초록 ▼

● 플라즈몬 나노구조를 사용하면 빛을 파장보다도 훨씬 작은 공간에 가둘 수 있어 광학 분자센서 응용에 매우 적합함. 현재까지는 주로 가시광선 근처에서 금속 나노구조를 이용한 연구가 이루어졌으나, 실용적인 고성능 센서응용에는 한계가 있었음
● 중적외선(mid-infrared) 영역의 플라즈몬 공명현상은 상대적으로 연구가 덜 진행되었으나, 이 영역에서는 대부분의 분자들이 진동흡수 공명을 가지므로 그린 가스센서 응용에 중요함
● 그래핀은 중적외선 영역에서 플라즈몬 모드를 갖으며 진공에 비해 빛의 파장이 1/100 정도로 작아서

● 플라즈몬 나노구조를 사용하면 빛을 파장보다도 훨씬 작은 공간에 가둘 수 있어 광학 분자센서 응용에 매우 적합함. 현재까지는 주로 가시광선 근처에서 금속 나노구조를 이용한 연구가 이루어졌으나, 실용적인 고성능 센서응용에는 한계가 있었음
● 중적외선(mid-infrared) 영역의 플라즈몬 공명현상은 상대적으로 연구가 덜 진행되었으나, 이 영역에서는 대부분의 분자들이 진동흡수 공명을 가지므로 그린 가스센서 응용에 중요함
● 그래핀은 중적외선 영역에서 플라즈몬 모드를 갖으며 진공에 비해 빛의 파장이 1/100 정도로 작아서 매우 강한 전자기장 증대효과를 가짐
● 적외선 영역에서는 기존의 금속 뿐 아니라 그래핀도 플라즈몬 물질로 쓸 수 있다는 것이 최근에 알려지게 되었음. 그래핀 플라즈몬의 파장은 진공에서의 빛의 파장 보다 매우 작으며 (~ 1/100배), 그 만큼 빛을 작은 공간에 가둘 수 있게 되어 응용 가치가 매우 큼. 최적화된 그래핀 공명나노구조에서는 전기장 증대효과가 |E/E₀|²~10⁸ 배에 이를 수 있음이 보고된 바 있음. 분자의 진동흡수는 전기장의 크기(|E/E₀|²)에 비례하므로 그래핀 나노구조는 중적외선 진동흡수 센서 연구에 매우 중요함. 또한 gate bias로 광학적 성질을 조절할 수 있으므로, 그래핀을 능동형 광전자소자에 쓰려는 연구도 진행되고 있음.
● 단일 원자층인 그래핀은 입사하는 빛과 약하게 상호작용함. 최근에 그래핀을 이용한 완전흡수체(perfect absorber)에 대한 연구들이 진행되기 시작했음. 그래핀 패턴을 만들거나 그래핀을 패턴된 기판 위에 얹어서 완전흡수체를 만들 수 있음. 그래핀 완전흡수체의 광학적 특성에 대한 논문 보고는 최근에 있었지만, 아직 그래핀 완전흡수체의 전기적 특성은 자세히 조사된 바는 없음. 완전 흡수체를 이용하면 빛과 원자 단일층 그래핀과의 상호작용을 획기적으로 늘릴 수 있으며, 이는 그래핀 상에 생기는 광전류(photocurrent), 광전압(photovoltage) 등에 영향을 미칠 것으로 예상됨. 이런 연구들은 획기적인 소자나 센서의 개발로 이어질 수 있는 중요한 연구 주제들임.
● 본 과제는 그래핀 패턴에서 나타나는 플라즈몬 공명모드의 특성을 이해하고 센서에 응용하고자 하는 창의적인 연구임. 1, 2차년도 연구에서는 그래핀 소자의 제작 및 그래핀 패턴의 전산모사, 광전류 및 FTIR 측정 설비 구축을 진행하였고, 이를 토대로 3차년도에서는 그래핀 패턴을 이용한 센서 응용을 연구함.
● 그래핀 패턴에서 나타나는 플라즈몬 모드에 대한 연구는 아직 시작단계에 있으며, 많은 기초 및 응용연구가 필요함. 본 연구를 통해 관련 기초 조사 및 측정 설비 구축을 완료하였음. 이는 나노광학의 다른 연구 주제에도 유용하게 쓰일 수 있음. 또한 단일층 그래핀의 원활한 공급을 위해 열화학 증착기(Thermal CVD) 시스템을 별도로 구매하여 셋업하였음.
● 본 과제에서는 그래핀 플라즈몬 모드의 강한 전자기장 증대효과를 조사하고 센서에 응용하고자함. 특히 그래핀 표면에 흡착된 분자가 그래핀의 광전류 특성에 미치는 영향을 조사하였음. 본 연구를 통해 그래핀 소자 설계, 제작 및 특성 측정을 진행하였음. 본 연구를 통해 얻은 관련 기술과 지식은 새로운 광전자 소자 및 센서에 응용에 중요함.
● 본 연구 진행을 통해 그래핀 패턴의 전산모사, 소자 제작, 광전류 측정을 실시하였고, 그래핀 단일층 소자 제작 및 측정에 필요한 경험과 노하우를 쌓을 수 있었음. 이는 이후 다른 나노광학 연구에도 폭넓게 활용될 것으로 기대됨. 특히 그래핀 외의 다른 2D 물질에도 동일하게 적용될 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 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 8