KR20120111900A - Apparatus for enhancing the intensity of light source - Google Patents

Abstract

Translated fromKorean

광원의 세기를 증강시키는 장치가 제공된다. 광원 세기 증강 장치는 극초단 펄스 폭을 갖는 광을 출력하는 광원, 유전체 기판, 및 유전체 기판 상에 형성된 금속 나노 구조체들을 포함하되, 금속 나노 구조체들은 유전체 기판 표면에서 극초단 펄스 폭을 갖는 광과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명을 일으킬 수 있다.An apparatus for enhancing the intensity of a light source is provided. The light source intensity enhancing apparatus includes a light source for outputting light having an ultra short pulse width, a dielectric substrate, and metal nano structures formed on the dielectric substrate, wherein the metal nano structures are combined with light having an ultra short pulse width at the surface of the dielectric substrate. Surface plasmon polariton resonance.

Description

Translated fromKorean

광원 세기 증강 장치{Apparatus for enhancing the intensity of light source}Apparatus for enhancing the intensity of light source}

본 발명은 광원 세기 증강 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 금속 나노 구조체를 이용하여 광원의 세기를 증강시키는 장치 관한 것이다.The present invention relates to a light source intensity enhancing apparatus, and more particularly, to an apparatus for enhancing the intensity of a light source using a metal nanostructure.

금(Au), 은(Ag) 혹은 구리(Cu)과 같은 IB족 귀금속은 유전체와의 경계 면에서 자외선, 가시광 및 근적외선 영역에서 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명(Surface Plasmon Polariton Resonance) 특성을 갖는다. 특히, 3차원적으로 구속된 IB족 귀금속을 매질로 하는 나노구조체에서는 그 크기와 모양, 그리고 주위 매질의 유전적 특성(dielectric properties)에 따라 전기장을 국소적으로 크게 증강시키는 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 현상을 나타낸다. 따라서, 입사 광원의 파장에 따라 나노구조체의 크기나 모양을 최적화 하면 나노구조체의 표면 및 그 주변에 존재하는 전기장의 세기를 크게 증강시킬 수 있다. 즉, 근접장(nearfield) 혹은 원격장(farfield)에서 안테나와 같은 역할을 하는 것이다.Group IB precious metals such as gold (Au), silver (Ag) or copper (Cu) have Surface Plasmon Polariton Resonance characteristics in the ultraviolet, visible and near-infrared regions at the interface with the dielectric. In particular, nanostructures with three-dimensionally constrained Group IB noble metals have localized surface plasmon resonances that locally enhance the electric field according to their size and shape and the dielectric properties of the surrounding medium. surface plasmon resonance) phenomenon. Therefore, by optimizing the size or shape of the nanostructure according to the wavelength of the incident light source, it is possible to greatly increase the intensity of the electric field present on the surface and the periphery of the nanostructure. In other words, it acts like an antenna in the nearfield or farfield.

본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 나노 구조체를 이용하여 광원의 세기를 국소적으로 증강시키는 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus for locally enhancing the intensity of a light source using a metal nanostructure.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 세기 증강 장치는 극초단 펄스 폭을 갖는 광을 출력하는 광원, 유전체 기판, 및 유전체 기판 상에 형성된 금속 나노 구조체들을 포함하되, 금속 나노 구조체들은 유전체 기판 표면에서 극초단 펄스 폭을 갖는 광과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명을 일으킬 수 있다.In order to achieve the above object, the light source intensity enhancing apparatus according to an embodiment of the present invention includes a light source for outputting light having an extremely short pulse width, a dielectric substrate, and metal nanostructures formed on the dielectric substrate, Metal nanostructures can combine with light having an extremely short pulse width at the surface of a dielectric substrate to produce surface plasmon polariton resonance.

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 펄스형 레이저이고, 상기 펄스형 레이저는 5fs 내지 50fs의 펄스 폭을 가질 수 있다.According to one embodiment, the light source is a pulsed laser, the pulsed laser may have a pulse width of 5fs to 50fs.

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 Ti-sapphire 레이저일 수 있다.According to an embodiment, the light source may be a Ti-sapphire laser.

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 다색광원(polychromatic light source) 또는 단색광원(monochromatic light source)일 수 있다.According to an embodiment, the light source may be a polychromatic light source or a monochromatic light source.

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 기체 레이저 또는 고체 레이저 다이오드(LD, laser diode)일 수 있다.According to an embodiment, the light source may be a gas laser or a solid state laser diode (LD).

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 300nm~3000nm의 자외선, 가시광선(visible ray), 근적외선(near infra-red) 파장을 가질 수 있다.According to one embodiment, the light source may have a wavelength of 300nm to 3000nm ultraviolet light, visible light, near infra-red.

일 실시예에 따르면, 상기 광원은 단색 광원이고, 상기 단색 광원은 연속 발진형(CW, continuous wave) 레이저 또는 펄스형(pulse wave) 레이저일 수 있다.According to an embodiment, the light source is a monochromatic light source, and the monochromatic light source may be a continuous wave (CW) laser or a pulse wave laser.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 구조체는 보우타이(bowtie) 형태이거나 막대형 쌍극자 형태일 수 있다.According to one embodiment, the metal nanostructure may be in the form of a bowtie (bowtie) or rod-shaped dipole.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 구조체는 미러 대칭된 금속쌍이고, 상기 금속쌍은 장축의 길이와 단축의 길이가 다를 수 있다.According to one embodiment, the metal nanostructure is a mirror symmetric metal pair, the metal pair may have a length of the long axis and the length of the short axis.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 구조체는 Au, Al, Ag 또는 Cu 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.According to one embodiment, the metal nanostructure may be made of any one selected from Au, Al, Ag or Cu.

일 실시예에 따르면, 상기 광원 세기 증강 장치는 전자 빔, 양성자 빔 또는 이온 빔을 발생시킬 수 있다.According to an embodiment, the light source intensity enhancing apparatus may generate an electron beam, a proton beam, or an ion beam.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 세기 증강 장치는 극초단 펄스 레이저 빔을 조사하는 광원, 및 상기 극초단 펄스 레이저 빔의 세기를 증강시켜 양성자 빔을 출력하는 타겟 구조체를 포함한다. 여기서, 상기 타겟 구조체는, 상기 극초단 펄스 레이저 빔이 조사되는 제 1 면, 및 상기 양성자 빔이 방출되는 제 2 면을 갖는 타겟층, 상기 극초단 펄스 레이저 빔 또는 상기 양성자 빔의 진행 경로로 사용되는 멤브레인 영역을 갖는 지지체, 및 상기 타겟층의 제 1 면에 형성되며, 상기 극초단 펄스 레이저 빔과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명을 일으키는 금속 나노 구조체들을 포함한다.In order to achieve the above object, a light source intensity enhancing apparatus according to another embodiment of the present invention is a light source for irradiating an ultra-short pulsed laser beam, and a target for outputting a proton beam by augmenting the intensity of the ultra-short pulsed laser beam Contains a structure. Here, the target structure is used as a propagation path of the target layer, the ultrashort pulsed laser beam or the proton beam, having a first surface to which the ultrashort pulsed laser beam is irradiated and a second surface from which the proton beam is emitted. A support having a membrane region, and metal nanostructures formed on a first side of the target layer, which combine with the ultra-short pulsed laser beam to produce surface plasmon polariton resonance.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원 세기 증강 장치는 금속 나노 구조체를 이용하여 국소적인 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 현상을 일으킴으로써, 입사되는 극초단 광원의 세기를 국소적으로 강화시킬 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면, 극초단 및 고출력 레이저를 포함한 광원의 세기를 외부의 부가적인 증폭장치 없이 국소적으로 증강시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the light source intensity enhancing apparatus may locally localize the intensity of the incident ultrashort light source by causing local surface plasmon polariton resonance using a metal nanostructure. That is, according to one embodiment, the intensity of the light source including the ultra-short and high-power laser can be locally increased without an external amplification device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 세기를 증강시키는 장치의 개념도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 세기를 증강시키는 장치의 금속 나노 구조체를 나타내는 도면들이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체 주변의 전기장 세기의 근접장 이미지를 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 나노 구조체 주변의 전기장 세기의 근접장 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.1 is a conceptual diagram of an apparatus for increasing the intensity of a light source according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are diagrams illustrating metal nanostructures of an apparatus for enhancing the intensity of a light source according to an embodiment of the present invention.
3A shows a near field image of electric field strength around a metal nanostructure in accordance with one embodiment of the present invention.
3B shows a near field image of electric field strength around a metal nanostructure in accordance with another embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a metal nanostructure according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 광원 세기 증강 장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a light source intensity enhancing apparatus according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 세기를 증강시키는 장치의 개념도이다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 세기를 증강시키는 장치의 금속 나노 구조체를 나타내는 도면들이며, 도 2c는 도 2a 및 도 2b의 금속 나노 구조체의 단면도로서, 도 2a 및 도 2b의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면이다.1 is a conceptual diagram of an apparatus for increasing the intensity of a light source according to an embodiment of the present invention. 2A and 2B are views illustrating metal nanostructures of an apparatus for increasing the intensity of a light source according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2C is a cross-sectional view of the metal nanostructures of FIGS. 2A and 2B. It is a cross section cut along the II 'line | wire of 2b.

도 1을 참조하면, 광원(100)의 세기를 증강시키는 장치(10)는 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 현상을 이용하여 입사 광원(100)의 전기장을 국소적으로 증강시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, theapparatus 10 for increasing the intensity of thelight source 100 may locally enhance the electric field of theincident light source 100 using surface plasmon polariton resonance.

상세하게, 광원(100)의 세기를 증강시키는 장치는 광원(100), 유전체 기판(110), 유전체 기판(110) 상의 금속 나노 구조체(120)를 포함한다.In detail, the apparatus for increasing the intensity of thelight source 100 includes thelight source 100, thedielectric substrate 110, and themetal nanostructure 120 on thedielectric substrate 110.

유전체 기판(110)은 입사광이 투과할 수 있는 투명한 유전체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO₂)와 같은 유리 기판이 사용될 수 있다. 또한, 유전체 기판(110)으로 티타늄 산화물(TiO₂), 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅) 또는 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 등과 같은 투명한 산화물의 유전체 기판(110)이 사용될 수 있다.Thedielectric substrate 110 may be made of a transparent dielectric through which incident light may pass. For example, a glass substrate such as silicon oxide (SiO₂ ) can be used. In addition, adielectric substrate 110 of a transparent oxide such as titanium oxide (TiO₂ ), tantalum oxide (Ta₂ O₅ ), or aluminum oxide (Al₂ O₃ ) may be used as thedielectric substrate 110.

금속 나노 구조체(120)는 금속쌍들일 수 있으며, 금속쌍들은 유전체 기판(110) 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 금속 나노 구조체(120)는 미러 대칭된 금속쌍이고, 하나의 금속쌍은 장축의 길이와 단축의 길이가 다를 수 있다. 금속 나노 구조체(120)는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al) 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다. 이러한, 유전체 기판(110) 표면에서 금속 나노 구조체(120)는 입사되는 광(100a)과 결합하여 표면 플라즈몬을 발생시킬 수 있다. 이때, 금속 나노 구조체(120)의 크기(size)와 모양(shape), 그리고, 각 금속 나노 구조체(120) 사이의 거리(inter-particle distance), 또는 격자 상수(lattice constant)는 공명 조건의 변화에 큰 영향을 미치는 변수들(parameter)로 작용할 수 있다.Themetal nanostructure 120 may be metal pairs, and the metal pairs may be regularly arranged on thedielectric substrate 110. Themetal nanostructure 120 is a mirror symmetric metal pair, and one metal pair may have a length of a long axis and a length of a short axis. Themetal nanostructure 120 includes gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), silicon (Si), germanium (Ge), aluminum (Al), or a mixture thereof. It can be formed as. In the surface of thedielectric substrate 110, themetal nanostructure 120 may combine withincident light 100a to generate surface plasmons. In this case, the size and shape of themetal nanostructures 120 and the inter-particle distances or lattice constants between themetal nanostructures 120 may be changed in resonance conditions. It can act as a parameter that has a big impact on.

일 실시예에 따르면, 금속 나노 구조체(120)로 입사되는 광원(100)은 극초단 광원(100a)일 수 있다. 예를 들어, 광원(100)으로 극초단 펄스 레이저(Ultrashort Pulse Lasers)가 사용될 수 있으며, 극초단 펄스 레이저는 수 내지 수 십 펨토 초(fs, femto seconds: 10^-15 sec.)의 펄스 폭을 가질 수 있다.According to an embodiment, thelight source 100 incident on themetal nanostructure 120 may be an ultra-shortlight source 100a. For example, ultrashort pulse lasers may be used as thelight source 100, and the ultrashort pulse lasers may have pulse widths of several to several tens of femto seconds (fs,^10-15 sec.). Can have

일 실시예에 따르면, 광원(100)은 다색광원(polychromatic light source) 또는 단색광원(monochromatic light source)일 수 있다. 다색 광원으로는 텅스텐-할로겐 램프(QTH-lamp)와 같은 백색광원이 사용될 수 있다. 단색 광원으로는 기체 레이저, 고체 레이저 다이오드(LD, laser diode) 및 극초단 고출력 레이저가 사용될 수 있다. 나아가, 단색광원은 연속 발진형(CW, continuous wave) 레이저 또는 펄스형(pulse wave) 레이저일 수 있다. 여기서, 펄스형(pulse wave) 레이저의 펄스 폭은 수 내지 수 십 펨토 초(fs, femto seconds: 10^-15 sec.)의 극초단(ultra-short) 펄스 폭을 가질 수 있다. 그리고, 펄스형 레이저는 수 ㎼~수 mW 급의 저 출력 레이저뿐만 아니라 수 테라 와트(TW, terawatt: 10¹² watt) 및 수 페타 와트(PW, Petawatt: 10¹⁵ watt) 범위의 고출력 파워(power)를 가질 수 있다. 예를 들어, 펄스형 레이저는 약 10¹⁸~10²²W/cm²의 세기를 가질 수 있다.According to an embodiment, thelight source 100 may be a polychromatic light source or a monochromatic light source. As the multicolor light source, a white light source such as a tungsten-halogen lamp (QTH-lamp) may be used. As a monochromatic light source, a gas laser, a solid state laser diode (LD), and an ultra-high power laser may be used. Furthermore, the monochromatic light source may be a continuous wave (CW) laser or a pulse wave laser. Here, the pulse width of the pulse wave laser may have an ultra-short pulse width of several to several tens of femto seconds (fs,^10-15 sec.). Pulsed lasers have high output power in the range of several terawatts (TW, terawatt: 10¹² watts) and several petawatts (PW, Petawatt: 10¹⁵ watts) It can have For example, the pulsed laser can have an intensity of about 10¹⁸ -10²² W / cm² .

일 실시예에서, 광원(100)으로서 Ti-sapphire 레이저가 이용될 수 있으며, Ti-sapphire 레이저는 약 5fs(femto-sec.) 내지 50fs의 펄스 폭을 가지며, 테라 와트(tera-watt) 및 페타 와트(peta-watt)의 파워를 출력한다. 나아가, 광원(100)은 약 300nm~3000nm의 자외선(NUV, near ultra-violet), 가시광(visible) 또는 근적외선(near infra-red)일 수 있다.In one embodiment, a Ti-sapphire laser may be used as thelight source 100, wherein the Ti-sapphire laser has a pulse width of about 5 fs (femto-sec.) To 50 fs, tera-watt and peta. It outputs peta-watt power. In addition, thelight source 100 may be ultraviolet (NUV), visible light or near infra-red of about 300 nm to 3000 nm.

일 실시예에 따르면, 금속 나노 구조체(120)들이 형성된 유전체 기판(110) 상에 극초단 광원(100a)이 입사되면, 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 특성에 의해 국소적으로 전기장이 강화될 수 있다. 구체적으로, 일 실시예에서 광원(100)으로 약 5fs 내지 15fs의 짧은 펄스 폭을 갖는 극초단 광원(100)이 사용될 수 있다.According to an embodiment, when the ultra-shortlight source 100a is incident on thedielectric substrate 110 on which themetal nanostructures 120 are formed, the electric field may be locally enhanced by surface plasmon polariton resonance characteristics. Specifically, in one embodiment, the ultra-shortlight source 100 having a short pulse width of about 5fs to 15fs may be used as thelight source 100.

상세하게, 금속과 유전체의 경계에서 특정 조건을 만족하는 경우, 광파가 금속 표면의 자유전자들과 상호작용하여 공진을 일으키는 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명은 펨토 초의 시간특성을 갖는다. 이에 따라, 극초단 펄스 폭을 갖는 광원(100a)은 금속 나노 구조체(120)와 유전체 기판(110)의 경계에서 금속 표면의 자유전자들과 상호작용하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 현상을 일으킨다. 공명 현상이 발생하면, 금속 나노 구조체(120)를 통과하여 근접장 및 원격장에서의 산란(scattering) 및 흡수(absorption) 효율이 강화된 광(100b)이 출력될 수 있다. 이와 같이 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 현상을 이용함으로써 유전체 기판(110)으로부터 전자(electron)나 양성자(proton), 혹은 탄소 이온(carbon ion) 빔(beam)을 발생시킬 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면, 극초단 및 고출력 레이저를 포함한 광원(100a)의 세기를 외부의 부가적인 증폭장치 없이 국소적으로 증강시킬 수 있다.Specifically, the surface plasmon polariton resonance, in which light waves interact with free electrons on the metal surface and resonates when certain conditions are met at the boundary between the metal and the dielectric, has a femtosecond time characteristic. Accordingly, thelight source 100a having the ultra short pulse width interacts with free electrons on the metal surface at the boundary between themetal nanostructure 120 and thedielectric substrate 110 to cause surface plasmon polariton resonance. When a resonance phenomenon occurs, light 100b having enhanced scattering and absorption efficiency in the near and far fields may be output through themetal nanostructure 120. By using the surface plasmon polariton resonance phenomenon, an electron, a proton, or a carbon ion beam can be generated from thedielectric substrate 110. That is, according to one embodiment, the intensity of thelight source 100a including the ultra-short and high-power laser can be locally increased without an external amplification device.

도 2a에 도시된 일 실시예에 따르면, 금속 나노 구조체(120a)는 보우타이(bowtie) 형태일 수 있다. 도 2b에 도시된 실시예에 따르면 금속 나노 구조체(120b)는, 막대형의 쌍극자 형태일 수 있다.According to one embodiment illustrated in FIG. 2A, themetal nanostructure 120a may be in the form of a bowtie. According to the embodiment illustrated in FIG. 2B, themetal nanostructure 120b may have a rod-shaped dipole shape.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 금속 나노 구조체(120a, 120b)는 입사 광(100a)의 파장에 따른 최대의 산란 및 흡수 효율을 얻을 수 있도록, 금속 나노구조체(120) 각각의 길이(a), 폭(b), 높이(d), 간격(e), 각도(θ) 및 금속쌍들 간의 거리(c)가 조절된다.2A to 2C, themetal nanostructures 120a and 120b may be formed of metal nanostructures to obtain maximum scattering and absorption efficiencies depending on the wavelength of theincident light 100a. The length a, the width b, the height d, the spacing e, the angle θ and the distance c between the metal pairs of thestructures 120 are adjusted.

일 실시예에 따르면, 금속 나노 구조체(120a, 120b)의 길이(a)는 약 100nm 내지 200nm일 수 있으며, 폭(b)은 약 50nm 내지 100nm일 수 있고, 높이(d)는 약 10nm 내지 100nm일 수 있다. 대칭되는 금속 나노 구조체(120) 간의 간격(e)은 약 50nm 내지 100nm일 수 있다. 이에 더하여, 보우 타이 형태의 금속 나노 구조체(120a)의 각도(θ)는 약 30도 내지 60도일 수 있다.According to an embodiment, the length a of themetal nanostructures 120a and 120b may be about 100 nm to 200 nm, the width b may be about 50 nm to 100 nm, and the height d may be about 10 nm to 100 nm. Can be. An interval e between thesymmetric metal nanostructures 120 may be about 50 nm to 100 nm. In addition, the angle θ of the bow tie-shapedmetal nanostructure 120a may be about 30 degrees to about 60 degrees.

한편, 금속 나노 구조체(120)는 납작(oblate)하거나, 길쭉(prolate)한 단면을 가지는 회전타원체(spheroid) 형태이거나, 원형(circular), 타원형(oval), 삼각형(triangular), 사각형(rectangular), 마름모형태를 가질 수 있다. 금속 나노 구조체(120)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.On the other hand, themetal nanostructure 120 is in the form of a spheroid having an oblate or elongated cross section, or a circular, oval, triangular, or rectangular shape. It may have a rhombus shape. The shape of themetal nanostructure 120 may be variously modified.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 금속 나노 구조체 주변의 전기장 세기의 근접장 이미지를 나타낸다.3A and 3B show near field images of electric field strength around metal nanostructures in accordance with embodiments of the present invention.

도 3a 및 도 3b는 금속 나노 구조체의 구조를 최적화하기 위하여 그의 모양, 크기 및 유전적 특성을 입력 파라미터로하여 FDTD(finite-difference time-domain) 방법을 이용하여 계산한 보우타이(Bowtie) 형태 및 막대형의 쌍극자 형태의 금속 나노 구조체 주변의 증강된 전기장 세기의 분포의 수치해석적 결과이다.3A and 3B show bowtie shapes calculated using a finite-difference time-domain (FDTD) method with its shape, size, and dielectric properties as input parameters in order to optimize the structure of metal nanostructures. Numerical results of the distribution of the enhanced electric field strength around the metal dipole structures in the form of rod-shaped dipoles.

도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 bowtie 형 금속 나노 구조체 주변의 전기장 세기의 근접장 이미지를, 도 3b는 또 다른 일 실시 예에 따른 막대형 쌍극자 금속 나노 구조체 주위에서의 전기장의 근접장 이미지를 각각 나타낸다.3A is a near field image of electric field strength around a bowtie-type metal nanostructure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a near field image of electric field around a bar-shaped dipole metal nanostructure according to another embodiment. Indicates.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 펨토 초의 극초단 펄스 폭을 갖는 레이저를 금속 나노 구조체가 형성된 유전체 기판으로 조사하였을 때, 금속 나노 구조체 주위에서 광원의 전기장 세기가 증강되는 것을 확인 할 수 있다.3A and 3B, when the laser having the ultra-short pulse width of femtosecond is irradiated onto the dielectric substrate on which the metal nanostructure is formed, it can be seen that the electric field strength of the light source is increased around the metal nanostructure.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a metal nanostructure according to an embodiment of the present invention.

도 4는 전자 빔 리소그래피 (electron beam lithography) 방법을 이용하여 수정 기판(quartz substrate) 상에 제작한 bowtie형 금(gold, Au) 금속 나노 구조체의 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진이다.FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a bowtie gold (Au) metal nanostructure fabricated on a quartz substrate using an electron beam lithography method.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노 구조체를 포함하는 광원 세기 증강 장치를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a light source intensity enhancing apparatus including a metal nanostructure according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면 광원 세기 증강 장치는 타겟 구조체로 광을 조사하는 광원 및 하전입자빔을 출력하는 타겟 구조체를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the light source intensity enhancing apparatus may include a light source for irradiating light to the target structure and a target structure for outputting a charged particle beam.

타겟 구조체는 지지체(200), 타겟층(230), 및 금속 나노 구조체(220)를 포함할 수 있다. 지지체(200)의 상부면(1)에 마스크 패턴이 형성될 수 있으며, 지지체(200)의 하부면(2)에 타겟층(230)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 지지체(200)는 타겟층(230)과 마스크 패턴(205) 사이에 개재될 수 있다. 이에 더하여, 지지체(200)와 타겟층(230) 사이에는 식각정지층(240)이 더 개재될 수 있다.The target structure may include thesupport 200, thetarget layer 230, and themetal nanostructure 220. The mask pattern may be formed on the upper surface 1 of thesupport 200, and thetarget layer 230 may be formed on thelower surface 2 of thesupport 200. Accordingly, thesupport 200 may be interposed between thetarget layer 230 and themask pattern 205. In addition, anetch stop layer 240 may be further interposed between thesupport 200 and thetarget layer 230.

일 실시예에서, 지지체(200)는 단결정 실리콘일 수 있다. 지지체(200)는 실리콘, 사파이어, 다이아몬드, 석영, 유리, 세라믹 물질들 또는 금속 물질들 중의 적어도 하나일 수 있으며, 그 결정 구조는 단결정, 다결정 또는 비정질 등일 수 있다. 지지체(200)는 수백 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 두께로 형성될 수 있다.In one embodiment, thesupport 200 may be monocrystalline silicon. Thesupport 200 may be at least one of silicon, sapphire, diamond, quartz, glass, ceramic materials, or metal materials, and the crystal structure may be single crystal, polycrystalline, amorphous, or the like. Thesupport 200 may be formed to a thickness of several hundred micrometers to several millimeters.

지지체(200)는 그것을 관통하여 타겟층(230)을 노출시키는 멤브레인(membrane) 영역(210)을 구비한다. 일부 실시예들에 따르면, 멤브레인 영역(210)은 지지체(200)의 상부면에 대해 경사진 측벽을 가질 수 있다. 멤브레인 영역(210)은 지지체(200)의 상부면(1)에 마스크 패턴(205)을 형성하고, 마스크 패턴(205)을 식각 마스크로 이용하여 지지체(200)를 식각함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 마스크 패턴(205)은 지지체(200)에 대해 식각 선택성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 마스크 패턴(205)은 지지체(200)을 식각하는 식각 공정에서 내식각성을 가질 수 있는 물질들 중의 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 지지체(200)가 실리콘일 경우, 마스크 패턴(205)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 유기 고분자 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.Thesupport 200 has amembrane region 210 penetrating it to expose thetarget layer 230. According to some embodiments, themembrane region 210 may have sidewalls that are inclined with respect to the top surface of thesupport 200. Themembrane region 210 may be formed by forming amask pattern 205 on the upper surface 1 of thesupport 200 and etching thesupport 200 using themask pattern 205 as an etching mask. Here, themask pattern 205 may be formed of a material having an etch selectivity with respect to thesupport 200. That is, themask pattern 205 may include one of materials that may have etching resistance in an etching process of etching thesupport 200. For example, when thesupport 200 is silicon, themask pattern 205 may include at least one of silicon oxide, silicon nitride, or organic polymer materials.

일 실시예에 따르면, 타겟층(230)은 지지체(200)에 직접 접촉하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 타겟층(230)은 지지체(200)에 대해 식각 선택성을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 예를 들면, 타겟층(230)은 입사광이 투과할 수 있는 투명한 유전 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 타겟층(230)은 실리콘 산화물(SiO₂)로 형성될 수 있다. 이와 달리 타겟층(230)은 백금, 금, 은, 알루미늄, 티타늄 또는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon) 등으로 형성될 수 있다.According to an embodiment, thetarget layer 230 may be formed to directly contact thesupport 200. In this case, thetarget layer 230 may be formed of at least one of materials having an etch selectivity with respect to thesupport 200. For example, thetarget layer 230 may be formed of a transparent dielectric material through which incident light may pass. For example, thetarget layer 230 may be formed of silicon oxide (SiO₂ ). Alternatively, thetarget layer 230 may be formed of platinum, gold, silver, aluminum, titanium, hydrogenated amorphous silicon, or the like.

일 실시예에서, 지지체(200)와 타겟층(230) 사이에 식각정지층(240)이 형성되는 경우, 멤브레인 영역(210)을 형성하는 동안 타겟층(230)이 식각 손상을 받는 기술적 문제는 예방될 수 있다. 이에 따라, 타겟층(230)을 위한 물질은, 실질적인 제약없이, 자유롭게 선택될 수 있다. 예를 들면, 이러한 실시예들에 따르면, 타겟층(230)은 비활성 금속 물질들, 알루미늄, 티타늄, 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(Polyimide), 포토레지스트(Photoresist) 또는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon) 중의 적어도 하나일 수 있다.In an embodiment, when theetch stop layer 240 is formed between thesupport 200 and thetarget layer 230, technical problems in which thetarget layer 230 is etched while forming themembrane region 210 may be prevented. Can be. Accordingly, the material for thetarget layer 230 can be freely selected without substantial limitations. For example, according to these embodiments, thetarget layer 230 may be formed of inert metal materials, aluminum, titanium, polymethyl methacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide ( Polyimide), photoresist, or hydrogenated amorphous silicon.

일 실시예에서, 타겟층(230)의 일면에는 도 1 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명된 금속 나노 구조체(220)가 형성될 수 있다. 금속 나노 구조체(220)는 금속쌍들일 수 있다. 예를 들어, 금속 나노 구조체(220)는 보우타이형 또는 막대형의 쌍극자 형태일 수 있다. 금속 나노 구조체(220)는 입사 광(100a)의 파장에 따른 최대의 산란 및 흡수 효율을 얻을 수 있도록, 금속 나노 구조체(220) 각각의 길이(a), 폭(b), 높이(d), 간격(e), 각도(θ) 및 금속쌍들 간의 거리(c)가 조절된다.In one embodiment, themetal nanostructure 220 described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2C may be formed on one surface of thetarget layer 230. Themetal nanostructure 220 may be metal pairs. For example, themetal nanostructure 220 may be a bow tie type or a rod-shaped dipole type. Themetal nanostructure 220 may have a length (a), a width (b), a height (d) of each of themetal nanostructures 220, so as to obtain maximum scattering and absorption efficiency according to the wavelength of theincident light 100a. The spacing e, the angle θ and the distance c between the metal pairs are adjusted.

일 실시예에 따른 광원 세기 증강 장치에서, 광원(100)은 금속 나노 구조체(220)로 극초단 펄스 레이저(100a)를 조사하며, 금속 나노 구조체(200)에 의해 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 현상이 발생될 수 있다. 예를 들어, 극초단 펄스 레이저(100a)는 약 10¹⁸~10²²W/cm²의 세기를 가질 수 있다. 극초단 펄스 레이저(100a)는 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명 특성에 의해 국소적으로 전기장이 강화되어, 양성자 빔 또는 이온 빔과 같은 하전입자빔(100b)이 출력될 수 있다. 하전입자빔(100b)은 타겟층(230)으로부터 방출될 수 있으며, 하전입자빔(100b)은 지지체(200)의 멤브레인 영역(210)을 통해 방출될 수 있다.In the light source intensity enhancing apparatus according to the embodiment, thelight source 100 irradiates the ultra-short pulse laser (100a) to themetal nanostructure 220, the surface plasmon polariton resonance phenomenon occurs by themetal nanostructure 200 Can be. For example, theultrashort pulse laser 100a may have an intensity of about 10¹⁸ to 10²² W / cm² . Theultra-short pulse laser 100a is locally enhanced by the surface plasmon polariton resonance characteristic, so that a chargedparticle beam 100b such as a proton beam or an ion beam may be output. The chargedparticle beam 100b may be emitted from thetarget layer 230, and the chargedparticle beam 100b may be emitted through themembrane region 210 of thesupport 200.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광원 세기 증강 장치는, 종양 치료용 의료 기구에 이용될 수 있다. 즉, 광원 세기 증강 장치에서 출력되는 하전입자빔은 인체에 조사될 수 있다.As such, the light source intensity enhancing apparatus according to the embodiment of the present invention may be used in a medical device for treating tumors. That is, the charged particle beam output from the light source intensity enhancing apparatus may be irradiated to the human body.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.

Claims (15)

Translated fromKorean

극초단 펄스 폭을 갖는 광을 출력하는 광원;
유전체 기판; 및
상기 유전체 기판 상에 형성된 금속 나노 구조체들을 포함하되,
상기 금속 나노 구조체들은 상기 유전체 기판 표면에서 상기 극초단 펄스 폭을 갖는 광과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명을 일으키는 광원 세기 증강 장치.A light source for outputting light having an extremely short pulse width;
Dielectric substrates; And
Including metal nanostructures formed on the dielectric substrate,
And the metal nanostructures combine with light having the ultra short pulse width at the surface of the dielectric substrate to generate surface plasmon polariton resonance.제 1 항에 있어서,
상기 광원은 펄스형 레이저이고, 상기 펄스형 레이저는 5fs 내지 50fs의 펄스 폭을 갖는 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source is a pulsed laser, the pulsed laser light source intensity enhancing apparatus having a pulse width of 5fs to 50fs.제 1 항에 있어서,
상기 광원은 Ti-sapphire 레이저인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source is a Ti-sapphire laser light source intensity enhancing apparatus.제 1 항에 있어서,
상기 광원은 다색광원(polychromatic light source) 또는 단색광원(monochromatic light source)인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source may be a polychromatic light source or a monochromatic light source.제 1 항에 있어서,
상기 광원은 기체 레이저 또는 고체 레이저 다이오드(LD, laser diode)인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source may be a gas laser or a solid state laser diode (LD).제 1 항에 있어서,
상기 광원은 300nm~3000nm의 자외선, 가시광선(visible ray), 근적외선(near infra-red) 파장을 갖는 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source has a UV light intensity of 300nm ~ 3000nm, visible light (visible ray), a near infrared ray (near infra-red) wavelength light source intensity enhancement device.제 1 항에 있어서,
상기 광원은 단색 광원이고, 상기 단색 광원은 연속 발진형(CW, continuous wave) 레이저 또는 펄스형(pulse wave) 레이저인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The light source is a monochromatic light source, the monochromatic light source is a continuous wave (CW, continuous wave) laser or pulse wave (pulse wave) laser.제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 구조체는 보우 타이 형태이거나 막대형 쌍극자 형태인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The metal nanostructures have a bow tie type or a rod-type dipole type.제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 구조체는 미러 대칭된 금속쌍이고, 상기 금속쌍은 장축의 길이와 단축의 길이가 다른 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The metal nanostructure is a mirror-symmetrical metal pair, and the metal pair has a length of long axis and a length of short axis of light source intensity enhancing apparatus.제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 구조체는 Au, Al, Ag 또는 Cu 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
The metal nanostructure is a light source intensity enhancement device made of any one selected from Au, Al, Ag or Cu.제 1 항에 있어서,
상기 광원 세기 증강 장치는 전자 빔, 양성자 빔 또는 탄소 이온 빔을 발생시키는 것인 광원 세기 증강 장치.The method of claim 1,
And the light source intensity enhancing apparatus generates an electron beam, a proton beam, or a carbon ion beam.극초단 펄스 레이저 빔을 조사하는 광원; 및
상기 극초단 펄스 레이저 빔의 세기를 증강시켜 양성자 빔을 출력하는 타겟 구조체를 포함하되,
상기 타겟 구조체는,
상기 극초단 펄스 레이저 빔이 조사되는 제 1 면, 및 상기 양성자 빔이 방출되는 제 2 면을 갖는 타겟층;
상기 극초단 펄스 레이저 빔 또는 상기 양성자 빔의 진행 경로로 사용되는 멤브레인 영역을 갖는 지지체; 및
상기 타겟층의 제 1 면에 형성되며, 상기 극초단 펄스 레이저 빔과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 공명을 일으키는 금속 나노 구조체들을 포함하는 광원 세기 증강 장치.A light source for irradiating an ultra-short pulsed laser beam; And
It includes a target structure for outputting a proton beam by increasing the intensity of the ultra-short pulsed laser beam,
The target structure,
A target layer having a first surface to which the ultra-short pulsed laser beam is irradiated and a second surface to which the proton beam is emitted;
A support having a membrane region used as a propagation path of the ultra-short pulsed laser beam or the proton beam; And
And a metal nanostructure formed on the first surface of the target layer and coupled to the ultra-short pulsed laser beam to generate surface plasmon polariton resonance.제 12 항에 있어서,
상기 지지체는 실리콘, 사파이어, 다이아몬드, 석영, 유리, 세라믹 물질들 또는 금속 물질들 중의 적어도 하나를 포함하는 광원 세기 증강 장치.13. The method of claim 12,
And the support comprises at least one of silicon, sapphire, diamond, quartz, glass, ceramic materials or metal materials.제 12 항에 있어서,
상기 멤브레인 영역의 폭은 상기 타겟층으로부터 멀어질수록 증가하는 광원 세기 증강 장치.13. The method of claim 12,
Width of the membrane region increases as the distance from the target layer increases.제 12 항에 있어서,
상기 극초단 펄스 레이저 빔은 5fs 내지 50fs의 펄스 폭을 갖는 광원 세기 증강 장치.13. The method of claim 12,
The ultrashort pulsed laser beam has a pulse width of 5fs to 50fs.

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