermoplastic and / or photocurable material, and may be a polymer resin layer. In an exemplary embodiment, the dielectric structure 110 may be made of polyurethane acrylate (PUA).
금속 구조물(120)은 유전체 구조물(110)의 상면 및 일 측면을 덮고 기판(101)의 상면으로 연장되어 배치될 수 있다. 금속 구조물(120)은 유전체 구조물(110)의 상부 및 하부에서 서로 다른 방향으로 절곡되는 적어도 두 개의 절곡부들(B1, B2)을 포함하는 이중-절곡(double-bent) 구조를 가질 수 있다. 도 1에서는 금속 구조물(120)이 유전체 구조물(110)의 좌측면을 덮는 구조를 도시하였으나 금속 구조물(120)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 일부 실시예들에서 금속 구조물(120)이 유전체 구조물(110)의 우측면을 덮는 구조를 가질 수 있다. 금속 구조물(120)의 기판(101) 상에서의 전체 폭(W), 즉 금속 구조물(120)의 일 단으로부터 타 단까지를 기판(101) 상에서 측정한 길이는 10 nm 내지 1000 nm의 범위일 수 있으며, 도시되지 않은 방향에서는 유전체 구조물(110)을 따라 길게 연장되어 스트립(strip) 형태를 이룰 수 있다. 인접하는 유전체 구조물들(110)의 사이에서 금속 구조물들(120)은 서로 접촉되지 않고 이격되도록 배치될 수 있다. 다만, 유전체 구조물(110) 및 금속 구조물(120)의 개수는 도시된 것에 한정되지 않으며, 예시적인 실시예에서 센싱부(100)는 하나의 유전체 구조물(110) 및 금속 구조물(120)만을 포함할 수도 있다. 금속 구조물(120)의 구조에 대해서는 하기에 도 2를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.The metal structure 120 may cover the top surface and one side surface of the dielectric structure 110 and extend to the top surface of the substrate 101. The metal structure 120 may have a double-bent structure including at least two bent portions B1 and B2 that are bent in different directions at the top and the bottom of the dielectric structure 110. 1 illustrates a structure in which the metal structure 120 covers the left side surface of the dielectric structure 110, but the shape of the metal structure 120 is not limited thereto, and in some embodiments, the metal structure 120 may include the dielectric structure ( It may have a structure covering the right side of the 110. The overall width W of the metal structure 120 on the substrate 101, that is, the length measured from one end to the other end of the metal structure 120 on the substrate 101 may range from 10 nm to 1000 nm. In the non-illustrated direction, it may be extended along the dielectric structure 110 to form a strip. The metal structures 120 may be disposed to be spaced apart from each other without contact between the adjacent dielectric structures 110. However, the number of the dielectric structures 110 and the metal structures 120 is not limited to those shown, and in the exemplary embodiment, the sensing unit 100 may include only one dielectric structure 110 and the metal structures 120. It may be. The structure of the metal structure 120 will be described in more detail with reference to FIG. 2 below.
금속 구조물(120)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 플래티늄(Pt) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 합금으로 이루어질 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 분석 대상물(300)의 물질에 따라, 금속 구조물(120)의 표면은 분석 대상물(300)을 흡착하는 기능기를 포함하는 표면 코팅층을 더 포함할 수도 있다.The metal structure 120 may include at least one of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), and platinum (Pt), and may be made of an alloy thereof. In an exemplary embodiment, depending on the material of the analyte 300, the surface of the metal structure 120 may further include a surface coating layer including a functional group that adsorbs the analyte 300.
금속 구조물(120)은 분석 대상물(300)을 감지하며, 직접 분석 대상물(300)과 접촉하거나 분석 대상물(300)에 근접하여 감지할 수 있다. 분석 대상물(300)에 의해 금속 구조물(120)에서의 플라즈몬 공명 특성이 변화될 수 있으며, 전자기장의 형태가 변화될 수 있다. 분석 대상물(300)은 예를 들어, 금속 이온, 화학 물질, 또는 DNA와 단백질 등과 같은 생체 분자를 포함할 수 있다.The metal structure 120 may detect the analyte 300, and may be in contact with the analyte 300 directly or in proximity to the analyte 300. The plasmon resonance characteristic of the metal structure 120 may be changed by the analyte 300, and the shape of the electromagnetic field may be changed. The analyte 300 may include, for example, metal ions, chemicals, or biomolecules such as DNA and proteins.
측정부(200)는, 센싱부(100)의 상부에 배치되며 금속 구조물(120)로 입사되는 입사광을 발생시키는 광원부(210) 및 센싱부(100)의 하부에 배치되며, 금속 구조물(120)의 표면 또는 주변에 위치하는 분석 대상물(300)에 의해 변화되는 광을 검출하는 수광부(220)를 포함할 수 있다. 광원부(210)는 약 200 nm 내지 2000 nm의 파장을 갖는 광을 발생시킬 수 있으며, 예를 들어, 적외선 또는 가시광을 발생시킬 수 있다. 일부 실시예들에서는 입사광을 편광시키기 위한 편광기를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 수광부(220)는 기판(101) 물질에 따라 광원부(210)와 같이 기판(101)의 상부에 배치될 수도 있으며, 분석 대상물(300)의 변화를 관찰하기 위하여 광학 현미경과 같은 별도의 모니터링부를 더 포함할 수도 있다.The measurement unit 200 is disposed above the sensing unit 100 and disposed under the light source unit 210 and the sensing unit 100 that generate incident light incident to the metal structure 120, and the metal structure 120. It may include a light receiving unit 220 for detecting the light is changed by the analysis object 300 is located on the surface or the periphery. The light source unit 210 may generate light having a wavelength of about 200 nm to 2000 nm, for example, may generate infrared light or visible light. In some embodiments, a polarizer may be included to polarize incident light. In some embodiments, the light receiving unit 220 may be disposed on the substrate 101, such as the light source unit 210, depending on the material of the substrate 101, and may be combined with an optical microscope to observe the change of the analyte 300. The same separate monitoring unit may be further included.
측정부(200)는 금속 구조물(120)에서의 플라즈몬 공명 현상을 측정하며, 예를 들어, 산란(scattering), 흡수(absorption) 또는 흡광(extinction) 특성을 측정하는 UV-Vis 스펙트로미터(spectrometer)를 포함할 수 있다. 측정부(200)는 금속 구조물(120) 주위의 분석 대상물(300)의 유무 및 화학 반응과 같은 분석 대상물(300)의 변화를 공진 주파수(resonant frequency)의 변화, 또는 이에 기인하는 산란, 흡수, 흡광값의 변화 등으로 측정할 수 있다.The measuring unit 200 measures a plasmon resonance phenomenon in the metal structure 120 and, for example, a UV-Vis spectrometer that measures scattering, absorption or extinction characteristics. It may include. The measurement unit 200 may change the resonance frequency such as the presence or absence of the analyte 300 and the chemical reaction around the metal structure 120, or the scattering, absorption, It can measure by a change in absorbance value.
본 발명의 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서(10)는, 금속 박막이 기판(101) 상에 전체적으로 코팅된 구조와 달리, 절곡부들(B1, B2)에 의해 서로 분절된 구조를 가지며 일 방향에서의 폭이 나노 미터 범위인 금속 구조물들(120)을 이용함으로써, 금속 구조물들(120)의 국소화된 표면 플라즈몬의 공명 특성을 이용하여 감지도를 향상시킬 수 있다. Nanoplasmonic sensor 10 according to an embodiment of the present invention, unlike the structure in which the metal thin film is entirely coated on the substrate 101, has a structure that is segmented from each other by the bent portions (B1, B2) in one direction By using metal structures 120 having a width in the nanometer range, the sensitivity of the localized surface plasmons of the metal structures 120 may be used to improve the sensitivity.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.2 is a schematic perspective view illustrating a sensing unit according to an exemplary embodiment.
도 2를 참조하면, 금속 구조물(120)은 유전체 구조물(110)의 상면에 배치되는 제1 수평부(121), 제1 수평부(121)로부터 절곡되어 유전체 구조물(110)의 일 측면 또는 측벽을 따라 배치되는 수직부(122) 및 수직부(122)로부터 절곡되어 기판(101)의 상면을 따라 배치되는 제2 수평부(123)을 포함할 수 있다. 제1 수평부(121) 및 제2 수평부(123)는 수직부(122)를 중심으로 서로 반대 방향으로 절곡될 수 있으며, 금속 구조물(120)은 적어도 두 개의 절곡부들을 포함하는 이중-절곡 구조를 가질 수 있다. 다만, 수직부(122)는 기판(101)의 상면에 대하여 반드시 직각을 이루어야 하는 것은 아니며, 기판(101)의 상면과 소정 각도를 이루면서 기울어지도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 2, the metal structure 120 is bent from the first horizontal portion 121 and the first horizontal portion 121 disposed on the top surface of the dielectric structure 110 to form one side or sidewall of the dielectric structure 110. It may include a vertical portion 122 and a second horizontal portion 123 bent from the vertical portion 122 disposed along the upper surface of the substrate 101. The first horizontal part 121 and the second horizontal part 123 may be bent in opposite directions with respect to the vertical part 122, and the metal structure 120 may be double-bended including at least two bent parts. It may have a structure. However, the vertical portion 122 does not necessarily have to be perpendicular to the upper surface of the substrate 101, but may be disposed to be inclined at a predetermined angle with the upper surface of the substrate 101.
유전체 구조물(110) 상에서 제1 수평부(121)의 길이(L1)는 기판(101) 상에서의 제2 수평부(123)의 길이(L2)보다 길 수 있으며, 이러한 구조를 가짐으로써 인접하는 금속 구조물(120)과 안정적으로 분리되도록 형성될 수 있다. 다만, 제1 수평부(121) 및 제2 수평부(123)의 상대적인 길이는 이에 한정되지 않으며, 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 제1 수평부(121)의 길이(L1)는 5 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 50 nm 내지 90 nm의 범위를 가질 수 있다. 제2 수평부(123)의 길이(L2)는 5 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 20 nm 내지 60 nm의 범위를 가질 수 있다. 유전체 구조물(110)의 일 측면 상에서 수직부(122)의 높이(H)는 20 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 80 nm 내지 120 nm의 범위를 가질 수 있다. 절곡된 방향에서, 금속 구조물(120)의 전체 길이, 즉 제1 수평부(121)의 길이(L1), 제2 수평부(123)의 길이(L2) 및 수직부(122)의 높이(H)의 합은 30 nm 내지 1500 nm의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 180 nm 내지 240 nm의 범위를 가질 수 있다.The length L1 of the first horizontal portion 121 on the dielectric structure 110 may be longer than the length L2 of the second horizontal portion 123 on the substrate 101. It may be formed to be stably separated from the structure 120. However, the relative lengths of the first horizontal part 121 and the second horizontal part 123 are not limited thereto and may be variously changed in the embodiments. The length L1 of the first horizontal portion 121 may be in the range of 5 nm to 500 nm, for example, in the range of 50 nm to 90 nm. The length L2 of the second horizontal portion 123 may be in a range of 5 nm to 500 nm, for example, in a range of 20 nm to 60 nm. The height H of the vertical portion 122 on one side of the dielectric structure 110 may range from 20 nm to 500 nm, for example, may range from 80 nm to 120 nm. In the bent direction, the entire length of the metal structure 120, that is, the length L1 of the first horizontal part 121, the length L2 of the second horizontal part 123, and the height H of the vertical part 122. ) May range from 30 nm to 1500 nm, for example, from 180 nm to 240 nm.
제2 수평부(123)의 일단과 인접하는 유전체 구조물(110)은 서로 이격될 수 있다. 제2 수평부(123)의 일단과 이에 인접하는 유전체 구조물(110) 사이의 이격 거리(L3)는 10 nm 내지 300 nm의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 70 nm 내지 110 nm의 범위를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(L3)는 인접하는 금속 구조물(120)이 유전체 구조물(110)의 일 측벽에만 형성되면서, 인접하는 유전체 구조물들(110)의 사이에서 서로 연결되지 않는 범위에서 결정될 수 있다. 금속 구조물(120)은 이중-절곡되지 않은 방향에서는 유전체 구조물(110)을 따라 길게 연장되도록 배치될 수 있다. 상기 방향에서 금속 구조물(120)의 길이(L4)는 센서부(100)의 크기를 고려하여 결정될 수 있으며, 수 백 나노미터 내지 수십 센티미터의 범위일 수 있다.The dielectric structure 110 adjacent to one end of the second horizontal portion 123 may be spaced apart from each other. The separation distance L3 between one end of the second horizontal portion 123 and the dielectric structure 110 adjacent thereto may be in a range of 10 nm to 300 nm, for example, in a range of 70 nm to 110 nm. Can be. The separation distance L3 may be determined in a range in which adjacent metal structures 120 are formed only on one sidewall of the dielectric structure 110 and are not connected to each other between adjacent dielectric structures 110. The metal structure 120 may be arranged to extend along the dielectric structure 110 in a non-double bent direction. The length L4 of the metal structure 120 in the direction may be determined in consideration of the size of the sensor unit 100 and may range from several hundred nanometers to several tens of centimeters.
금속 구조물(120)의 두께(T1, T2)는 1 nm 내지 200 nm의 범위일 수 있으며, 적어도 제1 수평부(121), 수직부(122) 및 제2 수평부(123)가 연속적인 막을 형성할 수 있는 두께로 결정될 수 있다. 금속 구조물(120)의 두께는 유전체 구조물(110)의 측면 상에서의 두께(T1), 즉 수직부(122)에서의 두께(T1)와 제1 수평부(121) 및 제2 수평부(123)에서의 두께(T2)가 동일하거나 상이할 수 있다.The thicknesses T1 and T2 of the metal structure 120 may range from 1 nm to 200 nm, and at least the first horizontal portion 121, the vertical portion 122, and the second horizontal portion 123 may form a continuous film. It can be determined by the thickness that can be formed. The thickness of the metal structure 120 is the thickness T1 on the side of the dielectric structure 110, that is, the thickness T1 at the vertical portion 122 and the first horizontal portion 121 and the second horizontal portion 123. The thickness T2 at may be the same or different.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예에 따른 센싱부의 개략적인 사시도들이다.3A and 3B are schematic perspective views of a sensing unit according to an exemplary embodiment.
도 3a를 참조하면, 센싱부(100)는 일 방향, 예를 들어 x 방향에서 유전체 구조물들(110)이 서로 이격되어 배치될 수 있고, 이에 따라 각각의 유전체 구조물들(110)에 접하는 금속 구조물들(120)도 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 x 방향에 수직한 일 방향, 예를 들어 y 방향에서, 유전체 구조물들(110) 및 금속 구조물들(120)은 기판(101)의 상면을 따라 연장될 수 있다. 센싱부(100)에서, 기판(101) 상에 배치되는 유전체 구조물들(110) 및 금속 구조물들(120)의 개수는 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며, 센싱부(100)의 목적하는 크기, 및 분석 대상물의 크기 및 종류에 따라 다양하게 선택될 수 있다.Referring to FIG. 3A, the sensing unit 100 may be disposed with the dielectric structures 110 spaced apart from each other in one direction, for example, the x direction, thus contacting each of the dielectric structures 110. The 120 may also be spaced apart from each other. In one direction perpendicular to the x direction, for example, the y direction, the dielectric structures 110 and the metal structures 120 may extend along the top surface of the substrate 101. In the sensing unit 100, the number of the dielectric structures 110 and the metal structures 120 disposed on the substrate 101 is not limited to those shown in the drawings, and the desired size of the sensing unit 100, And various sizes according to the size and type of the analyte.
도 3b를 참조하면, 센싱부(100a)는 기판(101), 유전체 구조물(110a) 및 금속 구조물(120a)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3B, the sensing unit 100a may include a substrate 101, a dielectric structure 110a, and a metal structure 120a.
본 실시예에서는 도 3a의 실시예에서와 달리, 유전체 구조물들(110) 및 금속 구조물들(120)이 y 방향에서 소정 길이를 가지며 서로 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 금속 구조물들(120)은 x 방향 및 y 방향에서 모두 이격된 3차원 구조를 가질 수 있다.In the present embodiment, unlike the embodiment of FIG. 3A, the dielectric structures 110 and the metal structures 120 may be spaced apart from each other with a predetermined length in the y direction. Therefore, the metal structures 120 may have a three-dimensional structure spaced apart in both the x and y directions.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.4A to 4C are schematic step-by-step diagrams illustrating a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 4a를 참조하면, 기판(101) 상에 에어브러시(airbrush)(410)를 이용하여 유전층(110P)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4A, the dielectric layer 110P may be formed on the substrate 101 by using an airbrush 410.
기판(101)은 후속에서 그 상면에 금속 구조물(120)(도 1 참조)이 형성되는 층으로서, 나노 플라즈모닉 센서의 일부를 이루는 기판에 해당할 수 있다. 기판(101)은 반도체 기판 또는 절연성 기판 중 선택될 수 있다. 또한, 기판(101)은 투광성 기판일 수 있으며, 특정 광원을 투광시킬 수 있다. Substrate 101 is a layer in which a metal structure 120 (see FIG. 1) is formed on the upper surface of the substrate 101 may correspond to a substrate forming a part of the nano plasmonic sensor. The substrate 101 may be selected from a semiconductor substrate or an insulating substrate. In addition, the substrate 101 may be a light transmissive substrate, and may transmit a specific light source.
유전층(110P)은 후속 공정을 통해 유전체 구조물(110)(도 1 참조)을 이루게 되는 층으로, 열경화성, 열가소성 및/또는 광경화성 물질로 이루어질 수 있으며, 고분자 수지층일 수 있다. 유전층(110P)은 도 4a에 도시된 것과 같이 에어브러시(410)를 이용하여 고르게 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 유전층(110P)은 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 분사 등에 의하여 기판(101) 상에 도포될 수도 있다. 유전층(110P)의 두께는 형성하려고 하는 금속 구조물(120)의 크기에 따라 선택될 수 있다.The dielectric layer 110P is a layer forming the dielectric structure 110 (see FIG. 1) through a subsequent process, and may be made of a thermosetting, thermoplastic and / or photocurable material, and may be a polymer resin layer. The dielectric layer 110P may be evenly formed using the airbrush 410 as shown in FIG. 4A, but is not limited thereto. For example, the dielectric layer 110P may be applied onto the substrate 101 by spin coating, screen printing, spraying, or the like. The thickness of the dielectric layer 110P may be selected according to the size of the metal structure 120 to be formed.
도 4b를 참조하면, 유전층(110P)을 패터닝하여 유전체 구조물(110)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4B, the dielectric layer 110P may be patterned to form the dielectric structure 110.
유전층(110P)은 나노 임프린트 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 이 경우, 나노 사이즈의 라인 패턴이 형성된 임프린트 몰드(420)를 이용할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 임프린트 몰드(420)는 도 4b의 상단에 도시된 것과 같이, 플렉서블(flexible)한 물질로 이루어져 롤러 형태로 준비될 수 있다. 이 경우, 임프린트 몰드(420)는 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 이루어질 수 있다. 유전층(110P)은 임프린트 몰드(420)에 의해 가압되고 패터닝되어 유전체 구조물(110)을 이룰 수 있다. 임프린트 몰드(420)의 안쪽에는 UV 램프(430)가 배치될 수 있으며, 유전층(110P)이 광경화성 물질로 이루어진 경우 유전층(110P)을 경화시키는 데 이용될 수 있다. 이와 같이 롤러 형태의 임프린트 몰드(420)를 이용하는 경우, 대면적의 기판(101) 상에도 용이하게 유전체 구조물(110)을 형성할 수 있다.The dielectric layer 110P may be formed using a nano imprint process. In this case, an imprint mold 420 having a nano-sized line pattern may be used. In an exemplary embodiment, the imprint mold 420 may be made of a flexible material and prepared in the form of a roller, as shown at the top of FIG. 4B. In this case, the imprint mold 420 may be made of, for example, polydimethylsiloxane (PDMS). The dielectric layer 110P may be pressed and patterned by the imprint mold 420 to form the dielectric structure 110. The UV lamp 430 may be disposed inside the imprint mold 420, and may be used to cure the dielectric layer 110P when the dielectric layer 110P is formed of a photocurable material. As such, when using the roller-shaped imprint mold 420, the dielectric structure 110 may be easily formed on the large-area substrate 101.
다만, 유전체 구조물(110)의 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정에 의해 형성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 유전체 구조물들(110)의 사이에서 기판(101)의 상면에 유전층(110P) 물질이 일부 잔존할 수도 있으며, 잔존하는 유전층(110P) 물질을 추가적인 공정으로 제거할 수도 있다.However, the method of manufacturing the dielectric structure 110 is not limited thereto, and may be formed by a photolithography process and an etching process. In some embodiments, some of the dielectric layer 110P material may remain on the upper surface of the substrate 101 between the dielectric structures 110, and the remaining dielectric layer 110P material may be removed by an additional process.
도 4c를 참조하면, 기판(101) 및 유전체 구조물(110) 상에 금속 물질을 증착하여, 금속 구조물(120)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4C, a metal material may be deposited on the substrate 101 and the dielectric structure 110 to form the metal structure 120.
금속 구조물(120)은 노출된 기판(101)의 상면 및 유전체 구조물(110)의 상면과 일 측면에 형성될 수 있다. 금속 구조물(120)은 기판(101)과 상기 금속 물질의 소스가 소정 경사를 갖도록 기판(101)과 상기 금속 물질 소스를 배치하여, 상기 금속 물질이 기판(101)에 대하여 소정 각도(θ)를 가지고 공급되어 증착되도록 함으로써 형성될 수 있다.The metal structure 120 may be formed on one side of the top surface of the exposed substrate 101 and the top surface of the dielectric structure 110. The metal structure 120 arranges the substrate 101 and the metal material source such that the substrate 101 and the source of the metal material have a predetermined slope so that the metal material has a predetermined angle θ with respect to the substrate 101. It can be formed by being supplied and deposited.
이 경우, 상기 각도(θ)에 따라, 형성되는 금속 구조물(120)의 형상이 변화될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우, 유전체 구조물(110)의 상면과 일 측면에 상기 금속 물질이 증착되면서, 서로 인접하는 유전체 구조물들(110)의 사이에서 금속 구조물들(120)이 연결되지 않도록 상기 각도(θ)가 조절될 수 있다. 상기 각도(θ)는 예를 들어, 20 ° 내지 60 °의 범위일 수 있으며, 유전체 구조물(110)의 높이 및 폭, 유전체 구조물들(110) 사이의 이격 거리, 금속 구조물(120)의 두께 등을 고려하여 상기와 같은 조건을 만족하는 각도로 선택될 수 있다. 이에 대해서는 하기에 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 실시예에서는 상기 금속 물질이 기판(101)에 대하여 소정 각도(θ)를 가지고 공급되어 증착되도록 함으로써, 한번의 증착 공정만으로 이중-절곡 구조를 구현할 수 있으며, 리프트-오프(lift-off) 공정과 같은 별도의 공정이 필요하지 않아 제조 공정이 단순화될 수 있다. In this case, according to the angle θ, the shape of the metal structure 120 to be formed may be changed. Therefore, in the present embodiment, the metal material is deposited on the upper surface and one side of the dielectric structure 110, so that the metal structures 120 are not connected between the dielectric structures 110 adjacent to each other. θ) can be adjusted. The angle θ may be, for example, in a range of 20 ° to 60 °, the height and width of the dielectric structure 110, the separation distance between the dielectric structures 110, the thickness of the metal structure 120, and the like. In consideration of this, it may be selected at an angle satisfying the above conditions. This will be described in more detail with reference to FIGS. 6A to 6C below. In this embodiment, the metal material is supplied with a predetermined angle (θ) with respect to the substrate 101 to be deposited, so that a double-bending structure can be realized by only one deposition process, and a lift-off process. Since no separate process is required, the manufacturing process can be simplified.
금속 구조물(120)은 예를 들어, 열 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)을 이용하여 형성할 수 있다. The metal structure 120 may be formed using, for example, physical vapor deposition (PVD), such as thermal evaporation, electron beam evaporation, or sputtering. .
본 실시예에서는 기판(101) 상에 유전체 구조물(110)을 별도로 제거하지 않으며, 이에 의해 제조 공정이 단순화될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예시적인 실시예에서, 금속 구조물(120)만 남도록 유전체 구조물(110)을 별도의 습식 식각 공정 등을 이용하여 제거할 수도 있다.In the present embodiment, the dielectric structure 110 is not separately removed on the substrate 101, thereby simplifying the manufacturing process. However, the present invention is not limited thereto, and in an exemplary embodiment, the dielectric structure 110 may be removed using a separate wet etching process so that only the metal structure 120 remains.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 5를 참조하면, 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치(1000)는 공급롤(401), 권취롤(402), 에어브러시(410), 임프린트 몰드(420), UV 램프(430) 및 증착 챔버(440)를 포함할 수 있다. 본 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치(1000)를 이용하여 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 상술한 나노 플라즈모닉 센서의 제조가 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5, the apparatus 1000 for manufacturing a nanoplasmonic sensor includes a supply roll 401, a winding roll 402, an airbrush 410, an imprint mold 420, a UV lamp 430, and a deposition chamber ( 440). The nanoplasmonic sensor described above with reference to FIGS. 4A to 4C may be performed using the apparatus 1000 for manufacturing the nanoplasmonic sensor.
공급롤(401) 및 권취롤(402)은 기판(101)을 공급하고 권취할 수 있다. 이 경우, 기판(101)은 플렉서블 기판이 이용될 수 있다. 기판(101)이 플렉서블 기판이 아닌 경우, 공급롤(401) 및 권취롤(402)은 제조 공정이 순차적으로 진행되도록 기판(101)을 이동시키는 역할을 할 수 있다.The supply roll 401 and the winding roll 402 may feed and wind the substrate 101. In this case, the substrate 101 may be a flexible substrate. When the substrate 101 is not a flexible substrate, the supply roll 401 and the winding roll 402 may serve to move the substrate 101 so that the manufacturing process proceeds sequentially.
에어브러시(410)는 도 4a를 참조하여 상술한 것과 같이 기판(101) 상에 유전층(110P)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 코팅된 유전층(110P)에 임프린트 몰드(420) 및 UV 램프(430)를 이용하여 패터닝 공정이 수행될 수 있으며, 이에 의해 유전체 구조물(110)이 형성될 수 있다.The airbrush 410 may be used to form the dielectric layer 110P on the substrate 101 as described above with reference to FIG. 4A. The patterning process may be performed using the imprint mold 420 and the UV lamp 430 on the coated dielectric layer 110P, whereby the dielectric structure 110 may be formed.
챔버(440)는 배출구(442)를 구비할 수 있으며, 도시되지 않은 펌프 등에 의해 배출구(442)로 공기를 배출시켜 대기압보다 낮은 기압 상태로 유지될 수 있다. 챔버(440) 내에는 금속 물질 소스(445)가 구비될 수 있으며, 이로부터 기판(101) 상으로 금속 물질이 공급되어 증착될 수 있다.The chamber 440 may include an outlet 442, and may be maintained at an atmospheric pressure lower than atmospheric pressure by discharging air to the outlet 442 by a pump (not shown). A metal material source 445 may be provided in the chamber 440, from which a metal material may be supplied and deposited on the substrate 101.
본 실시예의 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치(1000)에 따르면, 롤투롤(roll to roll) 방식을 이용하여 임프린트 공정을 수행함으로써, 공정 효율이 향상되고 양산성이 개선될 수 있다. 다만, 도시된 것과 같이 제조 공정 전체가 롤투롤 방식으로 수행되어야 하는 것은 아니며, 적어도 일부 공정이 이와 같은 방식으로 수행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유전체 구조물(110)을 형성하기 위한 임프린트 공정이 롤투롤 공정으로 수행된 후, 기판(101)을 별도의 증착 장치로 이동시켜 금속 구조물(120) 형성 공정이 수행될 수도 있다.According to the apparatus 1000 for manufacturing a nanoplasmonic sensor of the present embodiment, by performing an imprint process using a roll to roll method, process efficiency may be improved and mass productivity may be improved. However, the entire manufacturing process does not have to be performed in a roll-to-roll manner as shown, and at least some processes may be performed in this manner. In an exemplary embodiment, after the imprint process for forming the dielectric structure 110 is performed in a roll-to-roll process, the process of forming the metal structure 120 may be performed by moving the substrate 101 to a separate deposition apparatus. .
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법 중 일 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.6A to 6C are cross-sectional views illustrating one step of a method of manufacturing a nano plasmonic sensor according to an exemplary embodiment.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 도 4c를 참조하여 상술한 금속 구조물(120)의 형성 단계에서, 금속 물질이 기판(101)에 공급되는 각도(θ)에 따라 다르게 형성되는 금속 구조물(120)의 형상들이 도시된다. 6A to 6C, in the forming of the metal structure 120 described above with reference to FIG. 4C, the metal structure 120 is formed differently according to the angle θ supplied to the substrate 101. The shapes of are shown.
도 6a에서와 같이 상기 각도(θ)가 상대적으로 작은 경우, 상기 금속 물질이 절연체 구조물(110)의 측벽에 증착되지 못하거나 연속적인 막으로 증착되지 못할 수 있다. 따라서, 도시된 것과 같이 금속 구조물(120L)이 절연체 구조물(110)과 기판(101) 상에 각각 형성되어 서로 연결되지 못할 수 있다.As shown in FIG. 6A, when the angle θ is relatively small, the metal material may not be deposited on the sidewall of the insulator structure 110 or may not be deposited as a continuous film. Thus, as shown, the metal structures 120L may be formed on the insulator structure 110 and the substrate 101, respectively, and thus may not be connected to each other.
도 6b에서와 같이 상기 각도(θ)가 적절한 범위에서 선택되는 경우, 유전체 구조물(110)의 하나의 측면에만 상기 금속 물질이 증착되어, 유전체 구조물(110)의 상면으로부터 기판(101)으로 연장되는 금속 구조물(120)이 형성될 수 있다. 또한, 서로 인접하는 유전체 구조물들(110)의 사이에서 금속 구조물들(120)이 연결되지 않을 수 있다. 상기 각도(θ)는 예를 들어, 10 ° 내지 80 °의 범위일 수 있으며, 상기 각도(θ)는 유전체 구조물(110)의 높이 및 폭, 유전체 구조물들(110) 사이의 이격 거리, 금속 구조물(120)의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.When the angle θ is selected in an appropriate range as shown in FIG. 6B, the metal material is deposited on only one side of the dielectric structure 110, and extends from the top surface of the dielectric structure 110 to the substrate 101. The metal structure 120 may be formed. In addition, the metal structures 120 may not be connected between the dielectric structures 110 adjacent to each other. The angle θ may be, for example, in the range of 10 ° to 80 °, the angle θ being the height and width of the dielectric structure 110, the separation distance between the dielectric structures 110, the metal structure The thickness of 120 may vary.
도 6c에서와 같이 상기 각도(θ)가 상대적으로 큰 경우, 상기 금속 물질이 절연체 구조물(110)의 측벽 하부 및 기판(101)의 상면에 증착되지 못할 수 있다. 따라서, 도시된 것과 같이 금속 구조물(120H)이 절연체 구조물(110)의 상단에만 형성될 수 있다. 이는 인접하는 절연체 구조물(110)에 의해 가려지기 때문에 상기 금속 물질이 기판(101)에 가까운 영역에 도달하지 못해서 발생하는 구조일 수 있다. As shown in FIG. 6C, when the angle θ is relatively large, the metal material may not be deposited on the lower sidewall of the insulator structure 110 and the upper surface of the substrate 101. Thus, as shown, the metal structure 120H may be formed only on the top of the insulator structure 110. This may be a structure caused by the metal material not reaching the region close to the substrate 101 because it is covered by the adjacent insulator structure 110.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서, 금속 물질이 기판(101)에 공급되는 각도(θ)가 유전체 구조물(110)의 크기 및 배치와의 관계에서 적절하게 선택됨으로써, 도 6b와 같이, 동일 면적에서 최대 길이를 갖는 금속 구조물(120)이 형성될 수 있으며, 금속 구조물(120)에 의해 발생하는 플라즈몬의 진동 경로를 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명과 같이 이중-절곡된 금속 구조물(120)을 이용함으로써, 단위 면적에 형성되는 금속 구조물들(120)의 개수를 최대화하고 동시에 각각의 금속 구조물(120)에서의 플라즈몬의 진동 경로를 최대화 할 수 있다.As such, in the embodiment of the present invention, the angle θ at which the metal material is supplied to the substrate 101 is appropriately selected in relation to the size and arrangement of the dielectric structure 110, so that the same area as shown in FIG. 6B. In the metal structure 120 having the maximum length can be formed, it is possible to secure the vibration path of the plasmon generated by the metal structure 120. Thus, by using the double-bent metal structure 120 as in the present invention, the number of metal structures 120 formed in the unit area is maximized and at the same time the vibration path of the plasmon in each metal structure 120 It can be maximized.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.7A-7C are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
측정에 사용된 나노 플라즈모닉 센서들은 각각 도 6a 내지 도 6c와 같은 구조를 가지며, 금속 구조물들(120)을 이루는 금(Au)의 증착 각도가 상이하게 제조되었다. 구체적으로, 나노 플라즈모닉 센서들은 PET로 이루어진 기판(101) 상에 PUA로 이루어진 유전체 구조물들(110)을 형성한 후, 금(Au)으로 이루어진 금속 구조물들(120)을 형성하여 제조되었으며, 도 7a의 경우, θ가 5 °, 도 7b는 θ가 35 °, 도 7c는 θ가 50 °인 조건에서 형성되었다. 유전체 구조물들(110)은 약 70 nm의 폭과 약 100 nm의 높이로 형성되었으며, 유전체 구조물들(110)과 기판(101) 상에서 금속 구조물들(120)의 두께는 약 20 nm로 형성되었다. 금속 구조물들(120)은 기판(101) 상에서 약 40 nm의 길이로 형성되었으며, 이에 따라 금속 구조물(120)의 절곡 방향을 따른 총 길이는 약 210 nm이다. The nano plasmonic sensors used for the measurement have a structure as shown in FIGS. 6A to 6C, respectively, and different deposition angles of gold (Au) forming the metal structures 120 are manufactured. Specifically, the nano plasmonic sensors are manufactured by forming the dielectric structures 110 made of PUA on the substrate 101 made of PET, and then forming the metal structures 120 made of gold (Au). In the case of 7a, θ was 5 °, Fig. 7B was formed under the condition that θ was 35 °, and Fig. 7C was 50 °. Dielectric structures 110 were formed with a width of about 70 nm and a height of about 100 nm, and the thickness of the metal structures 120 on the dielectric structures 110 and the substrate 101 was about 20 nm. The metal structures 120 are formed on the substrate 101 to a length of about 40 nm, and thus the total length along the bending direction of the metal structures 120 is about 210 nm.
도 7a 내지 도 7c는 상기 나노 플라즈모닉 센서들을 이용하여 각각 공기(air) 및 탈이온수(de-ionized water)인 물에서 흡광 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다. 금속 구조물(120)의 플라즈몬 공명 조건은 주변 물질의 굴절률에 따라 변화되고 이에 의해 흡광 스펙트럼이 변화한다. 세 개의 그래프들을 비교하여 분석해보면, 금속 구조물(120)의 주변 환경에 따라 흡광 스펙트럼이 변화하며, 공기와 탈이온수에서 서로 다른 피크 파장을 나타낸다. 다만, 도 7a의 경우 피크 파장의 이동이 명확하게 나타나지 않으며, 도 7c의 경우 상대적으로 피크 파장의 이동이 적게 나타났다. 도 7b와 같이 이중-절곡된 본 발명의 실시예의 경우 주변 물질의 변화에 따라 가장 큰 피크 파장의 이동을 나타내었으며, 도 7c의 한번 절곡된 구조에 비하여 약 3배 정도 이동되었다. 도 7c의 결과에 따르면, 이중-절곡된 구조의 센서는 약 210 nm/RIU의 높은 감도(refractive index sensitivity) 특성을 나타냈으며, 상기 센서의 성능 지수(figure of merit)는 약 4.2로 나타났다.7A to 7C show absorption spectra measured in water, which is air and de-ionized water, using the nanoplasmonic sensors, respectively. The plasmon resonance condition of the metal structure 120 is changed according to the refractive index of the surrounding material, thereby changing the absorption spectrum. When the three graphs are compared and analyzed, the absorption spectrum changes according to the surrounding environment of the metal structure 120, and shows different peak wavelengths in air and deionized water. However, in the case of FIG. 7A, the shift of the peak wavelength does not appear clearly, and in FIG. 7C, the shift of the peak wavelength is relatively small. In the case of the double-bent embodiment of the present invention as shown in Figure 7b showed the largest peak wavelength shift in accordance with the change of the surrounding material, it is about three times shifted compared to the structure once bent in Figure 7c. According to the results of FIG. 7C, the double-bended sensor exhibited a high index of refraction index of about 210 nm / RIU, and the figure of merit of the sensor was about 4.2.
별도의 시뮬레이션 결과에 의하면, 본 발명의 나노 플라즈모닉 센서는 이중-절곡 구조를 갖지 않는 금속 구조물과 달리, 약 810 nm의 장파장에서 소멸 피크(extinction peak)를 나타내었다. 시뮬레이션 결과 약 560 nm와 같은 상대적으로 단파장에서는 도 2의 제1 수평부(121), 수직부(122) 및 제2 수평부(123) 각각이 전기 쌍극자(dipole)로 작용하지만, 약 810 nm의 장파장에서는 금속 구조물(120) 전체가 긴 진동(oscillation) 길이를 갖는 하나의 전기 쌍극자로 작용할 수 있다. 이와 같이, 특히 장파장의 여기 파장에서, 표면 플라즈몬의 긴 진동 길이는 센서의 민감도를 상승시킬 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우, 동일한 기판(101) 면적에서 금속 구조물(120)이 두 번 절곡되어 상대적으로 긴 길이를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기와 같은 국부 전기장이 형성될 수 있어 센서의 민감도가 향상될 수 있다.According to a separate simulation result, the nano plasmonic sensor of the present invention exhibited an extinction peak at a long wavelength of about 810 nm, unlike a metal structure having no double-bending structure. Simulation results show that at relatively short wavelengths, such as about 560 nm, each of the first horizontal portion 121, the vertical portion 122, and the second horizontal portion 123 in FIG. 2 acts as an electric dipole, but at about 810 nm. At long wavelengths, the entire metal structure 120 may act as one electric dipole having a long oscillation length. As such, especially at long wavelength excitation wavelengths, the long vibration length of the surface plasmon can increase the sensitivity of the sensor. In the exemplary embodiment of the present invention, the metal structure 120 may be bent twice in the same substrate 101 area to have a relatively long length. Accordingly, such a local electric field may be formed, thereby improving the sensitivity of the sensor. Can be.
도 8a 및 도 8b는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.8A and 8B are graphs showing measurement results using an exemplary nano plasmonic sensor.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 나노 플라즈모닉 센서를 이용하여 서로 다른 농도의 베타아밀로이드 펩타이드(β-amyloid peptide) 수용액에 대한 흡광 스펙트럼을 측정한 결과이다. 베타아밀로이드 펩타이드는 알츠하이머에 대한 생체표지자(biomarker)로 알려져 있다. 베타아밀로이드 수용액을 센서 표면에 증발시켜 측정하였으며, 센서 표면에 잔존하는 베타아밀로이드의 질량은 2×10-15 g 내지 2×10-10 g의 범위를 갖는다.8A and 8B, absorbance spectra of aqueous solutions of beta amyloid peptides having different concentrations were measured using nanoplasmonic sensors. Beta amyloid peptides are known as biomarkers for Alzheimer's. The beta amyloid aqueous solution was measured by evaporation on the sensor surface, and the mass of beta amyloid remaining on the sensor surface was in the range of 2 × 10 -15 g to 2 × 10 -10 g.
도 8a에 도시된 것과 같이, 베타아밀로이드 분자에 의해 금속 구조물 주위에서의 굴절률이 변화되어 스펙트럼 피크가 이동된 것을 알 수 있다. 도 8b에 도시된 것과 같이, 베타아밀로이드의 질량이 2×10-14 g보다 큰 경우부터 스펙트럼의 이동이 나타났으며, 질량이 2×10-10 g 이상에서 스펙트럼 이동이 포화(saturation)되는 것으로 나타난다. 따라서, 센서의 측정 최소 한계는 약 20 펨토그램인 것을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서는 펨토그램 레벨의 감도를 갖는 분자 센서로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 8A, it can be seen that the refractive index around the metal structure is changed by the beta amyloid molecule to shift the spectral peak. As shown in FIG. 8B, the spectral shift was observed when the mass of the beta amyloid was greater than 2 × 10 −14 g, and the spectral shift was saturated when the mass was 2 × 10 −10 g or more. appear. Accordingly, it can be seen that the measurement minimum limit of the sensor is about 20 femtograms, and the nanoplasmonic sensor according to the embodiment of the present invention can be used as a molecular sensor having a femtogram level sensitivity.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. Accordingly, various forms of substitution, modification, and alteration may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, which are also within the scope of the present invention. something to do.
본 발명의 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서는 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 생체 효소, 세포 및 단백질과 같은 생체 분자, 및 화학 물질의 검출, 측정 및 분석에 이용될 수 있다.Nano plasmonic sensor according to an embodiment of the present invention can be used for the detection, measurement and analysis of biomolecules, such as biological enzymes, cells and proteins, and chemicals using plasmon resonance.

Claims (15)

  1. 기판;Board;
    상기 기판 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되는 적어도 하나의 유전체 구조물;At least one dielectric structure disposed on the substrate to extend in one direction;
    상기 유전체 구조물의 상면 및 일 측면을 덮고 상기 기판의 상면으로 연장되도록 배치되는 금속 구조물; 및A metal structure covering the top surface and one side surface of the dielectric structure and extending to the top surface of the substrate; And
    상기 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.Nano plasmonic sensor comprising a measurement unit for measuring the local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
  2. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 금속 구조물은,The metal structure,
    상기 유전체 구조물의 상면에 배치되는 제1 수평부;A first horizontal portion disposed on an upper surface of the dielectric structure;
    상기 제1 수평부로부터 절곡되어 상기 유전체 구조물의 일 측면을 따라 배치되는 수직부; 및A vertical portion bent from the first horizontal portion and disposed along one side of the dielectric structure; And
    상기 수직부로부터 절곡되어 상기 기판의 상면을 따라 배치되는 제2 수평부를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.And a second horizontal portion bent from the vertical portion and disposed along an upper surface of the substrate.
  3. 제2 항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 제2 수평부는 상기 수직부로부터 상기 제1 수평부와 반대 방향으로 절곡되는 나노 플라즈모닉 센서.And the second horizontal portion is bent from the vertical portion in a direction opposite to the first horizontal portion.
  4. 제2 항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 제1 수평부의 길이는 상기 제2 수평부의 길이보다 긴 나노 플라즈모닉 센서.The nano plasmonic sensor has a length longer than the length of the second horizontal portion.
  5. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 금속 구조물의 전체 폭은 10 nm 내지 1000 nm의 범위인 나노 플라즈모닉 센서.The total width of the metal structure is a nano plasmonic sensor in the range of 10 nm to 1000 nm.
  6. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 금속 구조물의 두께는 1 nm 내지 200 nm의 범위인 나노 플라즈모닉 센서.The thickness of the metal structure is a nano plasmonic sensor in the range of 1 nm to 200 nm.
  7. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 유전체 구조물은 직육면체 형상을 가지는 나노 플라즈모닉 센서.The dielectric structure is a nano plasmonic sensor having a rectangular parallelepiped shape.
  8. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 유전체 구조물은 복수 개가 서로 소정 거리로 이격되어 배치되는 나노 플라즈모닉 센서.The dielectric structure is a plurality of nano-plasmonic sensor is arranged spaced apart from each other by a predetermined distance.
  9. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 측정부는,The measuring unit,
    상기 기판의 상부에 배치되며, 상기 금속 구조물로 입사되는 입사광을 발생시키는 광원부; 및A light source unit disposed on the substrate and generating incident light incident on the metal structure; And
    상기 기판의 하부에 배치되며, 상기 금속 구조물의 표면 또는 주변에 위치하는 분석 대상물에 의해 변화되는 광을 검출하는 수광부를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.The nano plasmonic sensor disposed on the lower portion of the substrate, including a light receiving unit for detecting the light that is changed by the analyte located on or around the surface of the metal structure.
  10. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판인 나노 플라즈모닉 센서.The substrate is a nano-plasmonic sensor is a flexible (flexible) substrate.
  11. 서로 다른 방향으로 절곡되는 적어도 두 개의 절곡부들을 포함하는 금속 구조물; 및A metal structure including at least two bent portions bent in different directions; And
    상기 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.Nano plasmonic sensor comprising a measurement unit for measuring the local surface plasmon resonance phenomenon in the metal structure.
  12. 제11 항에 있어서,The method of claim 11, wherein
    육면체 형상을 갖는 유전체 구조물을 더 포함하고,Further comprising a dielectric structure having a hexahedron shape,
    상기 금속 구조물은 상기 유전체 구조물의 일 측면 상에 배치되며, 상기 절곡부들은 상기 유전체 구조물의 상부 및 하부에서 서로 반대 방향으로 절곡되는 나노 플라즈모닉 센서.The metal structure is disposed on one side of the dielectric structure, wherein the bent portion is bent in the opposite direction at the top and bottom of the dielectric structure nano plasmonic sensor.
  13. 기판 상에 유전층을 형성하는 단계;Forming a dielectric layer on the substrate;
    나노 패턴을 포함하는 몰드를 이용하여 상기 유전층을 패터닝하여 유전체 구조물을 형성하는 단계; 및Patterning the dielectric layer using a mold including a nano pattern to form a dielectric structure; And
    상기 기판에 대하여 소정 각도로 금속 물질을 공급함으로써, 상기 유전체 구조물의 상면과 일 측면, 및 상기 기판의 노출된 상면의 일부에 금속 물질을 증착하여 금속 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.Supplying a metal material at a predetermined angle with respect to the substrate, thereby depositing a metal material on an upper surface and one side of the dielectric structure and a part of the exposed upper surface of the substrate to form a metal plasmonic sensor. Method of preparation.
  14. 제13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 금속 물질은 상기 기판에 수직한 방향에 대하여 10 ° 내지 80 °의 각도로 공급되는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.And the metal material is supplied at an angle of 10 ° to 80 ° with respect to the direction perpendicular to the substrate.
  15. 제13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 단계들 중 적어도 일부는 롤투롤(roll to roll) 나노임프린트(nanoimprint) 공정으로 수행되는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.At least some of the steps are performed in a roll to roll nanoimprint process.
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