디스플레이·생화학 센서·태양전지 등에 응용 가능
국내 연구진이 금 나노입자를 이용해 발광소재나 태양전지, 바이오센싱 및 생체분자영상 등에 쓰이는 형광체 발광효율을 약 4배 가량 높일 수 있는 나노구조체를 개발했다.
이화여대 화학나노과학과 김동하 교수와 사지 토마스 코츄비두 박사는 금 나노입자가 빛과 만날 때 나타나는 표면플라즈몬 공명을 이용하면 형광체 발광효율을 크게 높일 수 있다고 6일 밝혔다.
형광체와 금 나노입자로 구성된 복합체의 발광성질에 대한 연구가 수행된 바 있지만 기존에는 금 나노입자와 주개 형광체 사이의 간격을 제어해 형광 효율을 제한적으로 향상시키는 데 그쳤다.
이에 연구팀은 주개-받개 형광체쌍을 껍질로 금 나노입자를 내부의 핵(core)으로 하고 이들 사이를 2개의 실리카 층으로 채워 형광체와 금 나노입자 간 표면플라즈몬에너지전이 효율 및 주개-받개 형광체간 형광공명에너지전이 효율을 동시에 향상시켰다.
에너지전이 효율을 높여 발광효율을 향상시키는 방식으로 향후 발광체가 이용되는 디스플레이, 생화학 센서, 태양전지 등 다양한 분야의 연구에 기여할 것으로 기대된다.
핵심은 실리카 층의 두께 조절로 형광체와 금 나노입자 사이의 간격과 주개-받개 형광체의 간격을 동시에 정밀하게 제어한 데 있다.
특히 이미 생체분자 이미징 등에 쓰이고 있는 양자점과 염료(dye)의 조합으로 구성된 형광체를 이용한 것이어서 관련 후속연구가 이어질 것으로 기대된다.
또 소재의 형상과 조성을 최적화할 경우 용도에 따른 맞춤형 소재 개발에도 기여할 것으로 보인다.
연구팀은 제시된 구조체를 태양전지 활성층에 도입해 전지의 효율을 높이기 위한 후속연구를 진행할 계획이라고 밝혔다.
김 교수는 "형광체 발광성능을 향상시킬 수 있게 되면 향후 디스플레이뿐만 아니라 생화학적 센서 및 태양전지 분야 등에 광범위하게 응용할 수 있다"고 말했다.
이번 연구성과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 지난달 22일자에 게재됐다.
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◆용어설명
▶표면플라즈몬 공명: 나노크기의 금속 표면에 있는 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 특성이 입사광과 일치, 빛이 흡수됨에 따라 증폭된 장(field)이 유도되는 현상
▶주개: 들뜬 형광분자 간 에너지 전이가 일어날 때 에너지를 주는 역할을 하는 형광체
▶받개: 들뜬 형광분자 간 에너지 전이가 일어날 때 에너지를 받는 역할을 하는 형광체
▶표면플라즈몬에너지전이: 귀금속 나노구조체가 빛에 의해 들뜰 때 발생하는 표면플라즈몬에너지가 인접 물질로 전달되는 현상
▶형광공명에너지전이: 들뜬 형광분자 사이에 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 현상
▶양자점: 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터(nm=10억분의 1m) 크기 반도체 결정체로서 양자국한 효과에 의해 크기에 따라 다양한 색깔을 발현하며 초미세 반도체, 질병진단 시약, 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
