서강대학교 화학과 옥강민 교수 연구팀,

국제 저명 학술지 JACS 논문 게재

-치환 효과를 활용한 결정 구조 극성 제어 및 구조-특성 상관관계 규명-

   서강대학교(총장 심종혁) 화학과 옥강민 교수 연구팀이 하프늄(Hf) 기반 비중심대칭 카이랄 2차원 유기-무기 하이브리드 금속 할라이드 물질을 최초로 합성하고, 유기물 벤젠 고리 파라(Para) 위치에 다양한 치환기를 도입하여 극성(Polarity)을 체계적으로 조절함으로써 구조-특성 상관관계를 성공적으로 규명하였다.

▲ (좌측부터) 서강대 화학과 옥강민 교수, 김경모 석사과정

화학과 옥강민 교수가 연구 책임자, 석사과정 김경모 대학원생이 제1저자, 박사과정 Yang Li 대학원생이 공동저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 글로벌 리더연구와 선도연구센터(KAIST 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 이희승 센터장)의 지원을 받아 진행되었으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘Journal of the American Chemistry Society’(인용 지수 14.5)에 게재되었다.

비중심대칭 구조의 결정성 고체 화합물은 강유전성, 압전성, 비선형 광학 특성 등 다양한 특성을 나타내는 재료 물질로 주목받고 있다. 그러나 대부분의 결정성 고체는 중심대칭(Centrosymmetric) 구조를 선호하여 비중심대칭 구조를 갖는 물질을 합성하기가 매우 어렵다. 기존 연구에서는 카이랄 유기 구조-유도체를 도입하여 비중심대칭 구조를 구현했지만, 이들이 종종 비극성 구조로 결정화되면서 물질 특성이 저하되는 한계가 있었다.

▲Journal of the American Chemical Society에 게재된 옥강민 교수 연구팀 논문

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 유기물과 무기물이 교대로 층을 이루는 2차원 층상 구조를 기반으로 하는 새로운 극성 비중심대칭 구조 설계 전략을 제시하였다. 이 층상 구조는 높은 구조적 안정성과 유연성을 바탕으로 유기층에 도입된 카이랄 유기 유도체의 배향을 효과적으로 조절할 수 있는 구조적 이점을 제공하였다. 특히, 유기 구조-유도체의 벤젠 고리 파라 위치에 다양한 치환기를 도입하여 유도체의 배향을 특정 방향으로 정렬시킴으로써 극성 구조를 성공적으로 구현하고, 이를 통해 비선형 광학 특성을 향상시키는 데 성공하였다. 이번 연구는 카이랄성과 극성이 공존하는 다기능성 재료 물질을 설계하고 체계적으로 합성할 수 있는 새로운 가능성을 제시하며, 다양한 응용 분야에서의 응용을 기대하게 한다.

옥강민 교수는 “이번 연구는 기능성 비선형 광학 특성 재료 물질의 구조를 정밀하게 조절하고, 우수한 특성을 갖는 비중심대칭 재료 물질을 체계적으로 개발할 수 있는 중요한 단서를 제공한다”고 밝혔다.

▶논문 제목: Hafnium-Based Chiral 2D Organic-Inorganic Hybrid Metal Halides: Engineering Polarity and Nonlinear Optical Properties via Para-Substituent Effects