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□ 나노물질은 크기가 10억 분의 1m로 너무 자기때문에 위치를 옮기거나 제어하는 것이 쉽지 않습니다.

최근 강한 레이저 빛을 쏘면 나노물질이 레이저 빛에 달라 붙어 레이저 빛과 함께 움직일 수 있는 광포획 원리가 밝혀지면서 나노물질을 제어할 수 있는 가능성을 열었습니다.

그러나 레이저 광포획은 나노물질을 제어하기 위해서는 매우 강한 레이저 빛이 필요한데, 강한 레이저 빛 때문에 나노물질이 쉽게 부서지거나 손상을 입는 문제가 있습니다.

이를 해결하기 위해 금속 나노구조체를 이용해 나노물질을 이동하는 방법이 고안됐지만, 여전히 나노물질에 손상을 입힐 뿐만 아니라 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질은 제어할 수 없는 한계에 봉착했습니다.

□ 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수 등이 주도한 연구팀이 빛을 이용해 나노-바이오 물질을 자유자재로 집어 원하는 곳으로 옮길 수 있는 나노 광(光)집게를 개발했습니다.
 
이번 신기술은 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질을 제어할 수 없었던 기존의 나노 광집게의 한계를 극복해 모든 나노-바이오 물질을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 나노 광집게입니다. 

연구팀은 적외선 영역의 빛을 강하게 한 점으로 모아 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 새로운 나노안테나를 개발했습니다.

나노안테나는 금속 나노구조의 가장자리에 빛을 강하게 집속할 수 있는데, 이 특성을 이용하면 굴절률이 높은 나노물질은 금속 나노구조의 가장자리로, 굴절률이 낮은 나노물질은 금속 나노구조의 중앙으로 포획할 수 있는 원리입니다.

(위) 나노 광집게 장치를 보여주는 모식도. 구슬 모양의 나노 물질이 노란색의 금속 나노안테나 주위로 모이고 있다. (아래) 실제 금으로 제작된 나노안테나(왼쪽)와 나노안테나 주위로 빛이 집속되는 형태를 보여주는 계산 결과(오른쪽).


이 새로운 나노 광집게를 이용하면 수 백 분의 일 수준의 약한 세기 레이저 빛으로도 작동할 수 있어, 쉽게 손상될 수 있는 나노-바이오 물질도 자유롭게 효과적으로 이동시킬 수 있습니다.
  
특히 새로운 나노 광집게를 이용하면 유체 내에서 떠돌아다니는 DNA와 같은 나노-바이오 물질을 전혀 손상 없이, 원하는 곳으로 옮기는 등 자유자재로 제어할 수 있습니다.

이를 통해 기존에 실험실 수준에서 수행할 수밖에 없었던 연구를 손톱만한 크기의 작은 칩 위에서 간단히 구현할 수 있어 차세대 나노-광-바이오산업의 핵심기술이 될 전망입니다.

이번 연구에는 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수, KAIST 윤태영 교수와 이용희 교수 등 7명이 참여했습니다.

연구 결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 12월 13일자로 게재됐습니다.
(논문명: Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas)

박홍규 교수(앞줄 가운데)와 고려대 극미세 나노선 광소자 연구단의 멤버들.

 용  어  설  명

표면 플라즈몬(surface plasmon) :  
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수가 없다.
하지만 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역에서도 빛을 집속할 수 있다.
표면 플라즈몬이란, 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
표면 플라즈몬을 이용하면 나노미터 수준의 미세한 영역에서 빛을 강하게 증폭시킬 수 있다.

나노 광(光)집게 :  
나노 광소자를 이용하여 빛을 강하게 구속시켜서 나노물질을 광포획하는 장치.
기존 광집게에 비하여 약한 빛으로도 나노물질을 포획할 수 있어 높은 효율을 가진다.
또한 기존의 광집게는 빛을 렌즈로 모아서 나노물질을 포획하는 방식이므로 집적화 및 바이오-유체 칩에 사용하기에는 한계가 있다.
그러나 나노 광집게의 경우에는 나노미터 크기의 작은 소자 자체가 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하므로 외부에 렌즈나 빛을 모아주는 장치가 따로 필요하지 않고 바이오-유체 칩에 바로 집적화가 가능하기 때문에, 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.

<연 구 개 요>

Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas
J.-H. Kang et al. (Nature Communications - 2011. 12.13. 출판)

 일반적으로 굴절률이 높은 물질은 빛의 세기가 센 쪽으로 힘을 받는다.
이를 이용하여 빛으로 물질을 제어하는 광집게 기술이 개발되면서 유체 속에서 떠다니는 세포, 박테리아의 제어 등 바이오 실험에 혁신이 일어났다.
하지만 기존 광집게 기술의 경우에는 렌즈를 통해 빛을 집속하기 때문에 회절 한계에 의해 파장보다 작은 크기로 빛을 집속할 수 없다.
이 때문에 포획하고자 하는 물질의 크기가 파장보다 작은 나노물질이 되면 제어하는 데에 한계가 있다. 특히, DNA와 같은 작은 크기의 바이오 물질은 손상 없이 제어하기가 어려워 마이크로 입자에 붙여서 간접적으로 실험을 수행해 왔다.
이를 해결하기 위해 최근 표면 플라즈몬을 이용한 나노 광집게가 개발되었다. 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장보다 작은 나노미터 수준의 공간에 빛을 집속하고 또한 증폭할 수 있기 때문에, 약한 세기의 빛을 증폭하여 나노물질을 포획할 수가 있게 된다.
하지만 지금까지 개발된 나노 광집게는 굴절률이 물보다 작은 물질은 포획할 수 없다는 한계가 있었다.

본 연구팀은 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 독특한 나노 안테나를 설계 및 제작하였다.
이 나노 안테나는 구조 주변에 빛이 강하게 증폭되기 때문에 굴절률이 큰 물질은 안테나 주변에 포획하고, 굴절률이 작은 물질은 안테나 중심부에 포획할 수 있다.
기존의 나노 안테나가 굴절률이 작은 물질은 포획할 수 없다는 단점을 혁신적으로 극복한 것이다.

 본 연구팀은 광포획 실험을 위해 물에서 흡수가 적은 근적외선 영역인 980nm 레이저 빛을 사용하였고, 이 레이저 파장에 표면 플라즈몬 공명이 있는 나노 안테나를 금을 이용하여 제작하였다.
이 때 제작된 나노 안테나의 장축 길이는 500nm이다.
우선, 제작된 나노 안테나를 이용하여 물속에 떠다니는 지름이 300nm인 폴리스티렌 나노 구슬의 포획에 성공하였다. 폴리스티렌의 경우 굴절률이 물 보다 크기 때문에 나노 안테나 주변에 포획되는 것을 관찰하였다.
그 다음, 오일 속에 떠다니는 지름이 300nm인 실리카 나노 구슬의 포획에도 성공하였다. 이 때, 실리카의 굴절률은 오일보다 작아 기존 나노 안테나의 경우 척력(밀어내는 힘)을 받기 때문에 포획될 수 없었던 것과는 달리, 본 연구에서 제작된 나노 안테나에서는 안테나 중심부에 포획되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 3차원 시뮬레이션을 통해서도 그대로 재현되었다.

 실험에서 나노 물질을 제어하기 위해 사용된 레이저의 파워는 수백 마이크로 와트 수준으로, 기존 광집게에 비해서 수 백 분의 일 정도밖에 되지 않는다.
또한 나노 안테나가 직접 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하기 때문에 외부에 특별한 광학 장치가 필요 없다.
 따라서 광-바이오 유체 칩에 바로 결합할 수가 있어, 실험실 수준에서 진행되는 나노-바이오 물질 제어의 실험이 칩 수준에서 높은 효율로 구현될 수 있다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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형성된 나노구조체: 식각 공정을 이용해 구조체의 밀도 조절이 가능하다. 나노구조체 밀도는 1 cm2 당 각각 1200억 개(오른쪽), 720억 개(왼쪽)

나노구조체의 크기는 머리카락 지름의 1000분의 1정인 1㎛(마이크로미터) 이하입니다.


때문에 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이 획기적으로 증가하는 현상이 나타납니다.

투명전도층이 증착된 나노구조체: 투명전도층은 빛의 투과도와 전기적 전도성이 우수하다. 이러한 투명전도물질과 나노구조체간의 접합을 통해 새로운 광전소자를 개발했다. 빛 굴절계수가 작은 투명 전도물질은 빛의 반사도를 낮추는 효과도 지닌다.

광전소자는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로, 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 근간이 되고 있습니다.


그러나 현재까지 개발된 광전소자는 크기가 작은 나노구조체에 일일이 전류를 통하게 해야 하는 등 미세하고 까다로운 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있었습니다.

그런데 이 같은 돌기 형상의 나노구조체를 활용해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 차세대 광전소자가 개발됐습니다.

한국기계연구원 나노역학연구실 김준동 박사팀은 돌기 형상의 대면적 나노구조체에 고성능 투명전극을 입혀 입사광 이용면적을 기존 평판 형태보다 10만 배 이상 획기적으로 늘린 광전소자를 개발했습니다.

나노구조체를 이용한 광전소자 모식도


연구팀이 새로 개발된 광전소자는 전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입혀 제작비용을 20~30% 절감해 대면적 나노구조체 공정에 활용할 수 있게 됐습니다.

이로 인해 향후 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 새 장이 열릴 것으로 기대되고 있습니다.

나노구조체의 표면적 증가 효과. 나노구조체의 밀도가 증가하면 전류값이 비례해 증가한다. 나노구조체 소자는 일반기판 소자보다 전류를 32배까지 늘인다.

이번 연구는 최준혁 박사팀과 한양대 이정호 교수팀의 협력을 통해 진행됐습니다.

이 기술은 현재 국내특허가 출원됐고, 이번 연구의 결과는 최근 미국의 유명 저널 ‘Applied Physics Letters’에 발표됐다.


연구팀은 이번 기술을 활용해 태양전지의 효율성 향상 연구도 진행한다고 합니다.

 

전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입히는 실험을 진행하고 있는 한국기계연구원 김준동 박사.

posted by 글쓴이 과학이야기

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나노물질에 대한 안전성과 성능 향상기술, 나노바이오 융합을 통한 의료이미징 기술 등 나노 및 나노바이오 측정기술 개발 현황을 소개하고 국제적 이슈를 공유할 수 있는 자리가 마련됐습니다.

KRISS(한국표준과학연구원)은 23일부터 이틀간 대덕 본원에서 ‘나노 및 나노바이오 소재 특성평가’를 주제로 하는 제24차 국제과학기술센터(ISTC) 한국 워크숍을 개최했습니다.

이번 ISTC 한국 워크숍은 러시아와 구 소련권 국가의 과학기술을 국내에 소개하고, 지역 산업계와 연구기관 등과 파트너십을 구축해 과학기술을 이전하는 것을 목적으로 합니다.

ISTC는 구 소련의 대량살상무기와 이곳에 종사하던 과학자들이 관련기술의 제3세계 유출을 방지하기 위해 미, 일, 러, EU 등의 출연으로 1992년 설립된 국제기구이며, 우리나라는 지난 1998년 가입했습니다.

이번 워크숍에서는 러시아 과학기술자 10명과 KRISS 연구원 4명 등 총 14명의 나노기술 분야 전문가가 나노 및 나노바이오 소재 분야의 측정 평가 기술에 대해 주제발표와 전문가 모임을 가졌습니다.

주요 프로그램으로는 러시아 국립과학표준센터 가르릴렌코 발레리 박사의 '나노기술에서의 측정과 표준', 러시아 기술 규제 및 도량 연방 기관 코르니브 드미트리 박사의 '나노미터 영역의 SI 단위 소급성', 러시아 연방정부 과학연구소 타우빈 미카일 박사의 '나노물질 구조연구', 러시아 바이러스 및 바이오 테크놀로지 정부연구센터 다닐렌코 엘레나 박사의 '나노물질과 안전성' 등에 대한 주제발표가 진행됏습니다.

또 우리나라에서는 호서대 유일재 교수의 '나노물질의 위험성 평가', KRISS 이태걸 박사의 '바이오메디컬 응용과 나노 안전성을 위한 무표지 나노물질 질량 이미징' 등을 발표했습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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