[지식더하기] 레이저 보호 Optical Limiting에 응용되는 2차원 나노물질들

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2018년, 노벨 물리학상의 영예는 레이저 물리학에서 강력한 레이저 빔을 이용하여 초고속 과정을 포착하고 미세한 물체를 조작한 공로를 인정받은 세 명의 과학작 도나 스트릭랜드(Donna Strickland), 제라드 모로우(Gérard Mourou), 그리고 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)에게 돌아갔다. 그들의 발명 혹은 발견은 레이저 물리학 및 레이저 기구들의 큰 발전을 불러왔고, 이는 현재 많은 사람들의 일상에도 스며들어 있다. 이렇게 레이저 응용 분야들에 대해 관심이 뜨거워지고 있긴 하지만, 레이저 펄스와 복사의 고에너지에 노출되는 것은 매우 위험하기에, 사람의 눈과 광학 기기들을 보호할 물질에 대한 연구 역시 그 중요성이 대두되고 있다.

(a) The Nobel Prize in Physics 2018; Reprinted with permission. Copyright 2018 NobelPrize.org. (b) The illustration of light-matter interactions; (c) the application scope of lasers.

이러한 레이저 보호 물질으로 등장한 것이 광학 제한(OL, Optical Limiting) 물질이다. OL은 낮은 세기의 빛에게는 높은 투과율을, 큰 세기의 빛에게는 적은 투과율을 제공하는 물질로, 이상적인 OL은 잠재적인 위험이 있는 세기가 큰 레이저 빔을 사람의 눈 혹은 광학 기기들이 관찰에 영향을 받지 않고 견딜 수 있도록 효과적으로 약화시키는 것이다.

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비선형 광학에 대한 연구가 계속되어 가면서, 처음에는 퓰레렌, 탄소나노튜브, 포르피린 등에 주목되던 연구들이 2010년 이후 2차원 나노물질들에 주목을 옮겨 갔다. 이러한 물질들은 넓은 표면적과 우수한 열/전기 전도도, 유연성과 비선형 광학 효과를 가지기에 에너지 저장 장치, OLEDs(Organic Light Emitting Diodes), 정보 저장 장치 그리고 OL에 쓰이고 있다. Conjugate된 sp2 π-시스템과 전기적 구조의 선형 퍼짐성을 가지는 그래핀(Graphene)이 그 중 가장 대표적인 물질이라고 할 수 있으며, 그래핀의 성질들은 그를 좋은 OL 물질로 만들고 있다. 그래핀 외에도 black phosphorus(BP), antimonene, h-BN(hexagonal boron nitride), MOFs(Metal-Organic Frameworks), halide perovskites 등이 OL 물질들로 주목받고 있다.

Schematic illustration of different kinds of typical ultrathin 2D nanomaterials, such as graphene, h-BN, TMDs, MOFs, COFs, MXenes, halide perovskites, antimonene, and BP. Reprinted with permission. Copyright 2018 American Chemical Society.

가장 최근에, Chen 외 연구자들은 AIE(Aggregation-induced emission) 고분자를 통해 산화 그래핀을 수정하였고, 이를 고체 상태 OL에 사용하였다. AIE 고분자인 PBFTB가 처음 만들어졌고, 이 고분자의 브로민기가 아지드기로 전환되어 만들어진 PAHFTP가 산화 그래핀의 표면에서 작용하였다. 고체 상태의 이 막은 RSA 반응 등 여러 반응들에서 OL로서의 훌륭한 작용을 보여주었다.

(a) Synthesis of PFTP-RGO; (b) Typical open-aperture Z-scan data for the PMMA-based films excited under 6 ns pulses at 532 nm (I–IV) and 1064 nm (V–VIII), respectively. The solid lines are the theoretical fitting results; (c) Variation of the normalized transmittance as a function of input laser intensity for the films at 532 nm (I) and 1064 nm (II), and the corresponding βeff coefficients as a function of the excitation pulse energy (III, IV). Reprinted with permission. Copyright 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

흑인(BP, Black Phosphorus)은 2차원 나노물질들 중 떠오르는 별이다. 높은 전자와 공(hole)의 유동성, 두께에 따라 조정 가능한 띠 간격, 우수한 열 안정성이 빛나는 물질이다. BP의 구조는 아래 사진처럼 sp3 혼성화된 인 원자들이 육각 모양을 이루고 있다. 이 입체 결정을 liguid exfoliation시키면, 여러 겹의 BP 나노시트들을 얻어낼 수 있다. 이 여러 겹의 시트들을 원심 분리함으로서 적은 겹의 나노시트를 얻을 수 있다. BP를 전자 주개로, C60을 전자 받개로 이용한 연구에서, Yu 외 연구자들은 이 시트를 PMMA Matrix에 넣음으로서 고체상태의 OL을 성공적으로 개발하였다. BP와 C60의 분자간 열 감응 전하 이동 효과라는 것이 있어, 이들의 OL로서의 작용을 더 좋게 해 주었다. 이 외에도 공기 중에서 BP가 분해되는 단점을 막기 위한 안티모니의 사용 등 여러 물질들이 OL의 후보군으로 연구, 사용되고 있다.

(a) Top view of the puckered honeycomb lattice of black phosphorus (BP). Upper plane P atoms are marked in blue, lower plane P atoms are in yellow; (b) lateral view on the lattice in armchair direction. Characteristic distances and angles according to Castellanos-Gomez et al. Copyright 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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미래의 연구들은 더 얇은 2차원 나노물질들의 OL 활용, 다양한 것에 반응하는 특이한 성질을 가진 유기 분자들의 고안과 합성, 비선형 광학 기작들을 더 잘 이해하기 위한 고체계의 대한 연구 등으로 초점이 맞추어질 것이다. 레이저 관련 중요성이 높아지고 있는 만큼 OL에 대한 연구도 지속적으로 이루어져 나갈 것이다.

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원하던 케미 2019 여름호

작성자: 19-001 강라엘

분야: 나노화학

참고문헌:

[1] Liu, Z.; Zhang, B.; Chen, Y. Recent Progress in Two-Dimensional Nanomaterials for Laser Protection. Chemistry 2019, 1, 17-43

이미지:

[1] Liu, Z.; Zhang, B.; Chen, Y. Recent Progress in Two-Dimensional Nanomaterials for Laser Protection. Chemistry 2019, 1, 17-43

[2] Cover Image: ECHA(European Chemicals Agency), 'What are Nanomaterials?' https://chemicalsinourlife.echa.europa.eu/why-are-nanomaterials-important

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