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KR20180107381A - 나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20180107381A
KR20180107381A KR1020170033961A KR20170033961A KR20180107381A KR 20180107381 A KR20180107381 A KR 20180107381A KR 1020170033961 A KR1020170033961 A KR 1020170033961A KR 20170033961 A KR20170033961 A KR 20170033961A KR 20180107381 A KR20180107381 A KR 20180107381A
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KR
South Korea
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substrate
dielectric
metal
metal structure
horizontal portion
Prior art date
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위정섭
옥종걸
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한국표준과학연구원
서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 나노 플라즈모닉 센서는, 기판, 기판 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되는 적어도 하나의 유전체 구조물, 유전체 구조물의 상면 및 일 측면을 덮고 기판의 상면으로 연장되도록 배치되는 금속 구조물, 및 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함한다. 또한, 본 발명의 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법은, 기판 상에 유전층을 형성하는 단계, 나노 패턴을 포함하는 몰드를 이용하여 유전층을 패터닝하여 유전체 구조물을 형성하는 단계, 및 기판에 대하여 소정 각도로 금속 물질을 공급함으로써, 유전체 구조물의 상면과 일 측면, 및 기판의 노출된 상면의 일부에 금속 물질을 증착하여 금속 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

나노 플라즈모닉 센서 및 이의 제조 방법{NANO PLASMONIC SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
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.
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.
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.
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.
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.
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.
일 예로, 상기 제2 수평부는 상기 수직부로부터 상기 제1 수평부와 반대 방향으로 절곡될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 수평부의 길이는 상기 제2 수평부의 길이보다 길 수 있다.
일 예로, 상기 금속 구조물의 전체 폭은 10 nm 내지 1000 nm의 범위일 수 있다.
일 예로, 상기 금속 구조물의 두께는 1 nm 내지 200 nm의 범위일 수 있다.
일 예로, 상기 유전체 구조물은 직육면체 형상을 가질 수 있다.
일 예로, 상기 유전체 구조물은 복수 개가 서로 소정 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
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.
일 예로, 상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다.
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.
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.
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.
일 예로, 상기 금속 물질은 상기 기판에 수직한 방향에 대하여 10 ° 내지 80 °의 각도로 공급될 수 있다.
일 예로, 상기 단계들 중 적어도 일부는 롤투롤(roll to roll) 나노임프린트(nanoimpint) 공정으로 수행될 수 있다.
두 개의 절곡부를 갖는 금속 구조물을 이용하여 국소 표면 플라즈몬의 진동 경로(oscillation path)를 확장함으로써 고감도의 나노 플라즈모닉 센서가 제공될 수 있다.
또한, 금속 구조물의 형상을 제어하여 고감도의 나노 플라즈모닉 센서를 제조할 수 있는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예에 따른 센싱부의 개략적인 사시도들이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법 중 일 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.
도 8a 및 도 8b는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
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.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 개략적인 단면도이다.
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.
센싱부(100)는 기판(101), 유전체 구조물(110) 및 금속 구조물(120)을 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.
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.
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.
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.
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.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 실시예에 따른 센싱부의 개략적인 사시도들이다.
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.
도 3b를 참조하면, 센싱부(100a)는 기판(101), 유전체 구조물(110a) 및 금속 구조물(120a)을 포함할 수 있다.
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.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(101) 상에 에어브러시(airbrush)(410)를 이용하여 유전층(110P)을 형성할 수 있다.
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.
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.
도 4b를 참조하면, 유전층(110P)을 패터닝하여 유전체 구조물(110)을 형성할 수 있다.
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.
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.
도 4c를 참조하면, 기판(101) 및 유전체 구조물(110) 상에 금속 물질을 증착하여, 금속 구조물(120)을 형성할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 장치의 개략적인 단면도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법 중 일 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.
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.
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.
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.
도 8a 및 도 8b는 예시적인 나노 플라즈모닉 센서를 이용한 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.
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.
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.
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.
10: 나노 플라즈모닉 센서
101: 기판
110: 유전체 구조물
120: 금속 구조물
121: 제1 수평부
122: 수직부
123: 제2 수평부
200: 측정부
210: 광원부
220: 수광부
300: 분석 대상물

Claims (15)

  1. 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 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    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 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 수평부는 상기 수직부로부터 상기 제1 수평부와 반대 방향으로 절곡되는 나노 플라즈모닉 센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 수평부의 길이는 상기 제2 수평부의 길이보다 긴 나노 플라즈모닉 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 구조물의 전체 폭은 10 nm 내지 1000 nm의 범위인 나노 플라즈모닉 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 구조물의 두께는 1 nm 내지 200 nm의 범위인 나노 플라즈모닉 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 구조물은 직육면체 형상을 가지는 나노 플라즈모닉 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 구조물은 복수 개가 서로 소정 거리로 이격되어 배치되는 나노 플라즈모닉 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    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 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판인 나노 플라즈모닉 센서.
  11. 서로 다른 방향으로 절곡되는 적어도 두 개의 절곡부들을 포함하는 금속 구조물; 및
    상기 금속 구조물에서의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 측정부를 포함하는 나노 플라즈모닉 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    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 절곡되는 나노 플라즈모닉 센서.
  13. 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 포함하는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 금속 물질은 상기 기판에 수직한 방향에 대하여 10 ° 내지 80 °의 각도로 공급되는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 단계들 중 적어도 일부는 롤투롤(roll to roll) 나노임프린트(nanoimprint) 공정으로 수행되는 나노 플라즈모닉 센서의 제조 방법.
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