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발광 효율 제어 '초승달 나노 안테나' 개발

2017-11-07기사 편집 2017-11-07 15:51:22

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업컨버팅 나노입자 효율 16배 향상

첨부사진1비대칭성 나노 초승달 모양의 광학 안테나. 사진=한국연구재단 제공
한국연구재단은 루크 리 버클리대 교수와 김민곤 광주과학기술원 교수 공동연구팀이 업컨버팅 나노입자의 발광효율을 크게 향상시키는 초승달 모양의 나노 안테나 구조체를 개발했다고 7일 밝혔다.

업컨버팅 나노입자란 근적외선을 흡수하고 가시광선을 발광하는 특성을 보이는 나노 입자로, 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용해 자가 형광 발생을 막는다. 덕분에 배경 잡음을 대폭 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

또 강한 발광 세기·우수한 광안정성·조직 침투성·생체 적합성 등의 특성이 있어 유기염료나 양자점과 같은 형광체 대체 물질로 주목받고 있다. 바이오이미징·바이오센싱·태양전지 등 다양한 분야의 응용에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

하지만 업컨버팅 나노입자는 그동안 발광효율이 크게 떨어진다는 한계점을 갖고 있었다. 이에 광 결정 구조를 조절하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행됐지만, 발광 신호를 공간적으로 제어하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노미터(㎚) 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나 구조체를 개발했다. ANAU는 투명 고분자가 코팅된 기판 위에 업컨버팅 나노입자를 떨어뜨리고 이 위에 금을 증착하는 방식으로 제작됐다.

또 실험을 통해 나노 안테나 구조체가 빛을 효과적으로 응집하고 특정 방향으로 발광 효율을 제어시킬 수 있다는 것을 확인했다. 안테나 구조체의 팁 영역에 집중된 비대칭성 발광신호를 확인한 결과, 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 초승달 모양의 나노 안테나가 없을 때보다 약 16배 향상한 것으로 나타났다.

연구팀은 새롭게 개발한 ANAU 구조체를 통해 암세포의 효과적인 광역동치료(photo dynamic therapy·PDT)가 가능하도록 연구를 진행할 예정이다.

루크 리 교수·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"고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(집단연구)의 지원을 받아 진행됐다. 나노과학 분야 국제학술지인 나노 레터스(Nano Letters) 8월 21일자에 게재됐다. 조수연 기자



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첨부사진2ANAU를 이용한 조사된 빛의 나노 포커싱 및 향상된 비대칭성 발광신호. 사진=한국연구재단 제공

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