□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 화학과 김민곤 교수팀은 UC 버클리대 루크 리 교수(Luke P. Lee)팀과 함께 업컨버팅 나노입자*의 발광효율을 크게 향상시킬 수 있는 초승달 모양의 나노 안테나 구조체를 개발하였다.

* 업컨버팅 나노입자 : 근적외선을 흡수하고 가시광선을 발광하는 특성을 보이는 나노 입자로 란탄 계열의 이온의 도핑되어 있음. 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용하기 때문에 자가 형광이 발생하지 않아 배경 잡음을 대폭 감소시킬 수 있음.

□  업컨버팅 나노입자는 강한 발광 세기, 우수한 광안정성과 조직 침투성, 생체 적합성 등의 특성이 있어 유기염료나 양자점과 같은 형광체 대체 물질로 주목받고 있으며 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지 등 다양한 연구 분야에서 응용 가능성이 높다.

∘ 그러나 두 개의 광자를 흡수한 에너지가 하나의 큰 광자로 바뀌기 때문에 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 매우 낮다는 문제점을 갖고 있다. 이에 광 결정 구조를 조절하거나 플라즈몬* 나노입자를 이용하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행됐지만, 발광 신호를 공간적으로 제어하는 데 어려움이 있었다.

* 플라즈몬(Plasmon) : 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상을 일컬음.

□  연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노미터(nm=10억분의 1m) 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나 구조체(ANAU)를 개발하는 데 성공했다. ANAU는 투명 고분자가 코팅된 기판 위에 업컨버팅 나노입자를 떨어뜨리고 이 위에 금을 증착하는 방식으로 제작되었다.

∘ 연구팀은 이 나노 안테나 구조체가 빛을 효과적으로 응집하고 특정 방향으로 발광 효율을 제어시킬 수 있다는 것을 확인했다. 실제 연구팀이 안테나 구조체의 팁 영역에 집중된 비대칭성 발광신호를 확인한 결과, 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 초승달 모양의 나노 안테나가 없을 때보다 약 16배 향상되었다.

□  김민곤 교수는 “기하학적으로 조절된 나노 안테나 구조체를 이용하여 발광 효율을 향상시키고, 특정 방향으로 제어된 발광 신호를 생성할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것으로, 앞으로 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지는 물론 암 치료 등 다양한 분야의 응용에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□  이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(집단연구)의 지원으로 수행되었으며, 나노과학분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 8일자에 게재되었다. <끝>

※ 논문 제목 : Asymmetric Nanocrescent Antenna on Upconversion Nanocrystal 교신저자 : 김민곤 교수 (GIST 화학과), 교신저자 : Luke P. Lee 교수 (UC Berkeley) 제1저자 : 방도연 박사 (UC Berkeley), 공동저자 : 조은정 박사과정 (GIST 화학과) 공동저자 : 홍순권 박사 (UC Berkeley), 공동저자: 변주영 박사 (GIST 화학과) 공동저자 : 이재영 교수 (GIST 신소재공학부)