포스텍, ‘구리’만 나타나면 빛을 잃는 발광소자 개발

화학과 박문정 교수팀, 구리이온검출센서 개발

포스텍 화학과 박문정 교수. [사진제공=포스텍]

아주경제 최주호 기자=구리를 만나면 빛을 잃어버리는 성질을 이용해 구리이온을 검출할 수 있는 센서를 국내 연구팀이 개발했다.

포스텍(포항공과대학교) 화학과 박문정 교수팀은 폴리스타이렌술포네이트(polystyrene sulfonate)란 고분자를 이용, 새로운 발광물질을 개발하고 이 물질을 이용해 파란색과 초록색의 발광파장을 가지는 구조체를 만드는데 성공했다.

특히 이 구조체는 구리이온에 반응 시키면 적은 농도에도 바로 그 빛을 잃어버려 구리이온 검출센서로서의 가능성도 보였다.

연구팀은 지금까지 공액 고분자(conjugated polymer)*1로 만들어진 형광고분자를 비공액 고분자로 만드는데 주력했다.

공액 고분자는 그 합성방법이 까다로울 뿐 아니라, 용해도 잘 되지 않아 용액을 이용한 공정에 사용하기가 힘들었다.

특히 형광박막 형태로 만들었을 경우, 응집현상을 보여 그 발광효율이 크게 떨어지는 자기 소광현상*2 단점을 가지고 있었다.

연구팀은 이러한 단점들을 해소할 수 있을 뿐만 아니라 박막이나 고체로 만들어도 자기소광현상을 일으키지 않는 비공액 고분자 폴리스타이렌술포네이트로 발광 고분자를 만들어냈다.

특히 이번 연구성과는 비공액 고분자가 발광 특성을 보인 첫 번째 사례로 학계에 보고됐다.

또 일부 금속에서 빛을 잃는 고분자의 특성을 이용해, 구리이온을 검출할 수 있는 화학센서로서의 가능성도 함께 제시됐다.

연구팀은 폴리스타이렌술포네이터를 수 nm(나노미터) 크기의 입자 내부에 집적화시키자 구리이온에 반응할 경우 빛을 잃는 것을 밝혀냈다.

ppb(10억분의 몇) 수준의 극히 미량인 구리이온과 반응했을 때도 빛을 잃어, 기존에 개발된 구리이온 센서의 민감도를 10배 가까이 상회하는 것으로 알려졌다. 반응 속도 역시 1분 내외에 불과하다.

연구를 주도한 박문정 교수는 “이번 연구는 비공액 고분자 역시 발광 고분자로 응용 가능하다는 것을 보여준 첫 사례로 학계의 관심이 높다”며 “구리이온 검출 센서로의 가능성을 먼저 보였지만, 여러 특성들을 이용하면 유기 디스플레이소자로도 활용할 수 있다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어 사업과 WBC(세계수준 연구중심대학)사업의 지원을 받았으며, 나노기술 분야 권위지로 손꼽히는 ACS 나노지 최신호에 게재됐다.

용어설명 1. 공액 고분자
고분자 사슬을 따라 p-오비탈(p-orbital)들이 전체적으로 연결됨으로써 전자들이 비편재화(delocalization)된 고분자.

2. 자기소광현상
발광 특성을 가진 분자가 기체나 액체 상태에서 고체로 변화해 분자의 농도가 짙어지면 그 빛을 잃어버리는 현상.