국내연구진, 형광체 발광효율 4배 높일 수 있는 나노구조체 개발

미래창조과학부는 국내 연구진이 태양전지, 바이오센싱 및 생체분자영상 등에 쓰이는 형광체의 발광효율을 4배 가량 높일 수 있는 나노구조체를 개발했다고 6일 밝혔다.

미래부에 따르면 이화여대 화학나노과학과 김동하 교수가 주도하고 사지 토마스 코츄비두 박사 등이 참여한 이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트 4월 22일자에 게재됐다.

연구팀은 금 나노입자가 빛과 만날 때 나타나는 표면플라즈몬 공명을 이용해 형광체의 발광효율을 높였다.

연구팀은 금이나 은과 같은 귀금속 나노구조체에서 금속의 자유전자가 특정 파장의 빛에 의해 한꺼번에 진동하는 표면 플라즈몬 공명에 의해 귀금속 나노구조체 사이의 나노갭에서 전기장의 세기가 급격히 증가한다는 점에 착안했다.

형광체와 금 나노입자로 구성된 복합체의 발광성질에 대한 연구가 수행된 바 있지만 과거에는 금 나노입자와 주개 형광체 사이의 간격을 제어하여 형광 효율을 제한적으로 향상시키는데 그쳤다는게 연구팀의 설명이다. 주개 형광체는 들뜬 형광분자 간 에너지 전이가 일어날 때 에너지를 주는 역할을 하며 이때 받개 형광체가 에너지를 받게 된다.

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

연구팀은 주개-받개 형광체쌍을 구조체의 껍질로, 금 나노입자를 구조체 내부의 핵으로 구성해 이들 사이를 2개의 실리카 층으로 채워 형광체와 금 나노입자 간 표면플라즈몬에너지전이 효율과 주개-받개 형광체간 형광공명에너지전이 효율을 동시에 향상시킬 수 있었다. 표면플라즈몬에너지전이란 귀금속 나노구조체가 빛에 의해 들뜰 때 발생하는 표면플라즈몬에너지가 인접 물질로 전달되는 현상이며 형광공명에너지전이란 들뜬 형광분자 사이에 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 현상이다.

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.

[e-mail] 김혜민 기자