• 한국통신학회논문지
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• 제28권7A호
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• pp.433-439
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• 2003

본 논문에서는 광섬유 브래그 격자와 Cr/Au 박막이 단면에 증착된 광섬유를 이용하여 위상 배열 안테나를 광학적으로 구동할 수 있는 새로운 구조의 광 실시간 지연 선로를 제안하였다. 이 구조는 각 안테나 소자에 연결된 광 지연선로에서 금속 박막이 광섬유 브래그 격자 한 개를 대체하기 때문에 광섬유 브래그 격자들로만 구성된 종래의 실시간 지연선로 구조들에 비해 적은 수의 광섬유 브래그 격자를 사용하며, 금속 박막의 반사율이 광범위한 파장대역에서 일정하므로 금속 박막으로부터 반사되는 파장을 선택하기 용이한 장점을 갖고 있다. 0$^{\circ}$와 $\pm$30$^{\circ}$로 빔 주사가 가능한 10 GHz 선형 위상 배열 안테나를 위한 실시간 지연선로를 구현하였으며, 모든 빔 주사각에서 시간 지연 측정 결과는 계산치와 일치하였다. 또한, 제안된 실시간 지연선로로 구동되는 8개의 안테나 소자로 구성된 10 GHz 선형 배열 안테나를 설계하였으며, 이 안테나의 원거리 방사패턴을 시뮬레이션을 통해 구하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.426.2-426.2
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• 2014

Wavefront control은 렌즈, 거울 등을 포함한 많은 광학소자를 대체할 수 있는 기술이며, 이는 광 직접 소자 개발에 매우 유용하다. 기존의 Distributed bragg reflector (DBR) 구조의 경우 lattice mismatch, 낮은 효율, 작은 굴절률 차이의 물질만을 사용해야 하는 문제 등으로 광 직접 소자에의 적용에는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하고, 더 나아가 광학소자 구조 내에서의 빛의 거동을 조절하기 위해서 High-index contrast grating (HCG), 즉, 큰 굴절률 차이가 나는 물질로 이루어진 격자 구조 내의 빛이 가지는 waveguide 특성에 대한 연구가 수행되었다. 굴절률 차이가 큰 물질을 sub-wavelength의 주기적인 혹은 비주기적인 격자 구조로 만듦으로써 투과된 빛의 투과도와 위상 등을 조절할 수 있고 이를 통해 빛의 초점 거리, 휘어짐을 조절 할 수 있다. HCG 구조 내의 빛의 거동을 Rigorous coupled wave analysis (RCWA) 및 Finite element method (FEM) 계산을 이용하여 시뮬레이션 하였다. RCWA 계산을 통해 주기 격자구조의 투과도 및 반사도, 빛의 위상을 계산하여 비주기를 갖는 전체적인 HCG 구조를 결정하였고, FEM 계산을 통하여 그 구조 내에서 빛의 거동을 시뮬레이션 하였다. 1,300 nm 파장의 빛이 광원으로 사용되었고 시뮬레이션을 위해 낮은 굴절률의 물질로 ITO, 높은 굴절률의 물질로는 Si이 사용되었다. $15{\mu}m$ 포커싱, $7.91^{\circ}$의 휘어짐을 시뮬레이션 하였고, 실제 소자 공정을 하여 제작한 후, 광 측정 결과 포커싱은 $15{\mu}m$, 휘어짐은 $4.5{\sim}6.5^{\circ}$를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 HCG구조체를 통하여 빛의 엔지니어링이 가능함을 알 수 있었다. HCG구조체는 빛이 투과하는 광학 소자의 전반에 적용이 가능하며 더 나아가 인위적인 빛의 엔지니어링이 가능함을 시사한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.311-312
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• 2012

본 발표에서는 광학적 분석 시스템에 적용 가능한 발광소자(광원)과 수광소자(광센서)를 집적화시키는 모듈(수 발광 집적모듈) 기술을 제시하고자 한다. 이러한 수-발광 집적모듈은 다양한 응용 분야에 적용 될 수 있다. 예를 들어, 광신호 감지를 위한 광통신용 송-수신 모듈(optical communication), 의료/진단 분야에서 단백질/DNA/박테리아 등의 검출 및 분석에 관한 바이오 센서(bio-sensor), 그리고 대기(가스)/수질 모니터링에 관한 환경센서 등 매우 광범위한 분야에 해당되는 요소 기술이라 할 수 있다. 특히, 이들 분야들 중 바이오 물질을 분석하고 검출하는 광학적 바이오 센서 기술은 높은 경제적 가치와 산업적 성장 잠재력으로 인해 오랫동안 활발한 연구가 진행되어 오고 있다. 이러한 광학적 바이오 센서에서 가장 범용적인 방법 중 하나가 항온-항체 면역반응을 기반으로 하는 형광 검출(fluorescence detection) 기법이다. 이러한 시스템은 전체적으로 광원, 광학계, 그리고 센서로 구성되는데 기존에 일반적으로 사용되고 있는 형광 현미경의 경우는 민감도가 우수하다는 장점은 있으나 상당히 고가이고 부피가 크며 복잡한 광학구성으로 이루어져 있다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 맥락에서 고민감도를 확보하면서 휴대성, 고속처리, 저가 등의 특성을 가진 시스템에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 핵심기술 중의 하나가 수-발광 부분을 집적화 시키는 기술이라 할 수 있다. 본 연구에서는 바이오 센서 기술의 하나로서 형광을 측정하여 혈액내의 진단 지표인자를 검출할 수 있는 휴대용 혈액진단기기에 적용되는 소형 수 발광 집적 모듈을 개발하였다. 혈액내의 검출 성분의 양에 따라 형광의 세기가 변화하게 됨으로써 정량적인 검출이 가능한 원리이다. 모듈의 구조는 크게 광원(발광소자), 광학계, 그리고 광센서(수광소자) 세 영역으로 나누어 진다. 광원은 635 nm 적색 레이저다이오드로서 형광체(Alexa Fluor 647/발광파장: 668 nm)를 여기 시키는 기능을 하며 장착된 볼렌즈 의해 샘플의 형광체 영역으로 집광된다. 광학계는 크게 시준렌즈(collimating lens)와 광학필터로 구성됨으로써 샘플로부터 발생되는 광을 적절하게 수광소자로 전달하는 기능을 하게 된다. 여기서 광학필터의 경우는 기본적으로 Distributed Bragg's Reflector(DBR) 구조로써 실리콘(Si) 포토다이오드 상부에 모노리식(monolithic)하게 형성되며 검출 샘플로부터 진행되는 레이저 광(잡음의 주원인)은 차단하고 형광(광신호)만 통과 시키는 기능을 하게 된다. 따라서 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 향상시키기 위해서는 정밀한 광 필터링 기능이 요구됨으로써 박막의 세밀한 공정 조건과 구조적-광학적 특성 분석이 수행되었다. 마지막으로 포토다이오드 소자는 일반적인 구조 이외에 중앙에 원형 구멍이 형성된 특별한 구조가 적용된다. 이것은 포토다이오드 구조에 변화를 줌으로써 모듈 구조를 효율적으로 응용할 수 있다는 의미를 갖는다. 또한 포토다이오드의 전기적-광학적 측정 분석을 통해 잡음 및 감도 특성이 세부적으로 조사되며 형광신호를 효과적으로 측정할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로 제작된 모듈은 약 $1{\times}1{\times}1cm^3$ 내외 정도의 크기를 갖는다. 요약하자면 본 발표에서는 광학적 바이오센서에 적용할 수 있는 소형 수-발광 소자 집적모듈을 소개한다. 전체 모듈 설계는 최소한의 부피를 가짐과 동시에 측정의 정밀성을 향상시키는데 초점을 맞추어 진행하였다. 세부요소인 광학필터와 포트다이오드의 경우 잡음 및 민감도에 미치는 중요성 때문에 세밀한 공정 및 특성분석이 수행되었다. 결론적으로 독자적인 설계 및 공정을 통해 휴대성 및 정밀성 등의 목적에 부합한 경쟁력 있는 수-발광 소자 집적모듈 제작 기술을 확보하였다.