김동하 교수팀, 차세대 초분자 광학소재 기술 <사이언스>지 게재
100일 이상 구조·성능 안정성 유지, 난제였던 적색까지 구현 성공 산업 응용 가능성 높이며 차세대 3D·양자광학 핵심기술로 주목 화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 가시광 전 영역에서 고효율의 원편광을 구현하는 별모양 블록 공중합체 기반 키랄 초분자 광학소재 기술을 개발했다. 이번 연구는 기존에 구현이 어려웠던 적색 원편광까지 안정적으로 발현시키고, 장기간 초분자 키랄성을 유지할 수 있다는 점에서 주목받았다. 이번 성과는 세계 3대 과학저널 중 하나이자 과학계 최고 권위 학술지인 에 8월 14일(목) 게재되며, 이화여대의 국제 연구 경쟁력을 다시 한번 입증했다. 원편광 발광은 빛의 전기장이 나선형으로 회전하며 방출되는 현상으로, 3D 디스플레이, 양자광학, 위조 방지, 스핀트로닉스 등 차세대 광전자 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 그러나 기존 선형 블록 공중합체 기반의 키랄 소재는 구조적 불안정성과 낮은 키랄 전달 효율, 발광체의 불안전성 등으로 강한 원편광 구현이 어려웠으며, 특히 장파장(적색) 영역의 원편광 구현은 기술적으로 큰 난제였다. 김동하 교수팀은 이에 착안해 비키랄 별모양 구조의 양친성 블록 공중합체와 키랄 저분자(R/S-만델산)를 수소결합으로 결합하고, 열 처리를 통해 키랄 공동조립을 유도하는 기술을 설계했다. 이 조합은 열 처리 과정에서 나노벨트 구조에서 나선형 마이크로섬유로 발전하는 계층적 키랄 조립체를 형성했으며, 나선의 방향성(handedness)은 사용된 만델산의 광학이성질체에 의해 결정되었다. 계층적 키랄 초분자 공동 조립을 통한 풀컬러·고효율 원편광 활성 소재 제작 모식도 연구팀이 제작한 초분자 조립체는 기존 선형 블록 공중합체 기반 조립체보다 훨씬 강한 키랄 광학 특성을 보였으며, 기계적 성능도 향상되었다. 또한 상온에서 100일 이상 키랄 광학 특성과 구조적 안정성을 유지했고, 반복적인 가열·냉각 순환 후에도 성능 저하 없이 우수한 안정성을 보였다. 또한 다양한 비키랄 발광체(친수성·소수성 염료, 응집 유도 소광·응집 유도 발광 형광체, 페로브스카이트 나노결정)를 키랄 공동조립에 도입해 청·녹·적색의 풀컬러 원편광을 구현했고, 발광 효율과 발광 수명이 크게 증가하였다. 특히 원편광 발광 효율은 기존 고분자 조립 기술 대비 가장 높은 수준을 달성했다. 흥미롭게도, 연구팀은 농도와 용매 증발 속도를 조절해 키랄 광학 특성의 ‘방향성’을 전환하는 데도 성공했다. 저농도·느린 증발 조건에서는 열역학적으로 안정한 나선형 구조가 형성된 반면, 고농도·빠른 증발 조건에서는 비평형 상태의 밀집된 막대형 구조가 형성되어 키랄 광학 특성이 반대 방향으로 바뀌었다. 이 공동조립 조건에 따른 열역학적·동역학적 안정 구조의 형성 메커니즘은 분자동역학 시뮬레이션으로 규명되었다. 김동하 교수는 “이번 연구에서 개발한 별모양 고분자 기반 계층적 키랄 공동조립 기술은 키랄 광학 특성, 안전성 및 범용성이 뛰어나, 키랄광학소자, 스핀트로닉스, 정보암호화, 바이오이미징 등 다양한 분야에 차세대 광학 소재로서 적용 가능할 것”이라고 말했다. (왼쪽부터) 김동하 교수, 김민주 박사, 싱가포르국립대학교 즈췬린 초빙석좌교수 이번 연구 결과를 담은 논문 「강하고 전환 가능한 키랄 광학 특성을 지닌 계층적 키랄 초분자 조립체(Hierarchical chiral supramolecular assemblies with strong and invertible chiroptical properties)」은 한국연구재단의 자율운영중점연구소 사업의 지원을 받아 수행되었다. 본 국제공동연구 성과는 화학나노과학전공 김민주 박사(지도교수 김동하, (현)싱가포르 국립대학교 박사후연구원)가 제1저자로서 수행하였으며, 공동교신저자로는 이화 프런티어 10-10 사업의 일환으로 초빙된 싱가포르 국립 대학교의 즈췬린(Zhiqun Lin) 초빙석좌교수, 중국 지린대학교의 종위안려(Zhong-Yuan Lu) 교수, 미국 미시간 대학교의 니콜라스 코토브(Nicholas A. Kotov) 교수, 중국 칭화대학교의 전중양(Zhenzhong Yang) 교수 등 나노소재 및 에너지 분야 세계적 석학들이 참여했다. 본 연구를 주도한 김동하 교수는 고분자 하이브리드 나노소재를 바탕으로 에너지·환경·디스플레이·메모리 및 생의학적 진단·치료 영역을 아우르는 다학제 융복합 분야에 대한 연구를 폭넓게 수행하고 있다. 이러한 성과를 바탕으로 대한화학회 고분자화학분과 학술진보상 수상(2012), 이화우수연구교원 선정(2013), 고분자학회 중견학술상 수상(2015), 본교 이화펠로우 선정(2015), 국가연구개발 우수성과 100선 선정(2017·2018), 과학기술정보통신부장관 표창(2017), 영국왕립학회 펠로우 선정(2017), 한국공업화학회 이엔에프창의혁신상 수상(2018), 과학기술ㆍ정보방송통신 정부포상 대통령 표창(2019), 한국고분자학회 KOPTRI 고분자학술상 수상(2019), 한국공업화학회 이녹스학술상 수상(2023), 한국고분자학회 한화고분자학술상 수상(2025) 등을 통해 연구 역량을 인정받고 있다. 뿐만 아니라 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 , 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 , 중국과학원(Chinese Academy of Science)에서 발간하는 저널 및 한국전기화학회에서 발간하는 저널의 부편집장 역할을 수행하고 있고, 영국왕립화학회 발간 ··, 중국 칭화대학교 발간 및 미국 OAE Publishing Inc. 발간 등을 포함한 다수의 국제 학술지의 자문위원·편집위원으로도 활동하고 있다.
2025.08.18
