[논문]밀집된 금속 나노 입자 레이어의 광학 특성

전현지; 최진일

doi:10.3740/mrsk.2020.30.12.701

[국내논문] 밀집된 금속 나노 입자 레이어의 광학 특성
Enhanced Light Transmittance of Densely Packed Metal Nanoparticle Layers 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.30 no.12, 2020년, pp.701 - 708

전현지 (한밭대학교 기계공학과 마이크로) , 최진일 (한밭대학교 기계공학과 마이크로)

Abstract ▼ AI-Helper

Irradiation of the metal nanoparticles causes local plasmon resonance in a specific wavelength band, which can improve the absorption and scattering properties of a structure. Since noble metal nanoparticles have better resonance effects than those of other metals, it is easy to identify plasmonic reactions and this is advantageous to find the optical tendency. Compared to having a particle gap or randomly arranged particle structures, densely and evenly packed structures can exhibit more uniform optical properties. Using the uniform properties, the structure can be applied to optical filtering applications. Therefore, in this paper, validation tests about metal nanoparticles and thin film structures are conducted for more accurate analysis. The optical properties of monolayer and bilayer noble metal nanoparticle structures with different diameters, packed in a uniform array, are investigated and their optical trends are analyzed. In addition, a thin film structure under identical conditions as metal nanoparticle structure is evaluated to confirm the improved optical characteristics.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 조밀한 배열의 Ag와 Au 나노입자 구조의 직경 및 정렬에 따른 광 투과 및 산란과같은 광학적 특성을 분석하고 광학 시뮬레이션 모델링을통해 광학 특성 경향성을 도출하였다. 시뮬레이션은 근자외선-근 적외선(near ultra violet-near infrared, NUV- NIR) 파장대에서 수행되었으며, 구조체의 파라미터에 따른 광학적 특성을 확인하기위해 다양한 직경의 금속 나노 입자 단층 및 이중층 구조체를 모델링하였다.
그리고 구조가 주기적일 경우, 구조에서 반복되는 분석 영역 중 하나인 단위 셀을 설정하여 시뮬레이션 시간과 부피를 줄일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 셀 내의 메시 크기 최적화 과정이 수행되었다. 메시 크기는 10nm 입자 크기로 구성된 구조체의 경우 0.
본 연구를 통해 금속 나노 입자가 균일하게 패킹된 구조체의 다양한 광학적 특성, 경향성 및 태양광 패널, 광학필터 등의 광학소자에의 적용 가능성을 조사하였다. Ag 및 Au 10~100nm 직경의 나노 입자 층의 투과율 및 전방 산란율을 통해, 직경이 작은 Ag 나노 입자 구조체가가장 높은 전방 산란율과 투과율을 나타냄을 확인하였다 .
따라서 10nm정도의 작은 금속 나노 입자 층이 100nm에준하는 입자 층보다 플라즈몬 광 투과 응용 분야에 더효율적일 수 있다고 예상할 수 있다. Ag와 Au 입자 층이 함께 구성된 구조체의 광학 특성을 분석하여 공진 피크가 다른 금속 층을 부착함에 따른 투과 공명 특성의조정 가능성을 확인하였다. 균일하게 패킹된 금속 나노 입자 구조층은 금속 박막 구조층보다 최대 30%의 높은 투과율을 나타내며 이를 통해 금속 나노 입자 구조체의 다양한 소자에의 향상된 성능 제공 가능성을 보였다.

제안 방법

광학 특성 경향성을 도출하였다. 시뮬레이션은 근자외선-근 적외선(near ultra violet-near infrared, NUV- NIR) 파장대에서 수행되었으며, 구조체의 파라미터에 따른 광학적 특성을 확인하기위해 다양한 직경의 금속 나노 입자 단층 및 이중층 구조체를 모델링하였다. 또한, 금속 나노 입자 구조와 동일한 파라미터 조건을 가지는 금속 박막 구조체의 특성을 금속 나노 입자 구조체와 비교하였다.
시뮬레이션은 근자외선-근 적외선(near ultra violet-near infrared, NUV- NIR) 파장대에서 수행되었으며, 구조체의 파라미터에 따른 광학적 특성을 확인하기위해 다양한 직경의 금속 나노 입자 단층 및 이중층 구조체를 모델링하였다. 또한, 금속 나노 입자 구조와 동일한 파라미터 조건을 가지는 금속 박막 구조체의 특성을 금속 나노 입자 구조체와 비교하였다.
유한 차분법에서 시간에 따른 공간의 모든 전자기장 성분을 계산할 수 있으며, Yee³⁰⁾ 셀에 적용하기 위해 직접 이산화하기 때문에 다른 분석법보다 빠르게 방정식을 업데이트 할 수 있다. 분석 영역에서는 x, y축 방향으로 주기 구조를 반영하는 주기 경계조건을 적용하고 z축 방향으로는 무한으로 뻗어 나가는 공간을 묘사하기 위해 PML (perfect matched layer) 조건을 적용하였다. 모델링된 모든 구조체들은 주기적이며 반복되는 그리드인 단위 셀이 분석 영역으로 지정되었다.
모델링된 모든 구조체들은 주기적이며 반복되는 그리드인 단위 셀이 분석 영역으로 지정되었다. 광 소스로는 가우시안 평면파를 사용하였고 분석 파장 대역은 100~1,000nm로 지정하여 NUV-NIR 대역의 광범위한 광학 특성을 분석하였다. 유한 차분 법에서는 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해 메시 크기와 단위 셀이 매우 중요하다.
5nm로 적용되었다. 또한, 굴절률 물성치 피팅 및 검증 테스트가 수행되었다. 시뮬레이션 모델과 실험 데이터에 대해 굴절률은 0.
1의 fit tolerance, 6의 max coefficient와 1 의 imaginary weight로 설정되었다. 금속 나노 입자 구조체와 금속 박막 시뮬레이션 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 Ag 나노 입자구조체 및 Cu 박막 실험 데이터를 참조하여 금속 구조체 시뮬레이션에 대한 유효성 테스트를 수행하였다. 그 결과, 광학 특성의 경향성이 실제 실험데이터와 유사했으므로 해석 결과에 대한 신뢰성이 확보되었다.
직경이 다른 층 또는 금속 재료가 다른 층으로 구성된 구조체의 광학적 특성 차이를 관찰하기 위해서는 다층으로 구성하여 시뮬레이션을 진행하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 서로 밀착된 금속나노 입자 층을 서로 다른 물질로 최대 2개의 층까지분석하였다. 단일 직경(10, 30, 50, 70, 100nm)의 금속나노 입자들을 하나의 층으로 구성하고 이를 다른 금속재료 혹은 다른 직경의 입자 단층위에 적용한 구조체의투과도와 단일 재료와 직경을 가진 단층 구조체의 투과도와 비교됨으로써 특성 조사가 이루어졌다.
따라서 본 연구에서는 서로 밀착된 금속나노 입자 층을 서로 다른 물질로 최대 2개의 층까지분석하였다. 단일 직경(10, 30, 50, 70, 100nm)의 금속나노 입자들을 하나의 층으로 구성하고 이를 다른 금속재료 혹은 다른 직경의 입자 단층위에 적용한 구조체의투과도와 단일 재료와 직경을 가진 단층 구조체의 투과도와 비교됨으로써 특성 조사가 이루어졌다. 또한, 2개의 해석 모니터에 의해 포착된 광 투과도와 반사도는 광의 전방 산란율과 전체 산란율의 도출에 적용되었다.
균일하게 패킹된 금속 나노 입자 층의 다양한 광학적특성을 관찰하기 위해 서로 다른 금속 나노 입자층들을분석하였다. Fig.
단층 및 이중층으로 구성된 Ag 및 Au 나노 입자 구조체의 투과도를 점으로 표시하여 광학적 특성의 차이를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

그 결과, 광학 특성의 경향성이 실제 실험데이터와 유사했으므로 해석 결과에 대한 신뢰성이 확보되었다. 금속 나노 입자 모델의 검증을 위해실험 데이터³¹⁾를 이용하였다. 유리 기판 위의 40nm 직경의 Ag 나노 입자의 흡광도를 참고하여 시뮬레이션 모델의 특성 결과와 비교한 그래프를 Fig.
1에 나타냈다. 다음으로, 50nm 두께의 구리 박막³²⁾의 실험 및 해석 데이터는 금속 박막 구조체의 시뮬레이션 모델 검증에 사용되었다. 참고 논문에서 세 가지 증착 사례 투과도가 가장 높은 샘플을 실험 기준으로 선택하였고, 400~700nm파장대에서 시뮬레이션을 진행하여 Fig.
다음으로, 50nm 두께의 구리 박막³²⁾의 실험 및 해석 데이터는 금속 박막 구조체의 시뮬레이션 모델 검증에 사용되었다. 참고 논문에서 세 가지 증착 사례 투과도가 가장 높은 샘플을 실험 기준으로 선택하였고, 400~700nm파장대에서 시뮬레이션을 진행하여 Fig. 2에 나타냈다. 두 가지 유효성 검사 모두 양호한 결과를 보였지만, 특히 금속 박막 구조의 검증은 참고 논문 내의 해석 결과보다 실험 데이터에 더 근접한 결과를 보였다.
반사율을 측정하는 모니터는 광원 위에 존재하고 투과율 측정 모니터는 유리기판 내에 위치했으며, 광학 시뮬레이션 내에서 Ag 및 Au 재료 데이터는 Palik³³⁾ 데이터를 사용하였다. 직경이 다른 층 또는 금속 재료가 다른 층으로 구성된 구조체의 광학적 특성 차이를 관찰하기 위해서는 다층으로 구성하여 시뮬레이션을 진행하여야 한다.

이론/모형

유한 차분법(finite-difference time-domain, FDTD)^26-28) 이 금속 나노 입자 구조체의 광학 시뮬레이션을 위해 사용되었다. 유한 차분법은 시간과 공간에서 전자기파 지배 방정식인 맥스웰 방정식을 이산화하여 해를 푸는 수치해석법이다.

성능/효과

2에 나타냈다. 두 가지 유효성 검사 모두 양호한 결과를 보였지만, 특히 금속 박막 구조의 검증은 참고 논문 내의 해석 결과보다 실험 데이터에 더 근접한 결과를 보였다.
또한 Ag 및 Au 투과율 그래프는 900nm의 장파장대에서 유사한 광투과 피크를 보였다. 모든 직경의 투과율 그래프에서 피크는 대부분 동일한 파장 대역(Ag-300nm, Au-500nm) 에서 관찰되며, 10nm 직경의 Ag 나노 입자구조체는 300nm 파장에서 최대 투과율이 90%, 최소 투과율 40 %을 보였다. 반면 100nm Ag 나노 입자구조체는 동일한 파장에서 최대 20%, 최소 5%의 투과율을 보였다.
Ag 구조체의 투과 경향과 마찬가지로 Au 10nm 구조체는 최소 40%의 빛을 투과하고 최대투과율은 500nm 파장에서 약 70%로 모든 Au 직경 모델들 중에서 가장 높은 투과율을 나타냈다. Ag 나노 입자의 높은 플라즈몬 효과로 인해 10nm Ag 단층 모델의 투과율은 Au 10nm 모델보다 20% 높은 값을 보였다. 하지만, 전반적으로 Au의 광 투과특성이 그래프 상의 추가적인 노이즈가 적어 상대적으로 안정적임을 확인할 수 있다.
Ag 나노 입자의 높은 플라즈몬 효과로 인해 10nm Ag 단층 모델의 투과율은 Au 10nm 모델보다 20% 높은 값을 보였다. 하지만, 전반적으로 Au의 광 투과특성이 그래프 상의 추가적인 노이즈가 적어 상대적으로 안정적임을 확인할 수 있다. Ag 및 Au 나노 입자 단층 모두에서 입자의 직경이 감소하면 광 투과율이 증가하였고, 직경이감소함에 따라 투과율 피크는 단파장 대역에서 적색편이, 장파장 대역에서 청색 편이를 나타냈다.
하지만, 전반적으로 Au의 광 투과특성이 그래프 상의 추가적인 노이즈가 적어 상대적으로 안정적임을 확인할 수 있다. Ag 및 Au 나노 입자 단층 모두에서 입자의 직경이 감소하면 광 투과율이 증가하였고, 직경이감소함에 따라 투과율 피크는 단파장 대역에서 적색편이, 장파장 대역에서 청색 편이를 나타냈다.
그러나 (b)와 (d)에서는 가시 광 범위의 공진 파장이 관찰된 후 산란이 크게 감소하였다. 그리고 10nm 금속 나노 입자 단층 구조체는 약 60%의 높은전방 산란율을 가졌다. 이것은 10nm 입자 구조체가 대부분의 입사광을 기판으로 전파함을 의미한다.
반면, 100 nm 입자 단층 구조체는 전방 산란율이 매우 낮지만 공진 파장 내 단파장대에서는 전방 산란율이 높았다. 100 nm Ag 구조체에서 78%의 전방 산란율을 보였고, 100 nm Au는 공진 대역 내에서 30%를 나타냈다. 이는 100 nm 금속 나노 입자구조체가 투과율 피크 파장을 초과하는 영역의 파장의 빛을 받으면 크기가 작은 입자보다더 많은 빛을 흡수하기 때문이다.
또한, 유리 기판과 금속 나노 입자구조체 간의 상호작용으로 인해 100nm 파장에서 또 다른 전방 산란 공명 피크가 나타났다. 위와같은 결과로부터 넓은 파장 범위에 걸쳐 높고 넓은 전방 산란율을 갖는 10nm 금속 나노 입자구조체의 경우, 향상된 단락 전류 밀도를 보여줄 것으로 기대할 수 있다.³⁴⁾ 그리고 이러한 구조물을 사용함으로써 태양광 패널과 같은 광전소자의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로사료된다.
. 따라서 위의 그래프에서 Ag-Au 이중층 모델의 투과율피크 이동 결과를 통해 다른 금속의 공진 위치와 강도를 안다면 여러 금속 나노 입자 층을 부착함으로써 공진 파장을 조정할 수 있음을 확인할 수 있다.
7(a)와 (b)를 살펴보면 10nm 직경의 Ag 입자 단층 구조체는 동일한 입자를 갖는 이 중 층 구조 체보다 10~20% 높은 투과율을 나타냈다. 단층과 이 중 층 10nm Ag 입자 구조체의 투과율 차이는 파장이 증가함에 따라 약 16, 10, 20%의 차이를 보였고, 100nm 입자의 경우 약 7, 17, 9%의 차이를 보였다. (c)와 (d)에서 10nm Au 입자의 경우 약 20, 12, 18% 이며 100nm 입자의 경우에는 2, 10, 9% 정도의 차이를 보였다.
이는 금속 나노 입자 층이 일부 구조에 부착됨으로써 작은 크기의 금속 나노 입자가 공진 파장의 특성을 유지할 가능성이 있음을 시사한다. 따라서 10nm 이상의 작은 금속 입자 층은 소자의 광학적 특성에 충분히 영향을 미칠 수 있을 것으로 사료된다.
8에서는 높은 투과를 보였던 10nm 입자와 낮은 투과를 보였던 100nm 입자의 단층 구조체를 동일한 재료 및 층 두께의 금속 필름 구조체와 비교하기 위한 투과도 그래프이다. 그래프 (a)와 (b)에서 금속 나노입자 구조체의 전체 투과율은 금속 박막 구조체보다 높은 광 투과율을 보였으며, 금속 나노 입자 구조체의 크기가 작아질수록 박막과의 투과율 차이가 증가하였다. 동일한 크기의 필름 구조와 비교하면 100nm 크기 입자 구조체-필름 구조체의 최대 투과율은 10% 차이를 보였고, 10nm 입자 구조체는 Ag와 Au 모두 30% 이상의 최대 투과율 차이를 보이면서 필름 구조체보다 입자 구조체의 투과 특성이 더 향상됨을 확인하였다.
그래프 (a)와 (b)에서 금속 나노입자 구조체의 전체 투과율은 금속 박막 구조체보다 높은 광 투과율을 보였으며, 금속 나노 입자 구조체의 크기가 작아질수록 박막과의 투과율 차이가 증가하였다. 동일한 크기의 필름 구조와 비교하면 100nm 크기 입자 구조체-필름 구조체의 최대 투과율은 10% 차이를 보였고, 10nm 입자 구조체는 Ag와 Au 모두 30% 이상의 최대 투과율 차이를 보이면서 필름 구조체보다 입자 구조체의 투과 특성이 더 향상됨을 확인하였다. 파장이 길어질수록 투과율은 약간의 노이즈가 있는 금속 박막과 유사한 그래프를 보이지만 Ag, Au 두 금속 나노 입자 구조체 모두 800nm에서 두번째 투과율 피크를 보였으며 박막 구조체의 특성과 현저한 차이를 보였다.
동일한 크기의 필름 구조와 비교하면 100nm 크기 입자 구조체-필름 구조체의 최대 투과율은 10% 차이를 보였고, 10nm 입자 구조체는 Ag와 Au 모두 30% 이상의 최대 투과율 차이를 보이면서 필름 구조체보다 입자 구조체의 투과 특성이 더 향상됨을 확인하였다. 파장이 길어질수록 투과율은 약간의 노이즈가 있는 금속 박막과 유사한 그래프를 보이지만 Ag, Au 두 금속 나노 입자 구조체 모두 800nm에서 두번째 투과율 피크를 보였으며 박막 구조체의 특성과 현저한 차이를 보였다. 또한 이전에 확인된 금속 나노 입자 구조체의 800~900nm 장파장 범위에서의 투과율 피크는 넓은 범위에서 Ag 및 Au 입자 모델 모두에서 금속 박막 구조체보다 30% 높은 광 투과율을 보였다.
파장이 길어질수록 투과율은 약간의 노이즈가 있는 금속 박막과 유사한 그래프를 보이지만 Ag, Au 두 금속 나노 입자 구조체 모두 800nm에서 두번째 투과율 피크를 보였으며 박막 구조체의 특성과 현저한 차이를 보였다. 또한 이전에 확인된 금속 나노 입자 구조체의 800~900nm 장파장 범위에서의 투과율 피크는 넓은 범위에서 Ag 및 Au 입자 모델 모두에서 금속 박막 구조체보다 30% 높은 광 투과율을 보였다. 이것은 금속 나노 입자 근처의 매우 작은 공간에서 서브 파장에서 나타나는 특이 광 투과 현상이며, 피크가 발현되기 이전에 발현되는 깊은 골은 우드 현상(Wood’s anomaly)으로 설명된다.
Ag 및 Au 10~100nm 직경의 나노 입자 층의 투과율 및 전방 산란율을 통해, 직경이 작은 Ag 나노 입자 구조체가가장 높은 전방 산란율과 투과율을 나타냄을 확인하였다 . 또한 직경과 전체 층 크기가 증가할 때, 광 흡수가 투과보다 더 우세하기 때문에 큰 입자 구조체에서 뚜렷한투과 공명 반응성을 기대하기는 어려울 것으로 보인다.
Ag와 Au 입자 층이 함께 구성된 구조체의 광학 특성을 분석하여 공진 피크가 다른 금속 층을 부착함에 따른 투과 공명 특성의조정 가능성을 확인하였다. 균일하게 패킹된 금속 나노 입자 구조층은 금속 박막 구조층보다 최대 30%의 높은 투과율을 나타내며 이를 통해 금속 나노 입자 구조체의 다양한 소자에의 향상된 성능 제공 가능성을 보였다.

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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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