Ultrasonography is a noninvasive real time in vivo medical imaging method. Conventional ultraso-nography employs piezoelectric material (PZT) for ultrasound generation of 10 - 20 MHz in frequency. However, operating frequency over 50MHz is required to obtain few micron resolution in medical imaging. Photoacoustic effect is a local thermal expansion process due to optical absorption resulting a pressure wave. Photoacoustic effect can generate high frequency pressure wave in the order of tens of MHz by using the short optical pulse illumination. There has been some report that generates tens of MHz of ultrasound using photoacoustic effect in highly absorptive thin materials, such as a black PDMS, photonic crystal and plas-monic absorber. Plasmonic structure can absorb the optical energy in the specific wavelength at nanoscale. However, in plasmonic structure, not only the plasmonic structure itself can absorb the optical energy but also can enhance the optical energy nearby plasmonic structure due to local field enhancement between the nano-gaps produced by plasmonic structure. Therefore, plasmonic structure can work as photoacoustic gen-eration enhancement factor as well as absorber. Previous research on photoacoustic generation using plas-monic absorber has not taken full benefit of plasmon effect. Thereby, this work presents the localized surface plasmon effect as the enhancement factor for photoacoustic generation in polymeric absorber with full bene-fit of plasmon effect. The plasmon enhancement in 2D Ag nanoislands arrays is studied to verify the plas-mon enhancement in photoacoustic generation with high frequency. The results show that photoacoustic generation enhanced more than 2times through 420 nm to 680 nm in wavelength and especially 19 times at 680nm in excitation wavelength compare to the normal absorber without plasmonic structure. The substrate with 3D Ag nanoislands arrays is fabricated and measured to study the effect of local field enhancement effect between the nano-gaps. The 3D plasmonic structure is optimized in nanogap size by changing the dep-osition thickness. The results show that photoacoustic generation is enhanced in 3D plasmonic nanostructure. It increased 50 % compare to 2D plasmonic nanostructure with pulse duration of 12 ns which can give under 20 um resolution in ultrasonography. In conclusion, plasmonic enhanced photoacoustic generation is verified and optimized with 2D and 3D plasmonic structure. This concept of plasmon enhanced photoacoustic gener-ation can be used in fabrication of high resolution ultrasound source in ultrasonography. Furthermore, capa-bility of miniaturized fabrication of the substrate will bring the possibility to fabricate ultrasound source for miniaturized imaging system such as endoscopy.
초음파 이미징은 비침습적이며 실시간 이미징이 가능한 기법으로 의료 이미징 기법에 있어 각광받는 기술이다. 일반적인 초음파 이미징에 사용되는 초음파의 경우, 외부 전기자극에 따라 반응하는 압전소자를 이용하여 10 - 20 MHz의 초음파를 발생시켜 이미징에 이용한다. 하지만 고분해능의 이미징을 위해서는 50 MH 이상에 달하는 초음파가 필요하다. 광음향 효과는 국소적인 광 흡수에 의한 열팽창으로 인해 초음파와 같은 압력의 형태의 신호가 생성되는 것을 말한다. 광음향 효과의 경우, 발생시키는 빛의 펄스가 짧을수록 생성되는 초음파의 펄스도 짧아져 나노 펄스를 이용하면 수십 MHz에 달하는 초음파를 형성시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이전 연구 결과들을 살펴보면, 광음향 효과를 최대화 할 수 있는 물질적인 특성을 가진 금속 혹은 폴리머 재질의 흡수층을 사용하여 초음파를 발생시킨 연구와 포토닉크리스탈을 이용하여 광흡수를 최대화한 연구들이 존재한다. 그러나 이러한 연구의 경우 재질 혹은 구조적 특성상 제작 크기에 있어 제약을 받기 때문에 초음파 발생에 있어 고주파수 발생의 한계가 존재하게 된다. 또 다른 연구 방향 중 하나인 플라즈모닉 효과를 이용한 장치의 경우, 공정시 자유도가 높고 높은 흡수율을 보장 받을 수 있기 때문에 새로운 해결하는 방안으로 떠오르고 있다. 그러나 과거 연구의 경우 플라즈모닉 구조를 흡수층으로만 이용하여 플라즈모닉 구조 근처에서 에너지를 높일 수 있는 플라즈모닉 구조의 고유 효과를 완전히 이용하지 않고 있다. 이 연구에서는 플라즈모닉 구조에 의해 생겨나는 국소적인 전자기장 강화 효과를 이용하여 광음향 발생을 증강 시키고 그 효과를 연구하고자 한다. 플라즈모닉 구조의 광음향 발생 증강을 확인하기 위하여 폴리머 흡수층, 폴리머 흡수층과 금속 박막, 폴리머 흡수 층과 2차원 플라즈모닉 구조에서 발생하는 광음향 효과를 측정하였으며, 플라즈몬 증강 효과를 극대화 하는 방안으로 3차원의 플라즈모닉 구조를 제작하고 측정하였다. 개발된 2차원 플라즈모닉 구조에서는 680 nm 에서 최대 19배의 증가된 초음파 강도를 보였으며 3 차원의 경우 이보다 50 % 증가된 초음파 강도를 보였다. 개발된 3차원 플라즈모닉 구조는 펄스폭이 약 12 ns 로 초음파 이미징에 있어 초음파원으로 이용한다면, 20 um 이하의 분해능을 갖을 수 있을 것으로 추후에 고주파수 초음파 이미징 시스템에 이용할 수 있으며, 그 제작 특성상 소형화가 가능하여 초음파 내시경과 같은 소형화 된 시스템에서도 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
