‘합-주파수 생성 분광법’기술을 이용한이차원 기능성 물질 표면의 습윤성 측정-그래핀 계면 특성의 미시적 이해

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2022. 5. 12.

-주파수 생성 분광법기술을 이용한이차원 기능성 물질 표면의 습윤성 측정-그래핀 계면 특성의 미시적 이해

보도일 2022-04-27 10:35 연구단명 분자 분광학 및 동력학 연구단

 

 

 

‘합-주파수 생성 분광법’기술을 이용한이차원 기능성 물질 표면의 습윤성 측정

- 그래핀 계면 특성의 미시적 이해 -

 

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 독일 막스 플랑크 연구소(MPI-Polymer, Mainz) 미샤 본(Mischa Bonn) 교수, 그리고 고려대학교 화학과 곽경원 교수와 함께 ‘합-주파수 생성 분광법 기술을 이용하여 기판의 습윤성을 측정하는 방식‘을 최초로 고안했다.

습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 이는 친수성에 비례하는 반면, 소수성에는 반비례한다. 기판의 친수성을 이해하는 것은 담수화, 코팅제, 수전해질 등 21세기를 살아가는데 필수적인 여러 산업적 활용을 위해 꼭 필요하다. 지금까지 기판의 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 기판 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 물의 접촉각(water contact angle)을 측정하여 습윤성을 파악하는 식이다. 하지만 이런 방식으로는 표면의 거시적인 특성만 파악할 뿐, 표면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 정밀하게 측정하는 것은 매우 어렵다. 

본 연구에선  ‘합-주파수 생성 분광법(sum-frequency generation spectroscopy)’을 이용하여 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조와 그래핀의 독특한 습윤성을 관찰하여 미시 세계의 습윤성을 측정했다. 합-주파수 생성 분광법은 이차 비선형 분광법(second-order nonlinear spectroscopy)으로 표면에서 수 나노미터 이내에 있는 분자들의 신호만 선택적으로 검출할 수 있는 표면 분석 장치이다. 따라서 미시 세계를 관찰하기 위해 사용되는 기존의 라만 분광법이나 적외선 분광법과는 달리 그래핀 표면에 있는 물 분자들을 관찰할 수 있는 장점을 가진다. 자체 제작한 합-주파수 생성 분광기를 이용하여, 기판의 친수성을 나타내는 접착에너지(Adhesion energy)를 얻는 데 성공했고, 이 결과는 기존의 물 접촉각 측정을 통해서 얻어낸 접착에너지와 일치함을 보였다. 이를 활용하여 그래핀에 전기장을 가하여 산화 그래핀이 되는 과정을 실시간으로 관찰하였는데, 이러한 과정은 기존에 사용하던 물 접촉각 측정으로는 알 수 없는 내용이다. 따라서 본 연구는 합-주파수 생성 분광법이 기판의 습윤 성질을 분자 수준에서 연구하는데 적합한 방법임을 증명한 것이고, 더 나아가 그래핀과 같은 이차원 기능성 물질의 성질 규명에 중요한 연구 도구가 될 것임을 보여준다.

제 1저자인 김은찬 연구원은 “합-주파수 생성 분광법와 물 접촉각에서 얻은 친수성을 나타내는 접촉에너지(Adhesion energy)가 서로 일치하는 결과를 확인했다”라며, “합-주파수 생성 분광법을 통해 기존에는 관찰할 수 없었던 복잡한 시스템의 습윤성을 측정할 수 있는 가능성을 보여준 것이다.”라고 강조했다.

조민행 연구단장은 “합-주파수 분광법을 활용하여 그래핀 뿐만 아니라 산화 그래핀이나 육각형 질화 붕소 같은 다른 이차원 기능성 물질의 미시적 특성 연구를 진행하고 있다.”라며 “이를 통해 이차원 기능성 물질을 상용화 하는데 걸림돌이 되는 문제들을 해결할 수 있을 것이다.”라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 캠(Chem, IF = 22.804) 4월 26일자 온라인판에 게재됐다.

 

 

 

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연구 추가설명

 

논문명 

Wettability of Graphene, Water Contact Angle, and Interfacial Water Structure

저자정보

Eunchan Kim, Donghwan Kim, Kyungwon Kwak, Nagata Yuki, Mischa Bonn, and Minhaeng Cho

연구이야기

[연구 배경] 이차원 물질 표면의 습윤성(wettability)은 이 물질을 담수화, 코팅제, 및 수전해질과 같은 방향으로의 산업적 활용에 있어 반드시 연구되어야 하는 성질이다. 그 동안 많은 연구가 수행되어왔으나, 분자적인 수준에서 이 성질을 정밀하게 관측하지는 못했다. 이차원 물질의 계면에 존재하는 물 분자들의 수소결합구조를 관측하기 위해 새로운 분광학적 장비를 개발하고 비로소 측정을 할 수 있게 되었다. 

[어려웠던 점] 그래핀은 나노미터보다 얇은 두께를 가지는 물질이기 때문에 레이저 빛이 쉽게 통과한다는 점에서 분광학적이 용이하다. 그러나 문제는 비교적 강한 레이저 빛에 의해 쉽게 변성되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 레이저의 출력을 줄여가며 최적화를 진행하였다. 또한, 그래핀이 기판에 전사된 후 외부 공기에 노출이 될 경우 표면이 쉽게 오염될 수 있다. 그렇기 때문에 그래핀을 기판위에 전사한 후 신속한 분광학적 측정을 해야만 했다. 그래핀 표면의 오염 여부는 라만 분광학, 적외선 분광기등을 이용해 확인하였다. 

[성과 차별점] 본 연구진은 그래핀-물 계면에 존재하는 물 분자들을 합-주파수 생성 분광기를 통해 연구함으로써, 계면에 존재하는 물만 선택적으로 관찰할 수 있었다. 이를 통해 그래핀의 습윤성 뿐만 아니라 합-주파수 생성 분광기가 기판의 습윤성을 측정 할 수 있는 도구임을 최초로 제시할 수 있었다.

[향후 연구계획] 합-주파수 생성 분광기를 이용하여, 그래핀과 같은 이차원 기능성 물질의 표면 및 계면 성질을 분자 수준에서 규명하는 연구를 수행할 예정이다. 

 

 

 

 

 

그   림   설   명

 

 

 

 

[그림 1] 합-주파수 생성 분광법을 이용하여 얻은 그래핀 층수에 따른 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조

하나의 물 분자는 최대 4개 다른 물 분자와 수소결합을 할 수 있다. 수소결합의 갯수에 따라 각기 다른 진동 주파수를 가지기 때문에 물 분자의 주변 환경에 대한 분광학적 분석 연구가 가능하다. 본 연구에서는 그래핀의 층 갯수가 증가하면서 표면 위에 존재하는 물 분자들의 수소결합 양상이 달라짐을 직접적으로 관찰할 수 있었다. 즉 종래의 거시적인 측정법으로는 볼 수 없는 분자수준에서의 습윤성 측정이 합-주파수 생성 분광기를 이용할 경우 가능하다는 것을 실험적으로 검증하였다. 

 

연구진 이력사항

 

<조민행 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장> [교신저자] 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단

          고려대학교 화학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항  

○ 1994.01 - 1996.02  Massachusetts Institute of Technology 연구원

○ 2004.03 - 2004.08  University of California 방문교수

○ 1996.03 - 현재  고려대학교 이과대학 화학과 교수

○ 2014.12 - 현재  IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구단장

○ 2007 - 현재 Editorial Advisory Board, Chem. Phys. 

○ 2015 - 2017 Editorial Advisory Board, J. Chem. Phys. 

 

3. 전문 분야 정보 

○ 2005년 Nature에 발표한 논문, 당시 미국화학회 ‘올해의 연구’ 선정

○ 2006년 ‘Molecular Motion Picture’ 촬영이 가능함을 Nature에 보고

○ 2009년 Nature 논문 발표

○ 2009년 저서 출판 “Two-Dimensional Optical Spectroscopy (CRC Press, New York)”

○ 2002년 세계 최초로 다차원 분광학 국제학술회의(International Conference on Multidimensional Spectroscopy)를 대한민국에서 개최. 

○ 2018년 제 9회 CMDS 학회 개최.

<김은찬 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원> [제1저자] 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 

 

 

 

<김동환 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원> [제 1저자]

 

1. 인적사항

○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 

          고려대학교 화학과

 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항  

○ 2017.08 – 2018.02 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원

○ 2020.09 – 2021.04 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원