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영남대학교 기초연구실 (BRL) 적외선 편광 발광 소재 연구실
유/무기 적외선 편광 발광 소재 개발을 위한 화학/물리 학제 간 소규모 집단 연구 ... 차세대 핵심 첨단 소재
적외선 편광 발광 소재 연구실 (연구책임자: 영남대학교 화학과 김영수 교수)은 유기/나노 소재 합성을 위한 기초연구에서부터 소재의 광학 특성에 대한 이해를 통해 개발된 소재를 활용한 발광 소자 제작과 같은 응용 연구를 통해 편광 특성을 갖는 적외선 발광 소재를 개발하여 미래 지향적 혁신 첨단 소재 개발을 핵심 목표로 한다. 적외선 영역에서 발광 특성을 갖는 유기 분자 소재 합성 전략 설계와 계산화학을 통한 분자 모델링 및 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)-LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위 사이의 에너지 갭 예측을 통한 유기 소재 개발에 관한 연구, 카이랄성 (Chirality) 분자 설계를 통해 편광 특성 연구, 적외선 발광 특성을 갖는 컨텀 닷 (Quantum dots, QDs) 및 페로브스카이트 (Perovskite) 합성 연구, 편광을 특성을 위한 카이랄 (Chiral) 나노 구조체 합성 및 특성 분석 연구와 같은 소재 합성에 관한 기초적인 연구를 수행함과 동시에 개발된 소재를 이용한 광전소자 제작 및 유기 분자 및 나노 소재의 분자 정렬 연구, 광전 소자의 광 특성 연구 및 표면 분석 연구와 같은 응용 연구가 포괄적으로 진행될 예정이다.
초기 개발된 발광 소재는 다양한 분야에서 응용되어지고 있지만 발광 영역에 대부분 가시광선 에 한정되어 있고, 편광 특성이 없어 에너지 효율이 낮고 정보 보호 기능이 없는 단점이 있다. 최근에는 가시광 발광 소재의 단점을 극복하고자 적외선 발광 소재 개발 연구가 전 세계적으로 많이 이뤄지고 있지만, 소재 자체의 편광 특성이 없어 여전히 에너지 효율은 낮고, 정보 암호화에는 한계가 존재한다. 본 연구실에서는 에너지 효율이 높고, 정보 암호화 기능과 함께 정밀한 검출 및 통신이 가능한 유/무기 적외선 발광 소재를 개발하고자 한다. 유/무기 적외선 편광 발광 소재의 성공적인 개발을 위해 나노 소재 합성 및 응용에 전문 지식을 갖춘 연구책임자 (김영수 교수, 화학)를 중심으로, 유기 합성 방법론 개발 및 카이랄 분자 합성 분야 전문가인 공동연구자 (김병선 교수, 화학)가 적외선 편광 발광 유기 소재를 개발에 참여하고, 계산화학 및 표면 분석 전문가인 공동연구자 (윤영상 교수, 화학)가 분자 모델링 및 에너지 계산, 소자의 표면 분석 등을 담당할 예정이다. 또한, 개발된 유/무기 소재를 광전소자로 제작하고 소재의 광학 특성 연구를 위해 공동연구자 (곽진석 교수, 물리)가 소자 제작, 분자 정렬 및 광학 특성 평가를 진행할 예정이다. 본 기초연구실은 유/무기 소재 합성, 특성 분석 분야를 연구할 화학분야 전문가와 소자 제작 및 광학 특성 평가를 연구할 물리학 전문가로 이루어져 학제 간 유기적인 융합 연구가 가능한 소규모 연구실이다.
그림 1. 적외선 편광 발광 소재 연구실
그림 2. 적외선 편광 발광 소재 연구실 연구진행체계 및 목표
Project 1. 나노 소재 기반 적외선 편광 발광 소재 합성 연구
적외선 영역의 발광 파장을 갖는 편광발광의 양자점 소재를 개발하기 위해서는 다양한 화학적 조성과 리간드의 종류, 그리고 형태학적 변화도 고려해야만 한다. 일반적으로 특정 파장 영역에서 발광하는 양자점 소재는 화학 조성의 변화로 쉽게 합성할 수 있다. 하지만, 우수한 발광 특성과 동시에 편광 특성이 강조되기 위해서는 일반적인 방법으로 합성되는 구형의 양자점으로는 구현할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 우수한 발광 특성과 편광 특성을 동시에 구현할 수 있는 이방성 구조를 갖는 양자점 합성 연구를 진행할 예정이다. 이등방성 구조의 양자점 합성을 위해 반응 온도와 전구체의 농도 및 양자점 주위의 리간드의 종류와 농도 등의 실험 변수를 조절하여 다양한 화학 조성을 갖는 이등방성 양자점 (Wires, Rods, Plate, 등)을 구현하고자 한다. 양자점 연구와 더불어 발광 페로브스카이트 양자점 물질 합성 연구도 병행될 것이다. 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점은 높은 광발광 양자효율, 높은 색 순도 및 넓은 영역의 색 재현성과 같은 전기광학 특성이 우수하여 발광 소재로써 각광을 받고 있는 물질이다. 페로브스카이트 양자점의 궁극적인 목표인 광학소자 또는 디스플레이 응용을 위해 금속 이온 도핑, 표면 개질, 또는 소자 제작 시 계면 특성 등을 변화시켜 더 높은 효율의 발광 소재를 개발하려는 노력은 꾸준히 수행되고 있다. 본 연구팀은 다양한 파장에서 발광 특성이 뛰어난 페로브스카이트 양자점을 개발하고자 한다. 발광 특성이 우수한 페로브스카이드 양자점 개발이 성공하더라도 고편광 특성과 각 발광 파장에서 편광도를 일정하게 유지하는 것은 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 나노와이어 또는 나노시트 형태의 페로브스카이트 양자점 합성을 시도할 것이고, 이와 더불어 도핑 또는 할로겐 처리와 같은 화학적 처리 방법을 동원하여 편광 특성을 갖는 페로브스카이트 양자점 개발이 가능할 것이다. 또는 발광층 물질에 페로브스카이트 박막을 형성하여 효율향상과 색재현성 향상뿐 아니라 발광 파장까지 조절할 수 있어 적외선 발광 소재 개발도 가능할 것이다. 페로브스카이트 양자점 합성과 더불어 광학 특성 파악에 대한 연구도 함께 진행될 것이다.
그림 3. 나노 소재 기반 적외선 편광 발광 소재 합성 전략
Project 2. 적외선 편광 발광 유기 소재 합성법 개발 및 분자 모델링 연구
카이랄성을 갖는 분자계는 광전자 기기 분야에서 뛰어난 기능성 물질로 잘 알려져 있다. 카이랄 분자계의 비대칭성은 비선형 광학 효과를 나타내어, 분자들의 정렬에 따라 전자원편광 또는 원편광 발광과 광학적 특징을 갖는다. 이방성 유기발광 분자를 이용해서 편광된 빛을 발광하는 연구는 원형 이색성, 카이랄 발광체, 비틀린 발광층 구조로 나뉜다. 카이랄성은 단일 분자의 비대칭성뿐만 아니라, 거대분자의 구조와 분자간의 상호작용에 의해서 결정된다. 카이랄성 분자계를 공액 유기 분자에 도입하는 대표적인 방법으로는 수직 방향 (Axial), 나선형 (Helical) 형태를 가지는 분자형태로 합성하는 것과 공액 유기 분자의 골격에 카이랄성을 띄는 분자를 추가하는 방법 등이 알려져 있다. 최근에는 카이랄 도판트를 첨가해서 이방성을 갖는 효율적인 공액 유기발광 분자계를 만드는 연구가 편광 유기발광다이오드 (Organic Light Emitting Diodes, OLED)를 구현하는 분야에서 주목받고 있다. 본 기초연구실에서는 기존에 알려진 카이랄 도판트의 성능을 개선하여 광학 효율의 향상과 소자의 구동 수명을 증가시킴과 동시에 새로운 카이랄 분자 및 합성법을 개발하고자 한다. 또한, 적외선 발광 유기소재를 개발하기 위해서는 적외선 영역에서 발광할 수 있는 유기 분자들을 설계하고 합성하는 것이 필수적이다. 일반적으로 적외선 발광 유기 소재를 개발하기 위해서는 HOMO-LUMO 준위의 에너지 차이를 줄여야 한다. 따라서, 분자 설계를 통해 π-콘쥬게이션 (π-conjugation)을 증가시키거나 분자 내 강한 전자 주개 (Donor)-받개 (Acceptor) 쌍을 도입하면 HOMO-LUMO 준위 사이의 에너지 차이를 줄일 수 있다. 분자 설계 단계 또는 합성된 발광 유기 분자들에 대해서 범 밀도 함수 (Density Functional Theory, DFT) 계산 기법을 적용하여 적외선 영역에서 발광 가능성 있는 다양한 유기 분자들의 HOMO-LUMO 준위에 대한 에너지 차이를 계산할 것이다. 실험적으로 얻은 HOMO 및 LUMO의 에너지 차이와 DFT 계산에 의해 얻어진 에너지 차이를 상호 비교함으로써, 보다 적합한 적외선 발광 유기 분자를 디자인할 수 있도록 피드백을 활성화하여 이론과 실험적 실증 과정을 통해 적외선 편광 발광 유기 소재 개발 연구를 진행할 것이다.
그림 4. 적외선 편광 발광 유기 소재 합성 전략 및 DFT 기법 이용한 계산화학적 접근법
Project 3. 편광 발생 유기발광소자를 위한 표면 배향연구
일반적으로 이방성 유기발광 분자들의 전이 모멘트 (Transition moment)가 일렬로 정렬할 때 편광된 빛이 생성된다. 이러한 분자들의 정렬 정도는 계면 물질의 정렬에 의해 적층 (Epitaxial) 정렬하는 효과가 지배적이고, 유기 분자 자체의 자기 조립 (Self-assembly) 효과에 의해서도 일축 정렬이 유도된다. 그래서 분자 정렬효과는 표면의 형태, 처리 상태, 유기분자의 이방적 구조, 분자 간 상호작용에 따라 좌우된다 할 것이다. 본 연구팀은 정공수송층 (Hole Transport Layer, HTL)으로 사용된 나노시트 2차원 물질의 표면처리 통하여 발광층 분자들의 일축 정렬을 실현시켜왔다. 현재 연구팀에 의해 연구된 가시광 발광 유기발광소자에서 편광도는 아래 그림에서 보듯이 150:1 이상을 달성했지만 실제 광소자에 적용하기 위해서는 더 높은 편광도가 요구된다. 높은 편광도를 얻기 위해서는 발광층 물질의 일축 정렬도 즉, 질서도가 매우 높아야 하는데 이를 위해서는 정공수송층과의 상호작용이 강해야 한다. 그래서 발광층과 높은 상호작용을 갖는 정공수송층 물질의 표면처리 및 분석에 대한 연구가 깊이 있게 진행되고 있고, 표면처리 방법으로는 러빙법과 고직진성을 가지는 이온빔, 전자빔, 편광광원이 사용되고 있다.
러빙법과 이온빔 배향법을 동시에 사용했을 때 편광도가 증가되는데, 이는 아래 그림에서 보여지는 것처럼 두 방법의 메커니즘이 다르기 때문이다. 러빙법의 경우 천으로 정공수송층을 문질러주면 러빙 방향으로 정공수송층의 표면 분자들을 정렬시켜주어 위에 올라가는 발광층의 분자들을 러빙 방향으로 배향시켜주는 방식이라면, 직진성이 높은 이온빔이 정공수송층에 조사될 경우 이온빔 조사 방향에 수직한 π-결합들은 파괴되고 평행한 π-결합들은 살아남게 되는데 이 살아 남아있는 π-결합들이 발광층 분자의 배향에 기여하게 되는 방식으로 이 상호보완적인 배향 메카니즘이 배향성에 시너지효과를 발생시켜 표면배향력을 상승시키게 되고 결론적으로 발광층의 편광도를 증가시키게 되는 것이다. 적외선 영역의 발광물질의 편광도를 향상시키기 위한 하나의 연구로써 러빙기술과 이온빔기술을 포함하는 정공수송층 분자들의 표면 동시 처리 기술에 의한 발광층의 배향성 향상에 대한 연구가 또한 진행되고 있다.
그림 5. 나노 소재 기반 적외선 편광 발광 소재 합성 전략
연구팀을 이끌고 있는 영남대학교 화학과 김영수 교수는 고려대학교에서 염료감응형 태양전지 전극의 표면 처리 및 나노 입자를 이용한 염료 흡착량 향상에 대한 주제로 박사학위를 취득하였다. 이후, 삼성전자 LCD 사업부와 삼성 SDI에서 실리콘 태양전지 관련 연구 개발을 수행하였고, University of Illinois at Urbana-Champaign에서 박사 후 연구원으로 근무하였다. 이후, 기초과학연구원 나노의학연구단에서 선임연구원으로 근무하다가 2018년 영남대학교 화학과에 부임하여 독자적인 연구활동을 시작하였다. 나노입자 합성 및 빛과 물질의 상호작용을 이용한 전자전달 및 다양한 화학 반응에 대한 연구를 수행 중에 있다. 현재는 기초연구실과제인 “적외선 편광 발광 연구실” 과제의 연구책임자로 연구사업을 수행 중이다.
현재 연구단은 연구책임자 김영수 교수를 포함하여 공동연구자로 영남대학교 물리학과 곽진석 교수, 영남대학교 화학과 윤영상 교수, 경상국립대학교 화학교육과 김병선 교수 및 박사 후 연구원 1명, 박사과정 2명, 석사과정 11명, 학부과정 7명 등 총 25명이 연구에 참여하고 있다.
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