초록 ▼

○ 본 연구과제는 입자 구성 성분을 합금으로 함으로써 순수한 금속 나노입자의 크기와 모양 변화로는 쉽게 얻을수 없는 편재 표면플라즈몬 공명 파장의 미세 조정에 대하여 연구 조사하였음. 이를 위하여 합금의 전자 구조를 계산하고, 공명 파장 계산을 위해 필요한 합금의 유전율을 구하였음. 유전율을 합금의 종류와 성분비로 조절할 수 있다면, 이것은 크기와 모양과 함께 금속 나노입자의 편재 표면플라즈몬 공명을 제어할 수 있는 제3의 수단이 될 것임.
○ 우리는 DFT 양자역학 계산으로 합금의 전자 구조를 얻은 후, 띠구조로부터 유전율

○ 본 연구과제는 입자 구성 성분을 합금으로 함으로써 순수한 금속 나노입자의 크기와 모양 변화로는 쉽게 얻을수 없는 편재 표면플라즈몬 공명 파장의 미세 조정에 대하여 연구 조사하였음. 이를 위하여 합금의 전자 구조를 계산하고, 공명 파장 계산을 위해 필요한 합금의 유전율을 구하였음. 유전율을 합금의 종류와 성분비로 조절할 수 있다면, 이것은 크기와 모양과 함께 금속 나노입자의 편재 표면플라즈몬 공명을 제어할 수 있는 제3의 수단이 될 것임.
○ 우리는 DFT 양자역학 계산으로 합금의 전자 구조를 얻은 후, 띠구조로부터 유전율 허수부 ε₂를 먼저 구한 다음, 이것으로부터 Kramers-Kronig 관계식을 통하여 실수부 ε₁를 구하였음. 추가로 띠사이 전이의 유전율 실수부 ε₁에 대한 기여를 계산하여 ε₁를 완성하였음. 위에서 얻은 합금나노입자를 위한 유전율을 이용하여 합금 나노입자의 광학성질을 Mie이론과 수치적인 전자기학 계산 DDA, FDTD, BEM등을 이용하여 구하였음.
○ 유전율(permittivity)을 입사광의 파장의 함수로 표현하고, 유전율로부터 금-구리의 합금 나노 입자의 광학성질을 Mie theory로 계산하였을 때, 편재 표면플라즈몬 공명은 구리 성분 비율이 증가함에 따라 (입자의 크기와 모양이 그대로 유지됨에도 불구하고) 청색이동(blue-shift)함였음. 이는 가시광선 전 영역에서 흡수, 산란, 소광의 조정이 가능하고 흔한 적색이동 뿐 아니라 청색이동도 원하는 위치에 유도할 수 있음을 보여주는 것임.
○ 본 과제의 가장 큰 성과로는 우리가 벌크 금속의 광학적 성질이 합금이 되어 달라질 수 있다는 사실을 인지하는 상황에서 나노 스케일 합금 구조체의 합성을 수행할 경우 얻게 될 광학적 성질을 순이론적으로 얻었다는 점임. 이 연구를 통하여 우리는 동일한 모양, 동일한 크기의 입자를 만들었다 가정하더라도 그 성분의 종류와 구성 성분의 비에 따라 광학적 성질은 다양하게 바뀔 수 있다는 점을 알게 되었음. 사실상 가시광선 전 영역에서 흡수 및 산란의 파장 조정이 가능하며, 적색이동과 함께 청색 이동의 방향성애 대한 지식도 인지하고 습득할 수 있었음. 금속 고유의 성질인 유전율에 변화를 주는 것은 금속의 광학 성질 조정에 또 하나의 자유도를 부여하는 흡미롭고 유용한 방법임을 알게 되었음.
○ 본 연구과제의 성과는 합금 나노 입자의 광학 성질을 이론적으로 계산하는 것이 가능하고 이를 통하여 순수 금속 나노입자가 도달할 수 없는 광학 성질을 갖는 합금을 제안하거나 실험으로 그것을 구현하는데에 있어 합리적인 길잡이가 된 것임. 국내외를 막론하고 나노입자를 합금으로 구현할 경우 광학 성질의 추가적인 조정 가능성에 대한 연구와 시도는 사실상 없었고 이론적인 연구가 순수 금속들의 선형결합의 근사법에 머물고 있음을 감안하면 나름대로 중요한 연구로서 자리매김했다고 볼 수 있음.
○ 벌크 합금의 전자구조 및 유전율 계산에 비하여, 합금 나노입자 자체의 전자구조 및 유전율 계산은 예상과 다르게 상당히 큰 도전으로 인지되었음. 현재 이 도전적 연구분야는 보충 연구 중이며 추가 논문발표를 통하여 규명해 나갈 예정임.
○ 본 연구 결과를 통하여 나노 플라즈모닉스(nano-plasmonics) 분야의 외연을 확대할 수 있으며 금속나노 입자의 산업적 응용을 위한 디자인 및 설계를 지원할 수 있음. 광학 계산의 일상화를 이루고, 개발된 응용프로그램을 상용화하는 것이 가능함. 나아가 전자기파를 다루는 관련 산업계에 이론적 배경공급할 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 3P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 11