나노 박막 기술을 이용한 콜로이드 나노 광학 측정
이승우 교수팀, Nano Letters 논문 발표
나노 광학 물질의 새로운 측정 방법

▲ (좌측 상단부터) Nguyen Minh Thang 연구교수 (제1저자, 고려대학교), 조용덕 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 허지혁 연구교수 (제1저자, 고려대학교), 안하윤 석사과정 (제1저자, 고려대학교), 김나연 석사과정 (제1저자, 고려대학교), 노경훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 이재원 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 권민 석사과정 (공동저자, 고려대학교), 박성훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김채언 석사과정 (공동저자, 고려대학교) 김광진 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교) 김영석 박사 (교신저자, KETI), 이승우 교수(교신저자, 고려대학교)

KU-KIST융합대학원 이승우 교수팀이 수십 나노의 고분자 박막을 이용하여 나노 광학 측정에 있어 새로운 측정 방법을 도입, 이를 통해 나노 물질 측정에 있어 프리스탠딩(free-standing)과 유사한 상태를 구현했다. 이는 기존 나노 물질 측정에 있어 기존의 한계로 여겨졌던 기판 효과를 제거할 수 있으며 이를 통해 나노 물질 고유의 광 현상을 분석할 수 있는 틀을 새롭게 마련했다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지 Nano Letters (Impact Factor: 11.189)에 출판됐다.
- 저자정보 : Minh Thang Nguyen 연구교수 (제1저자, 고려대학교), 조용덕 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 허지혁 연구교수 (제1저자, 고려대학교), 안하윤 석사과정 (제1저자, 고려대학교), 김나연 석사과정 (제1저자, 고려대학교), 노경훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 이재원 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 권민 석사과정 (공동저자, 고려대학교), 박성훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김채언 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김광진 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 김영석 (교신저자, KETI) 이승우 (교신저자, 고려대학교) (총 13 명)
- 논문명 : Ultra-low-loss substrate for nanophotonic dark-field microscopy
- 논문게재지 : Nano Letters
(2023년 2월 9일 online published, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c05030)


나노 광학에 있어 나노물질의 광 특성을 정확히 분석하는 것은 매우 중요하다. 이러한 광 특성 분석은 광 현미경을 통한 분석이 진행되고 있다. 그러나 이러한 분석 방법에는 실험적 측정값과 이론적 측정값 사이 차이를 보이게 되는데, 이는 실험적 구현에 있어 물리적 한계를 갖기 때문이다. 특히 콜로이드 연구에 있어 기판은 필수적으로 사용되게 되는데 이는 콜로이드의 고유 광 특성을 분석하는 데 있어 콜로이드 광 특성 측정에 변화를 준다는 점에서 문제점으로 언급되고 있다.

이승우 교수팀은 이러한 문제점을 인식하고 이를 해결하고자 콜로이드 광 특성에 영향을 주지 않는 20nm 두께의 초박막 나노 고분자(Formvar Nanomembrane grid: FNoG) 기판을 설계했다. 이는 기존의 사용되어온 유리 기판보다 얇고 TEM grid보다 흡수가 적어 콜로이드의 광 특성을 온전하게 측정할 수 있다.

연구팀은 실제 나노 광학에 널리 쓰이는 유리 기판과 실리콘 기판, 그리고 TEM grid와 본 연구팀이 설계한 FNoG를 비교하여 실제 콜로이드들이 공기 중 떠 있는 상태, 즉 프리스탠딩(Free-standing) 상태와 유사하다는 점을 밝히며 이를 통해 순수 물질의 고유 광 특성을 측정하는 데 성공했다.

더 나아가 FNoG가 모든 물질에서 적용된다는 점을 확인하기 위해 나노 광학의 대표적인 플라즈모닉과 고 굴절 물질을 이용하여 FNoG가 보편적으로 사용 가능한 기판이라는 점도 확인했다. 플라즈모닉의 대표적인 물질로는 골드입자가 사용됐고, 고 굴절 물질로는 대표적으로 셀레늄 입자 (굴절률 ~ 2.9) 물질이 사용됐다. 두 물질의 광 특성을 실제 이론값과 실험값으로 비교하여, FNoG가 나노 물질의 산란 효율에 있어 손실이 없어서 고유의 높은 효율을 보존할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.

연구팀은 기존 광학 측정에 사용된 기판에서의 나노 물질의 산란 효율 저하 문제를 해결하고는 방안을 제안했고, 초박막 고분자(FNoG)를 통해 이러한 문제를 해결했다. 연구진은 해당 기술은 추후 메타물질연구에 있어 측정 분야의 획기적인 역할을 할 것으로 기대했다.