이달의 과학기술자상, 고려대 김환규 교수
김환규 교수는 광정보·통신 산업에 있어 재료 혁명 및 꿈의 물질로 인식되고 있는 “고효율 덴드리머형 유기 광증폭 나노소재”를 세계 최초로 개발하였다. 이 소재는 광합성 시 엽록체가 빛을 흡수·전송하는 집광 효과를 엽록체 대신에 유기 발색단에 도입시킨 것이다.
초고속 광대역 정보통신 분야에서 대용량 광통신과 정보처리 초고속화를 구현하기 위해 파장분할 광교환 소자기술에 광증폭 기능을 집적화시킨 광증폭 집적소자의 개발이 절대적으로 요구되고 있다.
김 교수는 이번 소재 개발로 현재 광증폭 집적소자 기술에서 가장 큰 문제점인 최상의 광증폭 특성을 발현하는 고효율 광증폭 나노소재 개발에 돌파구를 제시하였다.
김환규 교수는 “고이득 광증폭 소재 및 소자의 개발에 성공한다면 광정보·통신 산업에서 재료 및 소자 혁명을 불러일으켜 지금까지 제한적이던 유기 재료의 초고속 정보·통신 산업에의 응용성을 무한히 확장하고 차세대 광정보·통신 산업 사회의 실현을 앞당길 수 있다”고 언급했다.
덴드리머형 유기 광증폭 나노는 빛을 유기 발색단에 모으는 집광 효과를 부여하여 유기 발색단의 들뜬 상태를 최대한 발생시켜 최상의 들뜬 에너지를 희토류 이온에 전달하고 희토류 이온을 최대로 들뜨게 해서 파장이 변환된 광통신 파장영역에서 나오는 빛의 세기를 가장 효율적으로 증폭시킨 소재이다.
또한 김 교수는 처음으로 광증폭 나노 소재와 분자 모델을 이용하여, 희토류 착화합물의 구조 변화에 따른 광증폭 수명 시간과 들뜬 상태의 전자 움직임, 에너지 전달 및 변환에 관한 연구로 광증폭 원리 및 분광학을 통한 에너지 전달 메커니즘을 새롭게 규명하였다.
이번 연구결과는 “나노 소재의 구조와 광 특성과의 관계”, “유기 리간드(엽록체처럼 기능을 하는 발색단)의 분자 움직임과 에너지 전달 과정의 상호 연관성” 등을 정립하였다. 이는 유기화학, 무기화학, 고분자화학, 불소화학, 분광학 및 정보소재화학 등 서로 다른 학문 고유 특성 영역들을 함께 접목해야만 합성할 수 있기에 국제 학계에 비상한 관심을 받고 있다.
특히 희토류 이온의 중금속 효과로 에너지 전달 현상이 리간드의 삼중항 과정을 거쳐 일어난다고 기존 학설과 달리 에너지 전달현상은 희토류 이온의 중금속 효과에 의존하지 않고 유기 리간드의 들뜬 상태의 전자 움직임에 크게 의존함을 증명함으로써, 세계적인 신소재 분야 전문학술지인 Advanced Functional Materials지 2006년 9월호와 2007년 2월호에 각각 게재되었다.
용 어 설 명
□ 파장분할 광교환 소자기술 (WDM)
하나의 광섬유에 각기 다른 수십 ~ 수백 파장의 채널 광신호를 동시에 전송하거나 전송된 수십 ~ 수백 광신호를 각 채널로 분할하는 광교환 소자 기술
□ 유기 광증폭 나노 소재
유기 광증폭 나노 소재는 유기 발색단을 희토류 이온과의 배위 결합된 희토류 착화합물을 말하며, 들어온 빛의 세기를 증폭 시키는 유기 화합물을 말한다. 유기 광증폭 소재가 광증폭 소자로 실용화하기 위해서는, 나오는 빛의 세기가 짧은 통과 거리(수 cm내)에서 들어온 빛의 세기보다도 1,000배 이상으로 증폭되어야만 한다.
□ 덴드리머
덴드리머는 중심(core)에서부터 나뭇가지 모양의 일정한 단위구조가 반복적으로 뻗어 나오는 고분자로, 고분자가 자라는 모양이 마치 나뭇가지가 뻗어나가는 모양과 비슷하다 해서 '덴드리머'(그리스어로 나무를 뜻하는 덴드론 'dendron'에서 따온 말)라고 이름지었다. 특히, 덴드리머의 나뭇가지 모양의 일정한 단위구조에 빛을 흡수하는 발색단을 도입하면, 나뭇가지 모양의 무수한 바깥 광안테나에서 레이저 빛을 흡수하여 에너지 전달 현상으로 계속적으로 안쪽 광안테나로 빛이 전송되어 최종적으로 중심 발색단에 빛이 포집되는 집광효과를 나타낼 수 있다.
□ 초고속 광대역 정보 통신 기술
초고속 광대역 정보 통신기술은 컴퓨터가 온갖 시스템 기기에 내장되고 이것들 모두가 유기적으로 결합되어 전세계를 연결함으로써 폭발적으로 증가하는 다양한 형태의 정보(음성, 데이터, 문서, 영상, 동화상, CATV 및 HDTV 등)를 광케이블을 기반으로 하나의 통신망으로 통합시켜 복합된 형태의 정보를 시간 및 공간의 제약이 없이 초고속으로 자유롭게 주고받을 수 있는 종합 정보통신 기술을 의미한다.
□ 희토류 금속
희토류 금속은 주기율표 중 원자번호가 57번인 란탄 La에서 71번인 류테륨 Lu까지의 15원소의 총칭을 말하며, 원자번호가 증가하면서 4f궤도 함수에 전자가 하나하나씩 채워지는 구조를 가지며, 일명 란타노이드 금속으로 알려져 있다. 란타노이드 금속에서는 원자번호가 증가하면서 전자가 채워질 때에 원자반경이 줄어드는 란타노이드 수축이 있다. 현재 레이저용 소재, 광증폭 소재, 디스플레이 유기 소재, 센서, 및 MRI 세기 보강 소재로 널리 사용되고 있다.
□ 착화합물
원소의 결합으로 이루어진 일차 화합물의 분자가 다시 다른 분자와 결합하여 이루어지는 화합물로써 배위 화합물, 분자 화합물, 첨가 화합물 따위가 있다.
□ 중금속 효과
희토류 이온에 결합된 유기 리간드의 스핀 궤도가 희토류 중금속 이온에 의한 상호 작용으로 계간교차 과정을 거쳐서 유기 리간드의 단일항 들뜬상태가 삼중항 들뜬 상태로 빠르게 효율적으로 전환되는 효과
□ 스핀 코터(spin-coater)
물체를 회전 시켜서 물체 위에 올려진 액체를 원심력 때문에 밖으로 밀려나게 하는 방법으로 물체에 임의의 액체를 코팅하는 방법이다. 사용하는 액체의 점도가 적당히 있어야 하고, 순수한 물은 점도가 없어 스핀코터에 사용할 수 없고, 끈적이는 액체는 가능하다. 반도체 공정에 많이 사용되고 반도체는 기판이라는 크리스탈 위에 다른 물질을 스핀코팅해서 박막을 만들어서 소자를 만든다.
수 상 업 적
□ 수상업적 : 고효율 광증폭 나노소재의 신합성법 개발 및분광학 연구를 통한 새로운 원리규명
□ 업적요지
“무기 재료를 이용한 기존의 장거리 통신용 광섬유 광증폭기(어븀 도핑된 실리카 물질)의 기술보다 3-4 단계나 앞서는 차세대 광정보·통신분야를 위해 자연 광합성의 원리를 도입하여 집광효과를 갖는 “고효율 덴드리머형 광증폭 나노 소재의 개발 및 신합성법 정립”을 세계 처음으로 밝혔습니다. 이로부터 보다 높은 광증폭 특성을 발현하는 처음으로 제시한 광증폭 나노 소재와 분자 모델을 이용하여 “희토류 착물의 구조 변화에 따른 광증폭 수명 시간과 여기자 거동, 에너지 전달 및 변환에 관한 연구로 아직 밝혀지지 않은 광증폭 원리 및 분광학에 관한 체계적인 연구를 통해 에너지 전달 메커니즘 규명”으로 “구조-광특성 상호 연관성”을 세계 처음으로 정립하였다.
□ 업적내용
“무기 재료를 이용한 기존의 장거리 통신용 광섬유 광증폭기(어븀 도핑 실리카 물질)의 기술보다 3-4 단계나 앞서는 차세대 광정보·통신 분야를 위해 자연 광합성의 원리를 도입한 “고효율 덴드리머형 광증폭 나노 소재의 개발 및 신합성법 정립”을 세계 처음으로 밝혔다. 이로부터 아직 밝혀지지 않은 광증폭 원리 및 분광학에 관한 체계적인 연구를 통해 에너지 전달 메커니즘 규명”으로 나노 소재의 구조와 광 특성과의 관계 및 유기 리간드의 분자 거동과 에너지 전달 과정의 상호 연관성을 정립하여 “구조-광특성 상호 연관성”을 처음으로 정립하였다. 이들은 유기화학, 무기화학, 고분자화학, 불소화학, 분광학 및 정보 소재 화학 등의 서로 다른 고유 특성 학문 영역들을 함께 접목함으로써 물질 합성이 가능하기에 국제 학계에 비상한 관심을 받고 있다. 특히, 희토류 이온의 중금속 효과로 에너지 전달현상이 리간드의 삼중항 과정으로 일어난다는 기존의 학설과 달리, 에너지 전달 현상은 리간드의 고유 여기자 거동에 크게 의존함을 처음으로 증명하였다. 이 연구 결과들은 국제학계의 큰 반향을 일으켰으며, 최상의 광증폭 특성을 발현하는 고효율 광증폭 나노소재의 개발에 하나의 돌파구를 제시한 사례로 간주되고 있다.
□ 향후 계획
현재 수행하고 있는 연구내용은 유기화학, 무기화학, 고분자화학, 불소화학, 광학 및 광정보 소재 화학 등의 서로 다른 학문 고유 특성 영역들을 함께 접목함으로써 합성 및 특성연구가 가능한 나노 수준의 “집광 나노 소재”의 합성, 이들의 광물리적 특성 연구, 원리규명 및 분광학 연구를 수행하는 연구로써, 이를 위해 소재 합성, 분광학 및 광계측 등의 분야가 유기적 상호보완적으로 모든 재원과 인력이 한곳에 집중되어야만 연구가 가능한, 기존의 학문의 연장선이 아닌 새로운 학문분야를 개척하는 분야로 인정되고 있다. 따라서, 본 연구과제와 같이 새로운 학문분야를 개척하는 연구는 초기연구단계에서는 원천기술을 확보하는데 상대적으로 연구기간이 많이 소요됨에도 불구하고, 본 연구실에서는 최근 수년간 이 분야의 연구를 수행하여 “집광 나노 소재”의 신합성법 정립, 광증폭 특성 발현에 미치는 주요 인자 조사 및 결정, 에너지 전달현상 규명으로 처음으로 분자모델 제시 및 신기능성 집광 나노 소재의 처음 합성하여 제안한 집광 나노 소재기술에 대한 원천 소재 합성기술 및 분광 분석기술을 이미 상당히 확보한 상태이다. 본 연구실의 연구수준은 세계적으로 선도할 수 있는 차세대 핵심기술을 보유하고 있기 때문에, 관련 분야에서 국제적으로 상당히 비교 우위에 있으며, 단시일 내에 이 분야에서 세계적 선두그룹으로 성장할 것이다.
현재, 이 연구 결과를 계속 발전시키기 위해, 스위스(로잔공대), 미국(워싱턴대학교) 및 독일 (막스프랑크 고분자 연구소) 등의 세계적인 선도 그룹과 공동협력연구를 통하여 핵심 소재 및 소자의 개발에 시너지 효과로 연구 결과를 극대화시키고 있으며, 이로부터 “최상의 광물리적 특성을 발현하는 고이득 광증폭 소재 및 소자의 개발”이 성공되어 “거대 먹거리 창출”을 유도하여 대한민국의 과학발전과 경제 발전에 이바지하도록 최선의 노력을 경주할 것이다.
□ 파급효과
김환규 교수의 연구는 학술적 측면의 독창성과 우수성이 뛰어날 뿐 아니라 연구 성과의 경제사회적 파급효과도 아주 크다고 인정된다. 우선, 세계 광증폭 소재 및 소자의 개발 연구가 김환규 교수가 제시한 새로운 방향으로 나아갈 것이다.
이러한 연구의 발전으로 “고이득 광증폭 소재 및 소자의 개발”이 성공한다면, 반도체 산업에서 트랜지스터가 집적화됨으로써 현재의 정보 산업 혁명이 가능하였듯이, 광정보·통신 산업에 있어서 “일대의 재료 및 소자 혁명”을 불러일으켜 지금까지 제한적인 유기 재료의 초고속 정보·통신 산업에의 응용성을 무한히 확장할 수 있을 것이다. 또한 차세대 광정보·통신 산업 사회의 실현을 앞당길 수 있다.
아울러 또한, 개발한 새로운 합성법 정립에 의해 나노 수준의 크기에 따라 특성이 제어되고, 나노 소재의 기능적인 구성성분의 특성과 종류에 따라 다양한 기능 및 특성이 발현되고 제어되어질 수 있는 집광 나노 정보 소재 합성을 가능하게 하였다. 또한 집광 나노 소재의 합성 및 특성에 관한 연구를 통하여 나노 소재의 기능적인 구성성분의 특성과 종류에 따라 달리 적용되는 에너지 전달 현상을 규명할 수 있었으며, 응용 목적에 따라 염료 감응형 태양전지 (DSSC), 유기 전기발광 소재 (OLED) 및 광바이오 센서 등의 “다기능성 집광 나노 소재의 합성”도 가능하게 하였다.
□ 기타 업적
김환규 교수는 유기 광전자 소재 관련하여 국제 저명학술지 130여편 게재 하였고, 30여건의 국내·외 특허를 비롯하여 국내외학술회의 370여회 발표를 통해 “광증폭 나노소재 분야”에서의 연구 능력에서 선두를 유지하고 있으며, 향후 광증폭 나노소재 분야를 포함하는 광전자 나노소재 분야의 국제학계에서 김환규 교수의 역할은 아주 중요할 것이라고 판단됩니다. 최근 김환규 교수는 이러한 연구 성과들이 인정되어, 2007년도 새롭게 개지된 학술지 “Chemical Physics Journals(3개)(Chemical Physics Journal, Chemical Physics Reviews; Chemical Physics Letters, Bentham Science Publishers)에 편집위원으로 초청받아 활동하고 있다.
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