발광효율 4배 높이는 나노구조체 개발(05.06)

김동하 이화여대 교수 연구팀…"맞춤소재 개발도 가능"

"전지 효율을 높이기 위한 후속 연구 진행 예정"

국내 연구진이 금 나노입자를 이용해 발광소재, 태양전지, 바이오센싱 등에 쓰이는 형광체의 발광효율을 4배가량 높일 수 있는 나노 구조체를 개발했다.

미래창조과학부와 한국연구재단은 김동하 이화여대 교수가 주도하고 사지 토마스 코츄비두 박사 등이 참여한 연구팀이 표면플라즈몬 공명을 이용해 형광체의 발광효율을 높이는데 성공했다고 6일 밝혔다.

표면플라즈몬 공명은 나노크기의 금속 표면에 있는 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 특성이 임사광과 일치, 빛이 흡수됨에 따라 증폭된 장(field)이 유도되는 현상이다.

기존에는 금 나노입자와 형광분자 간 에너지 전이가 일어날 때 에너지를 주는 '주개 형광체' 사이의 간격을 제어해 형광 효율을 제한적으로 높이는데 성공한 바 있다.

연구팀은 주개와 받개(에너지를 받는 형광체) 형광체쌍을 껍질로 금 나노입자를 내부의 핵으로 하고, 이들 사이를 2개의 실리카 층으로 채워 형광체와 금 나노입자 간 표면플라즈몬에너지전이 효율과 주개-받개 형광체간 형광공명에너지전이 효율을 동시에 향상시켰다.

이 연구의 핵심은 실리카 층의 두께 조절로 형광체와 금 나노입자 사이의 간격, 주개-받개 형광체의 간격을 동시에 정밀하게 제어한데 있다. 양자점과 염료 사이의 간격을 미세하게 제어함으로써 형광 에너지 전이 효율이 86.57%까지 향상됐다. 양자점과 염료 간 형광 공명에너지 전이 효율을 약 4배 가량 향상시키는 결과를 도출했다. 

▲ 하이브리드 플라즈모닉 금속-형광체 코어-쉘 구조. 모식도(왼쪽) 및 전자투과현미경 사진(오른쪽). 모식도의 경우 내부부터 순서대로 금 나노입자(붉은색 구), 첫 번째 실리카 껍질(회색), 양자점(주황색), 두 번째 실리카 껍질(황토색), 염료(보라색)를 나타낸다. ⓒ 2014 HelloDD.com

특히 이미 생체분자 이미징 등에 쓰이고 있는 양자점과 염료의 조합으로 구성된 형광체를 이용한 것으로 후속연구도 기대할 수 있다.

연구팀에 의하면 소재의 형상과 조성을 최적화할 경우 용도에 따른 맞춤형 소재 개발에 기여할 수 있다. 또 제시된 구조체를 태양전지 활성층에 도입해 전지의 효율을 높이기 위한 후속연구도 진행할 예정이다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)誌 4월 22일자에 게재됐다.(논문명 : Revolutionizing the FRET-Based Light Emission in Core-Shell Nanostructures  via Comprehensive Activity of Surface Plasmons)

김동하 교수는 "형광체의 발광성능을 향상시킬 수 있게 되면 향후 디스플레이 뿐만 아니라 생화학적 센서와 태양전지 분야 등에 광범위하게 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

◆용어설명

▲형광 공명 에너지 전이(Förster Resonance Energy Transfer, FRET) : 장거리 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해 하나의 들뜬 염료분자에서 다른 염료 분자로 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 현상. 1946년 Förster에 의하여 처음 묘사된 것

▲표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) : 나노 크기의 귀금속 표면 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 파수 벡터와 입사광의 그것이 일치하는 조건에서 빛이 흡수되어 증폭된 장(field)이 유도되는 현상. 나노미터 크기의 금속 구조에서 발생한 표면 플라즈몬을 국소 표면 플라즈몬 공명 (Localized surface plasmon resonance, LSPR)이라고 한다.

▲플라즈몬 공명 에너지 전이(Plasmon Resonance Energy Transfer, PRET) : 금속 나노입자의 존재로 인해 증강된 형광을 나타내기 위해서는 금속과 형광체가 적절한 간격으로 분리되어 금속으로부터 형광체로 에너지가 전달되어야 한다.

▲ 표면 플라즈몬 활성에 의한 발광 성질의 혁신적인 향상 메커니즘 모식도. 하이브리드 플라즈모닉 금속-형광체 코어-쉘 구조의 코어 부분인 금 나노입자에서 발생하는 근접장강화(NFE) 효과가 양자점-염료간 형광에너지전이(FRET)를 향상시키는 것 뿐 아니라(그림 왼쪽 위 화살표), 염료를 직접 여기시킴으로써 발광의 세기를 향상시키는 것 역시 어느 정도 가능하다(그림 왼쪽 아래 화살표). ⓒ 2014 HelloDD.com