[굿모닝충청 최재근 기자] 국내 연구진이 반도체 나노입자들 간 에너지 상호작용을 직접 영상으로 구현하는데 성공, 양자입자를 이용하는 디스플레이나 태양전지 소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기반을 마련했다.
한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 ‘KBSI’) 대구센터 채원식 박사팀은 ‘시분해형광공초점현미경(Time-Resolved Fluorescence Confocal Microscopy)’을 이용한 영상분석기술을 활용해 양자현상을 손쉽게 영상으로 구현하는데 성공했다고 8일 밝혔다.
양자 현상은 그 동안 혼합된 신호로 이루어져 각각의 공간상에서 일어나는 현상에 대해 관찰이 불가능했다.
연구진은 첨단 시공간 분할 형광현미경인 ‘시분해형광공초점현미경’을 활용해 손쉽게 영상으로 구현함으로써, 나노막대 자기조립체의 국부적 쌓임 구조에서 발현되는 다양한 양자물성 변화 관찰을 가능하게 했다.
현재 반도체 나노입자들은 고휘도 디스플레이 및 태양전지 등 산업에서 핵심소재로 활용되고 있어, 양자 나노입자들 사이의 에너지 상호작용을 영상으로 직접 관찰할 수 있는 이번 분석기술 개발로 보다 우수한 성능의 소자를 개발 할 수 있는 토대를 마련하게 됐다.
특히 이번 연구에 사용 된 ‘시분해형광공초점현미경’은 반도체 및 세라믹 등의 신소재분야 뿐만 아니라 형광 현상을 기반으로 하는 환경소재, 나노-바이오 융합소재 및 의료, 진단 분야에 이르기 까지 폭넓은 분야에서 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
KBSI 채원식박사는 이번 연구 성과를 통해 “반도체 나노입자들 간의 에너지 상호작용을 직접 영상으로 분석할 수 있게 돼 향후 디스플레이 및 태양전지 등의 소자를 설계할 때 성능 향상에 필수적인 핵심 양자 물성 정보를 신속히 제공할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구 성과는 채 박사와 KAIST 김휘동 연구원, KIST 배완기 박사 등 KBSI, KAIST, KIST 공동연구 결과로 이루어졌으며, 소재화학 분야 세계유수 학술지인 ‘케미스트리 오브 머티리얼스(Chemistry of Materials)誌 2일자 온라인판(논문명: Controlled Vortex Formation and Facilitated Energy Transfer within Aggregates of Colloidal CdS Nanorods, IF=8.535)에 게재됐다.
◇용어설명
▲시분해형광공초점현미경이란?
일반적으로 형광 분자들은 수 나노초 내외에서 형광 수명(fluorescence lifetime)을 보인다. 최근 개발되는 반도체 양자점 들은 수백 나노초에서 마이크로초까지 형광수명 시간을 보이기도 한다. 형광 수명의 측정은 수 피코(pico, 일조분의 일)초 분해능 수준에서 시간 영역(time-domain) 또는 주파수 영역(frequency-domain) 측정 방식으로 측정되고 있다.
시간 영역에서 형광 수명 측정의 경우, 극초단의 레이저 펄스를 광원으로 조사해 암실에서 화합물을 들뜨게 한 후 발현되는 형광을 시간-상관 단광자 계수(time-correlated single photon counting, TCSPC)기 또는 스트릭 카메라(streak camera)를 이용해 검출하는 방법이다. 형광 수명에 대한 정보는 시간에 대한 광자의 세기 함수로부터 얻을 수 있는데, 지수함수(exponential function)로 얻게 되는 형광 감쇠 곡선(decay curve)을 최적화(fitting) 과정을 통해 형광 수명을 얻을 수 있다.
이러한 형광 수명 측정 기술은 최근 시간 영역 또는 주파수 영역 측정 방식을 그대로 광학현미경 기술에 적용해 시간 분할과 동시에 공간을 분해, 분석할 수 있는 첨단 ‘시분해 형광 공초점 현미경’(time-resolved fluorescence confocal microscopy)으로 개발됐다. 기존에는 벌크(bulk) 용액 또는 고체 시료를 측정하기 때문에, 얻게 되는 형광 수명 값은 수 많은 분자에 대한 앙상블(ensemble) 값으로 표현되지만, 광학현미경 기술과의 접목으로 단일 분자 수준의 정보나 나노크기의 특정한 관심 영역에 대해 선택적으로 형광 수명 값을 얻을 수 있게 되었다.
이는 형광 수명 측정한계를 단일 분자 수준에서 측정이 가능함으로 개개의 분자가 겪는 상태 또는 환경을 높은 정밀도로 측정을 할 수 있음을 의미하기 때문에 최근 급격히 발전하고 있는 나노-바이오 융합기술 분야와 더불어 수요가 크게 증가하고 있다. 특히, 시분해 형광 공초점 현미경 기술은 생명과학분야에서 처음 활용됐는데, 세포 또는 종양을 영상화하기 위한 용도로 활용되거나 비율척도형 영상(ratiometric imaging)이 어려운 공명 에너지 전이(resonance energy transfer)형 세포의 정밀한 영상분석 연구에서 우수성을 입증하기 시작했다.
시분해 형광 공초점 현미경은 기존의 형광 수명 신호를 영상화하는 장비로 근래 이슈가 되고 있는 장비의 영상화 추세와도 그 궤적을 같이 한다. 이는 기존의 장비들이 데이터의 해석을 주로 다루는 측면이 있다면, 영상장비들은 데이터를 2차원 또는 3차원 공간상에 도시해 이미지로 보여주기 때문에 직관적으로 이해가 빠르다는 장점 때문에 최근 기초과학분야 뿐만 아니라 응용과학, 더 나아가 인간의 삶의 질을 윤택하게 하는 다양한 응용분야에서 활용이 증가하고 있다.
