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[2024. 3. 18.] 연세대 김동현 교수팀, 에너지 대전환 시대의 과제, 빛과 열의 에너지 상호 교환을 나노 기술로 관측하다! 2024.03.18

신촌 홍보팀

연세대 김동현 교수팀, 에너지 대전환 시대의 과제, 빛과 열의 에너지 상호 교환을 나노 기술로 관측하다!

- 플라즈모닉 발열에 의한 비선형 광 특성, 세계 최초로 실험적 규명 -

- 광 흡수와 근접장 강화 동시 측정 성공 -

- 나노과학 분야 최고 권위의 학술지 '나노 레터스' 커버 선정 -

연세대학교(총장 윤동섭) 전기전자공학과 김동현 교수팀이 금속 나노 구조에서의 광 흡수 및 근접장 강화 동시 측정 기술을 개발해 플라즈모닉 발열에 의한 비선형 광 특성을 세계 최초로 밝혔다.

금속 나노 구조에 빛을 입사시켜 유도하는 표면 플라즈몬은 수백 나노미터 수준에 집속(集束)되는 강한 근접장을 형성하고, 주변 환경에 대한 높은 민감도를 가진다. 이에 따라 생체 바이오 물질의 관찰을 통한 기질 특성 연구뿐만 아니라 에너지 하베스팅, 차세대 광촉매 등 다양한 연구 분야에 활용되고 있다.

그러나 표면 플라즈몬을 유도하는 과정은 필연적으로 열이 발생하고, 계산상으로 예측하기 힘든 잡음이 발생해 센서 및 이미징 시스템의 비선형적 성능 저하로 이어진다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 발열 특성 측정 기술들이 제시됐지만, 근접장 강화와 광 흡수를 동시에 측정할 수 있는 기술이 없어 플라즈모닉 발열에 의한 표면 플라즈몬의 비선형 광 특성은 여전히 난제로 꼽혔다.

김동현 교수 연구팀은 금속 나노 구조에서 발생하는 열과 근접장 강화를 측정하기 위해 각도 분해 근접장 주사 광학 현미경 시스템을 개발했다. 해당 시스템은 입사광의 각도, 편광, 파장, 출력 등을 조절할 수 있는 광 입사 시스템과 근접장 주사 광학 현미경이 결합 돼 다양한 플라즈몬 공명 형상을 유도하고 측정할 수 있다.

특히, 소리굽쇠와 연결된 조리개 기반 근접장 주사 광학 현미경 탐침은 광 흡수에 의한 종축(縱軸) 열팽창을 정밀하게 측정하며, 조리개와 커플링 된 근접장은 광섬유를 따라 광 증폭관을 통해 측정될 수 있다.

그리고 연구팀은 이 기술을 활용해 기존에는 원거리장 영역에서의 산란을 통해 비간접적으로만 측정이 가능했던 플라즈모닉 발열에 의한 비선형 광 특성을 근접장 영역에서 세계 최초로 측정하는데 성공했다. 또한 이를 광열 회귀 분석법을 활용한 시뮬레이션을 통해 검증했다.

이 새로운 기술은 기존 방법들에선 불가능했던 광 흡수와 근접장 강화의 동시 측정이 가능하며, 특히 나노 구조의 모양이나 재료와 무관하게 그 측정이 가능하다.

연구팀은 “본 연구는 첫째로 기존에는 불가능 했던 근접장 강화와 광 흡수의 동시 측정을 가능케 했다는 점과, 둘째로 플라즈모닉 발열에 의한 표면 플라즈몬의 비선형 광 특성의 실험적 규명을 했다는 점에 의의가 있다.”며 “본 연구에서 활용된 시스템은 나노 광학 분야의 핵심 기반 기술일 뿐만 아니라, 광촉매 등 화학 분야와 친환경 에너지 분야에서도 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

한편, 연구 결과는 한국연구재단 기초연구실지원사업 및 4단계 BK21 사업 'Y-BASE 지능정보 교육연구사업단’의 지원을 받아 수행됐다. 연구의 우수성을 인정받아 나노 과학 기술 분야 세계 최상위 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF=10.8, JCR 상위 7%)’ 커버로 선정됐으며, 2월 26일 온라인 게재됐다.

붙임 1. 연구진 사진 1장.

2. 논문 이미지 2장.

3. 용어 설명(보도자료 내).

4. 연구진 설명(보도자료 내). 끝.

(사진 설명)

1. (왼쪽부터) 연세대 전기전자공학과 김동현 교수, 이홍기 연구원(공동 제1저자), 임성민 연구원(공동 제1저자)

2. (그림1) 광 흡수 및 근접장 강화 동시 측정 방법의 개략도 및 플라즈모닉 발열에 의한 비선형 광특성 모식도

3. (그림2) 각도 분해 근접장 주사 광학 현미경 실험 결과

(a) 플라즈모닉 발열에 의한 비선형 광 특성 실험 결과. 입사광의 출력 및 공명 조건에 따라 각기 다른 비선형 광 특성이 보이는 것을 확인함.

(b) 나노 구조 상 각기 다른 위치에서의 광 흡수 및 근접장 강화 측정 결과. 제안하는 방법을 통해 나노 구조 상 각기 다른 위치에서의 광 흡수 및 근접장 강화를 측정했고, 회귀 광열 분석법을 통해 비선형 피크를 확인함.

(논문 정보)

논문 제목: Probing Temperature-Induced Plasmonic Nonlinearity: Unveiling Opto-Thermal Effects on Light Absorption and Near-Field Enhancement