금나노 입자 이용해 형광체 발광효율 높인 나노구조체 개발

김동하 교수팀, 표면 플라즈몬 활성 이용한 연구 성과

김동하 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 금나노 입자를 이용해 형광체 발광효율을 높인 나노구조체를 개발했다.

미래창조과학부는 김동하 이화여대 화학나노과학과 교수가 주도하고 사지 토마스 코츄비두 박사(제1 저자) 등이 참여한 국내 연구진이 금 나노입자를 이용해 발광소재, 태양전지, 바이오센싱 및 생체분자영상 등에 쓰이는 형광체의 발광효율을 약 4배 가량 높일 수 있는 나노구조체를 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행돼 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지 지난달 22일자에 게재됐다.

금 나노입자가 빛과 만날 때 나타나는 표면플라즈몬 공명을 이용하면 형광체의 발광효율을 크게 높일 수 있다.

표면플라즈몬 공명은 나노크기 금속 표면 전자의 집단적인 진동 운동이 특성이 입사광과 일치해 빛이 흡수되면서 증폭된 장이 유도되는 현상을 말한다.

기존에 형광체와 금 나노입자로 구성된 복합체의 발광성질에 대한 연구가 수행됐지만 금 나노입자와 에너지를 주는 역할을 하는 주개 형광체 사이의 간격을 제어해 형광 효율을 제한적으로 향상시키는 데 그쳤다.

연구팀은 주개-에너지를 받는 역할을 하는 받개 형광체쌍을 껍질로 금 나노입자를 내부의 핵으로 하고 이들 사이를 2개의 실리카 층으로 채워 형광체와 금 나노입자 간 표면플라즈몬에너지가 전달되는 표면플라즈몬에너지전이 효율 및 주개-받개 형광체간 들뜬 형광분자 사이에서 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 형광공명에너지전이 효율을 동시에 높였다.

이번 연구는 에너지전이 효율을 높여 발광효율을 높이는 방식으로 향후 발광체가 이용되는 디스플레이, 생화학 센서, 태양전지 등 다양한 분야의 연구에 기여할 것으로 기대된다.

연구의 핵심은 실리카 층의 두께 조절로 형광체와 금 나노입자 사이의 간격과 주개-받개 형광체의 간격을 동시에 정밀하게 제어한 데 있다.

양자점의 형광 세기는 금 나노입자가 도입된 경우 플라즈몬 공명에너지 전이 현상 및 근접 거리에 위치한 코어-쉘 구조체와의 특이지점에서 양자점의 여기가 효과적으로 촉진되면서 증가했고 금 나노입자가 적정 거리인 10nm에 있을 때 근접 장 강화 및 플라즈몬 공명에너지 전이 현상의 상승 작용으로 인해 더욱 향상됐다.

형광체 껍질은 형광 공명 에너지 전이 주개-받개 쌍으로 카드뮴셀레나이드(CdSe) 양자점과 S101 염료로 구성했다.

형광 에너지 전이 현상에 의해 양자점의 형광은 염료로 전이될 수 있고 코어에 위치한 금 나노입자의 근접 장 강화 및 플라즈몬 공명에너지 전이 현상에 의해 향상된 양자점의 형광이 염료로 효과적으로 전이되어 염료의 형광세기가 크게 높아졌다.

양자점과 염료 사이의 간격을 미세하게 제어해 형광 에너지 전이 효율은 86.57%까지 향상됐다.

적절한 거리에 위치한 금 나노입자의 근접 장 강화 및 플라즈몬 공명 에너지 전이는 양자점의 형광이 금 나노입자로 전이되는 소멸효과를 압도해 양자점과 염료 간 형광 공명에너지 전이 효율을 약 4배 가량 향상시키는 결과를 도출했다.

연구는 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터 크기 반도체 결정체로 생체분자 이미징 등에 쓰이는 양자점과 염료의 조합으로 구성된 형광체를 이용한 것으로 관련 후속연구가 이어지고 소재의 형상과 조성을 최적화할 경우 용도에 따른 맞춤형 소재 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 제시된 구조체를 태양전지 활성층에 도입해 전지의 효율을 높이기 위한 후속연구를 진행할 계획이다.

김 교수는“형광체의 발광성능을 향상시킬 수 있게 되면 향후 디스플레이뿐만 아니라 생화학적 센서 및 태양전지 분야 등에 광범위하게 응용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

하이브리드 플라즈모닉 금속-형광체 코어-쉘 구조 모식도(왼쪽)와 전자투과현미경 사진. 모식도의 경우 내부부터 순서대로 금 나노입자(붉은색 구), 첫 번째 실리카 껍질(회색), 양자점(주황색), 두 번째 실리카 껍질(황토색), 염료(보라색)를 나타낸다