광학 안테나는 휴대폰의 안테나가 전파를 수신하여 전기신호로 변환하고, 반대로 전기신호를 전파로 변환하여 송신하는 것처럼 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고, 그 반대의 역할도 수행할 수 있는 광학 소자입니다.
전파가 아닌 빛을 송수신하기 위해서는 안테나의 크기를 머리카락의 10만분의 1미터 수준으로 매우 작게 제작해야 합니다.
그러나 기존에 개발된 광학 안테나들은 파장의 범위가 매우 제한적이어서 한 가지 파장의 빛에서만 작동하기 때문에, 다양한 파장에서 송수신기 역할을 수행할 만큼 효율적이 못했습니다.
■ 완전결정(perfect crystal)은 원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)으로, 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태입니다.
완전결정 은(銀) 나노선을 이용해 모든 파장의 빛에 작동하는 광학 나노 안테나가 개발됐습니다.
■ KAIST 김봉수 교수와 서민교 교수, 강태준 박사(제1저자),고려대 박규환 교수팀은 기존 한 가지 파장의 빛에서만 작동하는 광학 나노 안테나의 한계를 극복하고, 모든 파장의 빛에서 반응하는 광학 나노 안테나 개발에 성공했습니다.
연구팀은 지금까지 활용하던 나노입자가 아닌 가시광 전 영역에서 작동하는 은(銀)을 사용해 다양한 파장에서 공명할 수 있는 나노선으로 광학 안테나를 제작, 모든 파장의 빛에서 은 나노선 안테나가 작동한다는 사실을 증명하였습니다.
(위) 은 나노선 안테나의 주사 전자 현미경(SEM) 사진
(아래) 무지갯빛 은 나노선 안테나의 광학 현미경 사진. 은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색깔을 보여주게 된다.
이번 연구 결과는 태양광 발전 등에 핵심적으로 활용할 수 있는 효율 높은 안테나 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있습니다.
김 교수팀이 합성한 은 나노선 안테나는 완벽한 결정구조를 가지면서도 결함이 없어 표면이 매끈하기 때문에, 모든 파장의 빛을 어떠한 손실 없이 송신하고 동시에 수신하여 효율을 극대화할 수 있습니다.
모든 파장의 빛을 손실 없이 송수신하기 위해서는 나노선 안테나의 표면에 아주 작은 결함도 없어야 합니다.
이에 연구팀은 800℃의 고온에서 아무 결함도 없는 완전결정 은 나노선을 만들었습니다.
은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색상을 나타냅니다.
이번 연구성과인 은 나노선 안테나는 실제로 활용할 수 있는 광학 안테나 개발에 한 걸음 다가선 것으로, 태양광 발전 및 극미세 나노센서 등에 핵심기술로 사용될 수 있어 향후 나노-광-바이오산업에 선도적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.
이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지에 4월 17일자로 게재되었습니다.
(논문명 : Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna)
<연 구 개 요>
Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna 광학 안테나는 라디오 안테나를 라디오파의 파장보다 훨씬 짧은 빛의 파장에 맞게 축소한 것으로 안테나에 들어오는 빛을 효율적으로 받아들이거나 혹은 송출이 가능한 장치로서, 나노과학 분야에서 최근 상당한 주목을 받고 있다. 특히, 각기 다른 색깔을 보이는 발광 물질을 이용한 다중 생분자 검출이나 넓은 파장에 걸친 나노 분광학에서는 다양한 파장에서 작동하는 나노 안테나의 효용이 매우 높다. 그러므로 가시광의 전 영역에서 작동할 수 있는 플라즈모닉 나노 안테나의 개발은 대단히 유용한 과제이다. 이 논문에서 우리는 단결정 은 나노선을 이용하여 가시광 전 영역에서 작동하는 나노 안테나를 구현하였다. |
용 어 설 명
광학 나노 안테나
광학 나노 안테나는 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고 반대로 전자기장을 빛으로 변환하여 송신할 수 있는 나노미터 크기의 광학 소자로서, 태양광 발전과 같은 미래 산업 발전에 필수적인 역할을 수행할 것으로 기대되어 최근 주목받고 있다.
표면 플라즈몬 (Surface Plasmon)
표면 플라즈몬이란 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수 없는데, 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역 (나노미터 수준)에서도 빛을 강하게 증폭시켜 집속할 수 있다.
완전결정(perfect crystal)
원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)이라고도 부름. 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태임
나노선
수십에서 수백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체
Nano Letters지
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 나노 과학기술 전반에 걸쳐 최첨단 선도연구과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알리기 위한 목적으로 미국 화학회에서 발행하는 학술지이다. (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)
<김봉수 교수> 1. 인적사항 ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과 | 2. 학력 1977 - 1981 서울대학교 화학과 학사 1981 - 1983 서울대학교 화학과 석사 1984 - 1990 미국 University of California, Berkeley 화학과 박사 3. 경력사항 4. 전문 분야 정보 5. 수상 경력 |
<박규환 교수> 1. 인적사항○ 소 속 : 고려대학교 물리학과 2. 학력 1978 - 1982 서울대학교 물리학과 학사 1982 - 1987 미국 Brandeis University 물리학과 박사 3. 경력사항 4. 수상 경력 |
<서민교 교수> 1. 인적사항○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 2. 학력 1999 - 2003 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 학사 2003 - 2005 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 석사 2005 - 2009 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 박사 3. 경력사항 2009 - 2009 고려대학교 연구교수 2009 - 2010 미국 Stanford University 박사후연구원 2011 - 현재 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 조교수 |
<강태준 박사> 1. 인적사항○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과 2. 학력 2000 - 2004 한국과학기술원 (KAIST) 화학과 학사 2004 - 2010 한국과학기술원 (KAIST) 화학과 박사 3. 경력사항 2010 - 현재 한국과학기술원 (KAIST) 박사후연구원 4. 수상 경력 |
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