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

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)