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문제 정의
- 본 논문에서는 폴리머 광도파로에 TiO2 박막을 증착하여 표면 물질의 굴절률 변화를 감지하는 소자를 구현하였다. Method of line법을 이용한 모의전산을 통해 제작되는 광도파로의 민감도를 예측하였고, 실험을 통해 이를 검증하였다.
제안 방법
- 박막을 증착하여 표면 물질의 굴절률 변화를 감지하는 소자를 구현하였다. Method of line법을 이용한 모의전산을 통해 제작되는 광도파로의 민감도를 예측하였고, 실험을 통해 이를 검증하였다. 편광간의 간섭을 이용한 굴절률 변화 감지 시스템을 구축하고, 이로부터 도파로 표면에 유입되는 용액의 농도를 검출하였다.
- 이때 가스 유입량은 Ar 50 sccm, O2 1 sccm이며, 250 W의 RF sputtering을 통해 TiO2 타겟의 증착이 수행되었다. TiO2 박막의 수직 테이퍼링을 위해서 도파로부터 2.5 mm 떨어진 높이에 섀도우 마스크(shadow mask)를 위치시켰으며, 증착을 통해 20 mm의 균일한 검출영역과 2 mm의 테이퍼링 영역을 갖는 박막을 형성하였다.
- 검출영역인 TiO2 박막 표면에 검출 대상 물질의 유입을 원할하게 하기 위해 PDMS(polydimethylsiloxane)물질을 이용하여 채널 구조를 갖는 챔버를 제작하였다.[9] PDMS와 경화제를 10:1의 비율로 섞어 27×5×3 mm3의 크기의 채널을 형성하고, 경화한 후, 제작된 광도파로에 부착하였다.
- 도파로를 통해 출력된 광은 렌즈와 45°의 편광자를 통해 검출기(photodetector)에 집광되도록 하였다.
- [5,6] 이 센서는 TiO2 박막을 증착하여 소산파 분포(evanescent field)를 극대화시켜 단일도파로의 경우보다 감도를 향상시켰다. 본 논문에서는 폴리머를 기반으로 하는 광도파로를 제작하고 그 상부에 TiO2 박막을 증착하여 굴절률 센서를 구성하였다. 표면 물질 변화에 따른 출력광의 편광 변화량을 감지함으로써 제작된 센서의 민감도를 산출하였다.
- 이후 포토리소그래피 공정을 이용하여 클래딩 ZPU12-450 폴리머를 폭 W = 7 μm, 높이 H = 2.5 μm가 되도록 건식식각하였다.
- 표면 물질 변화에 따른 출력광의 편광 변화량을 감지함으로써 제작된 센서의 민감도를 산출하였다. 특히 박막 두께에 따른 센서의 감도변화를 확인하였고, 수치해석 결과와 비교하였다. 또한 글리세롤, 글루코스 및 NaCl 수용액에 대한 응답을 측정함으로써, 제작된 센서로부터의 검출량이 물질의 종류와 관계없이 그 굴절률에 비례함을 확인하였다.
- Method of line법을 이용한 모의전산을 통해 제작되는 광도파로의 민감도를 예측하였고, 실험을 통해 이를 검증하였다. 편광간의 간섭을 이용한 굴절률 변화 감지 시스템을 구축하고, 이로부터 도파로 표면에 유입되는 용액의 농도를 검출하였다. 또한 TiO2 박막 두께 증가에 따라 민감도가 향상됨을 알 수 있었다.
- 본 논문에서는 폴리머를 기반으로 하는 광도파로를 제작하고 그 상부에 TiO2 박막을 증착하여 굴절률 센서를 구성하였다. 표면 물질 변화에 따른 출력광의 편광 변화량을 감지함으로써 제작된 센서의 민감도를 산출하였다. 특히 박막 두께에 따른 센서의 감도변화를 확인하였고, 수치해석 결과와 비교하였다.
- 표면 물질의 변화에 따른 편광의 변화량을 극대화하기 위해서는 도파로의 민감도가 편광에 따라 매우 상이해야 하므로, 본 논문에서는 채널형 광도파로 상부에 고굴절률 물질인 TiO2 박막이 증착된 구조를 채택하였다.
이론/모형
- 제안된 도파로 구조의 표면 민감도를 method of line법[8]을 활용하여 모의전산하였으며, 표 1은 모의전산에 사용된 광도파로의 설계 파라미터이다. 표 1에 명시된 TiO2의 굴절률은 증착된 비정질(amorphous) 박막의 특성으로, 엘립소미터(ellipsometer)장비를 이용하여 측정된 값이다.
성능/효과
- TiO2가 20 nm 증착된 광도파로에서는 1.8×10-3의 표면 굴절률 변화에 대해 2π만큼의 편광간 위상차가 유발됨을 확인하였다.
- 을 모의전산한 결과이다. TiO2가 없는 폴리머 광도파로에서는 편광 TE와 편광 TM의 민감도가 유사하나, TiO2 박막의 두께가 증가할수록 두 편광의 민감도차가 증가됨을 확인할 수 있다. 이러한 두 편광의 민감도차는 편광 TE가 편광 TM에 비해 고굴절률 TiO2 박막 표면에 더 많이 분포함에 기인한다.
- 그림 8(b)와 그림 8(c)는 글리세롤 주입량을 각각 20 mL, 30 mL로 하였을 때 출력된 결과이다. 글리세롤의 주입량 증가에 따라 간섭 횟수 또한 증가하는 경향을 보였으며, 그 횟수는 각각 6.8회, 15회, 24.5회이었다. 컨테이너 1내의 용액을 각각 7.
- 편광간의 간섭을 이용한 굴절률 변화 감지 시스템을 구축하고, 이로부터 도파로 표면에 유입되는 용액의 농도를 검출하였다. 또한 TiO2 박막 두께 증가에 따라 민감도가 향상됨을 알 수 있었다. TiO2가 20 nm 증착된 광도파로에서는 1.
- 특히 박막 두께에 따른 센서의 감도변화를 확인하였고, 수치해석 결과와 비교하였다. 또한 글리세롤, 글루코스 및 NaCl 수용액에 대한 응답을 측정함으로써, 제작된 센서로부터의 검출량이 물질의 종류와 관계없이 그 굴절률에 비례함을 확인하였다.
- 박막 두께 변화에 따른 편광 간섭 횟수가 그림 7에 도시되었으며, 모의 전산한 결과 또한 실선으로 삽입하였다. 이를 통해 TiO2 박막 두께가 증가함에 따라 지수적으로 간섭횟수가 증가함을 알 수 있었고, 이는 이론적으로 예측한 결과와 유사함을 확인하였다.
- 제작된 센서가 표면 물질의 종류에 상관없이 굴절률 변화에 비례함을 확인할 수 있으며, 간섭 수 1회, 즉 2π의 편광간 위상차 변화를 유발하는 표면 굴절률 변화는 대략 1.8×10-3으로 계산되었다.
- 그림 6(a)는 폴리머 도파로로부터 출력되는 응답이며, 그림 6(b)와 그림 6(c)는 각각 TiO2 박막 16 nm, 20 nm를 증착한 도파로에서의 결과를 보여주고 있다. 표면 굴절률의 변화에도 폴리머 도파로에서는 두드러진 변화가 없는 반면, 16 nm, 20 nm의 TiO2가 증착된 도파로에서는 각각 2회, 6.8회의 간섭이 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 제안한 센서는 궁극적으로 항체, 항원을 이용한 표면 감지 방식에 적용될 예정으로, 그 높은 표면 감도로 인해 분석 물질에 대한 정보 분석에 효과적일 것으로 사료된다.
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