[논문]펨토초 레이저와 이산화탄소 레이저를 이용한 유리 내부에서의 금속 나노입자 형성

신종호; 장경식; 최정현; 김연실; 이유리; 임기수; 손익부

펨토초 레이저와 이산화탄소 레이저를 이용한 유리 내부에서의 금속 나노입자 형성
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신종호 (충북대학교 물리학과) , 장경식 (충북대학교 물리학과) , 최정현 (충북대학교 물리학과) , 김연실 (충북대학교 물리학과) , 이유리 (충북대학교 물리학과) , 임기수 (충북대학교 물리학과) , 손익부 (고등 광 기술 연구소)

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문제 정의

p>최근 나노입자의 비선형적인 성질을 이용한 연구가 활발하며 특히 비정질 재료인 유리 내부에 형성된 은 나노입자는 3차원 정보저장, 광도파로, 회절격자, 2차 조화파 발진과 나노입자 크기 제어를 통한 다양한 색 구현에 응용되는 연구가 활발히 진행되고 있다^(1,2). 본 연구에서는 유리내부에 펨토초 레이저 조사와 이산화탄소 레이저에의한 열처리를 이용하여 은 이온이 첨가된 유리내부에 은 나노입자를 형성시키는 연구를 하였다. B₂O₃,-Na₂CO_3,-Al₂O₃를 host로 사용하였으며 혼합된 시료를 도가니에 넣어 1350℃에서 가열한 후 냉각법으로 실험을 위한 유리 시료를 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 annealing 과정에서 흔히 사용하는 전기로를 사용하는 대신에 이산화탄소 레이저를 사용하여 실험을 수행하였다. 이산화탄소 레이저 빔의 출력조절과 시간적 변조를 통해 연속가열에의한 시료의 손상을 피했으며 레이저 이용의 최대 장점인 공간선택적인 annealing 을 이용하여 펨토초레이저 노출부위를 annealing 하였다.
본 연구에서는 annealing 과정에서 흔히 사용하는 전기로를 사용하는 대신에 이산화탄소 레이저를 사용하여 실험을 수행하였다. 이산화탄소 레이저 빔의 출력조절과 시간적 변조를 통해 연속가열에의한 시료의 손상을 피했으며 레이저 이용의 최대 장점인 공간선택적인 annealing 을 이용하여 펨토초레이저 노출부위를 annealing 하였다. 이산화탄소 레이저 빔이 가우시안형태이므로 중앙부위와 가장자리부분의 온도차이로 인해 나노입자 형성과 이로인한 형광특성의 차이를 확인할 수 있었다.
펨토초 레이저를 이용하여 은 이온이 첨가된 유리 내부를 대물 렌즈를 이용하여 집속 시켜 다 광자 흡수를 통해 공간선택적으로 흡수변화와 굴절율 변화를 얻을 수 이었다. 펨토초 레이저는 780 nm, 1 kHz, 130 fs를 사용하였으며 펨토초 레이저에 의해 가공된 유리 내부는 [그림 1]의 흡수 스펙트럼에서 보듯이 defect에 의한 color center가 생기고 이들을 300 ℃의 온도에서 열처리를 하면 사리지고 유리는 투명하게 변하였다. 여기서 다시 400 ℃로 열처리한 결과 노란색으로 변하면서 은 나노입자 형성에 의한 표면 플라즈몬의 흡수 밴드 형성을 관측하였다⁽³⁾.
펨토초 레이저를 이용하여 은 이온이 첨가된 유리 내부를 대물 렌즈를 이용하여 집속 시켜 다 광자 흡수를 통해 공간선택적으로 흡수변화와 굴절율 변화를 얻을 수 이었다. 펨토초 레이저는 780 nm, 1 kHz, 130 fs를 사용하였으며 펨토초 레이저에 의해 가공된 유리 내부는 [그림 1]의 흡수 스펙트럼에서 보듯이 defect에 의한 color center가 생기고 이들을 300 ℃의 온도에서 열처리를 하면 사리지고 유리는 투명하게 변하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 유리내부에 펨토초 레이저 조사와 이산화탄소 레이저에의한 열처리를 이용하여 은 이온이 첨가된 유리내부에 은 나노입자를 형성시키는 연구를 하였다. B₂O₃,-Na₂CO_3,-Al₂O₃를 host로 사용하였으며 혼합된 시료를 도가니에 넣어 1350℃에서 가열한 후 냉각법으로 실험을 위한 유리 시료를 얻었다.

성능/효과

이산화탄소 레이저 빔의 출력조절과 시간적 변조를 통해 연속가열에의한 시료의 손상을 피했으며 레이저 이용의 최대 장점인 공간선택적인 annealing 을 이용하여 펨토초레이저 노출부위를 annealing 하였다. 이산화탄소 레이저 빔이 가우시안형태이므로 중앙부위와 가장자리부분의 온도차이로 인해 나노입자 형성과 이로인한 형광특성의 차이를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 유리의 열 전도도가 매우 작아 온도의 국지화 특성영향으로 볼 수 있다.

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