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 현상 때문에 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.

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.

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.

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