‘신기하네’ 단일 분자가 두가지 빛 내는 기술 개발

↑ 왼쪽부터 김보현 교수, 박동혁 교수, 전석우 교수.

국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 ‘그래핀’을 활용해 단일 분자에서 두 가지 빛을 번갈아 발현할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 기술은 HD TV 등의 디스플레이 제품과 바이오, 광통신 등 다양한 분야에서 폭넓은 활용이 가능할 것으로 기대된다.
KAIST 신소재공학부 김보현·전석우 교수와 인하대 유기응용재료공학과 박동혁 교수 공동 연구진은 그래핀과 ‘포르피린’이라는 물질을 샌드위치처럼 쌓아 단일 분자에서 서로 다른 빛을 내게 하는데 성공했다고 21일 밝혔다.
물질이 빛을 내는 원리는 동일하다. 바닥상태에 있던 전자가 에너지를 받아 들뜬 상태로 올라간 뒤 다시 바닥상태로 돌아가면서 얻었던 에너지를 열이나 빛으로 뿜어낸다. 이때 빛에너지로 전환되는 비율이 열에너지보다 높으면 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 디스플레이 화면이 된다. 들뜬 전자가 빛을 낼 때 높은 에너지 상태로 올라갔다가 바로 떨어지는 것을 형광, 좀 더 낮은 에너지 상태로 이동했다가 서서히 떨어지는 것을 인광이라 부른다.
일반적으로 에너지가 다른 두 개의 빛이 같은 분자에서 나타나는 것은 불가능하다고 여겼다. 연구진은 그래핀과 포르피린이라는 두 물질을 샌드위치 쌓듯이 번갈아 적층하는 방법을 사용했다. 강한 인광을 내는 포르피린을 그래핀 위에 얇게 올려 놓으면 그래핀 ‘플라즈몬(빛에 의해 전자가 진동하는 현상)’과 포르피린의 공명에 의해 형광이 강하게 발현되고 더불어 인광도 동시에 증폭되는 원리를 이용했다. 박동혁 교수는 “실험을 통해 그래핀과 백금 포르피린 복합체가 기존의 백금 포르피린에 비해 형광은 최대 29배, 인광은 최대 7배 이상 증폭되는 효과를 확인했다”며 “그래핀 층 숫자를 조절해 빛의 세기 증가, 형광과 인광의 발광 비율 조절 등이 가능함을 증명했다”고 설명했다.
연구진은 이 기술이 디스플레이 뿐 아니라 광통신 분야에 사용되는 레이저, 포르피린과 혈액 내 금속의 결합을 색으로 발현시켜 신체 상태를 파악할 수 있는 바이오 기술 등에도 접목이 가능할 것으로 기대하고 있다. 김보현 교수는 “이 기술을 통해 인광 물질인 백금 포르피린에서 형광이 강하게 증폭되게 할 수 있다”며 “이는 단일 발광 소재에서는 한 종류의 빛만 발현 가능하다는 이론을 뛰어넘는 큰 발견”이라고 덧붙였다.
연구결과는 신소재분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 17일자에 게재됐다.
[원호섭 기자]