표면 플라즈몬 공명 현상에 대한 고찰

 이번에는 내가 과거에 공부했던 내용에 대해서, 취미 삼아, 그리고 추억 삼아서 복기해본 후, 포스팅해 보고자 한다. 그중 하나가 표면 플라스몬 공명 현상에 대한 내용이다. 표면 플라스몬 공명은 유전 상수가 서로 다른 두 매질 사이 경계면에서의 전하 밀도의 진동에 근거한다. 이 전하 밀도 웨이브는 특정 주파수에서 입사하는 광자의 파동 벡터가 표면 플라스몬의 파동 벡터와 일치할 때 유도된다. 표면 플라스몬을 들뜨게 하는 입사광은 TM-편광이고, 파동 벡터가 일치하는 것은 경계면으로부터 반사되는 광자 플러스가 입사광에 비해 급락하는 것으로 규명된다. 표면 플라스몬과 연관되는 field는 경계면 주위의 매질에까지 확장되어 지수함수적으로 감소하고, 경계면을 이루는 매질에 따라 매우 달라진다. 광원으로부터 조사되는 광이 시스템에 대해 일정한 각도로 프리즘을 통해 입 사하면 금속 박막의 경계면에서 전반사되어 수관부로 입사되고, 소신파(evanescent wave)는 경계면에서 양쪽으로 지수함수적으로 감소하지만, 특정한 제어 조건에서는 경계면과 평행한 방향의 파동벡터 성분이 금속 박막과 유전 물질이 이루는 경계면을 따라 진행하는 표면 플라스몬의 파동 벡터와 일치할 경우, 금속 박막과 유전물질의 경계면을 따라 진동하는 집단 전자 밀도 즉, 표면 플 라즈몬 현상이 발생하여 입사광의 에너지는 대부분 흡수되고, 금속 박막의 경계면에서 반사되어 수관부로 입사하는 광의 세기는 현저하게 감소한다. 이때, 입사광의 파장과 프리즘, 금속박막, 공기, 대상물질의 유전율과 금속 박막과 공기층의 두께에 따라 표면 플라스몬 공명 현상이 예민하게 반응하는데, 이를 통해 수관부에서 검출한 반사광의 세기를 이용해서 반사율을 측정하고, 입사각과 반사각을 비교하여 금속 박막과 대상 물질 사이의 미소 간극을 측정할 수 있다.

 대상 샘플과 시스템 사이의 미소 간극을 분석하는 방법 중 sensitivity가 뛰어난 표면 분석법들은 얇은 유기 박막 필름의 특성을 조사하거나, 샘플 경계면을 이루는 박막의 전기, 화학적인 특성을 조사하는 데에 이용되어 왔다. 이들은 경계 영역에서 생기는 표면의 광학적인 현상을 더 높은 sensitivity를 가지며 선택적으로 측정하기 위한 방법들이다. 이중, 가장 대중적으로 이용되던 형광을 이용하는 방법은 형광 물질과 결합해야 하는 불편한 작업이 요구되며 많은 시간과 경비가 소요하게 되고, 측정 결과의 신뢰성에 한계를 드러내었다. 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 방법은 금속과 유전체가 이루는 경계면에서 표면 플라스몬 현상이 발생할 때, 얇은 금속 박막(Au, Ag, Cu, Al) 표면에서 발생하는 광학적인 현상을 개선하여 높은 selectivity를 가질 수 있는 미소 간극 측정법이다. 이 표면 플라스몬 공명 방법은 초기에 여러 표면 분광법 들의 표면 감도 및 분해능을 개선하기 위해 개발되었다. SPR을 여기 시키기 위해서 일반적으로 Otto 또는 Kretschmann configuration이 사용된다. 이 configuration은 감쇄 전반사 (Attenuation total reflection, ATR)) 현상을 이용하고 있으며 표면 플 라즈몬 파동(SPW)으로 알려진 charge density oscillation은 두 매질 사이의 경계면에서 일어나고, 보다 좋은 분해능을 가진다. 표면 플라스몬은 입사파의 p-polarized light wave의 파동 벡터가 금속과 유전체 표면에서 전달되는 SPW의 파동 벡터와 일치할 때 발생하고, 이때 입사하는 광은 표면 플라스몬 파로 전환된다. 필자가 연구할 당시, 금속 필름의 재질을 금과 은으로 실험하였다. 은 필름은 금 필름보다 더 좁은 선폭의 SPR curve 특성을 확인할 수 있지만, 반면에 화학적으로 금보다 다소 불안정한 특성을 가진다. 그러므로 실험 결과의 sensitivity와 responsibility를 고려하여, 얇은 금 박막을 기본 금속으로 정하고, 은 박막을 다층 금속 박막의 소재로 선정하였다. 즉, 금 박막의 안정성과 은 박막의 높은 sensitivity를 적용하여 보다 높은 분해능을 가지는 SPR 측정 시스템을 개발하기 위해 두 금속을 적용한다.

 일반적으로 측정 신호 즉, 입사광 및 반사광의 intensity를 측정하여 금속 박막과 대상 샘플이 만드는 미소 간극에 따라 반사되어 나오는 빛의 intensity가 최소가 되는 각도, 표면 플라스몬 공명 각이 결정된다. 이 SPR 측정 시스템은 매질이 얇은 금 속 박막과 대상 샘플의 유전상수 변화에 매우 민감하다. 이러한 SPR 센서는 다른 센서들에 비해 적은 부품이 필요하기 때문에 직접 제작이고 대상 물질과 측정 시스템 사이의 미소 거리를 실시간으로(real time) 포식자 없이(non-labeling) 측정할 수 있으며, 표면 플라스몬 공명 조건을 제어함으로써 측정 감도를 더욱 개선하고, 수 nm 단위의 갭의 너비를 측정할 수 있다. 또한, 근 접장 광디스크에 대한 pick up head의 제어 시스템에 적용될 수 있고, 근 접장 영역에서 pick up head와 광디스크 사이의 거리를 감지하거나 제어할 수 있으므로, 이에 따라 reading 과 writing의 정밀도와 신뢰도를 보증할 수 있다. 그리고, 본 연구를 nm 이하의 광 석판인쇄 시스템에서 마스크와 실리콘 웨이퍼 사이의 접근 거리를 식별하는데 적용하여, 시스템의 신뢰도를 개선할 수 있다. 또한, 차세대 LCD 공정에서 액정 층의 갭을 감지하고 제어하는데 사용될 수 있으므로 미소 간극의 크기와 변위 이동을 감지하는 측정 장비나 정밀한 거리 제어에 적용이 가능하고, 이에 따라 더욱 폭넓은 활용 방안이 개발될 것이다.