새로운 광원으로서의 나노결정

[아이팍스]

새로운 광원으로서의 나노결정

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-05-11

수 십년 동안 과학자들은 특이한 광학 거동인 "깜박임(blinking)"으로 인해 개개 분자로부터 연속적으로 빛을 방출시키는데 성공하지 못했었다. 하지만, 최근 이러한 현상을 지배하는 기본적인 물리법칙을 밝혀낸 로체스터대(University of Rochester) 연구진은 코닥과 연계하여 연속적으로 빛을 방출하는 나노결정(nanocrystal)을 제조할 수 있었다.

Nature에 보고된 이번 연구 결과는 저렴한 다기능의 레이저, 보다 밝은 LED 조명, 약이 세포와 어떻게 상호작용하는 지를 추적할 수 있는 생물학 표지자 등에 활용될 것으로 기대되고 있다.

결정 뿐 아니라 분자들은 광자(photons)를 흡수하거나 혹은 조사한다. 그러나 이들은 광자를 흡수할 때 임의적 주기성(random periods)을 갖게되는 반면에 광자 조사의 경우 이들의 에너지는 열로 변환된다. 이러한 "다크" 주기성은 분자가 조사하는 주기성과 반복되기 때문에 이들은 켜지고 꺼지는 깜박거림을 나타내게 된다.

광자 에너지만을 흡수하는 나노결정은 과도한 에너지 즉, 빛 혹은 열의 방출을 자체적으로 제거할 수 있다고 로체스터대 토드 클라우스(Todd Krauss)는 말한다. 나노결정이 열로서 에너지를 방출하게 되면, 이러한 에너지는 실제로 소실된다.

나노결정 전문가인 클라우스 그리고 광전자 재료 전문가인 코닥의 케이쓰 카헨(Keith Kahen) 연구진은 유기광 방출 다이오드와 유사하지만, 짧은 수명 및 제조 어려움이 없는 새로운 형태의 저가 광원을 실험하였다. 실제로 클라우스 실험실의 박사 후 연구원생들은 이를 위해 다양한 조성의 나노결정을 합성한 후 나노결정의 특성을 조사한 결과 깜박임 현상이 나타나지 않는다는 것을 알 수 있었다. 4 시간 동안을 검사할 지라도 이번에 개발된 나노결정은 단 한번의 깜박임도 나타나지 않았다.

해군 연구소(Naval Research Laboratory) 알렉산더 에프로스(Alexander Efros)와 공조한 클라우스 연구진은 깜박거림이 발생하지 않는 이유를 나노결정의 특이한 구조에 기인하는 것으로 결론 내렸다. 일반적으로 나노결정은 중심의 반도체 재료가 또 다른 보호 껍질에 감싸진 형태를 취하고 있어, 두 경계가 뚜렷이 구별된다. 하지만, 이번에 개발된 나노결정에선 카드뮴 셀레니드(cadmium selenide) 중심과 아연 셀레니드(zinc selenide)이 껍질이 연속적으로 분포하고 있다. 이러한 구조는 광자가 조사되는 것을 방지하며, 이로써 광자는 흡수된 만큼 방출된다.

깜박거림이 없는 나노결정을 이용하면 레이저 및 기타 광원은 저렴하고 용이하게 제조될 수 있다고 연구진은 말한다. 현재 상이한 색상의 레이저 광원은 다른 물질과 공정을 통해 제조되고 있지만, 이번에 개발된 나노결정을 사용하면 한 번의 제조 공정만으로도 어떠한 색상의 레이저도 제조할 수 있다. 색상을 변경하기 위해선 단지 나노결정의 크기만을 변화시키면 된다.

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깜박거리지 않는 나노결정의 모식도.

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