In Chapter 2, I present a simple and effective fabrication approach for the novel gold nanohole arrays that can be tuned over wide spectral range from visible to near-infrared by simply varying the geometric parameters. The strong plasmon resonance causing from plasmon coupling between the brims of the nanoholes in the top gold films and the bottom gold disks were thoroughly investigated by 3D computation analysis (FDTD). Comparison of the maesured reflectance spectrum with that calculated by FDTD method showed a very good consistency. In addition, we demonstrate a novel optofluidic platform which has built-in subwavelength nanohole arrays exhibiting the strong plasmon resonances within microfluidic chips. The modulation of plasmon resonances for various liquid flows was confirmed by changes of the dip position of the reflectance spectra from visible to near-infrared range. Therefore, the subwavelength gold nanohole arrays integrated within microfluidic chip are highly fascinating for application where strong plasmon enhancement is needed and have potential for optofluidic label-free chemical and biomolecular sensors.
In Chapter 3, I have demonstrated that composite and porous microparticles with photonic bandgaps can be fabricated via a simple and controllable method by combining self-assembly of colloidal particles and photolithography techniques. Periodic nanostructures formed by the colloidal crystals gave rise to a photonic bandgap in the photoresist film, and photolithography enabled creation of tailored microparticles. For this, the deposition and embedding of the colloidal crystals into SU-8 photoresist film was performed by dip coating method and capillary wetting of polymeric film on the particle surface, respectively. Subsequent photolithography and dissolution of the sacrificial layer produced 2D microparticles with the desired shape. These particles contained a periodic nanostructure at the scale of half wavelength of interacting light. It should be noted that bilayered photonic microparticles with two distinct peaks in the reflectance spectrum were generated using these methods. A combination of two or more peaks enables to make codes with almost square or higher power of the number of codes which can be produced by single peak. Therefore, our photonic microparticles are suitable for use as spectrally-encoded microcarriers for the multiplexed label-free detection of biomolecules.
In Chapter 4, I have demonstrated a simple and novel strategy based on conventional photolithography for patterning inverse opaline photonic crystals, which is essential for practical applications. For this, the polymeric inverse opal films were prepared by using combination of self-assembly of colloidal particles and photolithography. I also developed a method for multicolor patterning by using one mask with the square arrays of 50 ㎛ transparent square. After fabrication of square patterns by previous one pattering, the spin-coating of SU-8, different sized silica particles deposition, and embedding of silica spheres were successively performed. By triple repeated patterning method using silica particles of three different sizes, I could create the pixellated photonic crystals with multicolor patterns. Red (R), green (G), and blue (B) square patterns were precisely arranged in regular patterned pixels without the overlapping of neighboring squares. The normal incidence superimposed reflectance spectrum of the pixellated multicolor inverse opal patterns showed three distinct peaks, which originated from the photonic bandgaps. In addition, the preparation of photonic glasses which were solid random distributions of monodisperse spheres has been demonstrated for white pixel. The novel material is a self-assembled designed disordered material where the building blocks are identical dielectric spheres. By manipulating the colloidal suspensions, we could control the ordering process, giving rise to a self-assembly process that provides very thick and completely random solid samples. Consequently, we could successfully create the multicolor patterns with four colors by four repeated patterning method.
본 논문에서는 콜로이드 자기조립 현상과 식각공정을 융합하여 플라즈몬 센서를 금속 구형 공극 구조, 다양한 형태와 색깔을 가지는 마이크로 크기의 광결정 입자, 그리고 광결정에 기반을 둔 마이크로 디스플레이를 위한 픽셀화된 광결정 패턴을 제조하였다. 첫 번째로 콜로이드 입자를 고분자 층에 함침시켜 새로운 금속 구형 공극 구조를 제조하는 방법을 제시하였다. 제조된 2차원 금속 구형 공극 구조의 광학 특성을 가시광선에서 근적외선 영역까지 금속 구조의 구조적인 변수를 조절함으로써 쉽게 제어할 수 있었다. 또한, 제조된 금속 구조에서 금 박막의 구멍과 바닥면에 형성된 금속 박막의 강한 광결합(optical coupling) 때문에 강한 플라즈몬이 일어난다는 것을 이론적인 방법인 유한요소 시간영역법(FDTD)을 이용하여 규명하였다. 한편, 플라즈몬이 형성되는 2차원 금속 구형 공극 구조를 미세유체소자에 집적시킴으로써 새로운 광자유체집적소자를 제안하였다. 실제로 제안된 광자유체집적소자에서 플라즈몬 광결합 때문에 형성되는 강한 플라즈몬에 의해 외부의 물질에 따라 매우 높은 민감도를 나타내었다. 광자유체집적소자에 집적된 금속 구형 공극 구조의 플라즈몬은 다양한 굴절률을 가지는 유체를 소자에 도입함으로써 정밀하게 조절할 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 미세유체소자 내에 2차원 금속 공극 구조를 집적시킴으로써 화학 및 생물 분자 감지를 위한 센서 기능을 갖춘 광자유체집적소자를 제조한 것이다.
그리고 콜로이드의 자기조립과 광식각공정을 이용하여 suspension array를 위한 복합 광결정 입자와 다공성 광결정 입자를 제조하였다. 콜로이드의 자기조립을 이용하는 bottom-up 접근 방법은 광밴드갭의 특성을 결정하고 top-down 접근방법은 마이크로 입자의 전체적인 모양을 결정한다. 그러므로 사용하는 실리카 입자의 크기에 따라 광밴드갭의 위치를 조절, 즉 입자의 색깔을 조절할 수 있다. 광식각공정에서 사용하는 포토마스크는 마이크로 입자의 모양을 결정하므로 쉽게 다양한 형태를 제조할 수 있다. 이를 위해서는 콜로이드 자기조립을 이용하여 3차원 광결정의 형성하고 고분자의 모세관 젖음현상을 이용하여 광결정을 고분자 층에 삽입시킨다. 그 후에 광식각공정을 통해 광결정 패턴을 제조하고 기판으로부터 패턴을 떼어내면 광결정을 입자를 제조할 수 있다. 또한 두 가지 크기의 실리카 입자를 이용하여 반사 스펙트럼에서 두 개의 뚜렷한 광밴드갭을 가지는 두 층의 광결정 입자를 제조하였다. 그러므로 bottom-up 접근 방법과 top-down 접근방법의 조합으로 제조한 suspension array의 형태와 코드 개수는 다양성이 높아 다수의 생체 분자들을 분석을 위해 응용될 것이다.
한편 콜로이드의 자기조립과 광식각공정을 이용하여 광결정에 기반을 둔 마이크로 디스플레이를 위한 여러 가지 색깔의 픽셀화된 광결정 패턴을 제조하였다. 콜로이드의 자기조립으로 형성된 콜로이드 광결정은 패턴의 색깔을 나타내고 광식각공정은 마이크론 크기의 픽셀화된 패턴을 형성한다. 이를 위해서는 광결정의 형성과 포토레지스 층으로 광결정의 삽입이 이용되며 광식각공정을 할 때 포토마스크의 정교한 위치 조절이 요구된다. 포토마스크의 정교한 위치 조절을 마스크 aligner와 align mark가 필요하며 UV를 조사할 때 이것을 이용하면 이웃한 패턴이 중첩되는 현상을 막을 수 있다. 또한 균일한 크기의 실리카 입자가 불규칙적으로 형성된 photonic glass의 제조는 하얀색 픽셀을 위해 이용되었다. 균일한 크기의 실리카 입자로 구성된 안정한 콜로이드 분산액에 염을 첨가하여 분산액의 포텐셜 장벽을 낮출 수 있고 콜로이드 자기조립 시 불규칙적인 결정성을 형성시킬 수 있다. 그러므로 3가지 크기가 다른 안정한 실리카 분산액과 염이 섞인 불안정한 실리카 분산액을 이용하여 4가지 다른 색깔을 반사하는 픽셀화된 패턴을 제조할 수 있었다.
