[POSTECH, 구조에 따른 발광 특성 변화 구현한 새로운 나노소재 기반 구조체 개발]

화학과 박선아 교수팀은 화학과 류순민 교수, 심지훈 교수와의 공동 연구를 통해 새로운 나노클러스터(nanocluster)^*1 기반 구조체를 성공적으로 합성하고, 그 구조에 따라 발광 특성이 달라지는 원리를 규명했다. 이 연구는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다.

나노클러스터는 원자 수준에서 정밀하게 설계된 작은 입자로 그 크기와 구조, 조성을 조절해 가시광선에서 근적외선까지 다양한 영역의 발광 특성을 조정할 수 있다. 특히 근적외선에서 발광하는 나노클러스터는 생체 적합성, 광안정성이 뛰어나고, 높은 용액 가공성으로 인해 바이오 이미징, 센서, 광전자 소자 등의 분야에 응용될 가능성이 크다.

하지만 근적외선 영역에서 발광 특성을 가지는 나노클러스터는 일반적으로 양자 수율(quantum yield)^*2이 낮으며, 나노클러스터의 무작위한 배열로 인해 거리, 위치 정보를 정확히 측정하기 어려워 발광 특성 분석에 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해, POSTECH 연구팀은 나노클러스터의 보호 리간드(protective ligand)에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 전이 금속 간 상호 작용을 이용하여 육각형(Au25−Zn-Hex)과 막대형(Au25−Zn-Rod)의 서로 다른 나노클러스터 배열을 가진 두 가지 형태의 구조체를 성공적으로 합성했다.

연구팀은 성공적으로 합성된 두 물질의 구조를 단결정 X-선 회절(single crystal X-ray diffraction) 실험을 통해 원자 수준에서 정확히 규명했으며, 이를 바탕으로 서로 다른 구조에서 나타나는 상호작용의 차이가 발광 특성에 미치는 영향을 비교했다. 그 결과, 막대형 구조는 더 밀도 높은 수소 결합 및 S···π 상호작용^*3으로 인해 육각형 구조보다 발광 성능이 6배 뛰어났으며, 빛을 내는 시간도 27배 더 길었다. 또한, 연구팀은 밀도 범함수 이론 계산을 통해 막대형 구조에서 나노클러스터 간 거리가 짧아짐에 따라 상호작용이 강화되고, 그에 따라 엑시톤(exciton)^*4 비편재화로 인해 더 효율적인 발광이 나타남을 증명했다.

이번 연구는 나노클러스터의 발광 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 길을 열었으며, 이를 통해 차세대 발광 소자 및 센서 관련 응용 분야에서도 중요한 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 이끈 박선아 교수는 “이번 연구는 나노클러스터의 정확한 구조 기반 광학 특성 분석에 대한 어려움을 극복한 성과”라며, ”다른 나노클러스터에도 적용할 수 있어, 물리적 특성과 잠재적 응용 분야를 더 깊이 이해하는 데 기여할 것“이라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단 선도연구센터 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10096

1. 나노클러스터(NC)
2nm(나노미터) 이하의 크기를 가진 물질로, 분리된 전자 구조를 가진다.

2. 양자수율(QY)
흡수된 광자 수에 대한 방출된 광자 수의 비율을 의미한다.

3. S···π 상호작용
황(S) 원자와 π(파이) 결합을 가진 분자 사이의 상호작용을 말한다.

4. 엑시톤(Exciton)
절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자다.