발광 탄소 나노입자를 이용한 생체 적합 레이저 제작 및 특성 연구

Abstract

탄소 나노입자(carbon nanodots; CDs)는 물에 잘 용해되고 화학적으로 안정적이며 독성이 낮은 발광물질이다. 이러한 탄소 나노입자는 기능화가 용이하고, 낮은 광 퇴색성 및 우수한 생체 적합성과 같은 특성으로 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 공정 과정이 간단하고 비용이 저렴한 마이크로웨이브 오븐(microwave oven) 합성법을 이용하여 구연산(citric acid)과 시스테인(cysteine)으로 탄소 나노입자를 합성하였다. 탄소 나노입자의 물리적, 화학적 특성들을 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM), 퓨리에 변환 적외 분광법(fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR), X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 통하여 확인하였다. TEM 측정을 통해, 탄소 나노입자가 3 nm의 직경을 가지는 구형의 나노입자이고, 격자간 거리가 흑연의 격자간 거리와 일치하며, 이는 불균일 탄소 입자를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. FT-IR, XPS 측정을 통하여 탄소 나노입자 표면에 카르복실기, 아미노기와 같은 작용기가 존재할 것으로 추정할 수 있었고, 이를 기반으로 탄소 나노입자의 표면 개질로 인해 친수성 및 높은 발광 효율 향상이 얻어졌음을 확인할 수 있었다. 탄소 나노입자 수용액이 UV 영역에서 높은 광 흡수, 450 nm 영역의 파란 빛을 내는 발광 특성을 확인하였다. 생체 적합한 탄소 나노입자를 글루코스 수용액에 용해시켰고, 나노임프린트 방법을 이용하여 주기적인 나노 구조를 탄소 나노입자/글루코스 박막에 도입하였다. 나노 구조의 주기에 따른 탄소 나노입자/글루코스 박막을 펄스 레이저로 여기 시켜 발광 스펙트럼을 측정하였고, 이를 통해 광학 특성을 확인하였다. 특정 주기의 나노 구조를 가진 탄소 나노입자/글루코스 박막의 발광 스펙트럼에서 좁은 파장 폭의 발광 스펙트럼과 낮은 문턱 에너지 값이 나타났다. 이를 통해 탄소 나노입자를 도핑한 나노 구조를 가진 글루코스 박막이 distributed feedback 레이저로서 성공적으로 구현되었음을 증명하였다. 또한, 제작된 나노 구조의 재사용 가능성을 확인하기 위해 탄소 나노입자/글루코스 박막을 제작하고, 지우는 과정을 두 번 반복했고, 이후에도 동일한 레이저 특성을 확인할 수 있었다. 이러한 나노 구조를 가진 탄소 나노입자/글루코스 박막은 새로운 생체 적합 발광 원과 광 소자가 될 수 있을 것이다.