고분자 기판 위 금 증착하는 방식으로 제작
바이오이미징, 태양전지, 암 치료 등 다양한 분야 활용 기대

한국연구재단(이사장 조무제)은 루크 리 교수(Luke P. Lee, UC 버클리대)와 김민곤 교수(광주과학기술원) 공동연구팀이 업컨버팅 나노입자의 발광효율을 크게 향상시킬 수 있는 초승달 모양의 나노 안테나 구조체를 개발했다고 밝혔다.

업컨버팅 나노입자는 강한 발광 세기, 우수한 광안정성과 조직 침투성, 생체 적합성 등의 특성이 있어 유기염료나 양자점과 같은 형광체 대체 물질로 주목받고 있으며 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지 등 다양한 연구 분야에서 응용 가능성이 높다.

그러나 두 개의 광자를 흡수한 에너지가 하나의 큰 광자로 바뀌기 때문에 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 매우 낮다는 문제점을 갖고 있다. 이에 광 결정 구조를 조절하거나 플라즈몬 나노입자를 이용하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행됐지만, 발광 신호를 공간적으로 제어하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노미터(nm=10억분의 1m) 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나 구조체(ANAU)를 개발하는 데 성공했다. ANAU는 투명 고분자가 코팅된 기판 위에 업컨버팅 나노입자를 떨어뜨리고 이 위에 금을 증착하는 방식으로 제작되었다.

연구팀은 이 나노 안테나 구조체가 빛을 효과적으로 응집하고 특정 방향으로 발광 효율을 제어시킬 수 있다는 것을 확인했다. 실제 연구팀이 안테나 구조체의 팁 영역에 집중된 비대칭성 발광신호를 확인한 결과, 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 초승달 모양의 나노 안테나가 없을 때보다 약 16배 향상되었다.

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”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(집단연구)의 지원으로 수행되었으며, 나노과학분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 8월 21일자에 게재되었다.