싱가포르 연구진은 알루미늄 나노구조를 이용해서 플라즈몬 프린팅(plasmonic printing)을 할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
리큐르구스의 컵(Lycurgus cup)은 이색성 유리(dichroic glass)로 A.D. 400년에 로마에서 만들어졌다. 이색성 효과는 유리 속에 금 및 은 나노입자를 포함함으로써 달성되었다. 가장 유명한 리큐리구소의 컵은 빛이 이것을 통과하는지에 따라서 서로 다른 색상을 가진다. 뒤에서 빛을 비출 때 붉어지고 앞에서 비출 때 녹색을 가진다. 이것은 나노플라즈몬 연구에 새로운 영감을 제공할 수 있다.
작은 금속 입자 속의 플라즈몬 공명의 물리적 현상은 수 세기 동안 측정되었다. 그들은 스테인드-글라스(stained-glass) 창문의 역동적인 색채를 통해서 확인되었다. 더 최근에, 플라즈몬 공명은 광 활성된 새로운 암 치료 방법을 개발하고 태양전지와 광촉매의 광 흡수를 향상시키기 위해서 사용되었다.
알루미늄은 풍부하게 존재하고 금 또는 은에 비해서 저렴하고 자외선으로 전계 강화 효과를 수행할 수 있기 때문에 나노플라즈몬 분야에 큰 관심을 끌고 있다. 그러나 이것은 음과 금보다 더 넓은 공진을 가지고, 산화물 층을 형성한다. 이런 효과들은 생체감지와 같은 분야에 바람직하지 않는데, 이것은 신호 강화가 저항 손실과 산화물 배리어의 존재 하에서 감소되기 때문이다.
알루미늄 나노구조의 플라즈몬 공명을 기반으로 하는 색상 프린팅은 큰 장점을 가질 수 있다. 이번 연구진은 매우 높은 플라즈몬 색상 프린팅을 위한 알루미늄 나노구조의 활용을 최초로 증명했다. 싱가포르기술디자인대(Singapore University of Technology and Design)와 IMRE(Institute of Materials Research and Engineering), A*STAR의 연구진은 저널 Nano Letters에 7월 13일자로 이 연구결과를 발표했다. 이것은 플라즈몬 컬러 픽셀의 생성과 디자인 원리에 대한 연구이다.
염료를 사용하면 화학적 반응 때문에 염료의 변색, 서로 다른 색상을 위한 서로 다른 염료의 필요성, 염료와 관련된 화학적 폐기물의 환경적 영향 등과 같은 문제점을 가진다. 플라즈몬 나노구조의 색상은 이런 문제를 해결하게 한다. 그러나 매우 잘 수립된 색상 시스템을 가지는 안료 기반의 색상과는 달리, 금속 나노구조를 이용한 플라즈몬 색상 시스템은 아직 수립되지 않았다.
새로운 보조 색상을 생성하기 위해서 덧칠될 수 있는 안료와는 달리, 독특한 금속 나노구조들은 새로운 색상을 생성하기 위해서 크기, 형상, 상대적인 위치에 따라서 달라진다. 이번 연구진은 간격과 크기를 통해서 플라즈몬 나노구조에 새로운 색상을 생성할 수 있는 간단한 방법을 도입했고, 알루미늄을 위한 최초의 플라즈몬 색상 시스템을 도입했다.
알루미늄은 중간색, 내구성, 크기에 대한 공진 비-민감도, 가시광선 영역의 높은 반사율, 풍부성, 저렴한 비용 때문에 플라즈몬 색상 프린팅을 위한 매력적인 재료이다. 금과 은과는 달리, 알루미늄을 위한 가시광선 파장 속의 색상은 대량 생산이 가능한 나노디스크로 나타낼 수 있다. 알루미늄 나노디스크를 이용함으로써, 이번 연구진은 플라즈몬 색상 시스템을 수립할 수 있는 구조를 개발했다.
알루미늄 나노구조들은 다양한 색상을 가질 수 있고, 이것은 은과 금에서 이전에 증명된 초고해상도 색상 프린팅에 적합할 수 있다. 이 연구의 한 가지 중요한 발견은 나노금속 구조 속의 색상 혼합 프로세스가 기본적인 색상 팔레트보다 더 순수한 색상들을 초래할 수 있다는 것이다. 특히, 플라즈몬 재료로서 알루미늄을 이용함으로써, 이번 연구진은 새롭게 정의된 색상 생성 방법으로 ~15 개의 색상에서 300 개의 색상까지 프린트할 수 있게 되었다.
색상 프린팅 분야의 또 다른 장점은 알루미늄에 의해서 형성된 불침투성 산화물 층이다. 이것은 색상을 보호하기 위해서 보호 코팅을 형성한다. 이 기술의 경우에, 이번 연구팀은 전자빔 리소그래피 패터닝을 사용해서 실리콘 기판 위에 95 nm 길이의 나노디스크를 제조했다. 20 nm 두께의 알루미늄 층이 나노디스크 패턴 위에 증착되면, 나노디스크는 플라즈몬 색상을 가진다.
각 플라즈몬 나노픽셀은 사각형 형태로 배열된 4 개의 나노디스크로 구성된다. 픽셀 내의 디스크의 위치, 디스크 간의 거리는 생성되는 색상에 영향을 끼친다. 상당히 저렴한 금속을 사용했기 때문에 이 기술은 적용하는데 큰 장점을 가진다. 이번 연구진은 보안과 화폐 위조 분야에 이 연구가 활용될 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 이 기술은 홀로그래피와 데이터 저장 분야로 확대될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 "Quantum plasmons demonstrated in atomic-scale nanoparticles"라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl501460x).
* 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』