우리얘기

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.

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)

 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

□ 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).

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.