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  • 기사등록 2021-09-30 13:00:04
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▲ (왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 염지현 교수, 박기현 석사과정



[기계신문] KAIST 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 광대역 광학 활성을 갖는 카이랄 세라믹 물질을 최초로 개발했다.


카이랄(Chiral)은 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 비대칭성을 가르키는 용어 중 하나로, 이는 어떤 대상의 모양이 거울에 비춘 모양과 일치되지 않을 때 카이랄 성이 존재한다고 일컫는다.


카이랄 나노물질은 입사하는 원형 편광의 오른쪽 또는 왼쪽 방향성에 따라 다른 광학적 성질을 보이는 광학 활성도(chioptical activity)의 특징을 가지고 있다. 같은 물질이어도 구조에 따라 서로 다른 광학 성질을 보이는 특이성을 활용해 많은 응용이 가능할 것이라는 기대로 최근 주목을 받는 물질이다.


하지만 기존에 보고된 대부분의 카이랄 나노물질은 자외선(ultraviolet) 및 가시광선(visible) 영역에서만 제한적으로 광학 활성을 갖고 있어 바이오 및 통신 등을 포함한 다양한 분야에서의 응용에 한계가 있었다.


염지현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 자외선에서부터 근적외선 영역을 넘어 단적외선 영역에서까지 광범위한 광학 활성을 갖는 카이랄 소재를 최초로 개발했다.


연구팀은 황화구리(copper sulfide) 세라믹 물질에 원자 수준에서부터 마이크로 수준에까지 체계적으로 카이랄 특성을 부여하는 기술을 선보였다. 그와 동시에 황화구리 나노입자의 화학적 상태를 긴 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 상으로 변화되도록 유도하여 적외선 영역 광학 활성 효율을 극대화했다.


연구팀은 먼저 아미노산이 가지고 있는 원자 수준 카이랄 특성을 무기 나노입자에 전이시켜 나노 수준 카이랄 특성을 구현한 후, 나노입자 사이의 인력 및 척력을 조절해 1~2 마이크로미터(㎛) 길이의 카이랄 나노꽃(nanoflower, NF)이 자가조립으로 만들어지도록 유도했다.


연구팀은 이렇게 디자인된 나노꽃이 자외선에서부터 수 마이크로미터의 파장을 갖는 적외선에서까지 빛의 원형 편광 방향 따라 특이적으로 상호작용하는 것을 확인했다.


또한, 이 광대역 광학 활성은 연구팀이 유도한대로 적외선을 흡수할 수 있는 황화구리 상으로 화학적 변화가 잘 변이됐기 때문이고, 나노꽃의 구조적 카이랄 특성이 원형 편광의 방향성에 따른 비대칭적 상호작용을 유도하기 때문인 것을 컴퓨팅 시뮬레이션으로도 밝혔다.



▲ 염지현 교수 연구팀에 의해 최초로 개발된 광대역 광학 활성을 보이는 소재의 전자현미경사진, 광학 활성 그래프 및 컴퓨터 시뮬레이션 결과



이렇게 개발된 광대역 광학 활성 나노 플랫폼 기술은 바이오센서, 바이오이미징, 적외선 신경 자극, 나노온열치료, 텔레커뮤니케이션 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.


제1저자로 이번 연구에 참여한 박기현 석사과정은 “이 연구를 통해 카이랄 물질군 라이브러리를 만들고 그들의 자가조립 제어 기술을 이용해 새로운 패러다임의 나노소재를 개발하는데 기여할 수 있다며 무엇보다 세계 최초로 단적외선 영역에서도 광학 활성을 갖는 소재를 개발함으로써 카이랄 나노소재의 응용과 발전을 위한 토대를 마련한 것 같다”고 설명했다.


가시광선과는 다르게 적외선 영역의 빛은 피부 등 신체 조직을 잘 투과할 수 있어 바이오이미징, 바이오센서 등에 활용될 수 있으며, 공기 중에서 에너지의 손실이 적어 정보통신 등에 이용될 수 있어 각광받고 있다.


따라서 이번 연구를 통해 개발된 광대역 광학 활성 나노 플랫폼 기술은 바이오이미징, 적외선 신경 자극, 나노온열치료, 텔레커뮤니케이션 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.


뿐만 아니라 연구팀이 개발한 카이랄 자가조립 기술은 다양한 물질에 적용이 가능하기 때문에 적외선 활성 카이랄 물질군을 다변화시키는 선구적인 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 범부처전주기의료기기연구개발사업단, 삼성 반도체연구기금, 연구재단 우수신진사업, KAIST 창의도전사업 (C2 프로젝트) 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 미국화학회가 발행하는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 개재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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