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'플라즈몬'에 해당되는 글 2

  1. 2012.03.22 플라즈몬 이용한 투명디스플레이
  2. 2011.12.22 나노물질을 잡는 집게
2012. 3. 22. 14:32 대덕밸리과학소식/KAIST

현재 개발되고 있는 투명디스플레이는 출력되는 영상이 선명하지 않아 미세한 구별이 어렵기 때문에 실질적으로 상용화하기가 어려운 면이 있습니다.

왜냐하면 빛을 내는 형광체의 발광세기가 충분히 높지 않기 때문입니다.

또 형광체 재료로 사용되는 희토류 금속의 가격이 폭등하고 있는 것도 상용화를 위한 걸림돌로 지적되고 있습니다.

표면 플라즈몬은 금속박막 또는 나노입자 표면에서 일어나는 표면 자유전자들의 집단적인 진동현상입니다.

발광체 주변에서 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타날 경우 발광체의 발광 재결합 속도가 증가해 발광체의 발광 특성이 향상될 수 있는 연구결과가 나왔습니다.


'나노 표면 플라즈몬' 이 발생하는 경우 전기적 필드가 집중되는 모습



■ KAIST 전기및전자공학과 이성민 박사과정 학생과 최경철 교수가 나노 표면 플라즈몬 현상을 이용해 투명 디스플레이의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 기술은 스마트 쇼윈도우나 스마트 미러, 투명 단말기, 투명 핸드폰 등 보다 선명한 투명디스플레이 개발에 활용될 수 있습니다.

KAIST 연구팀은 불투명하고 빛을 반사하는 특성을 가진 금속을 나노입자 수준으로 아주 작게 만들면 빛이 금속입자를 통과해 투명하게 보이고, 금속입자들은 공명현상을 일으켜 발광세기를 증가시키는 '표면 플라즈몬' 현상이 발생하는 것에 주목했습니다.

이 현상을 이용해 연구팀은 나노크기의 은(Ag)을 희토류 금속이온이 첨가된 투명 형광물질로부터 수십 나노미터 이내에 위치하게 해 투명 형광물질의 발광세기를 최대 63.7% 향상시켰습니다.

‘나노 플라즈몬 공명’을 유도하기 위한 은 나노 입자의 형상



'나노 표면 플라즈몬‘ 이용한 투명 디스플레이


또 이 원리를 이용하면 전기·광학적 효율도 11%나 향상돼 저전력 투명디스플레이 소자를 구현할 수 있다는 점도 밝혀냈습니다.

이 기술은 최 교수팀이 지난 2009년 나노 표면 플라즈몬을 이용해 OLED의 밝기를 증가시킨 것에 대한 후속 연구 성과로, 나노 표면 플라즈몬의 차세대 디스플레이에 대한 활용 가능성을 높였다는 점에서 획기적인 연구 성과로 꼽히고 있습니다.


특히 나노 표면 플라즈몬 기술을 이용해 소자의 투명도를 유지하면서 발광체의 광 특성을 향상시켜 투명한 LCD, PDP, LED 등 미래 투명디스플레이 소자에 확대적용이 가능합니다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 세계적 권위지 '스몰(Small)' 온라인 판 3월호에 게재됐습니다.


 

 용  어  해  설

투명 디스플레이 :
빛을 내는 형광물질과 광자발광, 전계발광, 음극선 발광 원리를 이용하여 구성된 디스플레이로서 투명 재료 기술을 접목하여 발광하지 않는 상태에서는 투명하다가, 발광을 하는 경우 이미지 및 동영상을 구현할 수 있는 형태의 차세대 디스플레이 소자.
 
나노 플라즈몬 현상 :
나노 크기로 형성된 금속 나노 입자에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진공하는 유사입자를 지칭한다.
금속 나노 입자의 재질, 모양 및 주변의 굴절률에 따라 공진하는 파장이 결정되므로 특정 색상을 띠게 되고, 유도된 표면 플라즈몬은 금속 나노 입자주위로 한정되는 특징이 있다. 

진공 열증착법 :
10-4 Torr 이하 높은 진공상태에서 증착하고자 하는 물질에 열을 가하여 기화시킨 후, 기체상태의 물질이 목표 기판에 도달하여 박막으로 증착시키는 방법. 

광효율 :
소비되는 전기량(전력) 대비 빛의 밝기가 어는 정도 인지는 알려주는 물리적인 양.

희토류 금속 :
첨단 산업에서 많이 사용되는 원소로서 란타넘 계열의 금속 원소 및 스칸듐과 이트륨을 합쳐 총 17종의 금속원소를 지칭하는데, 디스플레이 산업에서는 가시광선 영역의 빛을 발광하는 형광체를 제조하는 데 사용된다.
최근 디스플레이 산업의 원자재 가격 상승 문제와 관련하여 희토류 금속의 가격이 상승에 대한 관심이 증가하고 있다.

<최경철 교수>

 

성    명 : 최 경철 ( 崔  景  喆)
생년월일 : 1964년  2월  11일
근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)
          전기 및 전자 공학과

1982. 3 - 1986. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학사
1986. 3 - 1988. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학석사
1988. 3 - 1993. 8 : 서울대학교 전기공학과/ 공학박사

<주요경력>
1993. 9 - 1995. 4 : 고등기술연구원 / 선임연구원
1995. 5 - 1998. 5 : Spectron & HPD / 책임연구원
1998. 6 - 1999. 10 : 현대전자 디스플레이 선행연구소/ 책임연구원
2000. 3 - 2005. 1 : 세종대학교 전자공학과/ 부교수
                  ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장
2005. 2 - 2009. 8 :  KAIST 전기및전자공학과 / 부교수
2009. 9 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 정교수
2011. 2 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 산학담당 부학과장
2011. 5 - 현재 : KAIST 석좌교수
2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장

<디스플레이 분야 활동 내역>
2005. 9 - 2010.12 : Associate Editor, IEEE/OSA Journal of Display Technology
2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장
2008. 1- 현재 : 한국 정보디스플레이 학회 국제협력이사/사업이사/학술이사
2000. 8 - 2005.7 : ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장
2001. 7- 현재: Program committee member, International Meeting on Information Display
2010. 1 - 현재 : Program committee member, Society for Information 
2006. 12 : Outstanding poster award, International Display Workshop 2006
2007.  4 : 산업자원부 장관상

<이성민 연구원> 

성    명 : 이 성민 ( 李 星 旻)
생년월일 : 1981년  8월  8일
근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)
          전기 및 전자 공학과

<학    력>
2000. 3 - 2007. 2 : 한양대 전기전자 컴퓨터 공학부 / 공학사
2007. 3 - 2009. 2 : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학석사
2009. 3 - 현재   : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학박사


<주요경력>
2008. 2 - 현재 : 차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터 / 연구원

<연구업적>
나노 표면 플라즈몬 관련 SCI 저널 6편 출판(1편 출판예정)


posted by 글쓴이 과학이야기

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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.


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