연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 유영민 교수 연구팀이 원편광 발광 특성을 극대화할 수 있는 신규 재료 시스템을 개발했다.

원편광은 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전하는 편광축을 가지고 있는 빛을 의미한다. 원편광을 자체적으로 발광하는 재료나 시스템은 3D 디스플레이, 암호화 소자, 양자 통신, 비대칭 광합성, 스핀트로닉스 등 미래 혁신 기능성을 가지는 응용 가능성을 가지고 있어 최근 많은 연구가 이루어지고 있으나, 기본적으로 발광 효율과 원편광 발생 비율 사이 존재하는 트레이드 오프 관계 때문에 고성능의 원편광 발광 시스템을 구현하는 것이 어렵다.

연세대 유영민 교수팀은 인광을 발광하는 양이온 백금 착체와 키랄성 음이온 재료를 개발하였다. 평면 사각 분자 구조를 가지는 백금 착체는 금속 d 오비탈 겹침을 통한 초분자체 형성에 유리하고, 키랄성 음이온 재료를 섞어줌으로써 키랄 구조에 따라 나선 방향이 조절된 초분자체가 형성됨을 규명하였다.

개발한 신규 나선형 백금 초분자체 형성 전략은 기존의 원편광 발광 시스템이 가지고 있던 트레이드 오프 문제를 극복하여 백금 착체 단분자 대비 발광 효율과 원편광 발생 비율이 동시에 증진되는 특성을 보였으며, 마이크로 채널 안에서 초분자체를 형성하여 초분자체 간의 상호작용을 극대화함으로써 매우 높은 정렬도를 가지는 어레이를 soft-lithography 방식을 통해 구현했다. 이를 통해, 기존 보고된 원편광 발광 시스템 중에서도 구현이 힘들었던 30% 이상의 발광효율과 0.13의 원편광 발광 비대칭 인자 수치를 동시에 가지는 고효율 원편광 발광 시스템을 제안하였다.

이 연구를 통해 원편광 발광 극대화의 신규 분자 디자인 전략 및 미래 지향형 디스플레이 재료 개발이 가능할 것으로 예상된다.

본 연구성과는 한국연구재단 (NRF) 및 삼성 미래기술 육성센터의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 유영민 교수 연구팀의 박규림 석사 (제 1저자)가 함께 진행하였으며, 국제 저명 화학학술지인 Angewandte Chemie, International Edition (Impact Factor: 16.6)에 “Enhancing Circularly Polarized Phosphorescence via Integrated Top-Down and Bottom-Up Approach” 라는 제목으로 온라인 게재됐다.

A research team led by Professor Youngmin You from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University (President Yun Dong-seop) has developed a new material system that maximizes the properties of circularly polarized luminescence (CPL).

Circular polarized light refers to light whose polarization axis rotates either to the right or the left. Materials or systems that emit circularly polarized light inherently have potential applications in 3D displays, cryptographic devices, quantum communications, asymmetric photosynthesis, and spintronics, leading to significant research interest. However, implementing high-performance circularly polarized luminescence systems has been challenging due to the inherent trade-off between luminescence efficiency and the circular polarization ratio.

Professor Youngmin You’s team developed a system using cationic Pt(II) complex that emit phosphorescence and chiral anionic materials. The square planar Pt(II) complex structure facilitates the formation of supramolecular structures through the overlap of metal d-orbital. By mixing with chiral anionic materials, the helical sense of supramolecules can be successfully controlled, yielding CPL.

This novel strategy forming helical Pt(II) assembly overcame the trade-off problem by enhancing both photoluminescence efficiency and dissymmetry factor of CPL, which surpass the previously reported CPL system. By constructing helical Pt(II) assemblies within microchannels by soft-lithography method afford tight and well-aligned crystalline helical assemblies. This resulted in a high-efficiency circularly polarized luminescence system that features over 30% photoluminescence quantum efficiency and a dissymmetry factor of CPL of 0.13, which are exceptional figures among previously reported systems.

This research suggests new molecular design strategies for maximizing circularly polarized luminescence and potential development of future-oriented display materials.

The study was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF). It was conducted by Gyurim Park (first author) of the team. The research has been published online in the prestigious journal Angewandte Chemie, International Edition, under the title "Enhancing Circularly Polarized Phosphorescence via Integrated Top-Down and Bottom-Up Approach."

Angewandte Chemie, International Edition (2024) (IF: 16.6)
Published: October 03, 2023
https://doi.org/10.1002/anie.202309762