Perception of color in the imaging system totally relies on the color filter integrated on photodetectors. Monochromatic color filters have been exploited for multispectral imaging systems. Recently, plasmonic nanostructures offer high feasibility as a color filter based on extraordinary transmission phenomenon. This extraordinary light transmission can provide high tunability and wide tuning range in ultrathin scale.
Diverse plasmonic filters based on geometric or material variation have been reported from 2000s. However, these filters are passive types, and thus have several limits such as multiple fabrication, unneces-sary spatial allocation for each spectrum filters, and lack of variety in colors. On the other hands, nanohole structures have noticeable characteristic which can be applied for actively tunable filters. Surface plasmon resonance (SPR) of nanoholes is gradually red-shifted as the incident angle increases, and thus several band-pass spectra within wide tuning range can be acquired by actively controllable angle of incidence. However high order resonances of nanoholes emerge with increasing incident angle and these are also red-shifted, which can cause spectral ambiguity between first order resonance (i.e. targeted pass band) and high order resonances.
This work reports complementary plasmonic nanostructure which has actively tunable SPR by vary-ing incident angle. The complementary plasmonic structure (CPS) consists of glass nanopillar arrays (GNA), nanodisk arrays (NDA), and nanohole arrays (NHA). NDA are complementarily located above the nanohole arrays with same diameter of holes and disks. The CPS facilitate angular sensitivity of NHA by introducing extinction resonance of NDA. The extinction resonance is coupled to high order SPRs and thus, attenuates redundant resonances except for first order SPR of NHA. The attenuation was simulated using finite differ-ence time domain (FDTD) methods, and found to occur in well-controlled structure dimensions. The dimen-sion of CPS is determined by period of arrays, diameter of holes, thickness of metal and height of GNA. Di-ameter and thickness was used to tune the extinction spectra of NDA in order to maximize attenuation rate. Period and height determined the properties of first order SPR such as peak position, angular sensitivity, and bandwidth. Angular sensitivity of NHA maintains even after the NDA is combined and affects NHA spec-trum. The CPS improves the applicability for tunable filters by facilitating angular sensitivity and attenuating redundant resonances.
최근, 근적외선 영역에서의 다중스펙트럼 바이오 이미징이 갖는 의학적 의미가 더해지고 있는 가운데, 이미징에 사용되는 가변필터의 중요성도 함께 대두되고 있다. 기존의 가변필터로서 프리즘이나 회절격자와 같은 분광기 원리를 이용한 필터, 여러 가지 색깔의 필터를 부착한 휠, 액정가변필터 등이 존재하는데, 이 같은 필터들은 소형화에 있어서 한계점을 지니고 있다. 필터의 소형화는 곧 이미징 디바이스의 소형화에 직결되며 최근 이미징 디바이스 시장에서 각광받고 있는, 구글 글라스, 초소형 분광기 등에 사용할 수 있는 초소형 이미징 디바이스 제작에 중요한 열쇠가 되고 있다. 따라서 초소형화가 가능한 가변필터의 제작에 대한 중요성 및 요구는 날이 갈수록 더해지고 있다고 할 수 있다.
한편 플라즈모닉 현상을 이용한 플라즈모닉 구조에 대한 연구는 그 다양성 및 광학 특성에 대하여 1990년대 이래 꾸준히 보고되고 있는데, 플라즈모닉 구조의 가장 큰 장점은 단연, 초소형의 크기라고 할 수 있다. 따라서 플라즈모닉 구조를 이용한 근적외선 영역의 다중스펙트럼 바이오이미징용 가변필터의 제작은 첫 번째로 디바이스의 소형화에 있어서 중요한 의미를 지니고 있다 할 수 있다.
기존의 플라즈모닉 구조는 초소형이라는 점 이외에도, 구조 자체의 치수 변화, 외부 환경의 변화 등에 굉장히 민감하게 반응한다는 특징이 있다. 이는 곧 플라즈모닉 구조 자체가 가지는 투과 스펙트럼을 여러 가지 변수들에 의해 민감하게 조율할 수 있다는 의미로 해석할 수 있어, 색 필터로서 플라즈모닉 구조의 이용가능성에 있어서 또 다른 장점으로 꼽을 수 있다. 하지만 기존에 플라즈모닉 구조에 적용한 여러 가지 스펙트럼 조율 방법들은 수동적 방법으로서 다중 스펙트럼 이미징에 적용되는 데에는 분명한 한계가 있다고 할 수 있다. 따라서 여러 가지 플라즈모닉 구조들 중, 나노홀 어레이가 가지는 입사각에 의한 조율성을 이용하여 가변 필터 제작에 관한 연구를 진행하였다.
나노홀 어레이는 입사각에 따라서 투과 스펙트럼의 대역 통과 대역이 장파장으로 변조되며, 이러한 투과 스펙트럼의 특성은 필터의 성능에 직결된다. 하지만 유리 기판 기반의 나노홀 어레이의 투과 스펙트럼은 두 개 이상의 통과 대역을 가지고 있고, 이는 입사각이 증가함에 따라서 그 개수가 더욱 증가하는 특성을 가지고 있다. 이는 나노홀 어레이에서 빛이 투과되는 원리인 표면 플라즈몬 공명이 두 개 이상의 파장 대역에서 발생하기 때문인데, 두 개 이상의 통과 대역은 필터의 성능에 있어서 불필요한 또 다른 대역에서의 성분이 통과됨을 의미하며, 그 대역들이 주파수 도메인 상에서 서로 인접해 있다면 필터의 통과 대역을 규정함에 있어서 모호함을 야기할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 나노홀 어레이가 가지는 높은 차수의 공명 진동 대역을 차단하기 위해, 나노원반 어레이가 가지는 소멸 스펙트럼 특성을 이용하였으며 이를 위하여 준 3차원 플라즈모닉 구조를 제안하였다. 준 3차원 플라즈모닉 구조는 2D나노홀 어레이와 2D나노원반 어레이가 유리 나노기둥을 중심으로 위, 아래로 상보적으로 위치하고 있으며, 각각의 구조에서 원반과 홀의 크기 및 두께를 동일하게 하여, 한 번의 금속 증착으로 구조를 제작할 수 있도록 설계하였다. 제작된 준 3차원 플라즈모닉 구조에서는 나노홀 어레이가 가지고 있던 고 차수의 공명 진동 대역이 상당히 감쇄되었고, 나노홀 어레이의 본래의 특성인 각감응성은 그대로 유지되는 것을 확인하였다. 설계된 구조에 대하여 광학실험으로 측정해 본 결과, 각감응성은 0~30도의 입사각 변화에 대하여 907~ 983 nm의 대역폭 변조를 보였으며, 결과적으로 2.5 nm / deg 의 각감응성을 보였다. 또한 고 차수의 공명 진동 대역의 감쇄는 최대 55%로, 필터의 통과 대역의 모호함을 상당히 줄일 수 있는 것을 확인하였다.
결과적으로 나노홀 어레이의 특성 중 하나인 각감응성을 이용하되, 투과 스펙트럼 상의 모호함을 줄이기 위하여 나노원반 어레이를 결합한 준 3차원 플라즈모닉 구조를 제안하였고, 실험 결과, 각감응성의 유지 및 고차 수 공명 진동 대역을 상당 부분 줄임으로써, 가변 필터로서의 응용가능성을 한 차원 더 증가시켰다. 추후, 이미징 디바이스로 집적하여, 실제 이미지를 파장 별로 획득하는 연구를 계획 중에 있으며, 이는 다중분광이미징 분야에 있어서 값진 연구가 될 것이라 기대한다.
