유전체 다중층을 이용한 국소 표면 플라즈몬 공명 센서의 감도 향상에 관한 연구 Estimation of Sensitivity Enhancements on Localized Surface Plasmon Resonance Sensor Using Dielectric Multilayer원문보기
본 논문에서는 LSPR 센서에 적용하기 위한 제한된 높이 100 nm에서 $TiO_2$, $SiO_2$의 다중층을 이용한 LSPR 센서를 디자인을 제안했다. LSPR 센서의 구조는 유전체 층과 나노 구조가 있는 금속층으로 디자인 하였다. 금속층은 금 박막 40 nm와 높이 40 nm, 주기 600 nm, 선폭 300 nm인 나노와이어 구조체를 올려놓은 구조로 디자인하였다. 유전체 층의 높이를 100nm로 제한하고, $TiO_2$, $SiO_2$가 반복되는 구조로 하여 반복층의 개수를 1~4개로 변경하면서 비교 분석하였다. 파장 가변형 SPR을 디자인하기 위해 각도를 75도로 고정하고 파장을 변화시켜 FEM방식으로 계산하였다. 결과로 굴절율이 고정되어 있을 때 다중층의 개수가 증가할수록 공명 파장이 짧아지는 현상을 확인 하였고, 파장의 변화에 더 민감하게 변화하는 것을 측정하였다. 다만, 다중층의 개수가 3개층 이상이 되면 변화하지 않는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 LSPR 센서에 적용하기 위한 제한된 높이 100 nm에서 $TiO_2$, $SiO_2$의 다중층을 이용한 LSPR 센서를 디자인을 제안했다. LSPR 센서의 구조는 유전체 층과 나노 구조가 있는 금속층으로 디자인 하였다. 금속층은 금 박막 40 nm와 높이 40 nm, 주기 600 nm, 선폭 300 nm인 나노와이어 구조체를 올려놓은 구조로 디자인하였다. 유전체 층의 높이를 100nm로 제한하고, $TiO_2$, $SiO_2$가 반복되는 구조로 하여 반복층의 개수를 1~4개로 변경하면서 비교 분석하였다. 파장 가변형 SPR을 디자인하기 위해 각도를 75도로 고정하고 파장을 변화시켜 FEM방식으로 계산하였다. 결과로 굴절율이 고정되어 있을 때 다중층의 개수가 증가할수록 공명 파장이 짧아지는 현상을 확인 하였고, 파장의 변화에 더 민감하게 변화하는 것을 측정하였다. 다만, 다중층의 개수가 3개층 이상이 되면 변화하지 않는 것을 확인하였다.
In this research, we designed an LSPR sensor based on a thin-film multilayer comprising $TiO_2$ and $SiO_2$. The thickness of the overall substrate layer of the suggested multilayer LSPR sensor is limited to 100 nm, and the number of repeating $TiO_2$ and $SiO_2...
In this research, we designed an LSPR sensor based on a thin-film multilayer comprising $TiO_2$ and $SiO_2$. The thickness of the overall substrate layer of the suggested multilayer LSPR sensor is limited to 100 nm, and the number of repeating $TiO_2$ and $SiO_2$ thin films is 1-4 within a limited thickness. Additionally, a nanowire structure with a gold thin film of 40 nm, height of 40 nm, period of 600 nm, and line width of 300 nm was formed on the multilayer. To design the variable wavelength-type SPR, the angle was fixed at $75^{\circ}$ and the wavelength was changed. We then simulated the system with the finite-element method (FEM) using Maxwell's equations. It was confirmed that the resonance wavelength became shorter as the number of multilayers increased when the refractive index was fixed. We found that the wavelength changes were more sensitive. However, no changes were observed when the number of the multilayers was three or higher.
In this research, we designed an LSPR sensor based on a thin-film multilayer comprising $TiO_2$ and $SiO_2$. The thickness of the overall substrate layer of the suggested multilayer LSPR sensor is limited to 100 nm, and the number of repeating $TiO_2$ and $SiO_2$ thin films is 1-4 within a limited thickness. Additionally, a nanowire structure with a gold thin film of 40 nm, height of 40 nm, period of 600 nm, and line width of 300 nm was formed on the multilayer. To design the variable wavelength-type SPR, the angle was fixed at $75^{\circ}$ and the wavelength was changed. We then simulated the system with the finite-element method (FEM) using Maxwell's equations. It was confirmed that the resonance wavelength became shorter as the number of multilayers increased when the refractive index was fixed. We found that the wavelength changes were more sensitive. However, no changes were observed when the number of the multilayers was three or higher.
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문제 정의
이에 본 연구에서는, LRSPR구조를 기반으로 프리즘, 웨이브 가이드 결합(Waveguide-Coupled, WC)층 및 금속 박막으로 구성된 SPR 센서를 구상하였고, 시뮬레이션을 통해 파장 가변형 모드의 SPR을 분석하려고 한다. 그리고 다중층 LRSPR에 LSPR을 접목한 센서의 민감도를 비교하였고, LRSPR의반사스펙트럼을 완벽하게 드러내기 위해 다중층 장거리 LSPR(Multilayer long range localized surface plasmon resonance)센서에서 WC의 개수가 반사스펙트럼에 미치는 영향을 분석하고 특성 변화를 시뮬레이션을 통해 측정하였다.
가설 설정
입사된 광의 각도는 75°로 고정하였으며, 300~900 nm로 가시 광영역과 근적외선 영역의 파장이 조사되었다. 금속 주변에 형성된 유전물질은 1.33~1.36의 굴절률을 가지며 굴절률의 변화에 따른 입사된 광의 파장대역 중 공명 파장의 변화를 시뮬레이션으로 분석할 것이다.
제안 방법
이에 본 연구에서는, LRSPR구조를 기반으로 프리즘, 웨이브 가이드 결합(Waveguide-Coupled, WC)층 및 금속 박막으로 구성된 SPR 센서를 구상하였고, 시뮬레이션을 통해 파장 가변형 모드의 SPR을 분석하려고 한다. 그리고 다중층 LRSPR에 LSPR을 접목한 센서의 민감도를 비교하였고, LRSPR의반사스펙트럼을 완벽하게 드러내기 위해 다중층 장거리 LSPR(Multilayer long range localized surface plasmon resonance)센서에서 WC의 개수가 반사스펙트럼에 미치는 영향을 분석하고 특성 변화를 시뮬레이션을 통해 측정하였다.
본 연구에서는 제한된 높이에서 TiO2, SiO2 다중층의 개수를 이용하여 파장 가변 기반의 LSPR센서를 디자인하고, 다 중층의 개수에 따른 민감도를 비교하였다. 다중층의 개수가 증가하므로 인해 공명파장은 점점 짧아지다가 다충층의 개수가 일정이상이 되면 한 파장으로 고정이 되고, 민감도에서 비교하면 다중층의 개수에 따라 민감도가 1.
이론/모형
본 연구의 시뮬레이션은 MATLAB 기반의 유한요소법 (Finite Element Method, FEM)을 통한 Maxwell 방정식의 해석을 통해 이루어졌다.[18,19]
이 이유에 대한 고찰을 하고자 각 조건에서 공명이 일어나는 파장에서 발생하는 근접장의 분포를 분석하고 세기 변화를 분석하기 위해 Maxwell 방정식을 기반으로 하여 계산을 수행하였다. 그림 4는 각 조건에서 따른 근접장을 계산한 그림이다.
성능/효과
이를 통해 향후 불특정 반응의 센싱이나 항원/항체 반응을 이용하지 않아도 되는 물질의 측정을 위한 센서의 민감도 증가를 위해 다중층의 개수를 증가시켜 센서를 제작하는 것이 더욱 효율적임을 확인 할 수 있다. 다만, 다중층의 개수가 3개 이상 증가하여도 크게 효율이 증가하지 않으므로 이를 고려해서 사용해야 함을 알 수 있다.
23배로 변화하였고, 4개의 다중층은 3개의 다중층과 크게 변화가 없는 것을 확인하였다. 즉, SPR센서를 이용할 때 다중층의 개수에 따른 민감도의 변화는 있음을 확인 하였으나, 이에 대한 민감도는 다중층의 개수가 증가함에 따라 변화가 없어지는 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표면 플라즈몬 공명 현상은 어디에 응용되는가?
표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance, SPR)은 귀금속과 유전체 사이의 계면에서 표면 플라즈몬 파와 입사된 광에 의해 유도되는 자유전자의 집단적인 진동을 말한다[1-4]. 이 SPR 현상은 외부 유전 환경에 반응하여 공명되는 파장이나 각도가 변화하게 되고 이를 이용하여 센서나 이미지 등에 응용되고 있다. 대표적인 응용방법으로는 SPR 센서로 SPR센서는 복합시료에서의 농도, 특이성, 그리고 생체분분자간의 상호작용 측정을 포함하여 화학 및 생물학적 감지에 사용된다.
표면 플라즈몬 공명이란?
표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance, SPR)은 귀금속과 유전체 사이의 계면에서 표면 플라즈몬 파와 입사된 광에 의해 유도되는 자유전자의 집단적인 진동을 말한다[1-4]. 이 SPR 현상은 외부 유전 환경에 반응하여 공명되는 파장이나 각도가 변화하게 되고 이를 이용하여 센서나 이미지 등에 응용되고 있다.
SPR센서는 어디에 이용되는가?
이 SPR 현상은 외부 유전 환경에 반응하여 공명되는 파장이나 각도가 변화하게 되고 이를 이용하여 센서나 이미지 등에 응용되고 있다. 대표적인 응용방법으로는 SPR 센서로 SPR센서는 복합시료에서의 농도, 특이성, 그리고 생체분분자간의 상호작용 측정을 포함하여 화학 및 생물학적 감지에 사용된다.[5-8]
참고문헌 (19)
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K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, "Localized surface plasmon resonance detection of layered biointeractions on metallic subwavelength nanogratings," Nanotechnology, 20, 315501 (2009)
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