나노스케일에서 가시광선 검출

 

미국의 과학자들은 나노스케일의 색 검출기를 제작하기 위해서 눈의 망막이 전기적 

신호를 뇌로 보내는 방법을 모방하였다. 이 디바이스는 빛에 민감한 분자를 입힌 탄

소나노튜브로 이루어졌는데 이를 이용할 경우 특정한 파장의 매우 약한 가시광선을 

감지할 수 있으며 천문학과 생물학 분야에 응용될 수 있을 것으로 보인다. 나노미터 

수준의 면적을 가진 센서로 포톤을 검출할 수 있는 것은 매우 약하거나 작은 광원을 

연구하는데 유용할 것으로 보인다. 

 

현재까지 연구자들은 빛이 비추어지면 전자-정공쌍을 발생시키는 고체 상태 디바이

스를 제작하여 미세 광소스를 연구하려고 하였다. 그러나 이와 같은 디바이스는 나

노스케일로 제작하는 것이 매우 어렵다. 캘리포니아 산디아 국립 연구소의 Zinjian 

Zhou와 동료 연구진은 망막 분자가 빛을 흡수하고 전기 신호로 바꾸는 것과 비슷한 

디바이스를 개발하였다. 이 방법은 빛에 민감한 분자와 단일벽 탄소 나노튜브로 제

작된 트랜지스터를 결합하여 분자가 포톤을 흡수하고 모양이 바뀔때 나노튜브의 전

도도 변화를 측정하는 것이다. 단일벽 탄소 나노튜브는 지름이 1 나노미터 정도인 흑

연판을 감아만든 것이다. 

 

연구진의 설명에 따르면 이런 방법으로 매우 약한 광소스를 측정할 수 있다고 한다. 

연구진은 시스템에서 검출기와 신호 증폭기를 가까이 위치시키고 나노튜브 트랜지

스터의 증폭효과로 높은 민감도에 도달할 수 있다고 말하였다. 다른 연구진은 다양

한 광에 민감한 분자를 사용하여 연구하였지만 지금까지 가시광선 영역밖의 빛만을 

검출할 수 있었다. 그러나 Zhou 그룹은 가시 광선 영역까지 확대하였으며 얇은 특정

한 밴드의 파장이 어떻게 검출될 수 있는지를 보였다. Zhou 연구진은 아조벤젠

(azobenzene) 화합물에 기반한 색을 발생시키는 분자인 발색단(chromophores)

을 사용하였다. 

 

연구진은 그들의 나노스케일 검출기를 제작하기 위해서 탄소 나노튜브를 10 센티미

터 길이의 실리콘 웨이퍼에 부착시켰다. 그리고 웨이퍼에 전기적 접촉을 증착시키

고 웨이퍼를 발색단을 함유하고 있는 용액에 담그고 나노튜브에 부착시켰다. 그 다

음 2 마이크로미터 길이와 1 나노미터 너비의 웨이퍼의 영역을 가진 나노튜브들을 

가시광선 영역의 단일파장의 빛으로 비추고 각각 다른 파장에서 민감도가 높은 세가

지의 다른 종류의 발색단에 의해서 발생하는 전기적 신호를 기록하였다. 연구진은 

그들의 나노검출기가 40W/cm2까지 민감하다는 것을 발견하였다. 

 

연구진은 실험적 결과와 이론적 계산을 결합함으로써 빛에 의해 발색단 분자의 모양

이 바뀌고, 이것은 발색단의 전기 쌍극자의 변화를 초래하며 그 결과 근처 나노튜브

의 전기적 포텐셜을 유도한다는 것을 밝혔다. 이런 유도된 전기적 포텐셜은 나노 튜

브의 게이트 전압을 효과적으로 바꾸고 전도도를 조절할 수 있다는 것이다. Zhou는 

그들의 연구는 개개의 분자가 빛에 어떻게 반응하며 모양을 바꾸는지 나노튜브를 이

용하여 연구함으로써 기초 과학 연구에도 기여한다고 말하였다. 그는 약간 더 긴 파

장의 빛에서도 작동할 수 있도록 만들 수 있다면 그들의 나노 스케일 광학 센서는 먼

거리에 위치한 물체의 이미지를 얻을 수 있는 극도로 민감한 적외선 검출기로 사용

될 수 있을 것이라고 말하였다. 또한 언젠가 이 디바이스는 유전자를 일정한 순서로 

배열하는데 사용될 수도 있을 것이라고 연구진은 내다보고 있다. 

 

Zhou는 이 나노스케일 디바이스를 상업화시키기 위해서는 나노 스케일 물체를 넓

은 면적에 조절 가능한 방식으로 조립할 수 있어야 한다고 말하였다. 발색단에 나노

튜브를 더하는 것은 어려운 일이 아니며 신호 검출을 위해서 전자기술 부품을 통합

하는 것도 어려운 일은 아니지만 원하는 특성을 가진 완벽한 나노튜브 어레이를 만

들 수 있는 것이 선행되어야 할 것이라고 말하였다. 

 

첨부그림: 발색단으로 덮힌 탄소나노튜브.

 

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출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-21