KR101810846B1 - FAR-FIELD Plasmonic Lens AND FAR-FIELD Plasmonic Lens ASSEMBLY - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광학 현미경에 적용될 수 있는 가시광선용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 나노 구조체로 유도되는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체에 관한 것이다.The present invention relates to a lens for visible light that can be applied to an optical microscope, and more particularly, to a lens for visible light that can measure shape information below the diffraction limit of light using a surface plasmon resonance phenomenon induced by a metal nanostructure far-field plasmonic lens and a far-field plasmonic lens assembly.
광학 현미경은 미세 구조체 분석의 중요한 도구로서 물리, 화학, 생물, 의료 등 기초과학에서 폭넓게 활용되고 있다. 여기에서, 광학 현미경에 적용되는 일반적인 광학렌즈는 빛의 회절 한계(diffraction limit)로 인하여 적용 파장의 반파장보다 작은 크기를 가지는 물체는 구별할 수 없어, 가시광선 영역에서의 분해능은 200~300 nm 수준이 한계로 인식되고 있다. Optical microscopes are widely used in basic science such as physics, chemistry, biology, and medical science as important tools for microstructure analysis. Here, a general optical lens applied to an optical microscope can not distinguish an object having a size smaller than a half wavelength of the applied wavelength due to the diffraction limit of light, and the resolution in the visible light range is 200 to 300 nm Level is recognized as a limit.
이러한 빛의 회절 한계를 극복하기 위한 기술로서, 표면 플라즈몬 공명(SRP, Surface Plasmon Resonance) 현상에 대한 연구가 대두되고 있다. Research on surface plasmon resonance (SRP) phenomenon has emerged as a technique for overcoming the diffraction limit of light.
표면 플라즈몬 공명(SRP)은 금속과 유전체의 계면에 존재하는 표면 플라즈몬이 입사하는 빛과 공명하는 현상으로, 표면 플라즈몬과 입사광의 공명으로 금속-유전체의 계면을 따라 집단적으로 진동하며 흐르는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)이 형성되며, 계면으로부터 수직 방향으로 지수함수적으로 감소되는 전자기장을 띄게 되는 현상을 의미한다. Surface plasmon resonance (SRP) is a phenomenon that resonates with the light incident on a surface plasmon existing at the interface between a metal and a dielectric. The resonance between the surface plasmon and the incident light causes the surface plasmon polariton (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) are formed, and the electromagnetic field is reduced exponentially in the vertical direction from the interface.
다만, 표면 플라즈몬 공명 현상에 대한 연구는 광학 현미경 분야보다 바이오 센서 분야에서 활발하게 이루어지고 있으며, 한국등록특허 제1,621,437호(다층 박막 구조와 나노 구조가 결합된 플라즈모닉 센서)를 포함한 다수의 선행 기술은 SPR 현상을 이용하여 생체 분자 특성(예 : 굴절률 또는 농도 변화 등)을 측정하는 플라즈모닉 센서의 설계 기술에 집중하고 있다.However, research on surface plasmon resonance has been actively conducted in the biosensor field rather than optical microscope field, and a number of prior arts including Korean Patent No. 1,621,437 (a plasmonic sensor in which a multilayer thin film structure and a nanostructure are combined) Focuses on design techniques for plasmonic sensors that measure biomolecular properties (eg, refractive index or concentration change) using SPR phenomena.
현재, 광학 현미경에 적용 가능한 플라즈모닉 렌즈의 설계 기술은 주목할 만한 성과를 나타내고 있지 않으며, 현재까지 제안된 몇몇의 플라즈모닉 렌즈는 설계 구조가 복잡하고 특히 가시광선 영역에서 근접장(near-field) 모드로 제한된다. 이에, 단순한 설계 구조를 가지는 동시에 집속 거리(focal length)를 증가시켜 가시광선 영역에서 원거리장(far-field) 모드로 동작할 수 있는 신규한 플라즈모닉 렌즈의 개발이 필요한 실정이다.At present, the design technique of a plasmonic lens applicable to an optical microscope does not show remarkable results. Some of the plasmonic lenses proposed so far have a complicated design structure, especially in the near-field mode in the visible light region Is limited. Accordingly, it is necessary to develop a novel plasmonic lens which can operate in a far-field mode in the visible light region by increasing the focal length while having a simple design structure.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 가시광선용 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈를 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a far-field plasmonic lens for visible light capable of measuring shape information below the diffraction limit of light using surface plasmon resonance .
또한, 본 발명은 베이스 기판 및 베이스 기판 상부에 형성되는 주기적으로 배열된나노 구조체의 최적 설계 구조를 통해, 집속 거리(focal length)와 공간 집속율을 대폭 향상시킬 수 있는 가시광선용 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention provides a far-field light source for a visible ray capable of significantly improving a focal length and a space focusing rate through an optimal design structure of a periodically arranged nanostructure formed on a base substrate and a base substrate, field plasmonic lens.
또한, 본 발명은 서로 상이한 공명 파장과 집속 거리를 가지는 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 배열되어, 필요에 따라 용이하게 플라즈모닉 렌즈를 변경하여 사용할 수 있도록 하는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 조립체를 제공하기 위한 것이다. The present invention also provides a far-field plasmonic lens in which a plurality of far-field plasmonic lenses having resonance wavelengths different from each other and focusing distances are arranged so that the plasmonic lenses can be easily changed as needed, Assembly.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈는 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및 음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하되, 상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a far-field plasmonic lens includes: a base substrate having a positive dielectric constant; And a nano-structure array having a negative dielectric constant and extending in a longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate, wherein the nanostructure array includes a first nanostructure formed at a central position, And a plurality of second nanostructures spaced about one nanostructure.
일 실시예에서, 상기 복수의 제2 나노 구조체는 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열될 수 있다. In one embodiment, the plurality of second nanostructures may be spaced apart from each other by a predetermined period around the first nanostructure.
일 실시예에서, 상기 제2 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면 상에 형성되고, 상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성될 수 있다.In one embodiment, the second nanostructure may be formed on an upper surface of the base substrate, and the first nanostructure may be formed by inserting at least a portion of the first nanostructure in a vertical downward direction with respect to an upper surface of the base substrate .
여기에서, 상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 상기 제2 나노 구조체의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다. Here, the first nanostructure may be formed to have a vertical length that is higher than a vertical length of the second nanostructure with respect to an upper surface of the base substrate.
일 실시예에서, 상기 나노 구조체 어레이는 적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the array of nanostructures may comprise at least two or more first nanostructures.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 유전체로 형성되며, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금속으로 형성될 수 있다.In one embodiment, the base substrate is formed of a dielectric, and the first and second nanostructures may be formed of a metal.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.In one embodiment, the first and second nanostructures may be formed of any one of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al).
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 투명 소재(Transparent Materials)로 형성될 수 있다.In one embodiment, the base substrate may be formed of transparent materials.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판은 상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the upper portion of the base substrate is formed as a circular or elliptical plane, and may be formed to have a downwardly convex three-dimensional shape.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체는 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈; 및 상기 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부;를 포함하되, 상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은 양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및 음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하며, 상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 복수의 제2 나노 구조체를 포함한다.According to another aspect of the invention, a far-field plasmonic lens assembly includes a plurality of far-field plasmonic lenses spaced apart; And a mounting part for fixing and supporting the spaced-apart plurality of far-field plasmonic lenses, wherein each of the plurality of far-field plasmonic lenses has a positive dielectric constant; And a nano-structure array having a negative dielectric constant and extending in the longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate, wherein the nanostructure array includes a first nanostructure formed at a center position, And a plurality of second nanostructures spaced apart from each other by a predetermined periodic unit around one nanostructure.
여기에서, 상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은 베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계될 수 있다.Here, each of the plurality of long-distance plasmonic lenses may be designed so that at least one of the shape of the base substrate, the refractive index of the base substrate, and the arrangement period of the second nanostructure is different from each other.
본 발명은 가시광선용 광학 현미경에 적용되어 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있다. The present invention can be applied to an optical microscope for visible light so that shape information below the diffraction limit of light can be measured.
또한, 본 발명은 베이스 기판 및 베이스 기판 상부에 형성되는 주기적으로 배열된 나노 구조체의 최적 설계 구조를 통해, 집속 거리(focal length)와 공간 집속율을 대폭 향상시킬 수 있다. Further, the present invention can significantly improve the focal length and the spatial focusing rate through the optimal design structure of the periodically arranged nanostructures formed on the base substrate and the base substrate.
또한, 본 발명은 서로 상이한 공명 파장과 집속 거리를 가지는 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 배열되어, 필요에 따라 용이하게 플라즈모닉 렌즈를 변경하여 사용할 수 있도록 한다.In addition, the present invention arranges a plurality of long-distance plasmonic lenses having resonance wavelengths and focusing distances different from each other, so that the plasmonic lens can be easily changed as needed.
도 1은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 단면도이다.
도 10 내지 도 16은 본 발명 및 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 동작 및 효과를 설명하기 위한 참고도이다.1 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
2 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to the present invention.
4 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to another embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens according to another embodiment of the present invention.
8 is a perspective view of a far-field plasmonic lens assembly in accordance with the present invention.
9 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens assembly in accordance with the present invention.
10 to 16 are reference views for explaining the operation and effects of the far-field plasmonic lens according to the present invention and the embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
본 발명은 광학 현미경에 적용될 수 있는 가시광선용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 나노 구조체로 유도되는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 빛이 가지는 회절 한계 이하의 형상 정보를 측정할 수 있는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈 및 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 현재, 광학 현미경에 적용 가능한 플라즈모닉 렌즈는 설계 구조가 복잡하고 특히 가시광선 영역에서 집속 거리(focal length)가 짧아 근접장(near-field) 모드로 제한된다. The present invention relates to a lens for visible light that can be applied to an optical microscope, and more particularly, to a lens for visible light that can measure shape information below the diffraction limit of light using a surface plasmon resonance phenomenon induced by a metal nanostructure far-field plasmonic lens and a far-field plasmonic lens assembly. As described above, at present, a plasmonic lens applicable to an optical microscope has a complicated design structure, and is limited to a near-field mode, in particular, a focal length is short in the visible light region.
본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 양의 유전율을 가지는 베이스 기판 상부에 음의 유전율을 가지는 나노 구조체 어레이를 형성하되, 나노 구조체 어레이의 설계 구조와 베이스 기판의 형상을 최적화하면, 초점거리를 대폭 증가시키는 동시에 공간 집속율을 향상시킬 수 있는 효과가 나타날 수 있음을 확인하고, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 완성하였다. As a result of intensive efforts to solve the above-described problems, the present inventors have found that when a nanostructure array having a negative dielectric constant is formed on a base substrate having a positive dielectric constant, if the design structure of the nanostructure array and the shape of the base substrate are optimized, The distance can be increased and the space focusing rate can be improved. Thus, the far-field plasmonic lens according to the present invention is completed.
이하, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a far-field plasmonic lens according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 설명하기 위한 참고도이며, 보다 상세하게는, 도 1 및 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.1 and 3 are cross-sectional views of a far-field plasmonic lens according to the present invention. Fig. 2 is a cross-sectional view of a far- Fig. 3 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to the embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 양의 유전율을 가지는 베이스 기판(110) 및 음의 유전율을 가지는 나노 구조체 어레이(120, 130)를 포함한다. 여기에서, 나노 구조체 어레이(120, 130)는 베이스 기판(110)의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 복수의 나노 구조체(120, 130)를 포함한다. 1 to 3, a far-field
일 실시예에서, 나노 구조체 어레이(120, 130)는 금속 소재로 형성될 수 있으며, 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있고, 바람직하게는 금(Au)으로 형성될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 베이스 기판(110)은 유전체로 형성될 수 있다. 여기에서, 베이스 기판(110)은 투명 소재(Transparent Materials)로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 석영(SiOx) 또는 유리(glass) 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.In one embodiment, the
나노 구조체 어레이(120, 130)는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체(120)와, 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체(130)를 포함한다. The
예를 들어, 도 1 및 2를 참조하면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 평판 형상의 베이스 기판(110)과, 베이스 기판(110)의 상부에 복수의 나노 구조체 어레이가 형성되되, 각 나노 구조체는 서로 평행하게 이격하여 배열되고, 제1 나노 구조체(120)는 중심위치에 형성되며, 제2 나노 구조체(131 내지 136)가 제1 나노 구조체(120)의 양방향으로 이격하여 배열될 수 있다. 1 and 2, the far-field
일 실시예에서, 복수의 제2 나노 구조체(130)는 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 일정 주기 단위(L)로 이격하여 배열될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 양측 각각에 동일한 거리만큼 이격되어 제2 나노 구조체(131, 132)가 배치되고, 이후 제2 나노 구조체들(133 내지 136)은 각각 제1 나노 구조체(120)와 멀어지는 방향으로 동일한 주기(L)를 가지며 배열될 수 있다. In one embodiment, the plurality of
일 실시예에서, 복수의 제2 나노 구조체(131 내지 136) 각각은 폭(W) 및 높이(H)가 동일하게 형성될 수 있고, 제1 나노 구조체(120)는 제2 나노 구조체(131 내지 136)와 상이한 폭(W)을 가질 수 있다. In one embodiment, each of the plurality of
한편, 도 1 내지 3은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)를 설명하기 위한 예시로서, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 제1 및 제2 나노 구조체의 개수, 폭, 높이, 길이, 형상 및 간격은 필요(요구 조건)에 따라 첨부된 도면과 상이하게 설계될 수 있음은 자명하다.1 to 3 are illustrative examples of the far-
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)가 광학 현미경에 적용되는 경우의 동작 상태를 설명한다.An operation state when the far-
원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 광학 현미경의 대물 렌즈와 시료 사이에 위치할 수 있으며, 광원은 대물 렌즈를 거쳐, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 상부에서 하부 방향으로 가시광선 영역의 빛을 조사할 수 있다. 이때, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 나노 구조체 어레이(120, 130)와 베이스 기판(110) 사이의 계면에서 표면 플라즈몬과 포톤의 커플링(coupling)으로 인한 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP, surface plasmon polariton)이 생성될 수 있다. 여기에서, SPP는 전자기장의 형태로 나타남에 따라 빛이 가지는 공간 집속성의 한계(회절 한계)보다 더 작은 영역으로 집속이 가능하다. 결과적으로, 대물렌즈를 통해 1차 집속된 광원은 본 발명에서 기술하는 플라즈모닉 렌즈에 의해 2차 집속되고, 이를 시료 표면에 입사시켜 반사되어 나오는 빛을 검출기로 측정하여, 시료 표면의 형상 정보가 획득될 수 있다.The far-
SPP는 베이스 기판(110)의 하부 방향으로 진행하는 과정에서 일정 집속 거리(focal length)를 가지며 집속될 수 있으며, 이때 집속 거리는 베이스 기판(110)의 형상 또는 굴절률에 따라 변화될 수 있고, 집속 가능한 공명 파장은 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L) 및 베이스 기판(또는 나노 구조체)의 굴절률에 따라 변화될 수 있다. The SPP may be focused at a certain focal length in the process of moving downward of the
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)에서 나노 구조체(120, 130)의 설계에 따른 집속 가능 파장에 대하여 상세하게 설명한다. 여기에서, 집속 가능 파장은 표면 플라즈몬 공명을 나타낼 수 있는 공명 파장으로, 집속 가능 파장에서 높은 계의 강도(field intensity)가 나타날 수 있다.The focusing wavelength according to the design of the
도 10은 표면 플라즈몬 공명 파장을 확인하기 위한 참고도이다. 여기에서, 도 10은 나노 구조체(120, 130)의 폭(W) 및 높이(H)를 각각 164 nm 및 50 nm로, 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)를 535 nm로, 전체 플라즈모닉 렌즈에서 나노 구조체(이상적으로 금속 재질)의 면적 비율(ff, fill factor)을 0.3으로 설계하여, 파장별 투과율(transmission)을 전산 모사한 결과이다.10 is a reference diagram for confirming the surface plasmon resonance wavelength. 10 is a graph showing the relationship between the width W and height H of the
도 10을 참조하면, 플라즈모닉 렌즈에 제1 나노 구조체(PS tooth)가 구성되지 않고 제2 나노 구조체(130)만이 주기적으로 배열되는 경우, 약 540 nm 및 790 nm 파장에서 투과율의 감소가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 여기에서, 540 nm 파장에서의 투과율 감소는 대기-나노 구조체(Air-Metal) 계면에서의 SPP 발생에 따라 입사한 포톤이 표면 플라즈몬으로 변환되어 나타난 것이며(AM mode), 790nm 파장에서의 투과율 감소는 나노 구조체-베이스 기판(Metal-Substrate) 계면에서의 SPP 발생에 따라 입사 포톤이 표면 플라즈몬으로 변환되어 나타난 것으로 해석할 수 있다(MS mode). 10, when the first nanostructure (PS tooth) is not formed in the plasmonic lens and only the
반면, 본 발명에 따라 제1 나노 구조체(PS tooth)를 구성시키며, 제2 나노 구조체(130)가 제1 나노 구조체(120)를 중심으로 주기적으로 이격하여 배열(이상적으로는 제1 나노 구조체(120)는 제2 나노 구조체(130)의 주기에 반 주기만큼의 이격 거리를 가질 수 있음)되는 경우, 약 540 nm(AM mode) 및 750 nm(MS mode) 파장에서 투과율 감소가 발생하며, 약 650 nm 파장에서도 추가적으로 투과율 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 나노 구조체(120)를 구성시키는 경우, 제1 나노 구조체(120)를 구성시키지 않는 경우와 비교하여, MS mode에서의 공명 파장 위치가 청색 편이되며, 표면 플라즈몬 공명을 나타낼 수 있는 추가적인 공명 파장(약 650 nm)이 나타날 수 있음을 확인할 수 있다. On the other hand, according to the present invention, a first nano structure (PS tooth) is constituted, and the
각각의 공명 모드(포톤-표면 플라즈몬 커플링)은 전산모사로 확인 가능하다. 도 11은 원거리장 플라즈모닉 렌즈에 적용한 파장의 변화에 따른 H-Field를 나타내는 참고도이다. 도 11 (a) 내지 (d)를 참조하면, 약 540 nm 파장(AM mode)에서는 대기-나노 구조체 경계 면에서 강한 H-Field를 확인할 수 있으며, 약 650 nm 파장(coupling mode) 및 약 750 nm 파장(MS mode)에서는 하부 방향으로 집속하며 진행하는 강한 H-Field가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 한편, 공명 파장이 아닌 1,000nm 파장에서는 H-Field의 집속율은 상대적으로 약하게 나타난다. Each resonance mode (photon-surface plasmon coupling) can be confirmed by computer simulation. 11 is a reference diagram showing an H-field according to a change in wavelength applied to a far-field plasmonic lens. 11 (a) to (d), strong H-fields can be observed at the air-nanostructure interface at a wavelength of about 540 nm (AM mode) and about 650 nm coupling mode and about 750 nm In the MS mode, it can be seen that a strong H-field progressing in a downward direction appears. On the other hand, the convergence rate of the H-field is relatively weak at the wavelength of 1,000 nm instead of the resonance wavelength.
즉, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)에 따르면, 제1 나노 구조체(120)를 구성시킴으로써 두 개 범위의 집속 가능 파장을 획득할 수 있다. That is, according to the far-
본 발명에서 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)의 집속 가능 파장은 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)에 따라 변화될 수 있다. 도 12는 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)에 따른 파장별 투과율(transmission)을 나타내는 참고도이며, 도 12를 참조하면, 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)가 435nm에서 635nm로 점차 증가됨에 따라 In the present invention, the focusable wavelength of the far-
MS mode (또는 AM mode) 파장이 점차 적색 편이함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)는 제2 나노 구조체(130)의 이격 주기(L)를 달리하여 집속 가능 파장을 필요에 따라 변화시킬 수 있다. The MS mode (or AM mode) wavelength gradually becomes red. That is, the far-
이하, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 바람직한 실시예를 도 4 내지도 7을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 4, 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈의 사시도이다.Hereinafter, a preferred embodiment of the far-field plasmonic lens according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4 to FIG. FIGS. 4, 6 and 7 are cross-sectional views of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a perspective view of a far-field plasmonic lens according to an embodiment of the present invention.
이하 설명되는 본 발명의 바람직할 실시예에 따르면 상술한 원거리장 플라즈모닉 렌즈(100)와 비교하여 집속율을 약 7배 이상, 집속 거리를 대략 15 μm 이상까지 증가시킬 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention described below, the focusing rate can be increased to about 7 times or more and the focusing distance to about 15 m or more in comparison with the far-
일 실시예에서, 베이스 기판(110)은 상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)의 베이스 기판(210)은 상부가 원형 평면인 반구체(hemisphere) 형상으로 형성될 수 있다. In one embodiment, the upper portion of the
도 13은 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)에 적용한 파장 및 베이스 기판(210) 형상의 변화에 따른 H-Field를 나타내는 참고도이고, 도 14는 SPP의 진행 거리에 따른 전기장 세기(Field intensity)를 나타내는 참고도이다. 도 13 및 14를 참조하면, 베이스 기판(210)이 반구체로 형성되는 경우, 평판 베이스 기판(210)과 비교하여 전기장 집속율이 약 7배 이상 증가함을 확인할 수 있다. FIG. 13 is a reference view showing the wavelength applied to the far-
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈(200)의 집속율을 보다 향상(대략 70%이상) 시킬 수 있는 설계 구조에 대하여 설명한다. Hereinafter, a design structure capable of further improving the focusing rate of the far-
일 실시예에서, 제2 나노 구조체(130)는 베이스 기판(210)의 상부 표면 상에 형성되고, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성될 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 나노 구조체(320)는 제2 나노 구조체(130)와 달리 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 일부가 삽입되어 장착될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 제2 나노 구조체(130)의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 나노 구조체(320)는 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 일부가 삽입되며 제2 나노 구조체(130)보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성될 수 있다. In one embodiment, the
도 15는 SPP의 진행 거리에 따른 전기장 세기(Field intensity)를 나타내는 참고도이다. 도 15을 참조하면, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.1 μm 만큼 높게 형성되는 경우, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 제2 나노 구조체(130)와 동일한 높이로 형성되는 경우와 비교하여, 전기장 집속율이 11.3% 향상됨(파장 811nm- MS mode)을 확인할 수 있다. 15 is a reference diagram showing the field intensity according to the traveling distance of the SPP. 15, when the Au PS tooth is inserted in the downward direction by 0.5 μm with respect to the upper surface of the
더욱이, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)가 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.5 μm 만큼 높게 형성되는 경우, 제1 나노 구조체(Au tooth)가 제2 나노 구조체(130)와 동일한 높이로 형성되는 경우와 비교하여, 전기장 집속율이 71.5% 향상됨(파장 811nm- MS mode)을 확인할 수 있다.Furthermore, when the Au PS tooth is inserted 0.5 μm downward with respect to the upper surface of the
즉, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300)의 설계에 있어서, 베이스 기판(210)은 하부 방향으로 볼록한 입체 형상으로 설계하고, 제1 나노 구조체(320)를 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 일부를 삽입시키고 제2 나노 구조체(130)보다 높은 수직 길이를 가지도록 설계하는 경우, 최대의 집속 거리와 집속율을 나타낼 수 있다.That is, in the design of the far-
일 실시예에서, 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300)는 적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체(320)를 포함할 수 있다. 도 16을 참조하면, 베이스 기판(210)의 상부 표면을 기준으로 하부 방향으로 0.5 μm 만큼 삽입되고 제2 나노 구조체(130)보다 0.5 μm 만큼 높게 형성된 3개의 제1 나노 구조체(Au PS tooth)를 구성시키는 경우, 제1 나노 구조체(Au PS tooth)를 1개로 구성시키는 경우와 비교하여 계의 강도 및 집속 거리는 변화가 미미하다.In one embodiment, the far-
이하, 도 8 및 9를 참조하여, 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체를 설명한다. 도 8은 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체의 단면도이다.Hereinafter, a far-field plasmonic lens assembly according to the present invention will be described with reference to Figs. 8 and 9. Fig. FIG. 8 is a perspective view of a far-field plasmonic lens assembly in accordance with the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view of a far-field plasmonic lens assembly in accordance with the present invention.
도 8 및 도 9를 참조하면, 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체(400)는 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈(300-1 내지 300-3)와, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부(410)를 포함한다. 여기에서, 원거리장 플라즈모닉 렌즈는 상술한 다양한 실시예의 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 적용될 수 있을 것이다.8 and 9, the far-field
일 실시예에서, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각(300-1 내지 300-3)은 베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계될 수 있다. 즉, 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각(300-1 내지 300-3)은 집속 가능 파장 또는 집속 거리가 상이하게 설계되고, 하나의 장착부(410)에 이격 배열되어 고정될 수 있다. In one embodiment, each of the plurality of far-field plasmonic lenses 300-1 to 300-3 may be designed such that at least one of the shape of the base substrate, the refractive index of the base substrate, and the arrangement period of the second nanostructure are different from each other have. That is, each of the plurality of long-distance plasmonic lenses 300-1 to 300-3 is designed to have a convergent wavelength or a focusing distance different from each other, and can be fixedly arranged on one mounting
본 발명에 따른 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체(400)는 광학 현미경에 장착되고, 광학 현미경에 구성되는 이동 장치 및 제어 장치를 통하여 필요에 따라 적절한 원거리장 플라즈모닉 렌즈가 적용되도록 구성될 수 있다.The far-field
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the relevant art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. The appended claims are to be considered as falling within the scope of the following claims.
100, 200, 300: 원거리장 플라즈모닉 렌즈
110, 210 : 베이스 기판
120, 320 : 제1 나노 구조체
130 : 제2 나노 구조체
410 : 장착부100, 200, 300: far-field plasmonic lens
110, 210: Base substrate
120, 320: a first nanostructure
130: second nanostructure
410:
Claims (11)
음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하되,
상기 나노 구조체 어레이는
중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 이격 배열된 복수의 제2 나노 구조체를 포함하고,
상기 제2 나노 구조체는
상기 베이스 기판의 상부 표면 상에 형성되고,
상기 제1 나노 구조체는
상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성되는 원거리장(far-field) 플라즈모닉 렌즈.
A base substrate having a positive dielectric constant; And
And a nano-structure array having a negative dielectric constant and extending in the longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate,
The array of nanostructures
A first nanostructure formed at a central position and a plurality of second nanostructures spaced about the first nanostructure,
The second nanostructure comprises
And a second electrode formed on the upper surface of the base substrate,
The first nanostructure comprises
And at least a part of which is inserted in a vertical downward direction with respect to an upper surface of the base substrate.
제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
The method of claim 1, wherein the plurality of second nanostructures comprise
Wherein the first nanostructure is spaced apart from the first nanostructure at regular intervals.
상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 상기 제2 나노 구조체의 수직 길이보다 높은 수직 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
The method of claim 1, wherein the first nanostructure comprises
And a vertical length greater than a vertical length of the second nanostructure with respect to an upper surface of the base substrate.
적어도 2개 이상의 제1 나노 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
5. The nanostructure array of claim 4,
Wherein the at least two first nanostructures comprise at least two first nanostructures.
상기 베이스 기판은 유전체로 형성되며, 상기 제1 및 제2 나노 구조체는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
The method according to claim 1,
Wherein the base substrate is formed of a dielectric and the first and second nanostructures are formed of a metal.
금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
7. The method of claim 6, wherein the first and second nanostructures are
Is formed of any one of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al).
투명 소재(Transparent Materials)로 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
7. The method of claim 6, wherein the base substrate
Wherein the distance is formed of transparent materials.
상부가 원형 또는 타원형의 평면으로 형성되며, 하부 방향으로 볼록한 입체 형상을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the base substrate
Wherein the upper portion is formed in a circular or elliptical plane and is formed to have a downward convex three-dimensional shape.
이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈; 및
상기 이격 배열된 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈를 고정 지지하는 장착부;를 포함하되,
상기 복수의 원거리장 플라즈모닉 렌즈 각각은
양의 유전율을 가지는 베이스 기판; 및
음의 유전율을 가지며, 상기 베이스 기판의 상부에 일정 단면적을 가지고 길이 방향으로 연장되어 형성되는 나노 구조체 어레이;를 포함하며,
상기 나노 구조체 어레이는 중심 위치에 형성되는 제1 나노 구조체와, 상기 제1 나노 구조체를 중심으로 일정 주기 단위로 이격 배열되는 복수의 제2 나노 구조체를 포함하고,
상기 제2 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면 상에 형성되며, 상기 제1 나노 구조체는 상기 베이스 기판의 상부 표면을 기준으로 수직 하부 방향으로 적어도 일부가 삽입되어 형성되는 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체.
In a far-field plasmonic lens assembly,
A plurality of spaced apart far-field plasmonic lenses; And
And a mounting portion for fixedly supporting the plurality of spaced apart far-field plasmonic lenses,
Wherein each of the plurality of far-field plasmonic lenses
A base substrate having a positive dielectric constant; And
And a nano-structure array having a negative dielectric constant and extending in the longitudinal direction with a predetermined cross-sectional area on the base substrate,
Wherein the nanostructure array includes a first nanostructure formed at a central position and a plurality of second nanostructures spaced apart from each other by a predetermined period around the first nanostructure,
Wherein the second nanostructure is formed on an upper surface of the base substrate and the first nanostructure is formed at least partially inserted in a vertical downward direction with respect to an upper surface of the base substrate.
베이스 기판의 형상, 베이스 기판의 굴절율 및 제2 나노 구조체의 배열 주기 중 적어도 하나가 서로 상이하게 설계되는 것을 특징으로 하는 원거리장 플라즈모닉 렌즈 조립체.11. The apparatus of claim 10, wherein each of the plurality of far-field plasmonic lenses
Wherein at least one of the shape of the base substrate, the refractive index of the base substrate, and the arrangement period of the second nanostructure is designed to be different from each other.
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