나노 안테나 통해 근적외선서 가시광선으로 변환 효율 16배 높여

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금 증착 각도에 따른 발광 효율을 비교한 사진이다. 60˚에서 가장 발광 정도가 큰 것을 볼 수 있다.

화학과 김민곤 교수팀이 UC버클리 루크 리 교수(Luke P. Lee)팀과 함께 업컨버팅 나노입자의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있는 나노 안테나 구조체를 개발했다.

업컨버팅 나노입자의 발광 효율 향상이 관건
업컨버팅 나노입자는 두 개의 낮은 에너지의 근적외선 광자를 흡수한 후, 가시광선을 방출하는 안티스톡스 발광 특성을 보이는 나노 입자로써 란탄계열의 이온이 도핑되어 있다. 업컨버팅 나노입자는 낮은 에너지를 주입했을 때 높은 에너지를 방출하는 특성을 갖고 있는데, 이 특성을 통해 환자의 신체 내부를 장시간 동안 모니터링 가능하다. 특히 암 치료나 줄기세포, 면역세포를 이용한 세포 치료 과정 모니터링에는 이런 장시간의 모니터링이 반드시 필요하다. 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용하기 때문에 자가 형광이 발생하지 않아 배경 잡음이 대폭 감소하며 광깜빡임과 광표백이 없는 높은 광안정성, 우수한 조직 침투 능력, 낮은 독성 등의 장점을 갖고 있다.

그러나 두 개의 낮은 에너지의 광자가 하나의 큰 에너지를 가진 광자로 바뀌는 과정에서 발광 효율이 매우 낮아지는 문제가 있다. 따라서 그동안 광 결정 구조를 조절하거나 플라즈몬1) 나노입자를 이용하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행돼왔
지만, 드롭캐스팅에 의해 플라즈몬 안테나를 무작위로 배열하거나 기판에 안테나 구조체를 고정시켜 배열하는 과정에서 발광 신호를 공간적으로 제어하는 데 어려움이 있었다.

나노 단위 두께의 금 증착, 암 치료 등 응용 기대

금 증착 각도에 따른 발광 효율을 비교한 사진이다. 60˚에서 가장 발광 정도가 큰 것을 볼 수 있다.
금 증착 각도에 따른 발광 효율을 비교한 사진이다. 60˚에서 가장 발광 정도가 큰 것을 볼 수 있다.

연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노미터 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나 구조체(ANAU)를 개발하는 데 성공했다. ANAU는 투명 고분자가 코팅된 기판 위에 업컨버팅 나노입자를 떨어뜨리고 이 위에 금을 증착하는 방식으로 제작되었고, 이 나노 안테나 구조체가 빛을 효과적으로 응집하고 특정 방향으로 발광 효율을 제어시킬 수 있다는 것을 확인했다. 금 증착 당시 각도를 0˚, 20˚, 40˚, 60˚로 나누어 전자기장 시뮬레이션과 발광 신호 측정을 통해 가장 효율적인 각도인 60˚를 선택했다. 실제로 안테나 구조체의 팁 영역에 집중된 비대칭성 발광 신호를 확인한 결과, 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 초승달 모양의 나노 안테나가 없을 때보다 16.1배 향상되었다.

이번에 개발된 초승달 모양의 나노 안테나 구조체를 UV를 방사하는 업컨버팅 나노 입자 및 포르피린 감광제를 생성하는 활성 산소(ROS)와 조합하면, 외 부 자기장에 의해 제어되는 세포벽과 같은 특정 표적에 ROS를 방출하여 효율적인 광역학치료가 가능할 것으로 기대된다.

김민곤 교수는 “기하학적으로 조절된 나노 안테나 구조체를 이용하여 발광 효율을 향상시키고, 특정 방향으로 제어된 발광 신호를 생성할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것으로, 앞으로 바이오이미징, 바이오 센싱, 태양전지는 물론 암 치료 등 다양한 분야의 응 용에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 전했다.

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이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(집 단연구)의 지원으로 수행되었으며, 나노과학분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 8일자에 게재되었다.

1) 플라즈몬(Plasmon) : 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상.

추성윤 수습기자
atom7958@gist.ac.kr