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이광섭 교수
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나노광소재 연구실 소개

본 연구실에서는 정보통신공학에 응용이 가능한 다양한 광기능성 및 역학기능 유기 및 고분자 소재를 창출하고 이들의 물성과 성능을 평가하여 IT 산업에 실제적 응용 가능성을 탐색하는 연구를 수행중에 있다. 특히 나노 소재의 개발 및 나노 패터닝등을 통한 초미세 구조의 제어 및 소자화 연구, 그리고 창출된 이들 소재를 이용한 광역학 치료, 생체장기의 실시간 영상화 등 생체 및 의료 분야의 접목도 시도중에 있다.
Nano-Photonics 및 Bio-Photonics를 포함하는 세부연구 분야는 다음과 같다.

  • 고효율 이광자 흡수 소재 창출
  • 나노 소재의 개발 및 나노 패터닝
  • 생체 광자공학 소재 개발 및 응용연구
  • 비선형 광학 물질의 합성 및 광소자화
  • 평판 디스플레이용 (EL / LCD) 유기 및 고분자 소재 개발
  • 고성능 및 고내열성 고분자 재료
  • 유기-무기 하이브리드 소재 개발
  • 유기-무기 태양전지 소재 개발
기능성 고분자 연구실 사진
기능성 고분자 연구실 사진

공동연구기관

국내
KAIST 기계공학과, 양동렬 교수팀
KAIST 물리학과 공홍진 교수팀
KAIST 화학과 심홍구 교수팀
서울대학교 화학생물공학부 장정식 교수팀
포항공대 화학과 장태현 교수팀
연세대학교 화학과 김동호 교수팀
부산대학교 물리학과 차명식 교수팀
충남대학교 공업화학과 김동표 교수팀
국외
미국 New York 주립대(Buffalo) 화학과; P. N. Prasad 교수팀, A. Cartwright 교수팀
미국 Air Force Research Laboratory; P. Fleitz 박사팀
독일 Max-Planck 고분자연구소; G. Wegner 교수팀
독일 Mainz 대; R. Zentel 교수팀
독일 G. Wegner, K. Muellen 교수팀
일본 Osaka대; S. Kawata 교수 (응용물리과, RIKEN 수석연구원), H.-B. Sun 교수(응용물리학과)
일본 동경농공대; T. Watanabe 교수 (고분자학과)
일본 AIST; K. Kamada 박사 (Osaka 소재)
일본 동경공대; M. Kakimoto, M. Ueda 교수 (고분자공학과)
프랑스 Renns 대; M. Blanchard-Desce 교수 (CNRS, 화학연구소)
프랑스 Angers 대; J.-M. Nunzi 교수 (광물리/재료학과)
프랑스 IPCMS 연구소; D. Guillon 교수팀
스웨덴 Royal Institute of Technology; H. Agren 교수 (화학과, 이론화학연구소)
영국 Oxford대; H. Anderson 교수 (화학과, 이광자 흡수소재 개발)
중국 절강대학교; S. He 교수팀
고효율 이광자 흡수 (two-photon absorption: TPA) 소재 개발

이광자 흡수 현상은 그림1에서 보는 바와 같이 강한 레이져 빔을 물질에 조사할 두 개의 광자를 동시에 흡수하여 여기 상태가 되고 약간의 에너지를 잃은 후에 흡수될 때의 에너지보다 더 높은 에너지의 광자를 방출(형광)하며 바닥상태로 돌아오는 현상을 말한다.

이는 대부분의 물질에서 관찰되는 한 개의 광자를 흡수하여 바닥상태에서 여기상태가 되고 다시 유사한 파장의 빛을 내며 바닥상태로 되돌아오는 단일광자 흡수 현상과 크게 차별된다.
이 현상을 이용하여는 그림 2에서 보는바와 같이 3-D 나노소자, 3-D 광정보저장소자, 고에너지 레이져빔 차폐소자, 청색고체 레이져, 광역학 치료등 첨단의 정보통신, 나노공학 및 생체의료 분야에 응용이 가능하다.

그림 1. Jablonski Diagram for Two-Photonn & One-Photon Process

그림 1. Jablonski Diagram for Two-Photonn & One-Photon Process

그림 2. 이광자 흡수 소재의 응용분야

그림 2. 이광자 흡수 소재의 응용분야

본 연구실에서는 이광자 흡수계수 (TPA cross-section: σ2)와 분자구조 간의 상관관계를 밝혀 활성이 더 높은 이광자 흡수 소재를 창출하고자 그림 3에서와 같이 phenylenevinylene, fluorene, dithienothiophene, difuranonaphthalene, phenyleneethynylene등의 π-전자 센터에 carbazole, triphenylamine, N,N-dibuthylamine, benzoxadiazole등의 전자주게나 받게를 결합하여 다양한 이광자 흡수 물질을 합성하고 이들의 제반 광특성을 평가하는 연구를 진행하고 있다.

그림 3. 다양한 이광자 흡수 화합물의 구조

그림 3. 다양한 이광자 흡수 화합물의 구조

이들중 dithienothiphene (DTT)을 포함하는 D-π-D 구조의 화합물은 레이져 펄스폭이 나노초인 레이져로 측정시 다광자 흡수 (multiphoton absorption)에 의한 비선형 흡수가 33.5-199K GM으로 매우 높은 값을 보였으며 이를 이용하여 광제한 (optical limiting) 소자로의 실제적 응용이 가능하리라 판단되었다. 펨토초 레이져를 이용한 순수한 이광자 흡수계수의 측정에서는 그림4와 표1에서 보는 바와 같이 DTT와 phenyleneethynylene으로 이루어진 화합물 (TP-DTTPE-TP, NBu2-DTTPE-NBu2)과 다분지형의 EPS-3arm의 화합물이 5,200-11,000 GM의 매우 높은 이광자 흡수활성을 나타내었다.

그림 4. Phenyleneethynylene계의 이광자 흡수 화합물 구조

그림 4. Phenyleneethynylene계의 이광자 흡수 화합물 구조

표 1. 여려 Phenyleneethynylene계 이광자 흡수 화합물의 광특성

표 1. 여려 Phenyleneethynylene계 이광자 흡수 화합물의 광특성

이광자 색소를 여러 광소자로 실제적 응용을 고려할 때 고체상태로 이용이 요구되는 경우가 대부분이다. 그러나 공액이중결합을 근간으로 하는 이광자 색소들은 고체상태에서 색소간의 상호작용으로 인하여 여기자 (eximer)를 형성, 형광식힘이 발생하여 이광자 활성이 감소하게 된다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구팀에서는 그림5와 같이 이광자 색소에 덴드론을 결합시켜 분자의 입체장애를 유발시킴 (site isolation 효과로 칭함)으로서 [G3-HHA]의 고체필름상에서도 강한 형광을 관찰할 수 있었으며 이로부터 광소자 제작에 유리한 분자설계개념을 제시하게 되었다.

그림 5. 스틸바졸륨계 이광자 흡수 덴드리머의 구조 및 이들 필름의 UV조사에 의한 형광 현상

그림 5. 스틸바졸륨계 이광자 흡수 덴드리머의 구조 및 이들 필름의 UV조사에 의한 형광 현상
(덴드리머형 [G3]-HHA는 HHAPTB에 비하여 강한 형광 현상이 관찰됨)

이광자 중합에 의한 나노 패턴닝

3-D 마이크로 및 나노 소자 제작은 미래의 정보통신, 생체의료, 기계공학 분야 등에서 매우 중요하게 고려되고 있으나 기존의 리소그라피 공정으로는 제작상에 많은 문제점을 안고 있다. 이의 해결 방법으로 이광자 흡수 물질을 이용한 광중합법은 공정이 아주 단순하여 이들 소자 제작에 매우 유리하다. 색소의 이광자 현상을 이용하는 이 방법은 장파장(약 800 nm)의 레이져 빔을 렌즈(NA: 약1.4)를 통하여 focusing하여 시료(광경화 레진, 이광자 색소, 광개시제의 혼합물)에 조사하면 TPA 색소가 방출하는 단파장(400~500 nm)이 광개시제를 분해하여 라디칼을 생성하게 하고 이들이 레진을 공격하여 중합 반응을 유도, 고화 시킴으로서 페턴닝을 가능하게 한다. 본 연구실에서는 이 방법을 도입하여 다양한 구조의 3-D 마이크로/나노 소자, 광자결정체, MEMS, 광도파로 등 각종 광소자 제작을 위한 연구를 진행중에 있다. 그림6에는 나노패턴닝을 가능케 할 수 있는 펨토초 레이져 장치를 수록하였고 그림7에는 이 장치를 이용하여 실제로 3-D 패턴닝에 성공한 예를 나타내었다. 얻어진 도마뱀 모양의 3-D패턴은 그 크기가 혈액속에 있는 적혈구 크기 정도이었으며 2-D의 글자를 쓸 경우 사람의 머리카락 단면에 수천에서 수만개의 패턴닝이 가능하다. 현재 최고의 해상도는 100 nm에 이르고 있다.

그림 6. 이광자 광중합에의한 미세 패터닝 레이져 장치 개략도

그림 6. 이광자 광중합에의한 미세 패터닝 레이져 장치 개략도

그림 7. 이광자 광중합에 의한 3-D 패턴의 SEM사진 (도마뱀의 크기: 3x5x15μm) 및 사람의 머리카락과 도마뱀 패턴 크기의 비교

그림 7. 이광자 광중합에 의한 3-D 패턴의 SEM사진 (도마뱀의 크기: 3x5x15μm) 및
사람의 머리카락과 도마뱀 패턴 크기의 비교

광세기 제한 특성 연구

3-D 마이크로 및 나노 소자 제작은 미래의 정보통신, 생체의료, 기계공학 분야 등에서 매우 중요하게 고려되고 있으나 기존의 리소그라피 공정으로는 제작상에 많은 문제점을 안고 있다.
이의 해결 방법으로 이광자 흡수 물질을 이용한 광중합법은 공정이 아주 단순하여 이들 소자 제작에 매우 유리하다. 색소의 이광자 현상을 이용하는 이 방법은 장파장(약 800 nm)의 레이져 빔을 렌즈(NA: 약1.4)를 통하여 focusing하여 시료(광경화 레진, 이광자 색소, 광개시제의 혼합물)에 조사하면 TPA 색소가 방출하는 단파장(400~500 nm)이 광개시제를 분해하여 라디칼을 생성하게 하고 이들이 레진을 공격하여 중합 반응을 유도, 고화 시킴으로서 페턴닝을 가능하게 한다.
본 연구실에서는 이 방법을 도입하여 다양한 구조의 3-D 마이크로/나노 소자, 광자결정체, MEMS, 광도파로 등 각종 광소자 제작을 위한 연구를 진행중에 있다. 그림6에는 나노패턴닝을 가능케 할 수 있는 펨토초 레이져 장치를 수록하였고 그림7에는 이 장치를 이용하여 실제로 3-D 패턴닝에 성공한 예를 나타내었다. 얻어진 도마뱀 모양의 3-D패턴은 그 크기가 혈액속에 있는 적혈구 크기 정도이었으며 2-D의 글자를 쓸 경우 사람의 머리카락 단면에 수천에서 수만개의 패턴닝이 가능하다.
현재 최고의 해상도는 100 nm에 이르고 있다.

그림 8. 여러 Fluorene 및 DTT계 이광자 색소의 광제한 특성

그림 8. 여러 Fluorene 및 DTT계 이광자 색소의 광제한 특성

광역학 암진단 및 치료

이광자 흡수 기술은 의학분야에도 적용할 수 있다. 암세포에 이광자 흡수 발색단을 포함한 광감응성 물질을 주입시키고 여기에 장파장(약800 nm)의 빛을 조사하면 전자가 여기상태에서 바닥상태로 내려올 때의 발광 에너지에 의해 광감응성 물질이 반응을 하게 되고 이 물질은 암세포에 유해한 단일여기자 산소를 방출하여 암세포를 제거할 수 있게 된다 (그림 9참조).
이 방법은 기존에 400~500 nm 단파장의 UV를 이용시 세포에 손상을 입힐 수 있었지만 800 nm의 빛을 이용함으로써 이러한 염려없이 깊은 곳까지 빛을 침투시켜 치료를 할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구실에서는 암세포 지향성의 화합물에 이광자 흡수 색소를 결합시켜 암발생 위치를 진단하는 연구와 더불어 이광자 흡수 색소를 덴드리머 껍질로 포장하여 암세포 선택성 나노 입자를 생성시키고 이를 생체에 주입하여 암세포 위치를 확인하는 연구등을 수행하고 있다.

그림 9. 광역학 진단 및 치료의 개략도와 이광자 생체 이미지 공초점 현미경 사진

그림 9. 광역학 진단 및 치료의 개략도와 이광자 생체 이미지 공초점 현미경 사진

Electro Luminescence

최근 들어 인터넷으로 대표되는 정보통신 기술의 급격한 발달로 인하여 전자상거래, 전자행정, 원격교육 재택근무 등이 몇 년 후의 일로 다가오고 있으며 이와 동시에 경제, 교육, 교통 등 모든 영역에서 새로운 산업이 구축 되고 있다. 이런 고도화된 사회가 도래함으로써 휴대가 간편하고 빠른 정보 처리 능력을 가진 산업이 급속도로 발전하고 있으며 이를 기반으로 하는 디스플레이산업 역시 급속도로 발전하고 있다. 지금까지 사용되던 (cathode ray tube: CRT)는 중량, 공간 등의 많은 문제점이 있어 이를 대체하기 위하여 LCD, PDP, 유기EL 디스플레이산업이 급속도로 발전하고 있다.
이중 LCD는 가볍고 전력 소비가 낮기 때문에 현재 가장 많이 사용되고 있으나 시야각이 떨어지며 공정성의 복잡함과 응답속도의 기술적 한계로 인하여 유기EL의 개발에 많은 노력을 하고 있다. 특히 유기 EL (OLED) 디스플레이는 응답속도가 1ms, 이하로서 고속 응답하며, 자체발광 물질을 이용하여 유기 EL 소자를 화소로 이용하기 때문에 시야 각 문제가 없어 소형에서 대형에 이르기까지의 어떠한 동영상 표시 매체로서도 손색이 없고, 소비전력이 낮으며, 백라이트가 필요 없을 뿐만 아니라, 박막 형태로 제작하기 때문에 평판 디스플레이에 적합하며, 제조 공정이 단순하여 저가격화가 유리하기 때문에 대중화에 유리하여 차세대 디스플레이로서 실용화를 위해 노력하고 있다.

그림1 디스플레이 기술별 특성 비교

그림1 디스플레이 기술별 특성 비교

이러한 OLED의 메커니즘을 살펴보면. Fig.4에서 보듯이 ITO와 같은 투명 전극인 양극과, 낮은 일함수 금속인 (Ca, Li, Al: Li, Ma: Ag 등) 사용하는 음극 사이에 유기 박막층이 있는 구조로 되어있다. 이때 순방향의 전압을 가하게 되면 양극에서는 전공(hole)이, 음금에서는 전자(electron)가 각각 주입되게 되며 발광층에서 각각 결합하여 한쌍의 pair인 엑시톤(exciton)이 형성하게 되고 엑시톤은 재결합(recombination)을 하는 것을 전기발광 현상이라고 한다.
유기 EL 소자를 단층 박막 고조로 제작하지 않고 다층으로 제작하는 이유는 유기물의 경우 (그림2) 와 같이 정공 주입층(HIL), 정공 전달층(HTL), 전자 주입층(EIL), 전자 전달층(ETL)을 사용하면 정공과 전자가 발광층(ETL)으로 효과적으로 전달될 수 있고 이렇게 하여 발광층에서 정공과 전자의 밀도가 균형을 이루도록 하면 발광 효율이 높기 때문이다. 또한 전자 주입층에서 주입된 전자가정공 주입층, 정공 전달층에 생기는 에너지 장벽에 의해 전자가 발광층에 가치게 되어 재결합 확률을 높여 발광 효율을 높일 수 있기 때문이다.

그림2 OLED의 메커니즘

그림2 OLED의 메커니즘

OLED는 모든 색상 구현이 용이하며 응답 속도가 빠르고 낮은 구동 전압을 필요로 하며 자체 발광을 하기 때문에 시야각의 문제를 가지지 않는다. 또한, 높은 순도와 어떠한 모양으로도 제조가 가능하며 구부러질 수 있고 제조 공정이 단순하여 차세대 디스플레이로 각광을 받고 있다.

그림3 색소를 가지는 유기물질

그림3 색소를 가지는 유기물질.

하지만 유기EL이 안고 있는 문제 중 하나는 수명이다. 대개의 유기분자가 산소나 습기에 약하다. 이 때문에 외부에서 차단하는 기술을 높여 가는 것으로 지금까지 수명을 연장시켜 왔다. 그러나 궁극적으로는 불안정한 유기분자를 외부에서 차단하는 것이 아닌, 안정한 유기분자로 유기EL 디스플레이를 구성하는 것이 유망하리라 본다. 지금까지 청색발광 물질의 연구는 많은 연구가 진행 되고 있으며 아직까지 색 순도, 발광 효율, 수명을 높이는데 연구가 주를 이루고 있다.
또한 소자를 개발하는데 있어서 열 안정성, 용해도가 적합한 소자를 개발 연구 하고 있다.

Solar cells

화석연료의 매장량의 한계가 보여짐에 따라 대체 에너지의 개발이 시급하다. 여러 대체 에너지 중 무한한 태양광은 전 세계적으로 연구가 활발히 진행 중이다. Solar Cells 은 물질에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 무기재료, 특히 Si을 재료로 사용하는 Inorganic Solar Cells 과 유기물질을 재료로 사용되는 Organic Solar Cells 이 있다.
Inorganic Solar Cells 은 높은 효율의 장점을 가지고 있지만 단위면적당 에너지 발전 단가가 높은 단점이 있다. 이러한 높은 발전단가를 극복하기 위해 현재 Organic Solar Cells의 연구가 활발히 진행되고 있다. Organic Solar Cells 은 낮은 발전단가와 두께가 매우 얇아 Flexible 하다. Organic 상용화하기 위해서는 약 10%의 효율이 필요하다. 본 연구실에서는 Organic Solar Cells 의 효율을 높이기 위해 여러 유기물질의 구조를 디자인하고 접목시키는 연구를 한다.

그림1 지표면에 입사하는 태양광 스펙트럼

그림1 지표면에 입사하는 태양광 스펙트럼

그림1에서 보듯이 지표면에는 다양한 파장의 빛이 입사된다. 이중에서 가장 많은 에너지를 가지는 파장이 가시광선, 적외선 영역이다. 이러한 빛은 그림2와 같은 Mechanism 으로 전기에너지로 전환 된다.

그림2 Solar Cell의 Mechanism

그림2 Solar Cell의 Mechanism

  • 태양에너지를 흡수한 Donor 물질은 HOMO Level에서 LUMO Level로 전이를 이루면서 전자와 정공이 분리된다.
  • 이렇게 분리된 전자와 정공은 각 Energy Level에 따라 이동하게 된다.
  • 이것은 광여기 전하 이동 현상(PICT)라고 하며, 이때 전기에너지가 발생한다.

그림3 Organic Solar Cells의 Acceptor 와 Donor

그림3 Organic Solar Cells의 Acceptor 와 Donor

  • Organic Solar Cells는 그림3과 같은 Acceptor 와 Donor을 쓴다.
  • Acceptor은 주로 Fullerene 유도체가 주로 쓰이며 PCBM이 가장 많이 사용된다.
  • 이는 높은 HOMO, LUMO Level을 가지고 있다.
  • 또한 전자 이동도가 우수하여 전자 loss을 줄여 효율을 높이는데 기여한다.
  • Fullerene의 고질적인 Low Solubility을 개선시켜 Device의 제작을 용이 하게 한다.
  • Donor로 쓰이는 P3HT는 높은 입체규칙성을 가지고 있어 전자 이동이 용이하다.
  • 또한 정공의 이동도가 매우 높다.
  • 약 350nm에서 650nm의 넓은 파장을 흡수하며 alkyl chain으로 인해 Solubility가 매우 높다.

그림4 Hybride Organic Solar Cells

그림4 Hybride Organic Solar Cells

또한 본 연구실에서는 Carbon Nanotube 에 Quantum Dots 을 Link하여 Organic Solar Cells의 Device을 제작해 약 2.6%의 효율을 보였다. Quantum Dots 을 여러 종류로 바꿔 실험을 진행 중에 있다. 그리고 기존의 Donor, Acceptor 을 대체할 물질을 설계 및 합성을 하고 있다.