용매에 따라 모양과 색깔이 달라지는 탄소나노물질이 개발됐다.
김병수·권오훈 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀(이하 김 교수팀)은 그래핀에 탄소나노링을 적용한 '하이브리드 탄소 구조체'를 개발했다고 1일 밝혔다.
이 구조체는 용매 특성에 따라 2차원 판상이나 3차원 구 모양으로 변하고, 이 모양에 따라 형광 특성도 달라진다.
물질은 빛을 받으면 특정한 색을 내뿜는 데 이 현상을 형광이라 한다. 그래핀 같은 탄소나노물질은 빛을 받으면 파란색 계열 형광을 띤다.
파란색 형광은 세기가 약해 센서나 광전자 소자 등으로 활용하기 어렵다.
김 교수팀이 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 용매에 따라 파란색부터 주황색까지 여러 가지 색으로 형광 성질을 조절할 수 있다. 탄소나노물질의 응용 분야를 넓힐 것으로 전망된다.
김 교수팀은 그래핀 표면에 탄소나노링을 붙여 하이브리드 탄소 구조체를 만들었다. 탄소나노링은 용매의 종류나 특성에 따라 다른 화학반응을 일으키고, 이에 따라 형상과 광특성도 달라진다.
탄소나노링은 다른 물질과 결합할 수 있는 분자(기능기)를 갖고 있다. 양성자성 용매와 만나면 쉽게 수소결합을 이뤄 안정화된 평면(2D) 구조를 지니게 된다.
양성자를 받을 수 없는 비양성자성 용매와 만나면 탄소나노링 내에 있는 기능기끼리 수소결합이 이뤄 안정화된다. 이 때 하이브리드 탄소 구조체의 모양은 공 모양의 입체(3D) 구조로 바뀐다.
김 교수팀은 시간분해 분광법을 이용해 구조체의 모양이 변하면서 형광도 달라지는 원리를 분석했다. 양성자성 용매의 경우 하이브리드 탄소 구조체와 용매 간 수소결합으로 에너지 손실이 일어나 주황색 형광을 나타냈다. 이와 달리 비양성자성 용매에서는 에너지 손실이 적어 초록색 형광을 띠었다.
김병수 교수는 “용매에 따라 탄소나노물질의 형상과 발광 특성이 변하는 것을 명확히 보여준 첫 연구 성과다. 하이브리드 신소재 특성을 높이고 응용 분야를 확대하는데 기여할 것”이라 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
