한양대학교 유기나노공학과 소속인 기능성 π-소재 연구실(Functional π-materials laboratory)은 2000년 3월에 설립되어, 정재윤 교수님 지도아래 유기합성기술을 토대로 기능성 π-소재를 이용한 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 1856년, 영국의 W.H.Perkin이 최초의 합성 염료인 보라색의 Mauve를 개발하면서 유기합성기술이 급격히 발전해 왔습니다. 초기에 색을 내는 색소로만 사용되던 염료들은 20세기 후반부터 Display소재, 정보소재, Bio소재 등 다양한 분야에서 고부가가치 핵심소재로 자리잡고 있는데, 이러한 소재들을 기능성 π-소재라 지칭합니다. 기능성 π-소재는 분자 내 원자간의 π-결합을 지니고 있고, 이 π-결합이 지닌 전자들이 HOMO-LUMO간 energy 차이(band-gap)에 해당하는 빛에 감응하여 바닥상태(ground state)에서 들뜬상태(excited state)로 이동하며 다양한 광학적, 열적, 전기적, 화학적 특성을 나타내게 됩니다. 저희 연구실에서는 연구목적에 부합하는 기능성 π-소재의 분자 modeling을 통해 설계하고, 유기화학반응을 통해 Target 물질을 합성합니다. 이어서 합성된 신규 소재의 특성을 파악한 뒤, 목적했던 분야에 Application하고 그 결과값을 토대로 Feed back 과정을 통해 더 우수한 소재를 설계하고 합성하는 연구를 수행하고 있습니다.

 2.1 분자 Modeling
 우선적으로 다양한 문헌을 통해 목적에 부합하는 소재의 분자구조를 설계합니다. 분자구조를 설계한 뒤 합성하기에 앞서, Computer 계산 프로그램을 이용한 Simulation을 통해 설계한 물질의 특성을 미리 예측하고, 설계한 구조의 적합성을 확인합니다. 이는 연구의 첫 단추를 꿰는 단계로 아주 중요하다고 할 수 있습니다.

 2.2 Target 물질의 합성
 설계한 물질은 다양한 유기 반응을 통해 합성되고, 재결정, Column chromatography등 다양한 정제기술을 이용하여 고순도로 분리하게 됩니다. 합성된 물질은 NMR, FT-IR, Element Analysis, Mass spectroscopy 등으로 Target물질이 올바르게 합성되었는지 확인 과정을 거칩니다.

 2.3 합성된 소재의 물성 분석
 Melting point, UV-vis 흡수 스펙트럼, 형광 스펙트럼, Cyclovoltamogram 등 합성된 소재의 물리적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성들을 여러가지 장비들을 사용하여 측정하게 됩니다.

 2.4 Application
 저희 연구실에서는 LCD Color resist, OLED, 근적외선 제어, 염료감응형 태양전지 (Dye-sensitzeid solarcells), Energy storage, 광역학 치료 (Photodynamic therapy), 화학센서 (chemosensor), 위조방지 용 소재 등 다양한 분야에 응용되는 소재들을 연구 개발하고 있습니다.
   2.4.1) Display소재
LCD, OLED 등 Display panel에는 색을 내기 위해 기능성 π-소재가 핵심소재로 사용되고 있습니다. 최근에는 LCD보다는 형광효율이 높고, 수명이 긴 OLED 발광 소재의 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 발광소재에서 Singlet state로 여기된 전자가 바닥상태로 떨어지며 그 에너지 차이에 해당되는 파장대의 빛을 발산하는 것을 형광(Fluorescence)이라 하고, triplet state에서 바닥상태로 이동하며 발생하는 빛은 인광(phosphorescence) 이라 합니다. 이론적으로 Singlet state, Triplet state의 전자들을 모두 이용한다면 100%의 형광효율을 낼 수 있기 때문에, TADF (thermally activated delayed fluorescence)를 이용하는 소재 연구가 진행되고 있습니다.
  2.4.2) 염료감응형 태양전지 (DSSCs)
DSSCs란 OLED와 반대로 염료를 이용하여 빛을 전기로 전환시켜 줄 수 있는 장치를 말합니다. 금속산화물 층(TiO2 등)에 광감응제를 흡착시켜 상대전극과 결합하여 Cell을 형성하게 되는데, 광감응제에서 빛을 흡수하며 전자가 LUMO level로 여기되면 금속산화물 층으로 전자가 주입되고 외부회로를 통해 전자가 상대전극으로 이동하여 전해질을 거쳐 다시 산화된 염료를 환원시켜주게 됩니다. 이 순환과정을 통해 빛을 이용해 전기를 생산할 수 있는데, 금속을 사용하지 않는 유기화합물을 이용하여 보다 저렴하고 보다 높은 효율을 지니는 광감응제 개발을 위한 연구를 진행하고 있습니다.
   2.4.3) 광역학치료 (PDT)
PDT란 빛에 의해 triplet state로 위치하게 된 전자의 에너지를 이용하여 염료 주변의 산소를 활성산소로 바꾸어 줄 수 있는데, 이 생성된 활성산소를 이용하여 암세포를 괴사시키는 치료법을 말합니다. 저희 연구실에서는 신규물질 합성 및 Biomarker의 활용을 통해 Singlet quantum yield가 높아 활성산소를 생산이 활발하며, 피부 투과성이 높은 Red 혹은 NIR영역의 빛에 감응하고, 선택적으로 암세포를 포착할 수 있는 phthalocyanine계 PDT용 소재를 개발하고 있습니다.
  2.4.4) 화학센서
화학센서란, 주변환경 변화에 감응하여 형광 또는 색 변화 등 시그널을 내는 물질을 말합니다. 환경 문제가 대두되면서 Cadmium, Mercury, Lead, Chromium 등 4대 중금속 및 Copper, Cyanide 등 이온성 물질을 검지할 수 있는 화학센서 개발이 활발히 이루어 지고 있습니다. 저희 연구실에서도 선택적으로 Cation에 감응하여 광학적 특성 변화를 보여주는 소재를 개발하고 있습니다.
  2.4.5) 근적외선 제어 소재
근적외선은 열선으로 불리며 근적외선 제어 소재는 방위산업에서 위장용으로, 농업에서는 근적외 차단용 필름 등으로 사용되고 있습니다. 저희 연구실에서는 가시광은 투과시키고 근적외선만 선택적으로 흡수할 수 있는 소재에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

 2.5 Feed-Back
 위에서 설계, 합성하고 물성 파악을 마친 소재는 각 분야에 적용하여 결과값이 얻어지면, Feed-back을 통해 보다 우수한 Performance의 소재를 개발하기 위해 2.1~2.4의 과정을 순환하며 연구를 수행합니다.