플라즈모닉 센서 응용을 위한 박막재료의 광학적 특성 연구

Abstract

Ag 박막은 전기적 특성이 우수할 뿐만 아니라 광학적으로도 가시광과 적외선 파장영역에서 가장 높은 반사도를 나타내어 전기/광학적 응용분야에서 매우 중요한 재료로 인식되고 있다. 그러나 Ag 박막은 대기중에 노출시 쉽게 변색되는 등 취약한 열/화학적 안정성과 환경저항성으로 인해 그 사용이 제한되고 있다. 이러한 표면상태의 변화는 광소자 응용시 광학적 열화현상의 주요인이 된다. 본 연구에서는 장시간 대기노출시 발생하는 Ag 박막의 열화현상이 표면 플라즈몬 공진센서의 특성에 미치는 영향과 그 기구를 분석하였다. 이를 위해 Ag 박막을 실리카 유리기판과 프리즘 밑면에 증착한 후 일정한 시간주기로 광 반사도와 표면 플라즈몬 공진곡선을 측정하였다. 또한 이와 연계하여 Ag 박막에 adhesion layer와 overlayer를 적층한 구조도 일정한 주기로 광반사도와 표면 플라즈몬 공진곡선을 측정해보았다. 대기중에 노출된 시간이 경과함에 따라 Ag 박막 표면에서의 광 반사도가 단파장영역에서 뚜렷하게 감소하였고 표면 플라즈몬 공진곡선의 각도와 반가폭 역시 점진적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 이와 달리, 기판표면 입사 조건에서 측정된 Ag 박막의 광반사도에서는 별다른 차이점이 관찰되지 않았는데 이는 열화현상이 대기에 노출된 박막표면에 국한되어 진행됨을 의미한다. Ag 박막 표면의 열화현상은 통상 표면 거칠기의 증가나 대기중 황이나 산소와의 반응에 의한 AgO와 AgS의 얇은 표면층 형성으로 설명된다. 각각의 경우에 대해 모델구조를 가정하고 광학적 전산모사를 통해 광반사도와 표면 플라즈몬 공진곡선에 미치는 영향을 평가하고 원인을 규명하려고 하였다. 관찰된 Ag 박막의 열화현상의 기구를 결정하기 위해 열화된 Ag 박막을 진공상태에서 온도를 변화시켜가며 열처리 한 뒤 반사도를 측정하였다. 측정결과 120℃∼200℃ 근방에서 Ag 박막의 반사도가 회복되어 Ag박막의 열화현상의 주요인은 표면산화임을 결정하였다.; Silver film is an important material in the fileld of electronic and optical devices because it has the highest reflectance in the visible region and lowest resistivity among all metals. but the silver surface when exposed to environmental air degradates, the so-called tarnishing, oxidation. therefore the use is restricted. unfortunately this surface change is main reason of optical degradation, which makes it unsuitable for many applications. In this study we analyzed that affects in quality of the surface plasmon resonance sensor and organization when silver film was exposed to environmental air. for this, silver film was deposited on the quartz glass and prism, the reflectance of wavelength and SPR spectrum were monitored seperately on a monthly basis under exposure to laboratory air. and for investigation of silver surface stability, adhesion layer and overlayer were deposited with silver film base. With increasing exposure to ambient laboratory air, reflectance of short wavelength decreased and angle of SPR curve and FWHM increased gradually. this and differently, reflectance of silver film which measured from substrate was not any difference. therefore degradation of silver film is limited at silver surface. Surface degradation of silver film is explained that formation of silver oxide layer and silver sulfide layer and surface roughness. respectly assumed a modeling structure and estimated the reflectance of wavelength and SPR spectrum effect by computer simulation. To investigate degradation organization of silver film, annealing temperature was changed in vacuum and then reflectance of wavelength was measured. measurement results were shown that recovery of aging silver film at 120℃∼200℃