한국연구재단은 루크 리 교수(Luke P. Lee, UC 버클리대)와 김민곤 교수(광주과학기술원) 공동연구팀이 업컨버팅 나노입자*의 발광효율을 크게 향상시킬 수 있는 초승달 모양의 나노 안테나 구조체를 개발했다고 밝혔다. 
    * 업컨버팅 나노입자 : 근적외선을 흡수하고 가시광선을 발광하는 특성을 보이는 나노 입자로 란탄 계열의 이온의 도핑되어 있음. 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용하기 때문에 자가 형광이 발생하지 않아 배경 잡음을 대폭 감소시킬 수 있음.

업컨버팅 나노입자는 강한 발광 세기, 우수한 광안정성과 조직 침투성, 생체 적합성 등의 특성이 있어 유기염료나 양자점과 같은 형광체 대체 물질로 주목받고 있으며 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지 등 다양한 연구 분야에서 응용 가능성이 높다.  
 

(그림1) 비대칭성 나노 초승달 모양의 광학 안테나업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 금을 증착한 비대칭성 플라즈모닉 나노 안테나(ANAU) 구조체는, 나노 초승달 모양의 안테나가 없는 것에 비해 나노 포커싱에 의한 조사되는 빛의 국부적인 응집 및 팁 영역으로 집중된 발광신호를 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다

그러나 두 개의 광자를 흡수한 에너지가 하나의 큰 광자로 바뀌기 때문에 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 매우 낮다는 문제점을 갖고 있다. 이에 광 결정 구조를 조절하거나 플라즈몬* 나노입자를 이용하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행됐지만, 발광 신호를 공간적으로 제어하는 데 어려움이 있었다.
    * 플라즈몬(Plasmon) : 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상을 일컬음.
 
연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노미터(nm=10억분의 1m) 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 제작되었다.
 
연구팀은 이 나노 안테나 구조체가 빛을 효과적으로 응집하고 특정 방향으로 발광 효율을 제어시킬 수 있다는 것을 확인했다. 실제 연구팀이 안테나 구조체의 팁 영역에 집중된 비대칭성 발광신호를 확인한 결과, 업컨버팅 나노입자의 발광 효율이 초승달 모양의 나노 안테나가 없을 때보다 약 16배 향상되었다.
 
루크 리 교수·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, 바이오센싱, 태양전지는 물론 암 치료 등 다양한 분야의 응용에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
 
이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(집단연구)의 지원으로 수행되었으며, 나노과학분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 8월 21일자에 게재되었다

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : Asymmetric Nanocrescent Antenna on Upconversion Nanocrystal
  - 저  자 : Luke P. Lee 교수(공동교신저자, UC Berkeley), 김민곤 교수(공동교신저자, 광주과학기술원), 방도연(제1저자, UC Berkeley), 조은정(공동저자, 광주과학기술원), 홍순권(공동저자, UC Berkeley), 변주영(공동저자, 광주과학기술원), 이재영(공동저자 , 광주과학기술원)

□ 논문의 주요 내용
  1. 연구의 필요성
   ○ 근적외선을 흡수한 후, 가시광선을 방출하는 발광 특성을 보이는 란탄족 원소가 도핑된 업컨버팅 나노입자는 바이오이미징, 바이오센싱 및 태양전지 등 다양한 연구 분야에서 응용 가능성이 높다.
   ○ 업컨버팅 나노입자는 두 개의 광자를 흡수하여 에너지가 큰 하나의 광자로 바뀌기 때문에 기존의 형광체에 비해 발광 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해, 업컨버팅 나노입자와 금속 안테나 사이의 플라즈몬(plasmon)* 상호작용을 이용하여 발광 효율을 향상시킨 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나  드롭 캐스팅(drop-casting) 방법으로는 플라즈모닉 안테나가 무작위로 형성되고, 고도로 정렬된 플라즈모닉 안테나 구조는 기판에 고정되는 있는 등 기하학적인 제한으로 인해 발광 방향 제어 및 실제 응용에 있어 어려움이 따른다.
     * 플라즈몬(plasmon) : 플라즈몬은 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상이며 표면 플라즈몬 공명은 나노 구조의 아주 작은 금속 입자 표면과 유전체 사이에 입사된 빛의 전자기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다.
 2. 연구내용
   ○ Luke P. Lee 교수, 김민곤 교수 연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 수 나노 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나 구조체(ANAU; Asymmetric Nanocrescent Antenna on Upconversion Nanocrystal)를 개발하였다. 이러한 업컨버팅 나노입자 위에 금 증착으로 형성된 플라즈모닉 광학 안테나 구조체는 조사되는 빛을 효과적으로 응집하고 ANAU의 팁 영역에 해당하는 특정 방향으로 발광효율을 제어시킬 수 있다. 
   ○ 전기장(electric field) 분포의 근거리장(near-field) 시뮬레이션 결과와 서로 다른 기하학 구조를 가지는 ANAU의 업컨버팅 발광세기를 단일 입자 분해능 수준에서 비교한 결과를 통해서 나노 포커싱에 의한 조사되는 빛의 응집효율을 증명하였다. 금 증착각도에 따른 팁간의 거리를 조절함으로써 ANAU 모양에 따른 응집 효율을 최적화하였다.
   ○ 또한 안테나에 있는 쌍극자의 비대칭성 원거리장(far-field) 방사패턴을 시뮬레이션 하여 구조체의 팁 영역으로 집중된 비대칭성 발광을 확인 하였고, 구조체의 방향에 따른 업컨버팅 발광의 광자세기를 안테나가 없는 것과 비교하여 실험적으로 증명하였다.
   ○ 개발된 ANAU의 팁 영역으로 집중된 비대칭성 발광을 통해 업컨버팅 나노입자의 발광효율을 약 16배 향상시킬 수 있었다.

  3. 연구 성과
   ○ 이 연구에서는 조사된 빛을 국부적으로 응집시키는 나노 초승달 모양의 안테나 구조체를 사용하여 업컨버팅 발광 효율을 향상시키고, 특정 방향으로 제어된 발광 세기를 생성시킬 수 있는 새로운 방향을 제시하였다.
   ○ 이 연구에서는 업컨버팅 나노입자의 낮은 발광효율로 인한 실제 응용의 한계점을 극복함으로써 바이오 이미징, 바이오센싱, 암치료, 태양전지 등 다양한 분야의 응용에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 연구결과
 1. 연구배경
  ㅇ 란탄계열의 이온이 도핑되어 있는 업컨버팅 나노입자는 근적외선을 이광자 흡수(two-photon upconversion)한 후, 가시광선을 방출하는 안티스톡스(anti-stokes) 발광 특성을 보이는 물질로써 강한 발광세기, 좁은 발광밴드, 광 깜박임과 광표백이 없는 우수한 광안정성, 뛰어난 조직 침투성, 생체적합성 등의 특징을 가진다. 또한, 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용하여 자가 형광이 발생하지 않기 때문에 배경 잡음을 대폭 감소시킬 수 있다. 이러한 우수한 장점을 토대로, 최근 업컨버팅 나노입자가 유기염료나 양자점과 같은 형광체의 대체물질로 각광을 받고 있다.
  ㅇ 그러나 도핑되는 이온의 두 개의 광자가 에너지가 큰 하나의 광자로 바뀌기 때문에 기존의 형광체에 비해 발광 효율이 매우 낮다는 한계점이 있다. 따라서 광 결정 구조를 조절하거나 플라즈모닉 나노입자를 이용하는 등 발광 효율을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
  ㅇ 그 중, 업컨버팅 나노입자와 금속 안테나 사이의 플라즈몬 상호작용을 이용하여 발광 효율을 향상시킨 연구가 진행되었지만 플라즈모닉 안테나 형성에 있어서 기하학적인 제한이 따르며 발광신호를 공간적으로 제어하는데 어려움이 있었다.

 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구팀에서는 실제 응용에 있어서 나타나는 한계들을 극복하기 위해 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 나노 두께의 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나(ANAU) 구조체를 개발하였다. 구조체는 폴리메틸메타그릴레이트(PMMA)가 코팅된 기판위에 업컨버팅 나노입자를 떨어뜨리고 PMMA의 에칭을 위해 산소 플라즈마 처리를 하여 증착되는 금 층들 사이의 연결을 막고, 구별된 업컨버팅 나노입자 위에 금을 높은 각도(60도)로 증착하여 제작되었다. 그 후, 테이프를 이용하여 구조체를 떼어내어 새로운 기판으로 옮긴 발광신호를 단일 입자 수준으로 분석하였다.
  ㅇ 상기의 방법으로 제작된 ANAU 구조체를 최적화하기 위해, 본 연구팀은 금의 증착 각도에 따른 구조체의 갭 사이즈를 조절하여 나노 포커싱에 의한 조사되는 빛의 응집 효과를 전기장 시뮬레이션 및 단일 입자 분해능 수준에서 발광신호 측정을 통해 규명하였다.
  ㅇ 상기의 방법으로 제작된 ANAU 구조체의 팁 영역과 바디영역의 발광신호를 각각 측정한 결과 나노 초승달 모양의 안테나가 없는 경우에 비해, 발광신호가 팁 영역으로 집중되어 약 16배 향상됨을 확인할 수 있었다.

 3. 기대효과
  ㅇ 이 연구결과는 조사된 빛을 국부적으로 응집시킬 수 있는 안테나 구조체를 사용하여 업컨버팅 발광 효율을 향상시키고, 특정 방향으로 제어된 발광신호를 생성시킬 수 있는 새로운 방향을 제시함으로써 암치료, 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지 등 다양한 분야의 응용에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
  ㅇ 특히, 근적외선 조사하에 자외선 영역의 빛을 발광하는 업컨버팅 나노입자와 활성산소(reactive oxygen species)를 생성하는 포르피린(porphyrin)계열의 광민감제를 본 안테나 구조체에 적용시킨다면 외부 자기장에 의해 특정 암세포에 대해 활성산소를 방출시킴으로써 효과적인 광역동치료(photodynamic therapy, PDT)도 가능할 것으로 기대된다

■미니인터뷰

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

다양한 분야에 활용가치가 있음에도 불구하고 낮은 발광효율로 인해 실제 응용에 있어 한계가 있는 업컨버팅 나노입자의 발광효율을 높이기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 중, 업컨버팅 나노입자와 금속 안테나 사이의 플라즈몬 상호작용을 이용한 플라즈모닉 안테나는 기하학적인 제한이 따르며 발광신호를 공간적으로 제어하는데 어려움이 따른다. 연구책임자는 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 조사된 빛을 국부적으로 응집시켜 업컨버팅 발광 효율을 향상시키고, 특정 방향으로 제어된 발광신호를 생성시킬 수 있는 구조체를 개발하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 금을 증착한 비대칭성 나노 안테나(ANAU) 구조체를 개발하기 위해 금의 증착 각도에 따른 구조체의 갭 사이즈를 조절하여 조사되는 빛의 포커싱 효과를 전기장 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 그 후, 단일 입자 분해능 수준에서 발광신호를 측정하여 시뮬레이션 결과를 규명하였다. 또한 제작된 구조체의 팁 영역과 바디영역의 발광신호를 안테나가 없는 경우와 비교하여 발광신호를 확인한 결과, ANAU의 팁 영역으로 발광신호가 약 16배 향상됨을 확인할 수 있었다.□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었는지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

각각의 업컨버팅 나노입자에 금을 증착하기 위해 업컨버팅 나노입자가 기판상에 균일하게 분포하는 것이 중요하다. 이를 위해, 균일한 업컨버팅 나노입자의 합성 및 소수성인 업컨버팅 나노입자를 기판상에 드롭 캐스팅에 의해 잘 퍼지게 하기 위해 표면개질을 하여 물에 잘 분산될 수 있도록 하였다. 또한, 향상된 발광신호의 측정을 위해 금의 증착 각도에 따른 구조체의 갭 사이즈 및 구조체의 방향 (팁 또는 바디 영역)에 따른 발광신호 등을 최적화하고 이를 단일 분자 수준에서 확인하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구는 나노초승달 안테나의 모양에 따라 빛의 응집 효율을 연구하고, 나노 구조체의 방향에 따른 업컨버팅 발광 세기를 규명한 것이다. 현재까지 2D 기판에서 비대칭 원거리장 방사 패턴을 연구한 보고는 많이 있지만 나노입자 수준에서는 가능하지 않았다. 이번 연구 결과는 기하학적으로 제어된 나노 안테나 구조체를 이용하여 업컨버팅 발광효율을 향상시키는 새로운 방향을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이번 연구결과는 암치료, 바이오이미징, 바이오센싱, 태양전지 등 다양한 분야의 응용에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 연구팀은 그 중 근적외선 조사 하에 자외선 영역의 빛을 발광하는 업컨버팅 나노입자와 활성산소(reactive oxygen species)를 생성하는 광 민감제를 개발된 ANAU 구조체에 적용시켜 외부 자기장에 의해 특정 암세포에 대해 활성산소를 방출시킴으로써, 암세포의 효과적인 광역동치료(photodynamic therapy, PDT)가 가능하도록 연구를 진행할 예정이다.

용 어 설 명
1. 업컨버팅 나노입자 (Upconverting nanoparticles)
 ○ 근적외선을 이광자 흡수(two-photon upconversion)한 후, 가시광선을 방출하는 안티스톡스(anti-stokes) 발광 특성을 보이는 나노 입자로써 란탄계열의 이온이 도핑 되어 있다. 광원으로 낮은 에너지의 근적외선을 사용하기 때문에 자가형광(autofluorescence)이 발생하지 않아 배경 잡음이 대폭 감소하며 광 깜박임과 광표백이 없는 높은 광안정성, 우수한 조직 침투 능력, 낮은 독성 등의 장점으로 인해 유기염료나 양자점과 같은 형광체의 대체물질로 각광을 받고 있다.

2. 플라즈몬 (Plasmon)
 ○ 플라즈몬은 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상이며 표면 플라즈몬 공명은 나노 구조의 아주 작은 금속 입자 표면과 유전체 사이에 입사된 빛의 전자기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다.

그 림 설 명

(그림1) 비대칭성 나노 초승달 모양의 광학 안테나업컨버팅 나노입자 위에 초승달 모양으로 금을 증착한 비대칭성 플라즈모닉 나노 안테나(ANAU) 구조체는, 나노 초승달 모양의 안테나가 없는 것에 비해 나노 포커싱에 의한 조사되는 빛의 국부적인 응집 및 팁 영역으로 집중된 발광신호를 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.

(그림2) ANAU를 이용한 조사된 빛의 나노 포커싱 및 향상된 비대칭성 발광신호 ANAU 구조체의 최적화를 위해 금의 증착 각도에 따른 구조체의 갭 사이즈를 조절하여 조사되는 나노 포커싱에 의한 빛의 응집 효과를 단일 입자 분해능 수준에서 발광신호를 측정하여 규명하였다. 또한, 제작된 구조체의 팁 영역과 바디영역의 발광신호를 안테나가 없는 경우와 비교하여 발광신호를 확인한 결과, ANAU의 팁 영역으로 발광신호가 약 16배 향상됨을 확인할 수 있었다

김민곤 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 광주과학기술원
 ○ 전 화 : 062-715-3330
 ○ e-mail : mkim@gist.ac.kr

2. 학력
 ○ 1986 ~ 1990 : 연세대학교 학사 (화학공학)
 ○ 1990 ~ 1992 : 포항공과대학교 석사 (화학공학)
 ○ 1992 ~ 1996 : 포항공과대학교 박사 (화학공학)
 ○ 1997 ~ 1998 : 한국생명공학연구원 박사 후 연구원

3. 경력사항
 ○ 1998 ~ 2000 : (주)녹십자 과장
 ○ 2001~  2001 : 한국전자통신연구원 선임연구원
 ○ 2002 ~ 2011 : 한국생명공학연구원 선임/책임 연구원
 ○ 2003 ~ 2011 : 과학기술연합대학원대학교 (UST) 나노바이오 공학 부교수
 ○ 2011 ~ 2014 : 광주과학기술원 부교수
 ○ 2011 ~ 2015 : 광주과학기술원 고등광기술연구소 바이오광학 연구실장
 ○ 2012 ~ 현재 : (주)인지바이오 대표이사
 ○ 2014 ~ 현재 : 광주과학기술원 화학과 교수

4. 전문분야 정보
 ○ 바이오센서 및 바이오칩 개발 (질병진단, 식품 유해물질 측정, 환경 모니터링)

5. 연구지원 정보 
 ○ 2013 ~ 2019 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실사업)

 

Luke P. Lee 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                         
 ○ 소 속 : University of California, Berkeley           
 ○ 전 화 : 1-510-642-5855
 ○ e-mail : lplee@berkeley.edu

2. 학력
 ○ 1996 : B.A. in Biophysics at UC Berkeley
 ○ 2000 : Ph.D. in Applied Science & Technology (Applied Physics (major) & Bioengineering (minor)) at UC Berkeley

3. 경력사항
 ○ 1986 ~ 1990 : Technical Staff, TRW Space & Technology, Redondo Beach, CA
 ○ 1990 ~ 1996 : Technical Staff, Conductus Inc., Sunnyvale, CA
 ○ 1999 ~ 2004 : Assistant Professor, Bioengineering, UC Berkeley
 ○ 1999 ~ 현재 : Co-Director, Berkeley Sensor & Actuator Center, UC Berkeley
 ○ 2001 ~ 2009 : Director, Biomolecular Nanotechnology Center, UC Berkeley
 ○ 2004 ~ 2005 : Associate Professor, Bioengineering, UC Berkeley
 ○ 2005 ~ 2010 : Lester John and Lynne Dewar Lloyd Distinguished Professor, UC Berkeley
 ○ 2006 ~ 2007 : Chair Professor of Systems Nanobiology, ETH Zürich
 ○ 2010 ~ 현재 : Arnold & Barbara Silverman Distinguished Professor, UC Berkeley
 ○ 2017 ~ 현재 : Associate President, National University of Singapore
 ○ 2017 ~ 현재 : Director, Biomedical Institute for Global Health Research & Technology (BIGHEART), National University of Singapore

4. 전문분야 정보
 ○ Bionanophotonics, plasmonic resonant energy transfer(PRET), rapid photonic PCR, optofluidics, microfluidics for quantitative life sciences, and integrated molecular diagnostics systems

5. 연구지원 정보 
 ○ 2013 ~ 2019 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(글로벌연구실사업)
 ○ 2014 ~ 2019 : Air Force Office of Scientific Research Grants