고려대 화학과 정광섭 교수-경상대 화학과 김주영 교수 연구팀
고려대 화학과 정광섭 교수, 경상대 화학과 김주영 교수 연구팀은 퀀텀닷의 구조변화 및 전자밀도 증가를 유도하여 전자전이의 특성과 국소 표면 플라즈몬 공명이 함께 나타나는 양자-플라즈몬(Quantum Plasmon) 현상을 관찰하였다고 밝혔다.
중세 교회와 대성당의 스테인드글라스는 플라즈몬 공명이라는 현상에 의한 결과인데, 이 현상은 금속 표면에 있는 전자들의 집단적인 공명에 의하여 일어난다. 이렇게 금속과 같은 전자밀도가 높은 물질들은 수 나노미터 정도로 작아지면 크기에 따라서 색이 변하게 된다.
반면, 반도체 나노입자(콜로이드 양자점, 퀀텀닷)은 제한된 공간에서 전자와 정공이 갇혀 운동에너지가 커지는데, 이에 따라 기존의 물질에 비교하여 큰 에너지를 갖게 된다. 플라즈몬 현상과는 달리, 양자점은 빛을 조사하면 물질의 종류 및 크기에 따라서 다양한 색을 내뿜는다. 즉, 빛의 파장을 조절할 수 있으며, 차세대 QLED TV의 주된 광학재료가 바로 이 콜로이드 양자점이다.
기존의 퀀텀닷은 전자밀도가 증가하는 도중에 내부의 전자가 외부 요인에 의해서 빠져나가는 산화 현상때문에 전자밀도를 높이기 어려웠지만, 정광섭 교수 연구팀은 은 셀레나이드 퀀텀닷에 대하여 물질 조성을 세밀하게 조정함에 따라 자가도핑(Self-doping)을 성공한 바 있다. 여기에서 그치지 않고, 은 셀레나이드 콜로이드 양자점의 흡수 파장이 적외선 영역에서 미세하게 다른 두 파장으로 갈라지는 현상을 관찰하며, 이러한 현상이 물질의 구조변화에 의한 결과임을 밝혔다.
이는 구체적으로는 기존에 밴드 내 전이* 에너지 준위가 같아서 서로 겹쳐져 있었는데 물질이 비대칭적으로 변함에 따라서 각 에너지 준위가 갈라지게 되었다. 이것은 바로 양자적인 성질이 극대화되는 현상이며 향후 다진수 양자 메모리로 사용이 가능할 수 있음을 보여준다.
* 밴드 내 전이(Intraband transition) : 컨덕션 밴드나 밸런스 밴드 내에서 불연속 에너지 준위 간 발생하는 전자 전이이며 콜로이드 퀀텀닷에서 일정상태 밴드 내 전이가 관찰 가능하다는 것이 2014 년에 밝혀졌다.
또한 구조가 변화함과 동시에 전자밀도가 증가하는 양상을 보였는데, 밀도가 증가함에 따라 양자적인 성질과 동시에 국소 표면 플라즈몬 현상이 함께 나타나는 것을 확인하였다. 이는 결과적으로 나노 양자물질인 콜로이드 양자점의 더 많은 에너지 준위를 사용할 수 있게 하였으며, 반도체와 금속 나노물질의 성질을 선택적으로 활용할 수 있다는 가능성을 보여주었다.
정광섭 교수는 “저독성 은칼코게나이드 콜로이드 퀀텀닷*의 구조에 따른 축퇴 깨짐 현상과 동시에 관찰되는 양자 플라즈몬 현상은 물리화학, 재료화학 및 광학분야에서 양자나노물질의 활용 범위를 더 넓혀 줄 수 있을 것으로 기대”하고 있다고 말하였으며 “끊임없이 함께 고민하고 노력해온 손주희, 최동선, 박미현 대학원생과 경상대학교 김주영 교수님께 감사를 드린다” 고 전했다.
* 콜로이드 퀀텀닷 : 화학적 습식합성으로 형성된 수 나노미터 크기의 영차원 구형 반도체 나노물질, TV, 디스플레이, 태양전지 내 에너지 변환 물질로 사용된다.
관련 연구 논문은 교육부와 한국연구재단에서 추진하는 이공학개인기초연구지원사업(한국형 SGER)과 과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업(단장: 정소희)으로 수행됐으며 나노과학 분야 국제학술지 ‘Nano Letters’에 6월 9일자로 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Transformation of Colloidal Quantum Dot: From Intraband Transition to Localized Surface Plasmon Resonance
* 저자정보 : 손주희(고려대학교 화학과, 공동 1저자), 최동선(고려대학교 화학과, 공동 1저자), 박미현(고려대학교 화학과, 공동저자), 김주영(경상대학교 화학과, 공동저자), 정광섭(고려대학교 화학과, 교신저자)
