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

<저작권자ⓒ대전일보사. 무단전재-재배포 금지>