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어떤 용액에 녹이느냐에 따라 모양이 바뀌고, 뿜어내는 색깔도 달라지는 탄소나노물질이 개발됐다. 탄소나노물질의 특성을 용매로 조절한다는 점에서 주목받고 있다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부 화학과의 김병수-권오훈 교수 공동 연구팀은 그래핀에 탄소나노링이 도입된 ‘하이브리드 탄소 구조체’를 개발했다. 이 구조체는 용매의 특성에 따라 2차원 판상이나 3차원 구(球) 모양으로 변한다. 이 모양에 따라 형광 특성도 달라진다는 게 큰 특징이다. 물질이 빛 자극을 받아 특정한 색을 내뿜는 현상을 형광이라고 한다. 그래핀 같은 기존의 탄소나노물질은 빛을 받으면 파란색 계열의 형광을 보인다. 하지만 파란색 형광은 세기가 약해 센서나 광전자 소자 등으로 활용하기 어렵다. 이번 연구에서 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 용매에 따라 파란색부터 주황색까지 형광을 조절할 수 있어 탄소나노물질의 응용 분야를 넓힐 것이라고 전망된다. 새로 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 탄소나노링이 그래핀 표면 위에 붙어 있다. 탄소나노링은 시트르산을 가열시켜 탄화시키면 만들어지는 물질이다. 연구진은 시트르산과 그래핀을 동시에 가열시켜 탄소가 풍부한 물질로 만드는 탄화 반응으로 하이브리드 탄소 구조체를 만들었다. 이번 연구에 제1저자로 참여한 최유리 UNIST 자연과학부 박사 후 연구원은 “새로 개발한 하이브리드 탄소 구조체에 있는 탄소나노링이 용매 성질에 따라 화학반응이 다르게 나타난다”며 “용매에 넣었을 때 수소결합을 이뤄지는지에 따라 형상과 광특성이 달라진다”고 설명했다. 탄소나노링은 다른 물질과 결합할 수 있는 분자(기능기)를 가지고 있다. 이들은 양성자성 용매(protic solvent)에서는 양성자(H+)를 만나 쉽게 수소결합을 이룰 수 있다. 이 경우 하이브리드 탄소 구조체는 안정화된 평면(2D) 형태가 된다. 하지만 양성자를 제공받을 수 없는 비양성자성 용매(aprotic solvent)에서는 탄소나노링에 있는 기능기들끼리 수소결합이 일어나면서 안정화된다. 이 경우 하이브리드 탄소 구조체의 모양은 공 모양의 입체(3D) 구조가 된다. 김병수 교수는 “용매에 따라서 탄소나노물질의 형상이 변하는 것을 명확히 보여준 최초의 연구”라고 평가하며 “이번 연구를 통해 시너지 효과를 보인 하이브리드 신소재의 특성을 향상시키고 응용 분야를 확대할 것”이라고 말했다. 권오훈 교수팀은 시간분해 분광법을 통해 이 물질의 구조가 변하면서 형광이 조절되는 원리를 분석했다. 우선 양성자성 용매에서는 하이브리드 탄소 구조체와 용매 사이에서 수소결합으로 인한 에너지 손실이 일어나 주황색의 형광을 보였다. 이와 달리 비양성자성 용매에서는 에너지 손실이 적기 때문에 초록색 형광을 나타냈다. 권오훈 교수는 “이번 연구에서 개발한 부드러운 신소재는 용매와 상호작용하면서 형태가 변하고 이에 따른 에너지 전달 매커니즘이 변하면서 발광 특성이 조절된다”며 “탄소나노물질의 광특성을 극대화하고 발광특성을 조절하는 새로운 가능성을 제시했다”라고 평가했다. 이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 ‘중견연구자지원사업’, ‘신진연구자이원사업’ 및 ‘기초과학연구원 첨단연성물질연구단’의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과는 재료 분야 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 게재됐다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경형광을 띠는 탄소나노물질은 광전자 소자, 바이오 이미징, 센서에 응용된다. 이런 물질을 실용화하기 위해 표면 개질, 이종원소 도핑, 분리과정 등으로 다양한 형광색을 가지는 탄소나노물질을 개발해야 한다. 이런 연구 중에는 용매의 극성에 따라 형광색이 달라지는 ‘용매의존 발색현상(solvatochromism)’을 일으키는 방법을 찾는 것도 있다. 이 현상은 용매의 극성에 따라 물질과 용매 사이의 에너지 전달이 달라지면서 형광 특성이 변해 나타난다. 일반적인 탄소나노물질에서도 이런 현상이 관찰되지만, 형광 발광 범위가 푸른색에서 초록색까지 좁다는 한계가 있었다. 기존 탄소나노물질의 특성을 변화시키려면 새로운 구조체가 필요하다. 산화 그래핀 (graphene oxide)는 표면적이 넓고 작용기가 풍부해 탄화 과정 동안 탄소나노물질의 구조를 바꿀 수 있다고 알려졌다. 탄화는 유기물을 적당한 조건하에서 가열돼 열분해되면서 탄소가 풍부한 물질이 되는 반응이다. 이번 연구에서는 용매에 따라 푸른색에서 주황색으로 형광의 색이 달라지는 현상을 보이는 ‘하이브리드 탄소 구조체’를 개발했다. 그래핀 위의 탄소나노링을 가진 새로운 구조의 나노 소재는 용매의 극성에 따라 구조가 변한다. 이런 변화는 발광 특성을 조절하는 중요 요인이 된다. |
2. 연구내용이번 연구에서 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 용매와 상호관계에 따라 구조와 발광 특성이 달라진다. 이 물질은 시트르산, 에틸렌다이아민, 붕산 등의 작은 전구체와 산화 그래핀을 동시에 탄화해 합성한다. 이 구조체를 다양한 용매에 분산시켰을 때 푸른색에서 주황색까지 넓은 범위에서 형광이 나타난다. 양성자성 용매에서는 하이브리드 탄소 구조체의 기능기와 용매가 수소결합해 시트 형태의 2차원(2D) 구조가 만들어진다. 하지만 비양성자성 용매에서는 용매와 물질이 수소결합할 수 없다. 안정화하려면 물질의 기능기끼리 수소결합하기 때문에 3차원(3D) 구조가 만들어진다. 이런 구조 변화는 물질의 발광 특성에 영향을 준다. 2D 구조에서는 용매와 수소 결합하면서 에너지가 손실되므로 노란색에서 주황색의 형광을 나타낸다. 하지만 3D 구조에서는 기능기끼리 수소결합하지 않아 에너지 손실이 줄고 초록색의 형광이 나타난다. |
3. 기대효과이번에 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 두 물질의 시너지 효과를 가져와 기존 탄소나노소재의 특성을 확장시켰다. 나노소재가 가진 한계점을 뛰어넘기 위한 새로운 가능성을 제시한 것이다. 또 이번 연구에서 개발된 탄소 구조체의 우수한 용매 의존 발색 현상은 센서, 바이오 이미징, 광전자 재료 등의 분야에서 활용될 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 어드벤스드 머터리얼즈(Advanced Materials)Wiley에서 발간하는 재료 분야 최고 권위지 중 하나이며, 2015년 현재 인용지수(IF) 18.960이다. 2. 형광물질이 빛의 자극에 의해 발광하는 현상이다. 빛에 의해 들뜬상태의 물질이 바닥상태로 되돌아 갈 때 전자 전이에 의해 방출되는 빛 또는 그와 같은 발광 현상이다. 3. 용매 의존 발색 현상(solvatochromism)용매의 극성의 차이로 인해 물질의 색이 바뀌는 현상을 말한다. 극성으로 인해 물질의 바닥상태와 들뜬상태가 변하면서 에너지 차이가 바뀐다. 이러한 현상으로 물질의 빛 흡수 및 발광이 변화한다. 4. 양성자성 용매(protic solvent)산소 또는 질소와 결합한 수소를 가진 용매다. 양성자(H+)를 쉽게 제공할 수 있는 용매로 물, 알코올류 등이 있다. 5. 비양성자성 용매(aprotic solvent)양성자(H+)를 제공할 수 없는 용매다. 다이메틸포름아마이드, 테트라하이드로푸란 등이 있다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 용매에 따라 다양한 형광을 보이는 하이브리드 탄소 구조체 탄소나노링이 도입된 그래핀 기반 하이브리드 탄소 구조체는 용매와 수소결합 차이로 인해서 양성자성 용매에서는 2D 구조를, 비양성자성 용매에서는 3D 구조를 보인다. 극성이 다른 다양한 용매에 분산했을 때, 푸른색에서 오렌지색까지의 형광이 나타난다.
그림 2. 용매의 극성에 따른 하이브리드 탄소 구조체의 형상 변화 하이브리드 탄소 구조체는 양성자성 용매(물)에서는 2D 구조를, 비양성자성 용매(다이메틸포름아마이드)에서는 3D 구조를 나타낸다. 양성자성 용매에서는 1000~ nm의 크기를 가지며, 비양성자성 용매에서는 ~400nm의 크기를 가진다. |
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