| 초록 |
□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 - 우수한 화학적/전기적 성질을 가지는 박테리오파지 등 바이오 물질을 주형으로, ① 2종 혹은 그 이상의 나노입자로 이루어진 Bio-plasmonic building block 개발 - 이종 금속 나노입자 사이에서 발생하는 독특한 ② Near-feild enhancement 및 ③ Hot electron dynamics 등 빛-물질 상호작용 및 동역학적 특성 규명 - 3차원 프린팅 공정중 플라즈모닉 슈퍼구조의 ④ 자기 조립 메커니즘 규명 및 ⑤ 대면적 3차원 구조체 어레이 기술 개발 - 최종적으로는, 바이오-플라즈모닉 슈퍼구조의 동역학적 / 광학적 특성을 규명하여 제어하고 3차원 프린팅을 통해 친환경 광촉매 등에 적용 가능한 광학 소재로 최적화 ◼ 전체 내용 - 금, 은 등의 플라즈모닉 나노입자는 빛에너지를 수집 및 방출하는 특성이 뛰어나 광촉매, 태양전지, 메타 물질 등의 다양한 광학 응용 분야에 걸쳐 널리 사용됨 - 특히 플라즈모닉 슈퍼구조에서는 강한 근접장 향상 효과 및 Subradiant mode에 의해 발생하는 hot electron이 풍부한 특성 등 특이한 물리 현상이 나타남 - 플라즈모닉 슈퍼구조의 근접장 향상 효과 및 hot electron의 특성을 이용하기 위해서는 기능성 입자 및 물질을 구조체의 “hot spot”에 위치시킬 필요가 있음 - 이러한 이유에서 플라즈모닉 “hot spot”에 기능성 입자를 통합하는 안테나-반응기 (Antenna -reactor) 이종 시스템의 연구가 활발히 진행되고 있음 - 높은 효율을 가지는 소재의 설계를 위해서는 플라즈모닉 구조의 간격 및 핫스팟의 분포 및 구조 동역학 등에 관한 정보가 매우 중요함 - 슈퍼구조 제작은 복잡한 리소그래피 공정이나 화학 합성 과정이 요구되며, 현재까지 개발된 이종 시스템에 다양한 물질들을 적용하기 어려움.즉, 폭넓은 물질들에 걸친 빛-물질 상호작용 연구가 제한됨 - 이에 더해 플라즈모닉 슈퍼구조는 복잡한 3차원 구조로 이루어져 있으며 이를 이종 슈퍼구조로 제작하는 것은 더욱 어려움 - 물질의 제약 없이 다양한 이종 슈퍼구조를 준비할 수 있는 효율적인 신방법론이 필요함 - Bio-plasmonic building block 및 3차원 프린팅 기술을 통해 물질의 제약 없이 다양한 이종 슈퍼 구조를 효과적으로 제작할 수 있음 - 광주파수 빗 기술을 통해 슈퍼구조의 입자간 간격 및 hot spot의 분포를 규명하고 이를 바탕으로 슈퍼구조를 최적화하는 것이 가능함 - 이를 통해 기존에 없던 탁월한 이종 슈퍼구조의 빛-물질 상호작용 및 동역학적 특성을 규명하고 이를 바탕으로 고성능/고효율 광학 소재를 개발할 수 있음 ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 - 바이오 물질을 주형으로 하는 이종 나노입자 슈퍼구조체 개발 - 개발된 이종 나노입자 슈퍼구조체의 빛-물질 상호작용 연구 - 3차원 프린팅을 통한 슈퍼구조체 제작 및 자기 조립 메커니즘 규명 ❏ 연구 내용 - 플라즈모닉 입자 : 이종 입자 = 40:60에서 플라즈모닉 입자 : 이종 입자 = 60:40에 해당하는 균일한 원소 비율 달성 - FDTD 시뮬레이션, PL lifetime 분석 및 광주파수 빗 등의 분석 및 측정법을 도입해 슈퍼구조체의 광학 특성 규명 - 다양한 물질 및 형태로 구성된 나노 입자들을 공정에 적용함으로써 2단계 응용 연구 수행에 필요한 기반 기술 확보 - 3차원 프린팅을 통한 슈퍼구조체 제작 및 확산 방정식 등을 활용한 나노 입자 자기 조립 메커니즘 규명 ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 - 1단계에서 확립한 3차원 프린팅 기반 슈퍼구조체 제작 기술을 통해 다양한 응용 분야 개척 - 광학 메타 소재 개발 - 질병 진단/환경 검사용 surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS) 플랫폼 개발 - 수소 분해 광촉매 소재 개발 - 대면적 슈퍼구조체 array 공정 조건 확립을 통해 메타 표면 개발 ❏ 연구 내용 - 비금속 나노입자 및 금속 나노입자로 이루어진 이종 슈퍼구조체 개발을 통해 광학 메타 소재 구현 - 금속 나노입자가 조밀 입방형으로 조립된 슈퍼구조체 사이에 감지 대상인체 유래 물질 및 환경 인자 등이 효과적으로 배치된 광학 구조체를 통해 높은 민감도의 질병 진단용 혹은 환경 검사용 센서 개발 - 빛 에너지를 효율적으로 수집 가능한 금속 나노입자(플라즈모닉 나노입자)와 촉매 나노입자(팔라듐 등)로 구성된 이종 슈퍼구조체의 개발을 통해 광촉매 소재 개발 - 비금속 나노입자 슈퍼구조체를 넓은 면적에 대량 제작함으로써 렌즈, 홀로그램, 구조화 빛 등의 응용 분야에 적용 가능한 메타 표면 개발 □ 연구성과 - 바이오소재 (M13 bacteriophage)와 금속 나노입자로 이루어진 바이오 플라즈모닉 슈퍼구조체 개발 (1년차 연구 목표 달성) - FDTD 시뮬레이션 및 PL lifetime 분석을 통해 개발된 슈퍼구조체의 광학적 특성을 분석하고 응용 가능성이 높은 분야들 제시 (2년차 연구 목표 달성) - 3차원 프린팅을 통한 슈퍼구조체 제작 및 확산 방정식 등을 기반으로 자기 조립 메커니즘을 규명 (3년차 연구 목표 달성) - 상기 연구 성과들을 기반으로 6편의 국제 SCIE 논문 게제 (Small (IF: 13.3), Small (IF: 13.3), Nano Letters (IF: 10.8), Small Structures (IF: 15.9), Nanoscale (IF: 6.7), Nanomaterials(IF: 5.3)) □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 - '이종금속 클러스터'에서 발생하는 새로운 형태의 물리적 현상 해석 - '슈퍼구조화'에 따른 빛/물질의 집단전 거동 및 조립 양상 규명 - 경제적이고 효과적인 방법론 제시를 통해 연구 진입장벽을 낮추고 해당 학문 분야 발전에 이바지 - 두가지 (혹은 그 이상) 물질로 구성된 자기 조립용 building block 준비 방법을 제시하여 자기 조립 접근법이 가지는 한계(coffee ring effect에 의한 물질 불균형 등) 극복 - 3차원 프린팅에 기반한 새로운 형태의 colloidal self-assembly 방법론 - 제시하는 방법론은 광범위한 물질들에 적용 가능하므로 광학 이외의 분야에도 널리 활용 가능함 - 빛-물질 상호작용과 연관된 다양한 분야에 적용 가능 - 금속 나노입자를 중심으로 하는 플라즈모닉 광촉매, 센서 및 태양전지 - 비금속 나노입자를 중심으로 하는 유전체 메타물질 등 (출처 : 요약문 2p) |
