본 논문은 협대역의 플라즈모닉 흡수체 구현을 위한 금속 나노입자 주기구조 설계 및 제작에 관한 연구다. 제안된 플라즈모닉 흡수체의 상단 금속 나노입자는 주기적으로 홈이 파여있는 템플릿을 이용하여 전자빔 증착 후, 열처리하는 제작 기술로 형성하였다. 주기적 홈 템플릿 위에 제작된 금속 나노입자를, 따로 제작한 33 nm 두께의 $Al_2O_3$가 스퍼터 가공된 200 nm 두께의 금속 반사판-기판 상단에 옮기는 방법을 통해 플라즈모닉 흡수체를 제작하였다. 제작된 금속 나노입자는 평균 지름 46 nm, 주기 76 nm의 크기를 가졌다. 광학 측정 결과, 제작된 플라즈모닉 흡수체는 중심파장 572 nm, 반값전폭 109.9 nm의 플라즈모닉 공명 흡수를 나타내었다.
Surface plasmon resonance (SPR) is classified into the propagating surface plasmon (PSP) excited on flat metal surfaces and the local surface plasmon (LSP) excited by metalnanoparticles. It is known that fluorescence signals are enhanced by these two SPR-fields.On the other hand, fluorescence is quenched by the energy transfer to metal (FRET). Bothphenomena are controlled by the distance between dyes and metals, and the degree offluorescence enhancement is determined by the correlation. In this study, we determined thecondition to achieve the maximum fluorescence enhancement by adjusting the distance of ametal nanoparticle 2D sheet and a quantum dots 2D sheet by the use of $SiO_2$ spacer layers. The 2D sheets consisting of myristate-capped Ag nanoparticles (AgMy nanosheets) wereprepared at the air-water interface and transferred onto hydrophobized gold thin films basedon the Langmuir-Schaefer (LS) method [1]. The $SiO_2$ sputtered films with different thickness (0~100 nm) were deposited on the AgMy nanosheet as an insulator. TOPO-cappedCdSe/CdZnS/ZnS quantum dots (QDs, ${\lambda}Ex=638nm$) [2] were also transferred onto the $SiO_2$ films by the LS method. The layered structure is schematically shown in Fig. 1. The result of fluorescence measurement is shown in Fig. 2. Without the $SiO_2$ layer, the fluorescence intensity of the layered QD film was lower than that of the original QDs layer, i.e., the quenching by FRET was predominant. When the $SiO_2$ thickness was increased, the fluorescence intensity of the layered QD film was higher than that of the original QDs layer, i.e., the SPR enhancement was predominant. The fluorescence intensity was maximal at the $SiO_2$ thickness of 20 nm, particularly when the LSPR absorption wavelength (${\lambda}=480nm$) was utilized for the excitation. This plasmonic nanosheet can be integrated intogreen or bio-devices as the creation point ofenhanced LSPR field.
공액구조 고분자의 밴드갭을 줄이기 위하여 청색의 디페닐렌비닐렌을 치환기를 갖는 카바졸 단량체와 용해도 향상을 위해 옥틸기를 도입한 카바졸 공단량체를 합성하여 신규 공중합체를 제조하였다. Suzuki 커플링 중합으로 공중합체를 제조하고, 공중합체의 열적, 분광학적, 전기광학적 특성을 조사하여 고분자 유기발광 다이오드(PLED)의 발광층에의 사용가능성을 조사하였다. 용액상태에서 공중합체의 UV 최대 흡수 파장은 333~340 nm, PL 최대방출 파장은 409~464 nm를 보였으며, 상대양자효율은 최대 25.8%의 값을 보였다. 열중량분석 결과 $350^{\circ}C$까지 열안정성을 보이고, 필름형성이 용이하였으며, 공중합체를 발광층으로 사용한 PLED 소자에서 4.0 V에서 청색광을 나타내었다.
베타 사이클로덱스트린(${\beta}$-Cyclodextrin, ${\beta}$-CD)(호스트)과 벤조산 유도체(게스트)의 수용액에 대하여 $25^{\circ}C$, 광대역 주파수영역(0.2 MHz ~ 50 MHz)에서 초음파 흡수계수를 측정하여 호스트와 게스트의 복합체 형성반응의 속도론적 연구를 행하였다. 특히 본 연구에서는 1 MHz이하의 초음파 흡수측정이 중요하다. ${\beta}$-CD와 벤조산 유도체의 상호작용에 의한 초음파 완화는 수 MHz영역에서 단일 완화현상의 전형적인 스펙트럼을 보였다. 단일완화현상의 원인은 ${\beta}$-CD와 벤조산 유도체의 복합체 형성반응에 의한 화학평행의 혼란상태에 의한것으로 해석하였다. 게스트 농도에 따른 완화주파수의 의존성으로부터 붕괴 속도상수($k_b=7.48{\times}10^6M^{-1}s^{-1}$), 평형상수($K=68.6M^{-1}$)를 결정하였다. 그리고 파장당 최대흡수치의 의존성으로부터 반응에 의한 표준체적변화(${\Delta}V=10.6{\times}10^{-6}m^3mol^{-1}$)를 구하였다. 또한 게스트 분자의 소수성 그룹이 복합체의 안정성에 중요한 역할을 하는 것을 알았다.
1.064 $\mu\textrm{m}$ 파장의 연속발진 Nd:YAG 레이저를 펌핑 광원으로 하여 적외선 영역에서 광대역으로 파장 가변되는 연속발진 및 극초단펄스 C $r^{4+}$ :YAG 레이저를 자체 제작하였다. C $r^{4+}$ :YAG 레이저의 연속발진 및 펄스의 출력특성과 파장 가변 영역은 다음과 같다. 연속발진일 경우 1.436 $\mu\textrm{m}$에서 600 mW의 평균출력을 보였으나, 복굴절 필터를 삽입했을 경우는 1.492 $\mu\textrm{m}$근처에서 400 mW의 평균출력을 보였다. 펄스발진일 경우 1.436 $\mu\textrm{m}$에서 최초로 평균출력 320 mW의 모드록킹된 펄스가 발생하였지만 물 흡수대의 영향으로 불안정함을 피할 수 없었다. 따라서, 복굴절 필터를 사용하여 중심파장을 1.492 $\mu\textrm{m}$로 이동시켰으며 이 영역에서 안정한 상태의 모드록킹된 43 fs의 극초단 펄스를 생성하였다. 이 때의 평균출력은 280 mW이고, 반치폭(FWHM)은 45 nm이었다.
새로운 천연식용색소원으로서 꽃양배추(Brassica oleracea L. var. acephala)로부터 anthocyanin색소의 추출특성을 조사하였다. 추출된 색소는 $pH\;1{\sim}12$의 범위에서 pH가 높아질수록 ${\lambda}_{max}$가 장파장 쪽으로 이동하는 bathochromic shift 현상을 보였으며 추출용매의 citric acid의 농도가 증가수록 추출속도가 빨라지고 TOD가 증가하였다. 꽃양배추 색소의 추출용매에 $0.8{\sim}1.0%$ citric acid를 첨가하였을 때 최대 TOD값을 나타냈으며 추출용매인 증류수에 10-20% ethanol을 첨가하였을 때 색소의 추출효율이 높게 나타났다. 따라서 citric acid 0.8%를 함유한 10% ethanol 수용액이 꽃양배추 색소를 추출하기 위한 가장 적합한 용매로 결정하였다. 추출 온도가 높을수록 색소추출속도가 증가하였으나 고온에서 추출할 경우 추출시간이 길어지면 색소가 파괴되어 TOD값이 감소하였다. 추출온도 5, 20, 40 및 $60^{\circ}C$에서 TOD값이 2.1에 이르는 시간은 각각 24, 8, 4, 2시간으로 추출온도가 높을수록 추출속도가 증가하여 추출시간이 단축되었다.
오염된 연안 저서환경의 생물학적 정화를 목적으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 저서미세조류 Nitzschia sp.(일본 Hakozaki만에서 분리)의 성장에 미치는 광량과 파장의 영향을 조사하였다. Nitzschia sp.는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 및 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. 온도 $25^{\circ}C$ 그리고 염분 30 psu에서 배양한 Nitzschia sp.는 청색파장에서 $20\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$ 그리고 형광램프는 $40\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$에서 최대 상대성장속도를 보였으나, 이보다 높은 광량에서는 광 저해현상이 나타났다. 하지만, 황색 파장과 적색 파장의 최대광량에서 ($350\;{\mu}mol\;m^{-2}\;s^{-1}$) 광 저해현상은 관찰되지 않았다. 광량-성장곡선에서 청색 LED는 ${\mu}=-0.46{\exp}(1-I/6.32)+0.46-0.00043I,\;(r^2=0.98)$, 황색 LED는 ${\mu}=0.42(I+7.87)/(I+58.9),\;(r^2=0.99)$, 적색 LED는 ${\mu}=0.39(I+3.39)/(I+21.6),\;(r^2=0.94)$ 그리고 형광램프는 ${\mu}=-0.38{\exp}(1-I/7.23)+0.38-0.00016I,\;(r^2=0.96)$로 나타났다. 청색 LED, 황색 LED, 적색 LED와 형광램프의 최대성장률은 각각 $0.44\;day^{-1},\;0.42\;day^{-1},\;0.39\;day^{-1}$ 그리고 $0.37\;day^{-1}$이었다. Nitzschia sp.의 최대흡수계수는 472 nm($0.0224\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)와 663 nm($0.0179\;m^2\;mg\;chi.\;{\alpha}^{-1}$)에서 보였지만, 모든 파장에서(400 nm-700 nm) 거의 유사한 흡수계수를 보였다. 따라서 가을과 겨울동안에는 청색파장을 조사하여 미세조류 성장을 촉진시키고, 봄과 여름동안에는 황색파장을 조사하여 유해조류의 성장억제와 함께 저서미세조류의 성장시켜 오염된 연안 저서환경 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.
카올리나이트 KGa-2 (표준 점토)의 인산염 흡착-탈착 특성을 규명하기 위하여 벳치(batch) 흡착 실험을 실시하였으며, 흡착 상태를 알아보기 위하여 ATR-FTIR (Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared) 분광분석을 실시하였다. 인의 함량은 UV-VIS-IR 분광분석 기를 사용하여 측정하였으며, 이 때 파장은 820 nm를 이용하였다. pH 4에서 pH 9 범위 내에서 카올리나이트 KGa-2의 인산염 흡착량은 pH가 증가하면 대체적으로 증가하는 경향을 나타내지만, 인산염 농도에 따라 매우 다른 형태를 보여준다. 카올리나이트 KGa-2의 인산염 흡착 특성은 랑미어 흡착등온선, 템킨 흡착등온선, 프로인드리히 흡착등온선 순으로 잘 부합하며, 랑미어 최대 흡착능은 $204.1{\sim}256.5\;mg/kg$, 평균간은 232.5 mg/kg으로서, 카올리나이트 KGa-1b에 비하여 높은 인산염 흡착능을 가진다. 카올리나이트에 흡착된 대부분의 인산염이 탈착되기보다, 광물 내에 고착되는 경향을 나타내지만 이에 대해서는 후속적인 실험이 필요한 것으로 판단된다. ATR${\sim}$FTIR 스펙트럼에서 카올리나이트에 의한 흡수피크의 위치가 인 피크와 거의 중첩되고, 카올리나이트에 의한 흡수 피크의 강도가 인 피크에 비하여 월등히 크기 때문에 카올리나이트에 흡착된 인에 의한 피크를 카올리나이트 자체에 의한 피크로부터 분리하는 것이 거의 불가능하였다.
CsI에 활성제로 $Br^-$ 이온을 1, 3, 5 혹은 10 mole % 첨가하여 Czochralski방법으로 CsI(Br) 단결정을 육성하였다. 육성한 CsI(Br) 단결정의 결정구조는 체심입방체였으며, 격자상수 ${\alpha}_0$는 $4.568\;{\AA}$이었다. CsI(Br) 단결정들의 흡수단 파장은 243 nm이었다. 그리고 흡수단 파장으로 여기 시킨 발광스펙트럼의 파장범위는 $Br^-$ 이온 농도에 관계없이 $300{\sim}600\;nm$이었고, 중심파장은 모두 약 440 nm이었으며, 발광강도는 $Br^-$ 이온을 3 mole % 첨가하였을 때 가장 컸다. $Br^-$ 이온을 3 mole % 첨가한 CsI(Br) 섬광체의 에너지 분해능은 $^{137}Cs$(662 keV)에 대해서는 15.0%, $^{54}Mn$(835 keV)에 대해서는 13.1%이었고, $^{22}Na$의 511 keV와 1275 keV에 대한 에너지 분해능은 각각 18.0% 와 6.3%이었다. 형광감쇠곡선은 빠른 감쇠 성분과 느린 감쇠 성분으로 구성되어 있으며, 빠른 감쇠성분은 $Br^-$ 이온의 농도에 관계없이 약 41 ns로 거의 일정하였다. 그리고 CsI(Br) 섬광체들의 시간 분해능은 $Br^-$ 이온 농도가 증가할수록 저하하는 경향을 나타내었다.
본 연구에서는 새로운 종류의 공액 고분자 3-(5-(5,6-bis(octyloxy)-7-(thiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazol-4-yl)thiophen-2-yl)-10-(4-(octyloxy)phenyl)-10H-phenothiazine (P1)과 3-(5-(5,6-bis(octyloxy)-7-(thiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazol-4-yl)thiophen-2-yl)-10-(4-((2-ethylhexyl)oxy)phenyl)-10H-phenothiazine (P2)를 스즈키 커플링 반응으로 합성하여 유기박막 태양전지로의 특성을 확인하였다. Push-pull 구조 고분자의 전자주개 물질로 phenothiazine 유도체를, 전자받개 물질로 benzothiadiazole 유도체를 사용하였다. 전자를 풍부하게 하고, 용해성을 향상시키기 위하여 phenothiazine의 질소 원자에 알콕시 사슬이 도입된 방향족 고리를 치환하여 2종의 고분자(P1, P2)를 합성하였다. P1, P2의 분자량은 각각 4,911, 5,294이었고, $T_d$는 각각 321.9, $323.7^{\circ}C$로 이로부터 열 안정성이 우수함을 확인하였으며, 최대흡수파장은 549, 566 nm이었다. 소자를 제작하여 유기박막태양전지의 특성을 측정한 결과, P1과 P2의 효율은 각각 0.96, 0.90%이었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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