고려대 세종캠퍼스, 색 변화 이용해 유해 기체 감지 스마트 소재 개발

분자 배열과 증기 변색성 간의 상관관계 규명… 첨단 과학 분야 폭넓게 응용 기대

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(왼쪽부터) 제1저자 김민지(신소재화학과 박사과정)·남귀웅(신소재화학과 석사과정), 교신저자 위경량(신소재화학과 및 광전자신소재연구소 부교수), 공동저자 안민아(광전자신소재연구소 연구원)·이소윤(신소재화학과 석사과정).

［충북일보］ 고려대학교 세종캠퍼스는 신소재화학과 및 광전자신소재연구소 연구팀이 유기 다공성 분자 배열 조절 기술을 통해 유해 기체 검출 스마트 소재를 개발했다고 7일 밝혔다.

세종캠퍼스에 따르면 증기 변색성은 특정 기체나 증기에 대한 반응으로 색상, 또는 발광 색상의 변화를 보이는 현상을 의미한다.

유기 다공성 분자 배열은 구조적 유연성을 지니고 있어, 외부 자극에 의해 큰 구조적 변형이 가능해 고성능 증기 변색성 소재로 주목받고 있다.

그러나 고밀도 배열 및 무질서한 배향 경향 때문에 유기 다공성 분자 배열의 형성과 제어는 매우 어려운 과제로 여겨졌다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 위치 이성질체를 사용해 도너-억셉터-도너 (Donor-Acceptor-Donor) 기반 분자 빌딩 블록의 모양을 조작해 분자 배열을 제어하는 전략을 제시하고 분자 배열과 증기 변색성 간의 상관관계를 규명해 냈다.

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분자 빌딩 블록 모양에 따른 분자 배열과 증기 변색성 간의 상관관계를 설명하는 모식도.

연구팀이 제안한 도너-억셉터-도너 기반 분자 빌딩 블록은 위치 이성질체에 따라 Z형, 준-Z형, 선형 구조를 가지며, 각각 다른 분자 간 상호작용과 공극 부피를 가진 분자 배열을 형성해 최종 미세 구조에도 변화를 일으켰다.

특히 조절된 분자 배열은 증기 변색성 특성에도 변화를 일으켰다. 세 가지 이성질체 중, 느슨한 배열을 이루는 Z형 분자 빌딩 블록은 가장 민감한 증기 형광 변색성을 보였으며, 조밀한 배열을 형성하는 선형 분자 빌딩 블록은 방향족 탄화수소에 선택적으로 반응하는 증기 변색성을 나타냈다.

이 연구 성과는 유해 기체 검출 가능한 고성능 증기 변색성 소재 개발에 대한 새로운 방법론을 제공한 것으로, 추후 환경 및 산업 응용 분야에서 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

위경량 신소재화학과 교수는 "이번 연구를 통해 기존 유해 기체 검출 기술의 한계를 극복하고, 색 변화를 이용해 간편하게 유해 기체를 감지할 수 있는 새로운 스마트 소재를 개발했다"며 "이 기술은 다양한 첨단 과학 분야에서 폭넓게 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단의 중견연구과제 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 광과학 및 재료 분야의 국제학술지인 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼스 (Advanced Optical Materials)'에 게재, 10월호 표지 논문으로 선정됐다.

세종 / 김금란기자