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금속 나노입자를 사용한 새로운 광 기능 재료

전문가 제언: ○ 이 글에서 Tokyo 대학의 생산기술연구팀은 표면 플라스몬 공명현상을 일으키는 금속 나노입자와 광촉매 기능을 갖는 산화티타늄의 n형 금속산화물 반도체를 조합하여 여러 광전기화학 기능을 얻을 수 있는 흥미로운 최신 기술을 보고하고 있다.

○ 금속 나노입자는 특정 파장의 가시광선과 공명하여 표면전자가 집단으로 진동하는 플라스몬 공명 현상이 생길 때 그 파장 빛을 흡수하여 보색의 빛을 내는 성질이 있다. 플라스몬은 광자와 소리알이 광파와 음파의 양자화인 것처럼 플라스마 진동의 양자화에서 연유한 준입자이다.

○ 이 글에서 재미있는 광전변환 연구의 한 예는 금 나노입자와 산화티타늄 계의 광유기 전하분리이다. 염료감응 태양전지(DSSC)에서 다공성 나노 산화티타늄 반도체에 염료 대신에 금 나노입자를 흡착시킨 전극을 가진 한 태양전지는 560nm 파장의 녹색 가시광선을 흡수하여 0.7V의 최대 개회로전압과 26%의 광전변환 효율을 얻었다. 최고의 광전변환 효율을 얻기 위해서는 한 광 파장에서의 흡수만으로는 부족하고 가시광선 전 영역을 이용해야 되므로, 금 나노입자의 플라스몬 공명을 이러한 태양전지에 이용하는 응용은 현실적인 가능성은 없다고 생각된다.

○ 금 나노입자-산화티타늄계의 광유기 전하분리로 양전하가 남는 금 나노입자 상에서는 산화반응이 일어나므로, 가시광선 조사로 에탄올, 아세트알데히드 등과 티올을 산화시킬 수 있는 광촉매 기능을 한다. 후자에서는 소수성의 티올 단분자층을 갖게 된 금 표면에 부분적으로 가시광선을 조사하면 티올기(-SH)가 산화되어, 조사한 부분만이 친수화 되므로 친수성/소수성의 패턴을 얻을 수 있어 많은 응용이 기대된다.

○ 산화티타늄 상에 석출한 은 나노입자가 가시광선 조사에 의해 은 이온으로 산화되어 폴리아크릴산 겔이 수축하고, 자외선에 의해 은이 다시 석출하여 겔이 풀려 팽윤하는 광전기화학 과정은 삼차원적인 체적변화를 갖는 액추에이터에 이용될 수 있다. 금속 나노입자의 광 기능 연구가 한국에서도 자리 잡아 차세대 부품 개발로 이어지기를 기대한다.

저자: Tetsu Tatsuma
자료유형: 학술정보