탄소나노튜브를 성장시킬 때 보통 여러가지의 다른 광학적 전기적 성질을 지닌 혼합물로 생산된다 (그림 1). 우리 실험실에서는 합성된 플라빈 유기분자를 통해 탄소나노튜브를 분리를 하려고 한다. 우리 실험실에서는 약 23개가 넘는 다른 전기적 성질을 지닌 탄소나노튜브중에서 하나만 선택적으로 분리하는 기술을 저명 학술지에 발표 하였다(Nature Nanotech, 3, 356 (2008)). 최근에는, 탄소나노튜브의 거울상 이성질체를 분리하는 기술을 선보인 바 있다(J. Am. Chem. Soc., 134 (32), 13196 (2012)). 또한, 전기적으로 불균질한 반도체성 튜브의 순도를 99% 이상으로 끌어 올리는 성과를 발표하기도 하였다(ACS Appl. Interf. Mater., 8(35), 23270-23280 (2016)). 최근에는 밀도차 구배 원심분리법을 통해서 다양한 나노소재를 분리하는 노력을 하고 있다(Nanotechnology, 27(41), 41LT01 (2016)). 이러한 노력의 근간에는 탄소나노튜브간의 나노미터당 1eV나 되는 반데르발스 힘을 극복하는 분산이 필수적이다. 우리 실험실에서는 다양한 플라빈 유도체를 합성하여 이것을 통해 탄소나노튜브를 분산시켰고, 여러 가지 용매에 분산이 가능하였다. 특히 광수율과 분산정도가 용매에 따라 다르고 특히 방향계 용매에서는 광수율이 20% 가까이 향상이 됨을 발견하였다(Science 323, 1319 (2009)). 향후 이러한 분리 기술을 발전시켜서, 원하는 광학적 전기적 성질을 갖는 탄소나노튜브를 분리를 하고, 이를 재성장을 시키는 것을 최종 목표로 한다. 이와 함께 탄소나노튜브의 다양한 광물리 현상을 이해하고 분리를 통해서 얻어진 초고순도 반도체 탄소나노튜브를 이용하여 반도체 및 유연 소자나 태양전지 등에 응용하고자 한다.
그림 1. 다양한 탄소나노튜브의 분리. (왼쪽부터) 반도체와 금속성, chirality, 손성, 길이에 따른 분리.
탄소나노 튜브와 함께, 최근 그래핀과 전이금속 칼코겐 (transition metal chalcogenide) 등을 포함한 이차원 물질은 다양한 응용 가능성으로 인해 많은 연구되고 있다. 우리 그룹에서는 이러한 물질을 화학기상증착법 (chemical vapor deposition, CVD)을 통해서 성장시키며 이들 물질의 성장 요인에 대하여 연구하고 있으며 균일한 성질의 대면적 이차원 물질을 심도있게 연구하고자 한다. 이를 위해서 CVD를 통한 그래핀과 다양한 전이금속 칼코겐 화합물을 성장시키고 이렇게 성장된 물질을 고체물리를 기반으로 이해하며, 이를 평면상 혹은 수직상 등의 다양한 형태로의 조립하는 기술을 축적하고 이때 일어나는 다양한 광물리적 현상에 대해서 연구하고자 한다.
세포나 나노물질의 이미징 기법은 향후 미래 기술을 선도하는 방법 중의 하나이다. 이러한 방법의 부재로 인하여 저차원 탄소물질은 주로 집합적 성질(ensemble property)로만 연구가 되었다. 최근 개발한 라일리(Rayleigh) 및 대구경 라만(widefield Raman) 분광장치는 탄소나노튜브 및 그래핀의 개개의 성질을 아주 쉽고 빠르게 연구할 수 있는 장점이 있다(Nano Lett. 11, 1-7 (2010) & ACS Nano, 6, 373-380 (2012)). 이러한 장치를 이용해서 탄소나노물질에서 일어나는 여러가지 현상을 실시간으로 공간적, 파장별 관계등을 규명할 것으로 생각된다. 최근에는 가시광선 영역대의 반사 및 투과 이미징 분광법을 개발하였고(Carbon, submitted(2016)) 이를 이용해 평면상의 이차원 물질을 광학적인 방법으로 관찰하려 한다. 특히 그래핀 및 전이금속 칼코겐 화합물의 경우에는 광학적 성질을 결정하는 여러가지 요소인 도핑, 층수, 겹쳐져 있을때의 각도 등을 집중적으로 연구하고 이러한 요소가 광학적 특성에 끼치는 영향을 연구하고 있다. 이러한 분광법은 물질의 전기적 성질, 진동 성질을 규명하는데 큰 역할을 할 것으로 생각된다. 향후 이러한 방법을 빛의 전 영역대로 확장시켜 자외선이나 적외선 영역대의 이미징 분광기를 개발할 예정이다.
