여러 성분으로 이루어진 혼성 나노입자는 개별적인 물성에 기반한 다중 기능 특성뿐 아니라 상호작용에 의해 새롭게 나타나는 상조적 물성 때문에 많은 각광을 받고 있다. 본 논문은 그 중 금을 포함한 혼성 나노입자 (금/금속, 금/고분자, 금/반도체 나노입자) 를 제조하고 플라즈모닉 특성을 이용하여 다양한 분야에 응용한 내용을 포함한다.
제 2 장에서는 폴리올 방법으로 대량 합성한 금@은 핵-껍질 이종금속 나노입자를 언급하였다. 다양한 형상의 금 나노입자를 씨앗으로 사용하여 격자 상수가 유사한 은을 에피텍시얼 (epitaxial) 성장시켜 구형체, 육팔면체, 입방체의 이종금속 나노입자를 제조하였다. 그리고 상기 이종금속 나노입자의 조성 및 형상이 광학적 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 또한 이러한 나노입자를 낮은 밴드갭의 유기태양전지에 도입하여 플라즈모닉 산란 증폭제로 활용하였다. PEDOT:PSS의 버퍼층에 도입된 금@은 핵-껍질 나노입자는 450 - 700 nm의 파장대에서 금 나노입자보다 높은 산란 효율을 보여 소자의 외부 양자 효율 및 흡수를 현저히 증가시켰고, 그 결과 7.24 %의 전력 변환 효율을 달성하였다. 한편 금@은 핵-껍질 이종금속 나노입자에 황 이온을 첨가하여 표면 플라즈몬 공명 밴드를 조절함으로써 가시광선의 모든 색을 구현하였다. 은 껍질이 황 이온과 반응하여 황화은을 형성함에 따라 최대 방출 파장이 장파장 영역으로 현저히 이동하였다. 이러한 광학적 특성을 기반으로 금@은 핵-껍질 이종금속 나노입자를 황 이온의 검출을 위한 비색계 센서로 사용하였는데 그 검출 한계가 자외선-가시광선 분광광도법의 경우 약 10 ppb로 측정되었다.
제 3 장에서는 나노바이오 플랫폼으로 활용 가능한 금@고분자 혼성 나노입자의 한 단계 합성법을 설명하였다. 먼저 폴리올 합성법의 계면 활성제로서 폴리디메틸아미노에틸 메타아크릴레이트 (PDMAEMA) 를, 폴리올 용매로서 폴리에틸렌글라이콜 (PEG) 를 이용하여 페길화된 (PEGylated) 금 나노입자를 합성하여 표면 독성을 성공적으로 제거하였다. 고분자를 매개로 기능화된 나노입자는 기존의 티올기를 매개로 기능화된 금 나노입자에 비하여 극한의 조건에서도 리간드 치환 반응이 일어나지 않는 뛰어난 안정성을 보였다. 폴리에틸렌글라이콜과 에틸렌글라이콜 (EG)을 혼합하여 상기 반응을 진행시킨 후 기능기를 선택적으로 가수 분해 하면, 펙 (PEG) 기능기와 카르복실기로 둘러싸인 금 나노입자가 얻어졌다. 이러한 금 나노입자의 플라즈모닉 특성을 활용하여 보빈 세럼 알부민 (BSA)의 비특정 흡착 없이 카이모트립신 (ChT) 의 선택적 검출이 가능함을 보였고, 그 결과는 단백질 전기영동의 결과와 일치하였다.
제 4 장에서는 금속/반도체 이중껍질 중공 구조체를 합성하고 촉매 반응을 광학 모니터링 한 내용에 관하여 보고하였다. 균일한 은 나노입방체를 백금, 금, 혹은 팔라듐 이온으로 갈바닉 치환시키고, 남아있는 은 성분에 황이나 셀레늄을 첨가하여 칼코겐화 (chalcogenization) 반응을 진행한 다음, 카드뮴으로 양이온 교환시킴으로써 다양한 조합의 금속/반도체 나노입자가 합성되었다. 이러한 혼성 나노입자는 구성 성분의 격자 불일치 정도가 상당함에도 불구하고 금속층과 반도체층이 명확하게 구별되는 이중껍질 중공 구조를 균일하게 형성하였다. 이 후, 상기 합성법을 바탕으로 촉매성이 우수한 백금/황화카드뮴과 플라즈모닉 검출이 가능한 금으로 구성된 금-백금/황화카드뮴 나노입자를 제조하여 수소 생성을 위한 광촉매 반응을 모니터링 하였다.
