김민규 단국대 교수팀, 빛 방향을 조절하는 카이랄성 소재 발견

김민규 단국대 화학공학과 교수(오른쪽)와 블라디미르 V. 추크루크 미국 조지아텍 교수./사진제공=단국대

단국대학교는 최근 김민규 화학공학과 교수가 블라디미르 V. 추크루크 미국 조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology) 교수와 함께 빛의 방향을 자유롭게 조절하는 친환경 카이랄성 셀룰로스 소재를 발견했다고 30일 밝혔다.

카이랄성(Chirality)은 물질의 분자식은 같지만 구조가 다른 특성을 말한다. 왼손과 오른손이 구조는 동일하지만 거울에 비친 것과 같이 대칭을 이뤄 서로 겹치지 않는 것과 같은 원리다. 주로 자연계에 존재하는 단백질 아미노산, 단당류 등이 카이랄성을 띤다.


카이랄성 분자는 물리적인 화학 구조가 동일하기 때문에 빛의 회전 방향으로만 구분할 수 있다. 과학계는 카이랄성 분자의 빛 회전 방향을 이용한 고성능 전자·전기소자 개발에 관심이 높다.

특히 친환경적이면서도 유연성과 강도가 뛰어난 '셀룰로스 나노결정'(Cellulose Nanocrystals)이 차세대 카이랄성 소재로 주목받고 있다. 셀룰로스 나노결정은 빛의 왼쪽 방향으로 회전하는 성질을 갖고 있다. 기존 연구에서는 이를 반대로 조절하거나 자유롭게 조절하는 것이 불가능했다.

김 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 자성 나노입자를 셀룰로스 나노 결정 표면에 부착했다. 이후 분산된 용액을 자기장 위에서 건조하자 스스로 정렬해 원래 성질과는 달리 오른쪽 방향으로 회전했다. 친환경 카이랄성 소재의 빛 회전 방향을 자유자재로 조절할 수 있는 방법을 발견한 것이다.


김 교수는 "이번 연구는 친환경적이고 지속가능한 △미래 광통신 △고성능 광학 컴퓨터 △카이랄 비선형 포토닉스 △유도된 카이랄 발광 △레이징 및 이성질체 센싱 등을 위한 패턴화된 카이랄 광학 신소재를 개발하는데 중요한 밑거름이 될 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 미(美) 공군 연구소와 과학연구실의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 'Magneto-Responsive Chiral Optical Materials: Flow-Induced Twisting of Cellulose Nanocrystals in Patterned Magnetic Fields'(자기 반응성 카이랄 광학 재료: 패턴화된 자기장에서 셀룰로스 나노 결정의 유동 유도 비틀림)라는 제목으로 재료과학 및 다학제 분야 국제학술지 'ACS Nano'(JCR 상위 5.5%, IF=15.8) 온라인판에 게재됐다.

김민규 단국대 화학공학과 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=단국대