고분자과학과 기술 제 17 권 1 호 2006년 2월 107 1. 연구실 개요
한남대학교 신소재공학과 집광 나노 소재 연구실은 10여년 동안에 수행한 「광기능성(또는 광정보) 고분자 소재 의 합성 및 응용」에 관한 연구 결과로 115여 편의 논문을 화학 관련 국내외의 저명 학술지에 게재하였으며, 국내ᆞ 외 학술회의에 290여 편의 논문을 발표하였고(초청논문강연 38회), 28건의 국내외 특허를 출원 및 등록하였다.
2000년도까지는 광정보 소재 분야에의 비선형 광학/전기발광/광굴절/광도파로 고분자 소재 및 응용에 대한 연구 를 주로 수행하였다. 이 분야에서의 대표적인 연구 업적으로는 분자공학에 의한 2차 비선형 광학 색소를 포함하는 졸-젤 화학용 단량체 합성과 졸-젤 화학을 이용하여 광학 색소를 무기고분자 재료(SiO2) 매트릭스에 화학 공유 결합시킨 유기/무기 나노 혼성 소재의 개발이며, 전기 발광 고분자 소재의 합성 및 응용 분야에서의 대표적인 연구 업적으로는 평판표시용 전기발광소자(LED)에 사용되는 고분자 소재로 주사슬에 유기 실리콘기를 도입한 단량체를 다양하게 합성 및 중합시켜 π-공액 정도를 조절함으로써 청색-노란색에 걸쳐 발광색을 조절할 수 있는 “실리콘 함유 전기발광 고분자 신소재”의 개발이다.
최근에는 분자축조공학 기법을 포함하는 소재 합성 기술 및 분자 설계를 통해, 흡수 파장, 세대 수 및 에너지 구배 등을 제어함으로써 에너지 전달 및 변환에 의한 자연 광합성의 원리인 집광 효과(light-harvesting effect)를 광정 보 소재의 개발에 응용한 신 개념의 고효율 희토류이온/리간드 덴드리머 착염형 에너지변환 초분자 신소재를 꾸준히 연구해 오고 있다. 이 분야의 연구는 2001년부터 과학기술부 지정 창의적 진흥 연구 사업으로 시작하여 2004년 이 후부터 현재까지 국가지정 연구실 사업을 수행 중이며, 본 연구실에서는 현 세기에 비약적으로 발전하고 있는 정보통 신(IT) 분야의 광자기술 산업에 관심을 두고 있다. 앞으로 펼쳐질 초고속 정보통신 시대를 비약적으로 발전시키기 위 해서는 여러 가지 광통신 및 정보기록과 정보처리에 필요한 광소자 및 부품들의 성능 향상이 필수적이며 현재의 한계 를 극복하기 위해서는 신소재의 개발이 시급히 요구되고 있다. 특히 광정보 소재가 지니고 있는 근본적인 문제점은 광 세기 감소, 기존의 광소자와 광섬유를 통한 광신호 전송 및 광신호 변조, 스위칭 등의 신호 처리 과정에서 발생하는 광전송 손실로 인한 광정보의 상실이다. 이를 보상하기 위해 기존 장거리 광통신에 이용되는 광증폭 광섬유의 원리를 도입한 평면도파로용 광증폭 집적소자 및 파장분할 광교환 소자기술(wavelength division multiplexing, WDM)에 광증폭 소자를 집적화 시킨 WDM 광증폭 집적소자의 개발이 절대적으로 요구되고 있다. 이러한 시대 요구에 부응하 여 본 연구실에서는 아직 미개척 분야인 광증폭 고분자 소재의 개발에 힘쓰고 있으며 물질에 대한 광증폭 원리 규명 과 착화합물 구조 변화에 따른 광증폭 수명 시간, 여기자 거동 등의 체계적인 연구를 바탕으로 분자 축조 공학을 이 용한 고효율 희토류 금속 착화합물의 설계와 개발을 단계적으로 수행해 오고 있다.
2. 연구내용
본 연구실에서는 광자 에너지(또는 빛)를 흡수하여 분자복합체 중심계로 에너지를 전달함으로써 집광 효과를 나 타내는 자연계에 존재하는 광합성 안테나 복합체들의 원리를 이용하여 물질의 광물리적 특성을 극대화할 수 있는
“다기능성 고효율 에너지변환 분자집합체의 합성 및 응용”에 대한 연구를 수행하고 있다. 이는 기존의 장거리 통 신용 광섬유 광증폭기의 기술보다 3-4단계나 앞서는 차세대 광정보ᆞ통신분야를 위한 핵심소재 및 소자기술이 다. 이를 위해, 희토류 화학 및 초분자 소재화학에 자연 광합성의 원리인 집광효과를 도입함으로써 광증폭 특성을
집광 나노 소재 연구실
소재지：대전시 대덕구 오정동 133번지, 한남대학교 신소재공학과 연럭처：한남대학교 신소재공학과 & 집광나노소재 연구센터
TEL：042) 629-7865, FAX：042) 629-8325, Homepage：http://www.cslhm.org 연구실 탐방
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Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
극대화할 수 있는 ① 고효율 에너지변환 초분자 소재를 창출하고 있으며, 이를 광도파로 고분자 소재에 접목시켜 최상의 광증폭 특성을 나타내는 ② 신기능성 고효율 에너지 변환 핵심 고분자 및 나노혼성 핵심 소재도 개발하고 자 한다. 아울러 희토류 이온 착물의 구조 변화에 따른 광증폭 수명 시간과 여기자 거동, 에너지 전달 및 변환에 관 한 연구로 아직 명확히 밝혀지지 않은 ③ 광증폭 원리 및 분광학에 관한 체계적인 연구를 통해 ④ 구조-광특성 상 호 연관성을 정립하고자 한다. 또한 융합 신소재 개발로부터 한 단계 더 나아가서 본 핵심소재를 이용하여 차세대 광정보ᆞ통신 산업에서 절대적으로 필요한 광소자, 즉 ⑤ 평면도파로형 광증폭 집적소자, 플라스틱 레이저 및 광바 이오 화학센서 등을 개발함에 궁극적인 연구목표를 두고 있다. 특히 제안된 초분자 핵심소재를 분자설계 및 분자공 학 기술로부터 화학 구조를 약간 달리하여 고안ᆞ합성하면, 분자 광자전자 소재화학 분야에서 그림1
에 나타난 것처 럼 다양한 분야(플라스틱 레이저, 태양전지, 광집적 소자, 전기발광 표시소자 등)에 응용할 수 있는 아주 우수한 시 너지 소재 개발이 가능하므로 분자 광자전자 소재화학 분야에의 일대의 재료 혁명을 불러일으킬 수 있다.3. 주요 연구 성과
3.1 고효율 에너지변환 초분자 신소재의 합성
3.1.1 고효율 에너지변환 초분자 신소재의 신합성법 확립 3.1.2 고효율 에너지변환 초분자 소재의 발광 향상 주요인자 정립 3.1.3 덴드리머형 집광 착염형 에너지변환 초분자 소재의 합성 3.2 희토류 착화합물에 대한 에너지 전달 메카니즘 규명
3.3 전색 유기 전기발광 소재(White Organic Light-emitting Materials)의 합성 3.4 연료 감응형 태양전지(DSSC: Dye-sensitized Solar Cell)의 합성
3.5 저손실 광도파로 고분자 소재의 합성
4. 연구 장비
본 연구실에서는 다양한 유기리간드를 활용한 희토류 금속 착화합물들을 합성하고 그 특성을 규명하기 위한 다 양한 종류의 장비를 보유하고 있다. 희토류 금속 착화합물 합성을 위해 수소반응기 및 무산소 무수 상태에서의 화 합물 합성을 위한 글로브박스를 보유하고 있으며, HPLC와 GPC를 이용하여 혼합물의 분리와 고분자의 분자량을 측정하고 있다. 합성된 화합물의 다양한 광물리적 특성을 규명하기 위한 장비로는 UV-Vis 흡수분광기, 형광분광 기(자외선-근적외선 파장영역), Ar-ion 레이저, HeCd 레이저, ns-Nd:YAG 레이저, NIR-PMT 등을 보유하고 그림 1.
고분자과학과 기술 제 17 권 1 호 2006년 2월 109 있다. 또한 합성된 화합물 박막제조 및 소자가공을 위해 스핀코팅장치, 알파스텝(두께측정 장치) 등을 보유하고 있 으며, 제조된 광소자의 광학적 특성을 규명하기 위해 프리즘 커플러(굴절율 및 광전송 손실), 광증폭 이득 측정용 광정렬 장치와 광학스펙트럼분석기 등을 보유하고 있다. 이 중 ns-Nd:YAG 레이저를 이용한 시분해 형광분석장 치는 3차 조화진동에 의한 5 나노초의 펄스폭과 펄스당 약 30 mJ의 에너지를 갖는 355 nm의 기본파장을 이용하 여 자외선영역으로부터 가시광영역까지의 파장을 조절하여 출력할 수 있으며, 이를 이용하여 수십 나노초까지의 발 광수명을 측정할 수 있다. 또한 검출기를 가시광영역 전용 PMT와 근적외선영역 전용 PMT를 사용함으로써 넓은 파장 범위에서의 시료의 발광수명을 측정할 수 있고, 이러한 장비를 이용하여 순간 흡수 분광법을 수행함으로써 보 다 자세한 광물리적 특성을 규명할 수 있다. 이 밖에도 신소재공학과 내에 공동으로 사용하는 분광기기 및 분석 장 비들은 FT-IR, NMR, TGA, DSC, SEM, X-ray 회절 장비 등이 있다.
5. 연구실 구성
본 연구를 원활히 수행하기 위해 현재 본 연구실은 초분자 화학, 나노 광자 화학, 광도파로 소재 화학 및 분광학 연구팀의 구성과 다학제간의 공동 연구로 상호협력을 통해 소재의 구조-재료 특성간의 상관관계를 규명함으로써 최적화된 신소재를 개발하여 광증폭 원리의 규명과 이해 및 소재 성능의 평가를 통해 핵심 소재를 개발하고 있다.
현재 본 연구실은 연구 책임자인 김환규 교수, 연구교수 2명, 박사후 연구원 1명, 박사과정 학생 3명, 석사과정 학 생 5명, 학부 학생 2명, 행정원으로 구성되어 있으며, 광전자 소재 합성실, 광계측 및 분자 분광학 측정실, 유기광소 자 제작 공정실 및 연구원실로 구분 구성되어 있다.
김환규 1980. 2 1982. 2 1990. 12 1982. 3∼1986. 7 1991. 1∼1993. 2 1993. 3∼1994. 8 2001. 6∼2005. 5 1994. 8∼현재 2004. 9∼현재
울산공과대학 공업화학과(현, 울산대 화학과) (공학사) 한국과학기술원 화학과 고분자화학(이학석사)
Carnegie-Mellon University 화학과 고분자화학(이학박사) 한국화학연구원 연구원
Cornell University 재료공학과 박사후연구원 한국전자통신연구원 선임연구원
“신기능성 집광소재 연구단” 단장(과학기술부 지정 창의연구단) 한남대학교 신소재공학과 조교수, 부교수 & 교수
한남대학교 “집광나노소재 연구센터” 센터장(과학기술부 & 한국과학재단 지정 국 가지정연구실)
