광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 임현섭 화학과 교수팀이 빛의 회전 방향에 따라 서로 반대되는 구조의 유기 소재를 선택적으로 합성하고, 이를 이용해 하나의 필름에 눈으로는 구별하기 어려운 정보를 기록해 빛으로 판독하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
왼손과 오른손은 서로 거울에 비친 형태지만 완전히 겹쳐지지 않는다. 분자나 소재에서도 이처럼 서로 거울상 관계이면서 겹쳐지지 않는 구조를 갖는 성질을 '키랄성(Chirality)'이라고 한다.
연구에 사용된 '공유-유기 골격체(COF)'는 유기 분자들을 규칙적으로 연결해 일정한 구조와 미세한 기공을 형성하는 소재로, 구조와 기능을 다양하게 설계할 수 있다. 하지만 왼손형·오른손형 구조 중 원하는 한쪽의 키랄 COF를 만들려면, 일반적으로 키랄성을 지닌 원료나 촉매 등이 필요해 합성 과정과 재료 선택에 제약이 있었다.
연구팀은 빛에도 왼쪽과 오른쪽으로 구분되는 회전 방향이 있다는 점에 주목했다. 빛의 전기장이 진행 방향을 따라 나선형으로 회전하는 빛을 '원편광'이라고 하는데, 연구팀은 COF 합성 과정에서 왼쪽 또는 오른쪽 원편광을 비춰 빛의 회전 방향에 따라 서로 다른 키랄 구조가 형성되도록 했다.
빛의 회전 방향이 실제로 COF의 키랄 구조 형성에 영향을 주는지 확인하기 위해 회전 방향이 정해지지 않은 일반적인 빛과 왼쪽·오른쪽으로 회전하는 원편광을 각각 비춰 합성한 소재를 비교한 결과 회전 방향이 정해지지 않은 빛으로 합성한 COF에서는 특정 방향의 키랄성이 거의 나타나지 않았다. 반면, 원편광으로 합성한 COF에서는 빛의 회전 방향에 따라 서로 반대되는 키랄 구조가 형성됐다. 이는 빛의 회전 방향이 소재의 화학적 구조에 반영됐음을 보여준다.
또한 합성한 COF는 왼쪽과 오른쪽으로 회전하는 빛을 방출할 때 서로 다른 세기를 나타냈다. 두 방향의 원편광 발광 세기 차이를 나타내는 원편광 발광 비대칭 계수는 소재의 특정 위치에서 최대 절댓값 약 0.248로 측정됐다. 이는 순수 유기 소재로서는 높은 수준의 광학적 비대칭 특성으로, 서로 다른 키랄 구조를 빛으로 구별할 수 있는 근거가 된다.
연구팀 실험에서 일반적인 광학 영상이나 발광 영상에서는 세 도형의 차이가 뚜렷하게 드러나지 않았으나 원편광의 회전 방향에 따른 발광 특성을 분석하자 가운데 삼각형과 양쪽의 원형·사각형이 서로 다른 신호로 구분됐다. 눈으로는 쉽게 알아보기 어려운 구조의 차이가 빛을 통해 판독 가능한 정보로 나타난 것이다. 이는 하나의 필름 안에서도 위치에 따라 서로 다른 키랄 구조를 형성해 정보를 기록하고, 빛의 회전 방향에 따른 발광 특성을 이용해 이를 판독할 수 있음을 보여준다.
이번 연구는 빛을 이용해 유기 소재의 구조를 원하는 위치마다 다르게 형성하고, 그 차이를 정보로 활용할 수 있음을 보여준 것으로, 향후 광정보 저장과 데이터 암호화, 위조방지 기술 등에 활용될 것으로 기대한다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
