분자를 감지할 수 있는 레이저 기반 소형센서

ppm 정밀도를 달성하는 매우 작고 비용 효율적인 장치

적외선 레이저 빔은 각각 분자들에 의해 다르게 흡수되므로 액체 및 가스를 분석하기에 적합하다. 이런 효과는 혈액에서 산소 농도를 측정하는데 이용될 수 있다. 오스트리아 비엔나 기술대학의 연구진은 이 기술을 차용해 새로운 소형 시제품 센서를 개발했다. 이들이 개발한 양자 폭포 레이저 및 광 검출기는 레이저와 검출기 간격이 50마이크로미터로 금과 실리콘 질화물로 만들어진 플라즈몬 웨이브가이드에 의해 연결된다. 새롭게 개발된 방법은 미세한 센서의 생산 공정과 비용을 모두 줄여줄 수 있을 것으로 보인다.

양자 폭포 레이저는 다른 물질들이 최적화된 층 구조로 이뤄졌으며 파장 같은 특성을 조율할 수 있다. 그러나 구조는 가역적으로 작동할 수도 있기 때문에 비엔나 기술대학의 TUV(Technische Universitat Wien) 과학자들은 단일 칩 상에 검출기와 레이저를 동시에 결합할 수 있는 방법을 개발했다. 이 기술은 레이저 파장이 검출기가 민감한 파장에 일치할 수 있도록 만들 수 있다. 양기능 물질은 TUV의 마이크로 및 나노 구조센터에서 원자 층으로 만들어 생산되는 것이다.

새로운 레이저 시스템의 양자 폭포 레이저와 검출기 사이의 광학적 연결은 이와는 완전히 다른 방식으로 작동한다. 이 방법이 바로 금과 실리콘 질화물로 이뤄진 플라즈몬 웨이브가이드다.
다양한 분자에 적용 가능
빛은 금표면 밖에서 유도되므로 레이저와 검출기 사이의 분자에 의해서 흡수될 수 있다. 또한 센서 칩은 액체 안에 담가질 수 있다. 분자를 흡수하는 빛의 존재 때문에 검출된 빛 세기의 감소를 측정할 수 있고 액체 혼합이 결정된다.
센서는 물과 알코올의 혼합으로 테스트될 수 있고 물 농도는 0.06%의 정밀도로 측정될 수 있다. 층 구조의 디자인을 변경함으로써 파장은 영향을 받을 수 있기 때문에 이 센서 개념은 다양한 분자에 적용될 수 있는 것이다.

웨이브가이드에 직접적 결합, SPP 전파 길이 10배 증가 가능
이 모노리식 장치는 레이저, 표면 플라즈몬 플라리톤 웨이브가이드 뿐만 아니라 단일 칩 상에 통합된 검출기로 사용될 수도 있다. 레이저 및 검출기를 위해 양기능 QCLD가 사용된다. 이런 활성화된 영역은 인가된 바이어스에 따라 레이저 또는 검출기로 도입되는 것이다. 레이저 빛은 SPP 웨이브가이드를 통해 결합돼 검출기에 상호작용하는 영역으로 작동한다.

SPP의 누수 특성 때문에 96%의 모드는 화학물질과 상호작용한다. 웨이브가이드는 패턴화되지 않은 금표면의 상단에 얇은 절연체 줄무늬로 제작된다. 따라서 두 가지 중요한 문제를 해결할 수 있다. 첫째는 약하게 제한된 중 적외선 SPP가 압착돼 강하게 결합된 SPP의 전파를 가능하게 만들고 주름진 웨이브가이드에 직접적으로 결합하는 것이다. 두 번째는 웨이브가이드의 금속 가장자리를 제거함으로써 좁은 SPP 웨이브가이드의 전파 길이를 10배 증가시킬 수 있는 것이다.

동역학적 범위를 감지할 수 있는 효율적 장치
온 칩 센서의 기능을 시현하기 위해 장치 안에 물과 에탄올 용액을 넣었다. 이 장치는 50마이크로미터의 파장 길이로 높은 농도의 동역학적 범위를 제어한다. 펄스-펄스 세기 요동에 대한 어떤 보상도 없이 연구진은 0.06%의 센싱 분해능을 얻었다.
이는 모노리식 통합이 성능적인 한계에 영향을 받을 필요가 없다는 것을 의미한다. 더구나 이 방법은 직접적이고 비용이 절감되는 방법이다. 현재 장치는 ppm 정밀도를 달성할 수 있는 능력을 가진 높은 동역학적 범위를 감지할 수 있는 극도로 작고 비용 효율적인 장치로서 사용될 수 있다.

출처 | OPTICS.ORG(optics.org)