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  • 단일 카랄탄소 나노튜브의 선광 이성질체 분리와 물리적 성질 연구등록일 : 2015/01/05
  • 최근 중국 과학원 물리연구소 산하 선진소재와 구조분석중점실험실의 류화핑(刘华平) 연구원은 일본, 미국의 관련 전문가들과 손잡고 단일 카랄탄소 나노튜브(chiral carbon nanotube) 선광 이성질체(optical isomer) 분리와 물리적 성질 연구 분야에서 중요한 진전을 이뤄내 업계의 이목이 집중되고 있다.
     
    탄소 나노튜브의 1차원 튜브 분자 구조가 역학, 전기학 및 광학 분야에서 우수한 특성을 구현하고 있어, 마이크로 나노 전자 부품, 바이오 의약, 신에너지 소재 등 분야에서 폭넓게 활용될 수 있다.

    탄소 나노튜브의 독특한 특성의 근원은 그 구조에서 잘 나타나고 있다. 원자구조 배열에서의 미소한 차이가 탄소 나노튜브 광전기 특성의 거대한 차이로 이어진다. 예를 들면, 탄소 나노튜브의 구조가 다름에 따라 금속성질이나 반도체성질이 나타나며 또 카랄탄소 나노튜브에는 좌우 나선이 대칭되는 한 쌍의 거울상체(enantiomorph)가 있어 상반되는 선광 특성(선광 이성질체)을 구현한다.

    이에 따라 균일한 단일 구조의 탄소 나노튜브를 대량으로 확보하는 것이 그의 물리적 성질을 연구하고 응용을 추진하는 핵심으로 부각되고 있다. 그러나 현재 현유의 탄소 나노튜브 성장 기술이나 성장 후의 처리 기술을 가지고는 단일 구조의 탄소 나노튜브를 제조하는데 어려움이 있다. 이러한 상황은 탄소 나노튜브 성질과 응용을 연구하는데 걸림돌이 되고 있다.

    위와 같은 상황을 감안하여 중국 과학원 물리연구소 산하 선진소재와 구조분석중점실험실의 류화핑(刘华平) 연구원은 일본산업기술종합연구소 수석 연구원인 Hiromichi Kataura 교수, 미국Rice대학 Junichiro Kono 교수, 일본도쿄대학 Shojiro Takeyama 교수 등 관련 전문가들과 손잡고 연구를 통해 단일 카랄탄소 나노튜브의 선광 이성질체 분리와 물리적 성질 연구 분야에서 몇 가지 중요한 성과를 거뒀다.

    1. 류화핑(刘华平) 연구원과 Hiromichi Kataura 교수 등은 젤 그래마토 그래피(gel chromatography) 기술을 발전시켰다. 이온 계면활성제를 통해 탄소 나노튜브와 젤(gel)의 작용력 강도를 정확하게 컨트롤했을 뿐만 아니라 다당 젤의 카랄구조와 탄소 나노튜브의 좌우 나선 구조 작용력 차이를 이용하여 분산된 탄소 나노튜브 용액을 멀티 젤 그래마토 그래피 기둥에 탑재시키는데 성공했다. 이와 함께 9종 고순도 카랄탄소 나노튜브 및 그 좌우 나선 거울상체 구조를 분리해 냈다(그림1 참조). 이에 따라 탄소 나노튜브의 단일 구조를 대량 제조할 수 있게 되었으며 또 탄소 나노튜브 성질과 응용 연구에 기반이 마련됐다.

    2. 탄소 나노튜브 구조 분리 성과를 기반으로 류화핑(刘华平) 연구원은 Junichiro Kono 교수와 함께 초고속레이저(ultrafast lasers)의해 분리된 (6, 5)탄소 나노튜브를 활성시켜 (6, 5) 탄소 나노튜브의 14개 포논 진동(Phonon vibration) 모델(그림2 참조)을 관측하고 식별해 냈다. 이 연구성과는 1차원 구조 중의 포논과 전자의 동향 관계, 그리고 상호 작용을 더 깊이 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 1차 구조 중의 포논 진동의 정확한 이론적 모형을 구축하는데 기초가 될 것으로 예상된다.

    3. 류화핑(刘华平) 연구원과 Shojiro Takeyama 교수는 분리된 단일 카랄탄소 나노튜브 (6, 4)와 (6, 5)에 대하여 체계적인 광자기(magneto optical) 성능 연구를 추진했다. 초강력 자기장 환경에서 탄소 나노튜브의 광 흡수 그래픽 측정을 통해 반도체 탄소 나노튜브의 두 번째 부분대역(subband) 가운데서 명암 엑시톤 에너지(Exciton energy)의 상대 순서와 탄소 나노튜브 구조가 밀접한 관련이 있다는 것을 직접 관찰해 냈다(그림3 참조). 이 연구성과는 탄소 나노튜브 엑시톤 상태의 조작을 통해 탄소 나노튜브 광학 성능 제어를 실현할 수 있는 가능성을 보여줬다.

    한편, 위와 같은 연구 성과는 이미 Nano Lett. 14 (2014) 6237, Nano Lett. 14 (2014) 1426, Scientific reports 4 (2014) 6999 등에 발표되었으며 중국 과학원 ‘백인 계획’과 중국 국가 ‘청년 천인 계획’의 지원을 받아 수행되었다.

    그림1: 분리된 단일 카랄탄소 나노튜브 선광 이성질체의 원편광2색성(Circular dichroism) 표징.

    그림2: (6, 5) 단일 카랄탄소 나노튜브의 포논 분광(Phonon spectra)표징.

    그림3: (6, 4) (6, 5) 탄소 나노튜브 E11(좌)과 E22(우) 부분대역 가운데 명암 엑시톤 에너지와 외부 자기장 사이 관계.

  • 키워드 : 단일 카랄탄소 나노튜브, 선광 이성질체, 물리적 성질,
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑