초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◎ 최종 목표
이론-실험 융합 연구를 통하여 열역학 적으로 클로로좀과 동일한 구조를 가질 수 있는 BChl-모방 폴피린계 분자를 다지안 하여 합성하고, 이 구조를 이용하여 인공광합성 시스템을 개발을 위한 초석을 다지는 것임.
◎ 전체 내용
○ Bacteriochlorophyll(Bchl) 모방 폴피린계 유기분자 합성 및 용액 자기조립 기술 : 클로로좀은 Bchl 분자들이 실린더 형태로 말린 안테나 구조를 지질층이 싸고 있는 형태임. 이를 모방하기 위해 가장 먼저 Bchl 분자를 모방한

□ 연구개발 목표 및 내용
◎ 최종 목표
이론-실험 융합 연구를 통하여 열역학 적으로 클로로좀과 동일한 구조를 가질 수 있는 BChl-모방 폴피린계 분자를 다지안 하여 합성하고, 이 구조를 이용하여 인공광합성 시스템을 개발을 위한 초석을 다지는 것임.
◎ 전체 내용
○ Bacteriochlorophyll(Bchl) 모방 폴피린계 유기분자 합성 및 용액 자기조립 기술 : 클로로좀은 Bchl 분자들이 실린더 형태로 말린 안테나 구조를 지질층이 싸고 있는 형태임. 이를 모방하기 위해 가장 먼저 Bchl 분자를 모방한 폴피린계 유기분자의 합성이 필수며, 이를 합성한 후 용액 자기조립 공정을 통해 안테나 구조를 모방한 nanowire의 구조적 연구를 진행
○ 폴피린계 유기분자와 블록 공중합체의 혼합기술 : 자기조립된 폴피린계 유기분자의 구조가 실제 클로로좀과 비슷한 수준의 밀도와 정렬성을 지녀야 하지만, 용액 자기조립 공정을 통해 얻은 nanowire구조의 정렬이 쉽지 않음. 따라서 블록 공중합체와 합성된 Bchl 모방 폴피린계 분자의 혼합기술을 개발하여, 폴피린계 분자들이 잘 정렬된 블록 공중합체의 실린더상 속에서 자기조립 되는 조건을 찾을 것임.
○ 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 시스템 모사 기술 : 본 연구에서 개발하고자 하는 시스템은 실험적으로 검증하기 힘든 물리적 특성들이 있음. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하면 현상의 검증 뿐 아니라 실험에 소모되는 비용을 큰 폭으로 절감할 수 있음. 따라서 본 연구에서는 분자동력학, 장이론 등 다양한 시뮬레이션 기법을 이용하여 자기조립된 구조를 모사하며, 다양한 물리적 특성을 계산하여 실험 연구와 시너지 효과를 낼 것임.
◎ 1단계
● 목표
BChl-모방 폴피린계 분자를 디자인 하며 합성하며, Coarse-grained 시뮬레이션을 통한 분자의 거시적인 거동을 분석하는 기술 개발
● 내용
○ 기존에 존재하는 합성법을 변형하여 추출하지 않고 판매하는 분자 기반으로 하는 새로운 합성법 개발
○ Coarse-grained 시뮬레이션 기법을 개발하여 벌크 거동 및 confined된 시스템에서의 거동을 연구
◎ 2단계
● 목표
BChl-모방 폴피린계 분자의 대량 합성 및 systematic 한 연구를 통해 새로운 광전자기 소재 개발을 위한 small-molecule 대량 합성 및 시뮬레이션 툴 개발
● 내용
○ 분자에서 코일의 개수로 발현되는 다양한 구조 및 폴피린 부분의 작용기에 따른 자기조립 구조의 변화를 관측하며 이를 분석함
○ All-atom 분자동역학을 통해 코일의 개수로 발현되는 구조 및 폴피린 부분의 작용기에 따른 자기조립 구조의 변화를 해석하며, 구조를 분자수준에서 분석함

□ 연구개발성과
본 연구를 통해서 BChl 모방 분자 제작을 하기 위한 기본적인 합성법 및 이를 돕기 위한 시뮬레이션 기법을 고안하였음. 시뮬레이션 상에서는 coarse-grained 분자동역학을 통해 벌크에서 가지는 일반적인 구조 및 실린더 상에서 생성되는 특이한 구조 등을 분석하였음. 합성적으로는 BChl-c와 가장 비슷한 구조를 지니는 모방 분자를 개발하기 위해 다양한 형태의 분자를 합성하여 systematic 한 연구를 할 수 있었으며, 이를 용액 자기조립 및 all-atom simulation을 통해서 그 구조를 파악할 수 있었음. 이 연구를 통해 인공광합성 시스템 개발을 위한 새로운 분자의 합성법을 고안하였다고 할 수 있음.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 새로운 개념의 인공광합성 시스템을 활용한 원천 기술 선점 효과 : 심해저에 서식하는 녹색 광합성 박테리아의 엽록소를 모방한 인공광합성 소자가 개발되고 고효율이 얻어 진다면, 관련분야에서 국제적으로 의미 있는 파급효과를 낼 수 있을 것으로 기대함. 본 연구를 통하여 조기 연구개발에 성공하면 원천기술의 대부분을 선점 할 수 있을 것으로 기대됨. 따라서 기업과의 공동 연구를 통하여 새로운 개념의 태양전지나 물 분해 소자를 상용화 하면, 국가 경제적, 산업적으로 큰 성장을 이룩할 수 있을 것으로 예상함.

○ 대량 생산 전환이 용이한 기술의 확보 : 폴피린계 유기분자의 템플레이트로 사용되는 블록 공중합체 자기 조립법은 고분자 용액의 스핀 코팅 이후 어닐링을 통하여 원하는 크기와 모양의 구조를 형성 할 수가 있고, 그 크기가 10~30nm 급이며 대면적으로 제조되기 때문에 대량 생산 적용이 쉬운 기술임. 따라서 기업과의 공동 연구를 통하여 상용화가 가능한 단계에 이르면 태양전지 외에, wearable 소자 등의 soft electronics 분야와 해수 담수화 에너지원 등의 대규모 에너지원이 필요한 분야에서의 활용이 가능함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구의 목적 및 배경 ... 4
• 2) 연구내용, 범위 및 방법 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) 1단계 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2) 2단계 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 18
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 18
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• 3) 목표 달성 수준 ... 18
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 19
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
• 1) BChl 모방 분자 합성 분야 ... 19
• 2) BChl 모방 분자 시뮬레이션 분야 ... 19
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 20
• 1) 새로운 개념의 인공광합성 시스템을 활용한 원천 기술 선점 효과 ... 20
• 2) 대량 생산 전환이 용이한 기술의 확보 ... 20
• 3) 후속연구: 자기조립된 차세대 광전자 소자와 인공광합성 시스템 개발 ... 20
• 6. 참고문헌 ... 21
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 22
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
• 끝페이지 ... 34