본교 김동하 교수 연구팀, ‘사이언티픽 리포트’ 논문 게재

작성처
등록일2014.05.08
20385

본교 화학ㆍ나노과학전공 김동하 교수 연구팀이 금 나노입자를 이용해 발광소재, 태양전지, 바이오센싱 및 생체분자영상 등에 쓰이는 형광체의 발광효율을 약 4배 가량 높일 수 있는 나노구조체를 개발했다.

김 교수가 교신저자로 연구를 주도하고, 사지 토마스 코츄비두 박사(화학ㆍ나노과학전공 박사후과정)가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과가 실린 논문은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 4월 22일자에 게재됐다.

논문의 제목은 ‘Revolutionizing the FRET-Based Light Emission in Core-Shell Nano structures via Comprehensive Activity of Surface Plasmons’으로 금 나노입자가 빛과 만날 때 나타나는 표면 플라즈몬 공명을 이용하면 형광체의 발광효율을 크게 높일 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 표면 플라즈몬 공명은 나노크기의 금속 표면에 있는 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 특성이 입사광과 일치, 빛이 흡수됨에 따라 증폭된 장이 유도되는 현상이다.

형광체와 금 나노입자로 구성된 복합체의 발광성질에 대한 연구는 기존에도 수행된 바 있지만 형광 효율을 제한적으로 향상시키는데 그쳤다. 반면 김 교수팀은 새로운 유형의 나노소재 설계 및 합성 기법을 바탕으로 하이브리드 플라즈모닉 금속-형광체 코어-쉘 구조를 제안했다.

이 구조체는 금 나노입자 코어와 형광체 껍질로 구성되며, 금 나노입자, 양자점, 그리고 염료 사이의 간격을 실리카 층으로 정밀하게 제어함으로써 금 나노입자와 양자점 사이의 에너지 전이 및 양자점과 염료사이의 형광 공명에너지 전이를 극대화했다. 주개-받개 형광체쌍을 껍질로, 금 나노입자를 내부의 핵(core)으로 하고 이들 사이를 2개의 실리카 층으로 채우면서 세밀한 두께 조절로 형광체와 금 나노입자 간 표면 플라즈몬 에너지 전이 효율 및 주개-받개 형광체간 형광공명 에너지 전이 효율을 동시에 향상시킨 것이다.

이번 연구는 에너지 전이 효율을 높여 발광효율을 향상시키는 방식으로 향후 발광체가 이용되는 디스플레이, 생화학 센서, 태양전지 등 다양한 분야의 연구에 기여할 것으로 기대된다. 또한 소재의 형상과 조성을 최적화할 경우 용도에 따른 맞춤형 소재 개발에도 기여할 전망이다. 연구팀은 제시된 구조체를 태양전지 활성층에 도입하여 전지의 효율을 높이기 위한 후속연구를 진행할 계획이다.

김 교수는 “이번 연구는 발광성질을 향상시킬 수 있는 조건을 바탕으로 디스플레이 발광소자 및 태양전지 등의 나노포토닉(nanophotonic) 소자 뿐 아니라, 형광 단백질 등을 이용한 생물학적 분야에도 광범위하게 응용가능할 것으로 기대하고 있다”며 “이번 성과를 더욱 체계화 시키고 응용연구로 발전시켜 향후 기술이전에 의한 실용화를 시도함은 물론 관련 연구 분야에 대한 선진국 대비 학문적 수준을 높이는데 기여하고자 한다”고 말했다.

한편 이번 논문의 1저자인 코츄비두 박사는 본교 EGPP(Ewha Global Partnership Program) 장학생이며, 이번 연구는 미래창조과학부/한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

김 교수는 고분자 하이브리드 나노소재를 바탕으로 에너지·환경·바이오센싱·메모리·디스플레이 다학제 융복합 분야에 대한 연구를 전방위적으로 수행하고 있으며, 2012년 기존 염료감응 태양전지의 효율을 60% 향상시키는 기술을 개발한 것을 비롯하여 최근 솔베이(Solvay)와 미래형 금속-공기 (metal-air) 이차전지 개발에 관한 공동연구팀에 합류하는 등 에너지 융합 및 나노바이오기술 연구에 주력하고 있다.

이러한 연구 역량과 우수성을 바탕으로 김 교수는 미국과학출판사(American Scientific Publishers)가 발행하는 SCI 학술지인 ‘사이언스 오브 어드밴스드 재료(Science of Advanced Materials)’, ‘미국 재료과학기술지(American Journal of Materials Science and Technology)’와 ‘어드밴스드 분석화학지(Journal of Advanced Analytical Chemistry)’ 및 ‘미국 광학 및 포토닉스 저널(American Journal of Optics and Photonics)’ 등 다수의 국제 학술지의 편집위원으로 선임됐다.

연구소식