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“삼중항-삼중항 소멸법” 기반 광에너지 상향변환 나노구조체 개발
▲ 권오석 전임연구원
한국생명공학연구원 위해요소감지 BNT연구단
태양에너지란 태양에서 오는 열과 빛 형태의 복사 에너지를 말하며, 지구가 자연으로부터 얻을 수 있는 에너지 중 가장 깨끗하고 풍부한 에너지이다.
이러한 태양에너지 기술은 실제 우리 생활에서 건축, 농업, 채광, 제염, 살균 등 다양하게 활용되고 있으며, 최근에는 재생 에너지에 사용되고 있다.
재생 에너지 기술은 태양 에너지를 태양열, 태양 전지, 태양의 화학 처리 등으로 활용하는 것으로, 기존 고갈되어 가는 화석연료를 대체할 수 있는 방법으로 그 활용이 점점 늘어나고 있는 추세이다.
이러한 태양 에너지 기반의 재생 에너지 장비들은 한번 시설을 마련하면 유지 보수비용이 거의 들지 않으며, 공해가 없고, 시설의 수명이 매우 길다는 장점이 있다.
그러나 초기 시설비용이 월등히 비싸다는 단점이 있기 때문에 태양광 에너지 변환효율을 높이는 연구개발을 통하여 시설비용을 낮추려는 노력이 진행되고 있다.
태양광 에너지 변환효율을 높이는 방법 중에 하나가 광에너지 상향변환(Upconversion)으로, 이는 둘 혹은 그 이상의 낮은 에너지를 가진 광자들을 융합하여 하나의 높은 에너지를 가지는 광자를 생산해내는 광화학적 과정이다.
즉, 지금까지 활용되지 못하고 버려지는 낮은 빛 에너지 광자를 높은 빛 에너지 광자로 변환함으로써 기존의 태양광 에너지 변환효율을 높이는 방법과는 전혀 다른 신재생 에너지의 새로운 패러다임이다.
광에너지 상향변환은 최근 광촉매 성능, 태양전지 효율 및 바이오 이미징 선명도 향상에 기여함으로써 산학계에서 활발하게 연구가 이루어지고 있다.
이러한 태양광 에너지 상향변환기술에 있어서 핵심 기술은 에너지 상향이 가능한 기초물질이 반드시 포함되어 있어야 하며, 기초물질들 간의 서로 다른 에너지 상향 메커니즘은 광에너지 상향변환 효율에 있어서 중요한 변수로 작용한다.
지금까지 광에너지 상향변환은 희토류계 원소가 포함된 무기물을 이용하여 활발하게 이루어져 왔으며, 이는 무기물이 가지는 긴 수명의 전이 에너지 영역에서 이중 여기가 발생 가능하기 때문이다.
즉, 일차적으로 광자를 흡수한 전자가 기저상태로 돌아가기 전에 추가적인 광자를 흡수하여 더 높은 에너지 준위로 여기되어 처음 입사된 광자보다 더 높은 광에너지 준위를 가지는 광자를 방출하게 된다.
하지만 무기물 기반의 광에너지 상향변환은 반드시 높은 입사 에너지(＜102㎽/㎠)를 가지는 비연속적인 광원(레이저)이 필요하며, 이를 통한 광에너지 변환 효율은 5% 미만으로 매우 낮은 양자효율을 보여주기에 산업적인 적용 가능성이 희박하다는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해서 최근 연구되고 있는 분야가 바로 “삼중항-삼중항 소멸(Triplet-Triplet Annihilation)법”에 기반한 에너지 상향변환이다.
이는 대량 합성이 가능하며 생산 단가가 저렴한 유기물을 활용하고 있으며, 특히 두 가지의 서로 다른 유기 화합물이 쌍을 이룬다는 새로운 형태의 에너지 상향 변환 메커니즘이다.
이는 높은 양자 효율, 연속 스펙트럼(태양광) 광원, 넓은 흡광 영역, 낮은 입사 광원강도 요구치 등의 특장점을 가지기에 활발히 연구되고 있다.
이 글에서는 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환이 가능한 나노구조체 개발 및 응용연구에 대해서 소개하고자 한다.
우리나라에서는 아직 삼중항-삼중항 소멸법에 기반한 광에너지 상향변환을 활발히 연구하는 연구진이 극소수에 불과하여, 먼저 광에너지 상향변환의 메커니즘을 살펴보고자 한다(그림 1).
삼중항-삼중항 소멸에너지 상향변환은 입사하는 광자를 수용하는 유기광자수용체 및 여기된 전자를 받아들여 높은 광에너지를 발산하는 유기 전자수용체로 이루어져 있다.
우선 낮은 에너지를 가진 광자가 입사되면, 광자수용체가 이를 흡수하여 여기 상태로 변함과 동시에 내부 전이를 통하여 삼중항의 여기 상태로 변하게 된다.
이때 여기된 삼중항상태의 광자수용체가 빛에너지를 발산하면 인광의 형태로 나타나지만, “삼중항-삼중항 에너지 전이” 과정을 거쳐 전자수용체에 전달되어 여기된 삼중항 전자수용체를 형성하게 된다.
이렇게 형성된 여기된 삼중항 전자 수용체 두 개가 만나(삼중항-삼중항 소멸) 하나의 여기된 단일항 전자수용체를 생성하게 된다.
생성된 여기된 단일항 전자 수용체는 높은 빛 에너지 광자를 방출함으로써, 비로소 낮은 빛에너지의 광자를 높은 빛 에너지의 광자로 변환 방출하게 된다.
상기 메커니즘을 자세히 들여다보면, 광자수용체의 전이 에너지를 전자수용체가 받아들임으로써 에너지 상향변환이 이루어지며, 동일한 광자수용체에 또 다른 전자수용체를 적용하게 된다면 전혀 다른 높은 빛 에너지를 가지는 광자를 발산하게 된다. 즉, 하나의 입사되는 빛에 의해서 다양한 빛 발산이 가능한 시스템을 구축할 수 있다.
하지만 본 연구에 있어서 가장 큰 걸림돌은 1) 광자수용체와 전자수용체 간의 특수한 에너지 필요조건 충족, 2) 덱스터 에너지 전이(Dexter Energy Transfer)로 인한 효과적인 용매 확산 조건, 3) 광자수용체의 에너지 칭(Quenching)을 방지하기 위한 무산소 조건 등이 있다.
특히 다양한 산업으로의 응용을 위해서 반드시 넘어야 할 걸림돌은 무산소 조건이다. 바이오 및 신재생에너지 산업은 주변 환경이 물로 이루어져 있어 무산소 조건을 극복하지 않고서는 실제 산업현장에 적용이 될 수 없다.
이러한 걸림돌을 극복하기 위하여 본 연구팀은 예일대학교(김재홍)와 함께 세계 최초로 액상 형태의 유기광자수용체 및 전자수용체를 수용 가능한 나노캡슐을 제조하는 데 성공함으로써 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환 연구의 산업응용 가능성을 학회에 보고하였다.
액상 형태의 유기화합물을 수용하기 위한 나노캡슐은 고분자 계면활성제를 활용하는 전통적인 유화중화법에 기반을 두고 있지만, 본 연구에서는 유기 광자수용체 및 전자수용체가 녹아있는 오일을 계면활성제로 이용함으로써 유리 재질이 감싸진 나노캡슐을 제조할 수 있었다(그림 2).
나노캡슐 기반의 응용 연구 사례
다중 암 진단을 위한 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환 나노캡슐 개발
현재 암 진단은 시간이 오래 걸리며 전이 및 재발에 대한 불안감으로 환자들이 가장 많이 고통받고 있는 질병 중의 하나이다.
이러한 암 진단에 있어서 환자의 심리적 불안감과 경제적 비용을 최소화하기 위하여 본 연구팀은 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환 기반의 나노캡슐을 활용하여 “다중 암 진단”을 위한 바이오 이미징 응용에 성공하였다.
구체적으로, 상기 제조 방법을 통해서 동일한 광자수용체와 서로 다른 두 개의 전자수용체를 각각 가지는 나노캡슐을 제조하였다.
이 두 개의 나노캡슐은 입사되는 붉은빛을 통하여 각각 서로 다른 형광(푸른색 형광 및 녹색 형광)을 발산하게 제조하였으며, 나노캡슐 표면을 기능화하여 푸른색 형광을 띄는 나노캡슐에 유방암세포와 선택적 결합을 하는 단백질을 결합하고 나머지 녹색 형광을 띄는 나노캡슐은 대장암세포와 선택적 결합을 하는 항체를 결합하였다.
이는 기존의 암 진단에 비해서 1) 24시간 이내 진단, 2) 색깔을 통한 다중 암 진단 가능, 및 3) 노이즈 제거를 통한 선명한 이미징 등의 장점을 가지고 있어, 향후 암뿐만 아니라 다양한 질병을 진단하는 데 있어서 원천기술을 제공할 것으로 기대된다.
과산화수소 생산을 위한 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환 나노하이브리드 개발
과산화수소는 산업체에서 다양하게 활용되고 있어, 친환경적 접근을 통한 과산화수소 대량생산 기술 개발은 산업적인 과제이다.
특히 일반 생활에서 무심코 버려지는 빛 에너지를 재활용하여 과산화수소를 생산하는 원천기술 개발은 산업적·경제적 기여도가 매우 우수하여 세계적으로 많은 과학자들이 연구하고 있다.
이러한 산업적 요구에 맞춰 본 연구팀은 에너지 상향변환 기법을 기반으로 버려지는 빛 에너지를 재활용하여 과산화수소를 제조하는 방법을 개발하여 학회에 보고하였다.
구체적인 연구 방법은 유화중합법 기반의 삼중항-삼중항 소멸 에너지 상향변환이 가능한 유기형광 발광체를 유리 재질 캡슐에 가둔 후, 입자의 표면처리를 통하여 광촉매(CdS) 나노 입자를 부착하였다.
나아가 광촉매 효율을 향상시키기 위하여 광촉매 나노입자 표면에만 선택적으로 그래핀 나노디스크를 코팅함으로써 하이브리드 나노캡슐을 제조할 수 있었다.
이를 활용하여 수용액 상에서 과산화수소를 생산하는 연구를 성공할 수 있었다(그림 3).
지금까지 태양광 에너지 변환효율을 높이는 방법 중에 하나인 “삼중항-삼중항 소멸”법에 기반한 나노구조체 제조 및 이를 활용한 다중 암 진단 및 신재생 에너지 분야로의 응용에 관한 연구 경향을 소개하였다.
이는 지금까지 연구되지 않은 새로운 영역의 에너지 상향 연구 분야로서 현재는 원천기술 개발 단계이지만, 향후 꾸준한 연구개발을 통해 산업 현장에 사용될 때 환경 및 바이오 이미징뿐만 아니라, 태양전지, 바이오센서 등 다양한 분야에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.