마직 크기 나노클러스터(MSC)는 분자 전구체와 콜로이드 양자점 사이의 중간 단계에 해당하는 나노 구조체입니다. MSC는 수백 개 이하의 원자로 구성된 3 nm 미만의 극소 크기임에도 불구하고, 동일한 크기의 일반 나노입자보다 열역학적으로 높은 안정성을 나타내는 것이 가장 큰 특징입니다. 흡수 스펙트럼에서 특정 파장에 고정된 선명한 흡수 피크가 나타나는 것도 MSC를 구별하는 중요한 지표이며, 이러한 특성을 바탕으로 비고전적 합성 경로를 통해 다양한 나노소재를 제조하기 위한 전구체로서의 활용 가능성이 주목받고 있습니다. 본 연구팀은 MSC의 합성, 분리 및 물성 규명 연구를 수행하고 있으며, 나아가 MSC가 갖는 독특한 광학적 특성에도 주목하고 있습니다. 특히 정이십면체 구조를 갖는 MSC는 라세미 혼합물 형태로 존재하며, 리간드를 이용한 분리 또는 키랄 컬럼 크로마토그래피를 통해 좌우 거울상 이성질체로 분리될 수 있습니다. 이러한 키랄 MSC는 원편광이색성(CD) 스펙트럼에서 거울 대칭의 신호를 나타내는 등 특이한 광학 활성을 보이며, 이를 통해 MSC의 구조와 광특성 사이의 관계를 탐구하는 연구를 진행하고 있습니다.

양자점은 높은 광안정성과 조성에 따라 조절 가능한 발광 특성 덕분에 생체 환경에서의 신호 측정 및 이미징에 유망한 소재입니다. 본 연구팀은 양친매성 폴리에틸렌이민(amPEI)을 기반으로 수십 개의 양자점을 단일 나노입자 내에 캡슐화한 복합 콜로이드(QDCC) 플랫폼을 개발하고, 이를 다양한 바이오 응용으로 확장하는 연구를 수행하고 있습니다. 복합 콜로이드의 외부에 고분자 전해질 다층막(layer-by-layer, LbL)을 순차적으로 코팅하면 구조적 견고성과 투과성을 세밀하게 조절할 수 있으며, 표면에 쯔비터이온 작용기를 도입함으로써 넓은 pH 범위와 고농도 염 조건에서도 우수한 콜로이드 안정성을 확보할 수 있습니다. 이를 기반으로 생체 내 표적 단백질에 대한 면역분석 시스템을 구축하고, 생물학적 자기조립을 통한 신호 증폭 전략을 적용하여 극미량의 바이오마커를 빠르게 검출하는 플랫폼으로 발전시키고 있습니다. 또한 amPEI의 유연한 내부 구조는 기체 분자가 쉽게 드나들 수 있어, 산화질소(NO)와 같은 생리활성 기체 분자에 반응하는 물질을 양자점과 함께 캡슐화하여 비율측정형(ratiometric) 센서로 활용하는 연구도 진행하고 있습니다. 이 플랫폼은 세포 내 산소 농도 모니터링, 산화질소 실시간 검출 등 다양한 생체 환경 측정에 적용 가능한 범용 나노센서 플랫폼으로 자리매김할 수 있을 것으로 기대됩니다.

금 나노입자는 나노미터 크기에서 독특한 표면 플라즈몬 공명 특성을 나타내며, 입자 간 거리와 배열에 따라 광학적 특성이 크게 달라집니다. 본 연구팀은 금 나노입자의 표면에 외부 자극에 반응하는 리간드를 설계하여, pH 변화나 산화-환원 반응과 같은 화학적 신호에 의해 입자의 분산과 응집을 가역적으로 제어하는 연구를 수행하고 있습니다. 리간드가 외부 자극에 반응하면 입자 간 상호작용과 플라즈모닉 커플링이 변화하고, 이에 따라 나노입자 집합체의 광학적 특성이 가역적으로 조절됩니다. 이러한 접근은 나노입자의 콜로이드 안정성, 조립 거동, 그리고 자극 의존적 광 반응을 정밀하게 제어할 수 있는 플랫폼을 제공합니다. 이를 기반으로 암 광열 치료, 광음향 이미징, 암세포 선택적 약물 전달 등 다양한 의생명 응용 연구를 진행하고 있습니다. 나아가 최근에는 전기화학적 자극에 의해 금속-리간드 배위 결합이 가역적으로 형성되고 끊어지는 현상을 활용하여, 입자 간 플라즈모닉 커플링을 전기적으로 제어하는 재구성 가능한 광학 소재 및 스마트 센싱 플랫폼 개발로 연구를 확장하고 있습니다.

나노결정의 성능은 내부 결정 구조만큼이나 표면에서 일어나는 원자 수준의 상호작용에 의해 결정됩니다. 본 연구팀은 은 칼코게나이드 나노결정을 중심으로, 표면 원자의 종류와 리간드 결합 환경이 나노결정의 광학적 특성과 화학적 안정성에 어떤 영향을 미치는지 체계적으로 연구하고 있습니다. 나노결정 표면에는 결정 격자 내부에 속한 원자와 격자 경계 바깥에 노출된 원자가 공존하며, 이 두 종류의 원자는 서로 다른 리간드 결합 특성을 나타냅니다. 본 연구팀은 이러한 표면 위치별 결합 특성의 차이를 규명하고, 이를 활용하여 나노결정을 안정적으로 패시베이션하는 전략을 개발하고 있습니다. 이를 통해 나노결정의 융합과 형태 변형 없이 양이온 교환이나 코어-껍질 구조 형성 같은 후속 화학 반응을 정밀하게 수행할 수 있습니다. 또한 표면에 존재하는 원자의 종류와 비율을 조절하면 나노결정 내 전하 트랩 특성을 원하는 방향으로 설계할 수 있다는 점에 주목하여, 이를 광검출 소자 등 실제 응용으로 연결하는 연구도 진행하고 있습니다.

양이온 교환 반응은 음이온 격자를 유지한 채 양이온만을 선택적으로 치환하는 합성 전략입니다. 입자의 형태와 크기를 보존하면서도 조성을 자유롭게 바꿀 수 있어, 단일 전구체에서 다양한 합금 나노결정을 만들어내는 강력한 도구입니다. 본 연구팀은 전구체의 반응성을 정밀하게 설계함으로써 이 교환 반응의 경로를 원하는 단계에서 정확히 멈추는 방법을 개발하고 있습니다. (1) 반응성 제어 전구체를 이용한 Ag-Au-S 양자점의 단계별 양이온 교환 기존 방법으로 Ag₂S 양자점에 금을 도입하면 조성이 불균일한 혼합물이 생성되어 발광 스펙트럼이 넓어지는 문제가 있었습니다. 본 연구에서는 금 전구체의 반응성을 리간드 배위, 금속 간 결합, 입체 효과를 통해 단계적으로 낮춤으로써, Ag₃AuS₂ 및 AgAuS 양자점을 높은 상순도로 선택적으로 합성하는 데 성공하였습니다. 이를 통해 적색~근적외선 영역(663–1192 nm)에 걸쳐 좁고 밝은 발광 특성을 구현하였으며, 전구체 반응성 설계가 합금 나노결정 합성의 핵심 원리임을 제시하였습니다. (2) 형태 보존 양이온 교환을 통한 나노결정 설계 양이온 교환 반응에서 음이온 골격이 유지되는 특성을 활용하면, 입자의 형태와 구조적 특징을 그대로 보존하면서 조성만을 유연하게 바꿀 수 있습니다. 이 접근법은 두 가지 이상의 금속 성분을 포함하는 합금 나노구조체의 합성으로도 확장 가능하며, 기존 직접 합성으로는 구현하기 어려운 다양한 조성의 나노결정을 체계적으로 설계하는 플랫폼으로 활용됩니다.

스마트폰과 TV 디스플레이의 선명한 색을 구현하는 핵심 소재인 양자점은 나노미터 수준의 크기 제어만으로 발광 색을 자유롭게 조절할 수 있는 차세대 발광 재료입니다. 본 연구팀은 친환경 차세대 디스플레이 실현을 위해 아직 상용화되지 못한 난제, 고성능 청색 양자점 소재 개발에 도전하고 있습니다. 우리 연구실만의 독자적인 접근법은 나노클러스터를 전구체로 활용하는 것입니다. 원자 수준에서 구조와 조성이 정밀하게 정의된 나노클러스터를 출발 재료로 사용함으로써, 기존 방법으로는 제어하기 어려웠던 양자점의 성장 과정을 처음 단계부터 정교하게 조절합니다. 이를 통해 색순도와 발광 효율이 동시에 우수한 청색 양자점 합성을 목표로 합니다. 나아가 점 형태의 양자점을 넘어, 1차원 나노막대 합성 연구도 진행하고 있습니다. 나노막대가 가지는 편광 발광 특성은 기존 발광 소자의 효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 가능성을 열어줍니다.

양자점, 나노소재, 광전자 소자 기반의 고감도 바이오센싱 기술을 활용하여 생체 내에서 발생하는 미세한 신호를 정밀하게 감지하고 해석하는 것을 목표로 한다. 빛과 나노구조체의 상호작용을 이용해 생체분자, 세포 활동, 대사 변화 등 다양한 생체 정보를 높은 민감도와 선택성으로 측정할 수 있는 차세대 센서 플랫폼을 개발한다. 이를 통해 질병의 조기 진단, 실시간 생체 상태 모니터링, 웨어러블 헬스케어 및 정밀의료 분야에 활용 가능한 핵심 원천 기술을 확보하고, 생체 신호를 디지털 정보로 전환하는 차세대 바이오반도체 기술로 확장하고자 한다.

말이나 몸짓 없이도 뇌 신호만으로 의도와 상태 정보를 전달할 수 있는 비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 단파적외선 광학 센싱과 정밀 뇌 자극 기술을 결합하여 사용자의 인지 상태, 감정 변화, 운동 상상과 관련된 뇌 활동을 읽고 해석하며, 이를 인간-기계 상호작용 및 비언어적 정보 전달에 활용할 수 있는 웨어러블 신경 인터페이스 플랫폼으로 확장하고자 한다. 이를 통해 차세대 신경공학, 재활의학, 보조공학 및 실시간 인지 상태 모니터링 분야에 활용 가능한 핵심 기술을 확보한다.

범죄현장에서 발견되는 혈흔, 체액, 화약 잔여물, 미상 분말 및 액체 등을 현장에서 신속하게 판별할 수 있는 기술 개발및 스마트폰과 연동한 현장형 판별 시스템을 구현하여 초동 대응 단계에서의 경찰관의 과학적 판단을 지원한다