이화여대 화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 가시광 전 영역에서 고효율의 원편광을 구현하는 별 모양 블록 공중합체 기반 키랄 초분자 공동 조립 기술을 개발했다.
뉴시스 보도에 따르면, 원편광 발광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 방출되는 현상으로 차세대 광전자 분야의 핵심이다. 그러나 기존 기술은 구조적 불안정성과 낮은 키랄 전달 효율 등으로 강한 원편광 구현이 어려웠다. 특히 장파장(적색) 영역의 원편광 구현은 기술적으로 난제였다.
이에 김 교수 연구팀은 비키랄 별 모양 구조의 양친성 블록 공중합체와 키랄 소분자(R/S-만델산)를 수소결합으로 결합하고, 열처리를 통해 키랄 공동 조립을 유도했다.
이 과정에서 나노벨트 구조가 나선형 마이크로섬유로 발전하는 계층적 키랄 조립체를 형성했다. 나선의 방향성(handedness)은 사용된 만델산의 광학이성질체에 의해 결정됐다.
연구팀이 제작한 초분자 조립체는 기존 대비 훨씬 강한 키랄 광학 특성을 보였으며 기계적 성능도 향상됐다. 또한 상온에서 100일 이상 키랄 광학 특성과 구조적 안정성을 유지했고 반복적인 가열·냉각 순환 후에도 성능 저하가 없었다.
더불어 연구팀은 다양한 비키랄 발광체(친수성·소수성 염료, 응집 유도 소광·응집 유도 발광 형광체, 페로브스카이트 나노결정)를 키랄 공동 조립에 적용했다.
이를 통해 청·녹·적색의 풀컬러 원편광을 구현했으며, 발광 효율과 발광 수명을 향상시켰다. 특히 원편광 발광 효율은 기존 고분자 조립 기술 대비 가장 높은 수준을 달성했다.
또한 농도와 용매 증발 속도를 조절해 키랄 광학 특성의 방향성을 전환했다. 저농도·느린 증발 조건에서는 열역학적으로 안정한 나선형 구조가 형성됐고, 고농도·빠른 증발 조건에서는 비평형 상태의 밀집된 막대형 구조가 형성됐다.
김 교수는 "이번 기술은 범용성과 확장성이 뛰어나 키랄광학소자, 스핀트로닉스 등 다양한 분야에 차세대 광학 소재로서 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 과학계 최고 권위 학술지인 '사이언스(Science)'에 지난 14일 게재됐다.
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