[논문]산화아연을 이용한 나노격자 구조의 표면 플라즈몬 공명

김두근; 김선훈; 기현철; 김회종; 오금윤; 최영완

doi:10.5370/kiee.2010.59.5.922

[국내논문] 산화아연을 이용한 나노격자 구조의 표면 플라즈몬 공명
Surface Plasmon Resonance Based on ZnO Nano-grating Structure 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.5, 2010년, pp.922 - 926

김두근 (한국광기술원 광융합시스템연구센터) , 김선훈 (한국광기술원 광융합시스템연구센터) , 기현철 (한국광기술원) , 김회종 (한국광기술원) , 오금윤 (중앙대 공대 전자전기공학부) , 최영완 (중앙대 공대 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the grating coupled surface plasmon resonance (GC-SPR) sensors using ZnO nano-grating structures to enhance the sensitivity of an SPR sensor. The GC-SPR sensors were analyzed using the finite-difference time-domain method. The optimum resonance angles of 49 degrees are obtained in the 150 nm wide grating structure with a period of 300 nm for the ZnO thickness of 30 nm. Then, the ZnO nano-grating patterns were fabricated by using laser interference lithography. The measured resonance angle of nano-grating patterns was around 49 degrees. Here, an enhanced evanescent field is obtained due to the surface plasmon on the edge of the bandgap when the ZnO grating structures are used to excite the surface palsmon.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

0으로 하였다. 그리고 ZnO의 두께는 30 nm로 가정하였다.
989이다. 금속 박막의 유전율은 Ɛ_m= -10.66 + i1.374이고, 외부 굴절률은 공기로 가정하여 1.0으로 하였다. 그리고 ZnO의 두께는 30 nm로 가정하였다.
374이다. 이때 금속의 물질을 금이고, 두께는 50 nm이며, 입사된 빛이 632.8 nm의 파장을 가지는 헬륨-네온 레이저라고 가정했다. 본 계산에 의하면 금속 박막의 두께가 50 nm이고, 입사각이 44.

제안 방법

나노 격자 패턴을 형성한 후에 ZnO 박막을 식각하기 위해서 RIE (Reactive Ion Etching) 장비에서 CF4 플라즈마를 이용해서 식각 공정을 수행하였다. RIE 식각 조건에서 CF4는 50 sccm이고, RF 파워는 100 W, 챔버 압력은 40 mtorr이며 식각 시간은 40초로 하였다.
ZnO 나노 격자 구조를 제작하기 위해서, 첫 번째 단계로 유리 기판에 E-beam 증착 장비를 이용하여 Au/Cr을 증착하였다. Cr는 유리 기판에서 Au의 접착력을 높이기 위해서 1 nm 두께가 증착되었고, Au는 표면 플라즈몬 공명각이 발생할 수 있는 두께로 50 nm가 증착되었다.
나노 패턴의 주기는 300 nm로 하였고, 패턴의 크기는 150 nm로 하였으나, 노광을한 후에 예상 시간보다 현상 시간이 길어져서 패턴의 크기가 줄어든 것으로 확인되었다. 나노 격자 패턴을 형성한 후에 ZnO 박막을 식각하기 위해서 RIE (Reactive Ion Etching) 장비에서 CF4 플라즈마를 이용해서 식각 공정을 수행하였다. RIE 식각 조건에서 CF4는 50 sccm이고, RF 파워는 100 W, 챔버 압력은 40 mtorr이며 식각 시간은 40초로 하였다.
이와 같이 표면 플라즈몬 공명이 발생할 때, ZnO 나노 격자 표면층에 존재하는 기체 또는 액체에 다른 물질이 유입되게 되면, 나노 격자 주변의 기체 또는 액체의 굴절률이 바뀌게 되어 표면 플라즈몬 공명각이 변하게 되므로, 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조체로 이용될 수 있다. 본 논문에서는 FDTD 방법을 이용하여 최적화된 구조의 각각의 변수를 얻었고 이를 기반으로 ZnO 나노 격자 구조를 제작하여 측정하였다.
본 논문에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, ZnO 나노 구조의 높은 촉매 효과와 강한 흡수 능력을 이용하여 ZnO의 생체 맴브레인에서 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 센서 구조체를 유한차분 시간영역(FDTD: Finite Difference Time Domain) 방법을 통해 모의실험 하였다. 또한 제안된 ZnO 기반의 나노격자 구조를 실험적으로 구현하였고, FDTD 방법에 의해서 계산된 값을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, ZnO 나노 구조의 높은 촉매 효과와 강한 흡수 능력을 이용하여 ZnO의 생체 맴브레인에서 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 센서 구조체를 FDTD 방법을 통해서 모의실험 하였고, 또한 제안된 ZnO 기반의 나노격자 구조를 제작하여 그 특성을 측정하고 분석하였다. 모의실험을 통해서 얻어진 표면 플라즈몬 공명각이 발생할 수 있는 Au의 두께는 50 nm이고, ZnO 박막의 두께는 30 nm이었다.
두 번째로 단계로 Au/Cr이 증착된 유리 기판에 스퍼터 증착 장비를 이용해서 30 nm 두께의 ZnO 박막을 증착하였다. 세 번째 단계로 홀로그램 리소그래피를 이용해서 ZnO 박막 위에 나노 격자 패턴을 형성하였다.
8 nm의 파장을 이용해서 측정한 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사도이다. 측정 방법으로는 BK7인 프리즘에 제작된 나노 격자 구조를 붙여서 반사도를 측정하였다. 기본적으로 실험 제작에 사용된 유리 기판은 Eagle 2000으로 굴절률은 1.

대상 데이터

ZnO 나노 격자의 주기는 300 nm이고, 채움율(fill factor)은 50% 하였다. 계산에 사용된 광원의 파장은 632.8 nm이고, ZnO의 굴절률은 1.989이다. 금속 박막의 유전율은 Ɛ_m= -10.
측정 방법으로는 BK7인 프리즘에 제작된 나노 격자 구조를 붙여서 반사도를 측정하였다. 기본적으로 실험 제작에 사용된 유리 기판은 Eagle 2000으로 굴절률은 1.505이고, BK7의 굴절률은 1.515이여서 중간에 1.51의 굴절률을 갖는 매칭 오일을 사용하여 계면에서 생기는 문제를 최소화하였다. 측정된 표면 플라즈몬 공명각은 49도 부근에서 최소값을 갖는 것을 보여준다.
Cr는 유리 기판에서 Au의 접착력을 높이기 위해서 1 nm 두께가 증착되었고, Au는 표면 플라즈몬 공명각이 발생할 수 있는 두께로 50 nm가 증착되었다. 두 번째로 단계로 Au/Cr이 증착된 유리 기판에 스퍼터 증착 장비를 이용해서 30 nm 두께의 ZnO 박막을 증착하였다. 세 번째 단계로 홀로그램 리소그래피를 이용해서 ZnO 박막 위에 나노 격자 패턴을 형성하였다.
본 연구에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, ZnO 나노 구조의 높은 촉매 효과와 강한 흡수 능력을 이용하여 ZnO의 생체 맴브레인에서 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 센서 구조체를 FDTD 방법을 통해서 모의실험 하였고, 또한 제안된 ZnO 기반의 나노격자 구조를 제작하여 그 특성을 측정하고 분석하였다. 모의실험을 통해서 얻어진 표면 플라즈몬 공명각이 발생할 수 있는 Au의 두께는 50 nm이고, ZnO 박막의 두께는 30 nm이었다. 이때, 나노 격자의 주기는 300 nm로 하였으며 채움율을 50% 하였다.

데이터처리

본 논문에서는 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서보다 측정 감도를 향상시킬 수 있는 센서 구조로, ZnO 나노 구조의 높은 촉매 효과와 강한 흡수 능력을 이용하여 ZnO의 생체 맴브레인에서 미세 굴절률 변화를 검지할 수 있는 센서 구조체를 유한차분 시간영역(FDTD: Finite Difference Time Domain) 방법을 통해 모의실험 하였다. 또한 제안된 ZnO 기반의 나노격자 구조를 실험적으로 구현하였고, FDTD 방법에 의해서 계산된 값을 비교 분석하였다.

이론/모형

Yee에 의해 제안되어진 FDTD 알고리즘은[11] 음의 유전율을 적용하는데 적합하지 않으므로,[12] 금속의 음의 유전율을 FDTD에 적용시키기 위해서는 금속에 대한 매개 변수가 필요하게 된다. 이러한 금속의 음의 유전율을 FDTD에 적용하기 위해서 Drude model를 이용하여 해석하였다.[13] Drude model로 유전율을 다시 표시하게 되면 식 (5)와 같이 쓸 수 있다.

성능/효과

그림 6은 홀로그램 리소그래피 장비를 이용해서 나노 격자 패턴을 한 후의 SEM 사진이다. 나노 패턴의 주기는 300 nm로 하였고, 패턴의 크기는 150 nm로 하였으나, 노광을한 후에 예상 시간보다 현상 시간이 길어져서 패턴의 크기가 줄어든 것으로 확인되었다. 나노 격자 패턴을 형성한 후에 ZnO 박막을 식각하기 위해서 RIE (Reactive Ion Etching) 장비에서 CF4 플라즈마를 이용해서 식각 공정을 수행하였다.
8 nm의 파장을 가지는 헬륨-네온 레이저라고 가정했다. 본 계산에 의하면 금속 박막의 두께가 50 nm이고, 입사각이 44.4도 부근일 때 입사파의 에너지가 모두 금속박막 속으로 흡수되어 반사파가 사라지게 되는 걸 확인할 수 있었다.
측정된 표면 플라즈몬 공명각은 49도 부근에서 최소값을 갖는 것을 보여준다. 측정된 값은 그림 4에서 FDTD 방법에 의해서 계산된 값과 유사한 것으로, 같은 구조에서 이론치와 실험치가 잘 맞은 것을 확인할 수 있었다.
51의 굴절률을 갖는 매칭 오일을 사용하여 계면에서 생기는 문제를 최소화하였다. 측정된 표면 플라즈몬 공명각은 49도 부근에서 최소값을 갖는 것을 보여준다. 측정된 값은 그림 4에서 FDTD 방법에 의해서 계산된 값과 유사한 것으로, 같은 구조에서 이론치와 실험치가 잘 맞은 것을 확인할 수 있었다.
이때, 나노 격자의 주기는 300 nm로 하였으며 채움율을 50% 하였다. 측정을 통해서 얻어진 표면 플라즈몬 공명각은 모의실험에서 계산된 값과 같은 49도임을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 ZnO 나노 격자 구조의 표면 플라즈몬 공명은 정밀하고 정확한 실험을 요구하는 고감도 바이오 또는 생화학 센서에 활용될 수 있다.

후속연구

측정을 통해서 얻어진 표면 플라즈몬 공명각은 모의실험에서 계산된 값과 같은 49도임을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 ZnO 나노 격자 구조의 표면 플라즈몬 공명은 정밀하고 정확한 실험을 요구하는 고감도 바이오 또는 생화학 센서에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오 칩 연구에 이용되는 기법에는 무엇이 있는가?	현재 바이오 칩 연구는 DNA 칩 중심에서 단백질 칩, 탄수화물 칩 등 다변화되고 있는 추세이다. 바이오 칩 연구는엘립소메트리 (ellipsometry) 측정법, 형광 분석법 등이 이용되어 왔다. 그러나 엘립소메트리 측정법은 편광의 변화를 이용하는 방법으로서 장치가 크고 측정에 오랜 시간이 요구 되는 문제점이 있고, 형광 분석법은 형광물질과 결합시켜야 하는 불편함으로 인한 시간과 경비를 요구하는 문제점이 있다.
	표면 플라즈몬 공명은 어떤 현상인가?	금속박막에 생물학적 요소가 도입되어 생물변환기(biotransducer)를 구성하게 되면 SPR 바이오센서가 된다. 표면 플라즈몬 공명은 빛이 금속 표면과의 상호작용에 의해 발생하는 양자역학적 광전 현상을 말한다. 광자(photon)에 의해 수송되는 에너지는 특정 조건하에서 금속 표면상의 전자 즉, 플라즈몬으로 전달되는데, 에너지의 전달은 빛의 특정한 공명 파장(resonance wavelength)에서만 이루어진다.
	표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는 배경은?	현재 바이오 칩 연구는 DNA 칩 중심에서 단백질 칩, 탄수화물 칩 등 다변화되고 있는 추세이다. 바이오 칩 연구는엘립소메트리 (ellipsometry) 측정법, 형광 분석법 등이 이용되어 왔다. 그러나 엘립소메트리 측정법은 편광의 변화를 이용하는 방법으로서 장치가 크고 측정에 오랜 시간이 요구 되는 문제점이 있고, 형광 분석법은 형광물질과 결합시켜야 하는 불편함으로 인한 시간과 경비를 요구하는 문제점이 있다. 이에, 현재 굴절률의 변화를 측정하여 생체 물질의 상호작용을 인지할 수 있는 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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