Research

general theme

우리 연구실의 주요 관심 대상은 빛과 금속 나노물질의 상호작용입니다. 금/은과 같은 귀금속 나노입자는 플라즈몬(plasmon)이라는 고유한 특성이 있습니다. 금/은 나노입자의 전도성(conduction) 전자들은 빛의 전자기장과 공명을 이루면 다함께 진동운동을 하게 되는데 이를 일컬어 "플라즈몬" 또는 "플라즈몬 공명"이라고 부릅니다. 이러한 플라즈몬 때문에 금/은 나노입자는 아래와 같은 크게 4가지 특성을 지니며 이러한 특성을 이용하여 매우 광범위한 응용이 가능합니다. 

(1) 밝은 색깔: 금나노입자 용액은 우리가 흔히 아는 황금색이 아닌 매우 밝은 빨간색을 띱니다. 은나노입자는 노르스름한 색깔을 띱니다. 색을 띠는 정도를 molar extinction coefficient로 환산하면 흡광도가 가장 큰 유기염료분자들보다 무려 10,000-1,000,000배 정도 더 빛을 잘 흡수합니다. 이러한 특성을 이용하여 바이오이미징이나 임신진단키트, 코로나간이키트처럼 색깔을 이용한 센서에 응용합니다.

(2) 국부적인 전기장(local electric field) 발생: 나노입자 주변에 강한 전기장을 형성합니다. 즉 빛을 실질적으로 나노미터 스케일로 포커스 할 수 있는 것이죠. 이러한 특성을 이용해 나노입자 주변 분자의 라만산란(Raman scattering), 형광, 광화학반응성 등을 엄청 크게 만들 수 있습니다. 라만의 경우 나노입자가 없을 때보다 신호 크기를 10^12배까지 증폭할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

(3) Hot carier 생성: 플라즈몬이 감쇠(decay)하면서 에너지가 높은 전자와 정공(hole)을 만듭니다. 이러한 전자와 정공을 hot carrier라고 부르는데요, 이들을 주변 분자에 전달하면 산화/환원 반응을 유도할 수 있고, 또 회로로 만들어 전지로 만들 수도 있습니다. 이렇게 플라즈몬을 이용한 촉매를 plasmonic photocatalysts라고 부르고 이들을 이용해 청정에너지원인 수소를 물분해를 통해 만들 수 있습니다.

(4) 열 발생: 플라즈몬의 에너지가 감쇠하면서 주변 매질에까지 전달이 되면 매우 높은 열이 발생합니다. 금나노입자의 경우 70-80도까지도 온도가 올라가는 것으로 알려져 있습니다. 이렇게 빛을 이용해 열을 발생시키는 걸 "광열효과(photothermal effect)"라고 부릅니다. 이러한 금나노입자의 특성을 이용하여 암세포를 태워 죽이는 광열치료법, PCR의 thermocycle을 빠르게 하는 ultrafast PCR 등에 응용할 수 있습니다.

더더욱 재미있는 건 이러한 금/은 나노입자의 특성이 금/은 나노입자가 조립체를 이루면 나노갭에서 더욱 증강된다는 것입니다. 예컨대 위 (2)번 전기장에 의한 라만증강 신호는 떨어져 있는 독립적인 금/은 나노입자 주변에서는 감지할 수 있을 정도로 크게 일어나지 않습니다만 나노갭을 이루기만 하면 매우 큰 신호로 증폭됩니다. Hot carrier 형성이나 열 발생도 나노갭에서 훨씬 잘 일어납니다.

그래서 우리 연구실에서는 크기와 모양, 재질이 다양한 금/은 나노입자를 만들고 이들을 building block으로 하여 나노입자 조립체를 만듭니다. 그리고 이러한 조립체를 이용하여 위에 제시한 금/은 나노입자의 증강된 특성을 연구하고 이러한 특성을 센서, 표면증강분광학, 촉매, 청정에너지원 생성, 이산화탄소 저감, 광열치료법 등에 응용합니다.