Opto-electronic sensing platforms development by various nanomaterials and structures control

Abstract

본 학위논문은 다양한 나노재료의 구조제어를 통한 광학적 또는 전기화학적 센싱 플랫폼의 개발과 그 성능 및 특성에 관한 연구결과를 다루고 있다. 센서는 목표물질의 물리적인 양이나 그 변화를 감지하여 신호로 알려주는 소자로서 일상생활을 비롯하여 산업, 환경, 오염지역, 군사목적, 질병진단, 나노 및 바이오 연구 등 광범위한 분야에 필수적인 역할을 담당하고 있다. 날이 갈수록 다양해지고 있는 산업분야와 급속도로 발전하고 세분화되고 있는 연구 및 기술분야에서는 그 목적과 필요에 부합하는 고성능 센서의 개발이 끊임없이 요구되고 있다. 나노기술의 놀라운 발전은 광학 및 전기화학적 센서의 성능을 크게 향상시키는데 기여하고 있으며, 특히 매우 높은 민감도와 정확도 및 분해능을 요구하는 나노재료 연구와 세포 단위 이하의 바이오 연구에 응용가능한 고성능 센서 개발에 가시적인 성과를 보여주고 있다. 본 연구에서는 액정의 자기조립 현상을 이용하여 제작된 마이크로 딤플 어레이를 기반으로 광학적 센싱 플랫폼을 개발하고 형광신호 검출 능력이 향상됨을 확인하였으며, 고급 리소그래피 기술을 이용하여 고분해능의 백금 나노와이어 어레이를 제작하고 높은 민감도의 수소가스 센서를 개발하였다. 마지막으로 이유화 몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2)의 표면개질 여부에 따라 대표적인 휘발성 유기화합물 (volatile organic compounds, VOCs)에 특징적이며 높은 민감도의 센서 반응을 나타냄을 확인함으로써 고성능 가스센서로의 활용 가능성을 확인하였다. 고성능의 광학적 센싱 플랫폼을 개발하기 위해서는 표면 플라즈몬 효과가 널리 사용되고 있다. 표면 플라즈몬 효과는 금속 나노구조체에서 발생하는 특징적인 광학적 현상으로, 금속의 종류 및 구조를 제어함으로써 특정 파장의 전자기파 또는 근접한 필드를 증폭시키는 현상을 일으키고 이를 이용하여 형광 신호 또는 라만 신호를 증폭시켜 감지하는 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 액정의 자기조립 현상을 이용하여 스멕틱 액정 고유의 결함구조 (Toric Focal Conic Domains, TFCDs)를 어레이 형태로 형성시키고 금 박막을 코팅하여 플라즈모닉 센싱 플랫폼으로의 성능을 확인하였다. 스멕틱 액정의 결함구조인 TFCDs는 마이크로 스케일의 딤플 형태를 지니며 기판의 표면 특성과 온도를 제어함으로써 수 분 이내에 수 mm2의 면적에 육각배열의 정렬구조를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 마이크로 딤플 어레이는 고분자 몰딩 방식을 이용하여 쉽고 빠르게 다량의 플랫폼 제작이 가능하며 얇은 금 박막을 코팅하는 간단한 공정을 통해 플라즈모닉 센싱 기판으로의 활용이 가능하다. 특히 딤플 어레이의 특징적인 구조는 바이오센서에서 요구되는 표지물질의 포집과 어레이화에 유효한 활용 가능성을 보이며 표면 플라즈몬의 공명현상을 일으키는데 유리한 형태를 지닌다. 본 연구에서는 제작된 딤플 어레이에서 양자점(QDs)의 형광신호가 증폭됨을 확인하였으며 시뮬레이션을 통해서도 전자기파의 증폭효과를 분석할 수 있었다...