빛도 송수신하는 완전결정 은나노 안테나

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 Tajoon Kang et al., Nano Letters(2012. 4. 17) 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. 하지만 지금까지 개발된 나비넥타이 혹은 나노입자 등의 나노미터 크기의 작은 금속구조를 이용한 대부분의 나노 안테나는 작동하는  파장의 범위가 아주 제한되어있고 또한 하나의 지정된 파장에서만 작동한다. 나노 안테나가 효과적으로 쓰이기 위해서는 다양한 파장에서 송신기와 수신기로의 역할을 동시에 수행할 수 있어야 한다. 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. 은은 가시광 전 영역에서 작동할 수 있으며 충분히 긴 나노선 구조는 다양한 파장에서의 공명을 가능하게 한다. 그러므로 은 나노선은 다양한 파장에서의 광학 신호를 송, 수신할 수 있는 플라즈모닉 나노 안테나로서 최고의 물질이다. 하지만 은 나노선 안테나의 구현을 위해서는 극복해야 할 점이 있는데, 그것은 바로 아주 매끈한 표면을 갖는 은 나노선을 합성하는 것이다. 은 나노선의 결함 없는 매끈한 표면은 산란에 의한 표면 플라즈몬 (Surface Plasmon) 손실을 방지해준다. 이러한 문제점은 전자빔 식각 (Electron Beam Lithography)이나 집속 이온빔 (Focused Ion Beam)을 통해 제작된 은 나노선으로는 결코 해결할 수 없다. 이 논문에서 우리는 단결정 은 나노선을 이용하여 가시광 전 영역에서 작동하는 나노 안테나를 구현하였다. 은 나노선은 800 도의 고온에서 기상 이송법을 이용해 합성하였고, 결함 없는 매끈한 표면의 단결정 구조를 갖는다. 은 나노선은 산란에 의한 표면 플라즈몬 손실을 최소화하여 안테나 방사광을 뚜렷하게 관찰할 수 있게 해주었다. 특히, 백색광을 이용했을 경우에는 무지개와 같은 화려한 색깔의 안테나 방사광을 관찰할 수 있었다. 측정한 안테나 방사광은 안테나 이론에 따른 계산으로 엄밀하게 분석하였다. 연구팀은 은 나노선 안테나가 태양광 발전, 단 분자 검출 센서 개발, 고해상도 바이오이미징 등의 연구개발에서 핵심적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.

 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   1990 - 1994  일본분자과학연구소 협력연구원   1994 - 1996  경북대학교 화학교육과 조교수   1996 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 조교수, 부교수, 교수 4. 전문 분야 정보 - SCI 논문 130여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건 5. 수상 경력 2011 대한화학회 학술상 2011 올해의 100대 우수과학기술연구 2010 교육과학기술부 우수연구성과 50선 2010 한국과학기술원 (KAIST) 학술상 2008 교육과학기술부 우수연구성과 50선

<박규환 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과   2. 학력   1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사   1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사 3. 경력사항   1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원   1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원   1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원   1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수   2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수 4. 수상 경력 2010 올해의 성도광과학상

<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 2011 7회 삼성전기 1nside 논문 대상 은상