무기발광소재에서의 멀티컬러 발광 메커니즘을 세계 최초로 규명 

자연과학대학 화학과 이재범 교수 연구팀은 부산대, 연세대 세브란스병원, 한국기초과학지원연구원, 경희대, 미시간대학과의 공동연구를 통해 단일 크기의 입자에서 입사 빛의 파장에 따라 다른 형광을 발광하는 양자점(FeSe, 셀렌화철)을 합성함으로써 무기발광소재에서의 멀티컬러 발광 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

이번 연구는 나노과학기술 분야의 세계적 학술지인 ‘Nano Today’(IF: 20.722)에 2월 12일 온라인판으로 게재됐으며, 화학과 이재범 교수는 교신저자, 권준영 박사는 제1저자로 참여했다.(논문 제목: Excitation-dependent emissive FeSe nanoparticles induced by chiral interlayer expansion and their multi-color bio-imaging)

연구팀이 주목한 ‘양자점’은 직경에 따른 양자구속효과(quantum confinement)에 의해 발광 컬러가 달라지는 반도체 나노물질을 일컫는다. 

이번 연구에서 이재범 교수 연구팀은 기존 양자점의 직경으로 발광파장을 조절하는 방법과 다르게 외부광의 파장에 따라 같은 크기의 양자점의 발광파장이 현저히 달라지는 특성을 무기나노물질에서 확인했다. 

연구팀은 이번 현상의 메커니즘을 밝히기 위해 전자현미경 및 광학 분석을 수행했고, 밀도범함수 이론 기반 계산과 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 

그 결과, 원자층이 겹겹이 쌓여 있는 구조를 가진 ‘셀렌화철 양자점’은 Fe-3d 오비탈에 의한 모트절연체(Mott insulator)의 특성을 띠고, 이 때문에 띠끝(band edge)에 국부화된 전자상태를 만듦으로써 여기된 전자의 이완이 방해되게 된다는 것을 확인했다. 

이에 연구팀은 여러 가지 표면안정제를 도입해 셀렌화철의 층간 팽창정도를 조절함으로써 멀티컬러 발광 정도를 조절하는데 성공했다. 

이번 연구 결과는 지금까지 종종 보고됐던 유기물 기반 멀티컬러 발광현상의 매커니즘과는 다르게 무기발광소재에서 처음으로 새로운 매커니즘을 제시한 연구 결과다.

이재범 교수는 “셀렌화철 양자점의 바이오 이미징 분야에 응용 가능성을 보여주기 위해 실제적으로 양자점을 통한 뇌조직 이미징을 시도함으로써 다양한 파장의 입사광에서 멀티컬러 발광을 보여 줬다”며, “개발된 멀티컬러 무기 양자점소재를 이용해 새로운 디스플레이 소재를 만드는데 기여할 원천재료로 사용 가능성도 기대할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부, 보건복지부)의 재원으로 한국연구재단과 한국보건산업진흥원의 지원(NRF-2019K1A3A1A18116066, 2019R1A2C2007825, 2015M3D1A1070609, 2021R1A5A1032937, HI19C0754)을 받아 수행됐고, 중소기업부 소재부품장비 원천기술개발 과제로 대량생산 공정을 개발 중이다. 

논문 링크 : https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101424