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차세대 발광 물질 카본닷의 발광 특성 변화 메커니즘을 규명
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 차세대 발광 물질인 이중 발광 *카본닷의 농도 의존성 발광 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다.
☞ 카본닷(carbon-dot): 탄소 기반의 발광 물질로 풍부한 원료와 낮은 독성 및 환경친화적인 장점 때문에 기존에 상용화돼 있는 유기 발광체, 양자점(퀀텀닷)을 대체할 수 있는 차세대 발광 물질로 부상하고 있음.
김도현 교수 연구팀은 청색 및 적색을 이중 발광하는 카본닷을 합성한 후 농도에 따른 발광 특성 변화를 관찰해 카본닷 발광 소스 간 상호작용에 따른 현상을 분석했다. 김도현 교수팀의 연구 결과는 카본닷의 발광 특성 제어는 물론 이론적 이해를 가능케 함으로써 이중 발광 카본닷의 복잡한 발광 특성 해석에 새로운 근거를 제시한 것으로 평가받고 있다.
우리 대학 유효정 박사과정, 곽병은 석박사통합과정이 각각 제1, 제2 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 케미스트리 케미컬 피직스(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP)' 9월 22권 36호 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Interparticle distance as a key factor for controlling the dual-emission properties of carbon dots)
카본닷은 다양한 발광 준위 에너지를 동시에 갖기 때문에 다색발광이 가능하며 농도 변화에 따른 발광 특성 변화를 보인다. 이 같은 특성은 기존 발광 물질인 유기 발광체, 양자점과는 구별되는 카본닷만이 지닌 독자적이고 유용한 특성이다.
최근 들어 다양한 분야에 카본닷의 발광 특성을 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 백색광 및 광학 센서 분야에서 다색발광은 하나의 형광체만으로도 장치 구현이 가능하고 레퍼런스 신호를 제공해 센서의 정확도를 높일 수 있다는 장점 때문에 카본닷 다색발광의 구현과 제어가 중요한 연구과제로 떠오르고 있다.
카본닷은 다색발광과 농도 변화에 따라 다양한 발광 특성을 보이지만 매우 드물게 만들어진다는 게 약점이다. 또 복수 발광 소스 사이의 복잡한 상호작용으로 인해 카본닷의 다색발광과 농도 변화에 따른 다양한 발광 메커니즘을 규명한 연구가 거의 이뤄지지 않고 있다.
연구팀은 이런 문제해결을 위해 청색·적색 이중 발광 카본닷을 합성해 카본닷의 입자 간 거리가 카본닷 발광 특성 변화에 중요한 역할을 한다는 점을 밝히는 연구를 진행했다.
기존의 농도 변화에 따른 카본닷의 발광 특성 변화를 용매 의존 발색 현상에 빗대 수소 결합 영향에 의한 현상으로 해석한 사례가 있지만, 김 교수 연구팀은 카본닷 발광 현상의 농도 의존성이 수소 결합과는 상관없이 입자 간 거리에 의해 제어되는 현상일 수 있다는 가능성에 주목했다.
연구팀이 농도 변화에 따른 카본닷의 이중 발광 특성의 변화를 관찰한 결과, 임계 농도에서 적색 발광에 가장 적합한 입자 간 거리를 형성하고, 이 농도를 전후로 청색 발광이 강해지면서 카본닷의 농도별 이중 발광 특성이 변화하는 현상을 확인했다.
연구팀은 이를 기반으로 분광 분석을 통해 이중 발광의 청색 및 적색의 두 발광 소스를 각각 표면 작용기와 코어의 결합구조로 구분해 농도 변화에 따라 각 발광 소스의 이중 발광에 대한 기여도가 변화한다는 구체적인 설명을 제시했다. 연구팀은 특히 고농도 영역에서 두 발광 소스의 상호작용에 대한 메커니즘 제시를 통해 입자 간 거리 변화 때문에 이중 발광 특성이 제어된다는 결과를 얻었다.
연구팀이 합성한 이중 발광 카본닷은 단일 형광체로서 청색과 적색 발광을 동시 구현할 수 있고 특성 제어가 가능함에 따라 혼합색 구현은 물론 색 변화에 의한 센싱에 사용할 수 있다.
연구팀은 또 이중 발광 카본닷의 농도 조절을 통해 순수한 백색에 근접한 백색 LED 구현에도 성공하는 한편 색 변화에 의한 pH 센싱에 활용해 pH에 따른 청색·적색의 상대적 발광 세기 변화를 통해 pH 추정이 가능함을 보였다. 기존에 제시됐던 카본닷이 고도화된 기능성을 가진 발광체로써 사용될 수 있다는 가능성을 이번 연구를 통해 다시 한 번 입증한 것이다.
제1 저자인 유효정 박사과정 학생은 "카본닷 입자 간 거리에 따라 발광 소스의 상호작용이 일어나 농도에 따른 발광 특성에 변화가 일어난다는 해석은 기존 연구에서 간과됐던 부분ˮ이라면서 "이중 발광 현상에 대한 분석과 함께 이 연구 결과가 카본닷 발광 현상 규명에 있어 새로운 관점을 제시한 것ˮ이라고 의미를 부여했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.11.05
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항공우주공학과, 제1회 극초음속 국제 심포지엄 개최
우리 대학 항공우주공학과는 오는 27(일)-30일(수) KI빌딩 퓨전홀에서 고속 공기역학/열·유체/추진 분야 전문가들이 한자리에 참석한 가운데 ‘제 1회 극초음속 국제 심포지엄’을 개최한다.
극초음속 기술은 미래의 첨단/지능화된 초고속 비행체 개발에 절대적으로 필요한 기술로, 미국, 러시아, 독일, 프랑스, 호주 등을 중심으로 연구되고 있다. 미국은 현재 다양한 프로그램을 통해 극초음속 추진 기술을 확보하고 스크램제트 비행체의 비행시험을 성공리에 수행한 바 있으며, 호주는 HIFire 등 국제협력 프로그램을 통해 극초음속 핵심기술 연구를 수행하고 있다. 국내에서도 근래에 극초음속 추진기관, 달 탐사선 등 산학연에서 연구를 진행하고 있으나, 우주선진국에 비해 그 경험이 아직은 미약한 실정이다.
이번 심포지엄은 ‘극초음속 연구 현황’, ‘열/화학적 비평형 모델링’, ‘스크램제트 추진기관 및 지상시험’, ‘시험설비, 유동 측정 및 진단 기술’ 이라는 4가지 대주제로, 극초음속 기술과 관련하여 많은 경험을 보유한 세계적 석학(국외 11명, 국내 5명)을 중심으로 최신 기술동향 전파 및 기술 교류의 장을 마련하며, 산학연 기술교류 네트워크를 통해 극초음속 연구인력 확산 및 극초음속 분야의 학문적인 연구 분위기 조성에 기여하고자 한다.
조직위원장인 박기수 KAIST 항공우주공학과 교수는 “극초음속 기술 및 활용에 관한 폭넓은 지식을 얻고자 하는 산업체와 연구소의 연구원 및 대학원생들에게 좋은 기회가 될 것”이라고 말했다.
본 심포지엄은 국방과학연구소(ADD 초고속 공기흡입엔진 특화연구실)와 공동 주최하며 현대로템㈜, ㈜비츠로테크, ㈜데크카본, 한국항공우주연구원, 대전마케팅공사, 한국추진공학회, 서울대학교 우주융합대학원 사업단 및 KAIST 초고속비행체 특화연구센터의 후원을 받아 진행된다.
등록 및 관련 문의는 항공우주공학과(042-350-3726, gisu82@kaist.ac.kr)로 하면 된다.
첨부 : 초대의 글 및 세부일정 안내 1부.
2016.11.21
조회수 15372
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금속이온 감지 고감도 센서 개발 길 열어
- 카본 나이트라이드에 3차원 입방체형태의 나노구조 유도- 화학분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미誌’ 12월호 게재
우리학교 생명화학공학과 홍원희 교수팀이 나노구조를 갖는 카본 나이트라이드를 이용해 다른 물질의 도움 없이 금속이온을 손쉽게 감지할 수 있는 고감도 센서 개발을 위한 원천기술을 확보했다고 27일 밝혔다.
금속이온을 측정하기 위해서는 원자 흡수 분광도법과 유도결합 플라즈마 질량분석기를 이용하는 방법 등이 있다. 이들은 거대한 장비를 이용해야 하기 때문에 휴대성이 떨어진다.
이 휴대성 문제를 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있는 데, 대부분 양자점(quantum dot)을 이용하거나 형광단(fluorophore)을 이용하는 센서로 금속이온 감지를 위해 복잡한 접합과정을 거쳐야 한다. 또한, 양자점은 그 자체가 중금속으로 이루어져 있어 독성이 있으며, 형광단을 이용한 센서는 수용액에서의 용해도가 낮아 적용하는 데 한계가 있다.
연구팀은 고유의 발광성을 가지는 카본 나이트라이드(graphitic carbon nitride)에 3차원 입방체 형태의 나노구조를 유도해 본연의 광학적 성질을 조절함으로써 독성이 없고 별도의 접합이 필요 없는 효율적인 센서를 개발했다.
특히, 이 센서는 기존의 휴대용 센서를 목적으로 개발된 물질보다 감도가 10배 이상 뛰어나, 장비 휴대가 불가능한 원자 흡수 분광도법과 유도결합 플라즈마 질량분석기를 이용하는 방법과 유사한 감도를 나타낸다.
이번 연구성과를 기반으로 나노구조를 가지는 카본 나이트라이드를 이용해 폐수에 존재하는 금속 이온의 초고감도 감지도 가능하게 됨으로써, 주변 환경이 금속 이온에 의해 얼마나 노출되어 있는지 혹은 오염되어 있는지를 손쉽게 알 수 있다.
또한, 카본 나이트라이드의 생체 적합성을 이용해 몸속의 혈액 내에 존재하는 금속 이온의 농도까지 쉽고 간단하게 감지 가능한 센서를 구현할 수 있으며, 나노 크기의 카본 나이트라이드 입자를 이용해 체내의 질병치료를 위한 약물 전달 시스템에 적용하고자 약물 전달체로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
홍원희 교수는 “이번 연구는 카본 나이트라이드 관련 연구가 한 걸음 더 나아가 나노구조 유도를 통한 다양한 성질을 복합적으로 이용해 이온 또는 생체 분자 등 여러 가지 물질을 감지하는 센서로 널리 활용될 수 있는 원천기술이다”라고 말했다.
한편, 이번 연구는 교육과학기술부에서 시행하는 미래기반기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 화학 분야의 세계적 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’지 12월호에 게재됐다.
2011.01.27
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강정구 교수연구팀, 코어/쉘 구조 나노입자-나노튜브 혼성체 개발
- 어드밴스트 펑셔널 머터리얼 표지 논문 게재 -
우리대학 강정구 교수팀은 질소가 포함된 카본나노튜브를 이용한 코어/쉘 형태의 화학적으로 안정한 초상자성(자성입자의 크기가 작아지면서 수많은 전자스핀들이 하나같이 움직이는 거대자성 상태) 나노입자-나노튜브 혼성체를 합성하는 기술을 개발하였다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업(구 국가지정연구실사업)의 지원을 받아 KAIST 강정구(姜正九, 41세) 교수 연구팀(이정우 연구원(박사 4년))의 연구 성과로서, 연구 결과는 어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 인쇄판 표지논문으로 7월 24일 게재될 예정이다. 강 교수는 2008년 12월 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 표지 게재에 연이은 7개월 만의 주목할 만한 연구 실적이다.
현재까지 자성 나노입자의 크기를 제어하여 촉매, 바이오 메디신, 데이터 저장체 등에 상당히 효율적으로 이용할 수 있는 기술을 개발해 왔으나, 상당히 복잡한 공정을 통해 제조되어 균일한 크기의 나노입자 제조에 어려움이 있었다.
또한, 자성 나노입자는 합성 후 외부 화학적 분위기에 의해 자성특성이 변화하여 원하는 특성을 유지하기 힘든 문제점이 있다.
기존에는 나노입자를 카본나노튜브에 부착(attachment) 시키기 위해서는, 먼저 카본나노튜브를 산처리 등을 통해 표면에 결함을 생성시켜 용액 내에서 카본 나노튜브를 분산한 다음 나노입자를 나노튜브 표면에서 성장시키는 과정을 사용하였다.
하지만 강 교수 연구팀은 나노튜브의 표면에 결함을 생성시키지 않고도 이종원소가 핵생성에 중요한 역할을 하는 사실에 착안하였다. 먼저 질소가 포함된 카본나이트라이드(Carbon Nitride) 나노튜브를 성장시킨 후 균일한 크기의 마그네타이트 나노입자를 부착시킨 나노입자-나노튜브 혼성체를 합성하였다. 다시 이러한 나노입자-나노튜브 혼성체 위에 실리카 보호막을 코팅하여 화학적 분위기에서 자성특성이 안정적으로 유지되도록 하였다. 그 결과, 실리카 보호막을 코팅한 나노입자-나노튜브 혼성체는 수중에서도 0.4%의 자화도 변화만 발생하였다.
또한, 방사광 가속기를 통한 X선 흡수분광(X-ray Absorption Spectroscopy) 분석과 더불어 카본나이트라이드 포함된 질소가 균일한 크기의 나노입자 합성에 중요한 역할을 하며, 원하는 자성특성을 얻을 수 있다는 것을 밝혔다.
강 교수는 “동 연구 성과가 갖는 의미는 질소가 치환된 카본나노튜브를 이용해서 균일한 특성을 갖는 초상자성 마그네타이트 나노입자 혼성체를 합성하고 마그네타이트 나노입자 표면에 실리카 보호막을 코팅하여 자성특성을 외부 화학적 분위기에 대해 안정적으로 유지하는 기술을 개발한 것이다.”라고 언급했으며,
“실험 및 이론적 분석을 통해 카본나노튜브 내 질소의 역할을 밝혔다는 점에서 중요한 의미가 있다. 이 기술은 현재 국내 특허 출원 중이고, 미국 특허는 출원 신청하고 있다. 실리카 보호막엔 다른 물질들을 치환시키기 쉬워 형·발광 응용에 가능하고 혼성체 또한 향후 촉매, 바이오 메디신, 데이타 저장체 등으로 활용을 위한 다양한 응용 분야에 적용 가능할 것으로 전망된다.”라고 덧붙였다.
2009.07.27
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제2회 KAIST 석학강연 개최
내용 : KAIST(총장 : 로버트 러플린)는 10월1일(금) 오후 3시 창의학습관 터만홀에서 노벨화학상 수상자인 크로토(Harold W. Kroto) 교수를 초청, 제2회 "KAIST 석학강연"을 개최했다.
나노기술 분야의 세계적 거장인 크로토 교수는 "풀러렌과 나노튜브 합성의 메카니즘(Some New Insights into the Mechanisms of Fullerene and Nanotube Formation)"이라는 주제를 통해 나노기술 연구의 기폭제가 된 풀러렌의 발견과정과 나노기술의 미래에 대해 설명했다.
크로토 교수는 새로운 형태의 탄소분자인 카본-60(일명 풀러렌)을 발견한 공로로 1996년 로버트 컬(Robert F. Curl), 리처드 스몰리(Richard E. Smalley)와 함께 노벨화학상을 공동수상했다.
축구공 모양의 탄소구조물인 풀러렌은 탄소 원자 60개로 이루어진 속이 빈 구형의 분자로서, 직경이 약 0.7 나노미터다. 구조가 단단하고 전자의 출입이 가능하여, 탄소나노튜브와 함께 나노분야의 핵심 소재로서 활발히 연구되고 있다.
크로토 교수의 주 연구분야는 불안정한 분자 분광학과 반응 중간체, 나노 탄소 클러스터를 기반으로 한 나노과학과 나노기술이다. 1964년 분자 분광학으로 영국 셰필드 대학에서 박사학위를 받았고, 현재 영국 왕립학회 연구교수와 영국 서식스 대학교수로 재직중이다.
2004.10.05
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