잠재적인 발광기구로써 MOFs(metal-organic frameworks, 유기금속 화합물)의 새로운 용도가 영국 연구진에 의해 밝혀졌다.
MOFs는 유기 연결분자에 의해 연결된 무기 연결점(linker)로 구성되어 삼차원의 분자 바구니(molecular cage)을 형성한다. 지금까지 MOFs는 수소 혹은 이산화탄소와 같은 기체를 저장하는 방법으로써 흥미를 끌어왔다. 그러나, 캠브리지대학의 Anthony Cheetham 연구팀에 의해, MOFs가 백색광의 고유한 광원으로써 작용할 수 있음이 밝혀졌다.
전세계적으로 발광다이오드(light-emitting diode, LED)를 이용하여 적은 에너지를 사용하면서도 백색광을 만들어 내기 위한 새로운 방법을 찾고 있으며, 이는 기존의 백열전구나 형광등 교체를 가속화하게 될 것이다. 핵심은 새로운 인광체(phosphor)를 개발하는 것인데, 인광체는 전자나 자외선에 의해 에너지를 받게 되면 백색광을 발산한다.
현존하는 무기 및 유기 인광체는 각각 장단점이 있다. 무기 인광체는 좀더 안정한 경향이 있고 고온에서도 사용 가능하지만, 자외선 파장에 의해 문제점이 야기될 수 있다. 순수한 유기 인광체는 밝고 효율적이지만, 항상 용액 상태로 존재해야만 하기 때문에 포장이 어렵다는 문제점을 안고 있다.
Cheetham의 연구팀은, MOF 형태의 하이브리드 유기-무기 인광체가 두 가지 부문에서 모든 장점을 취할 수 있음을 보여주고 있다. 발광 성질을 갖고 있는 유기 리간드인 9-fluorenone-2,7-dicarboxylic acid와 칼슘 혹은 스트론튬을 이용하여 MOFs를 제조하게 되었다.
이것들은 견고한 구조를 형성하게 되는데, 이 구조는 유기 리간드를 잡아두고 있으며, 빛을 강하게 흡수하는 작용을 한다. 순수한 유기 플루오레논 리간드 샘플에 대해, 칼슘-플루오레논(calcium-fluorenone) 구조에서 빛 전환 효율의 증가가 관찰되었다고 팀원인 Joshua Furman은 밝혔다. 방출된 빛의 색상은 선택되는 금속 양이온에 따라 변하기 때문에 시스템을 조정하는 것이 가능해진다.
이제 연구영역은 적용분야 확대를 위한 MOFs의 가능성을 탐구하는 것으로 넓어지게 되었다. 제올라이트 유사물질이나 다공성 구조를 가져서 기체 저장이나 촉매물질로 사용할 수 있는 분야에서 시작되었다. 저장물질로 관심을 끌지 못했던 많은 새로운 밀집구조에 의해 이것들의 배열로 인해 전자, 자기, 다강체(multiferroic) 및 광학 현상이 나타나고 있다.
영국 부르넬대학에서 인광체 및 디스플레이 물질을 연구하고 있는 Robert Withnall은, 이 물질들이 밝기, 온도의존성 발광거동 및 재료의 안정성이 상업용으로 이용하기에는 부족하다고 밝혔다. 하지만, 더 고성능 물질이 개발된다면 이와 같은 무기-유기 인광체는 고체 발광 장치로 사용할 만한 잠재력이 있다고 평하였다.
2개의 밀집된 무기-유기 프레임워크는, 알칼리 토금속인 칼슘 및 스트론튬과 결합한 발광성 유기 리간드인 9-fluorenone-2,7-dicarboxylic acid (H2FDC)를 사용하여 만들어진다. Ca(FDC)(H2O)2 [1] 및 Sr(FDC)(H2O)5?2H2O[2]은 열수에 의해 제조되며, 모두 삼차원 구조로 되어 있다. 이것들은 380 ? 460 nm파장의 빛을 강하게 흡수하며, 503 및 526nm에서 최고점을 보이는 넓은 범위의 가시광선을 방출한다. [1]은 상온에서의 양자수율이 7.8%로 ?196 °C에서 그 값이 15%로 증가하는 반면, [2]는 상온에서 수율이 2.8%이지만, ?196 °C에서 3.3%로 증가한다.
UK researchers have discovered a new use for metal-organic frameworks (MOFs) - as potential lighting devices.
MOFs consist of inorganic nodes connected by organic linker molecules to form three-dimensional molecular cages. So far MOFs have attracted interest as a way to store gases such as hydrogen or carbon dioxide, or as novel catalytic materials.
Now, Anthony Cheetham from the University of Cambridge and colleagues have shown that MOFs can also act as a novel source of white light.
Around the world the hunt is on for new low-energy ways to produce white light through light-emitting diodes (LEDs), to replace traditional incandescent and fluorescent lighting. The key is to develop new phosphors - materials that emit white light after being energised by electrons or UV light via the LED.
Inorganic and organic phosphors exist, each having advantages and disadvantages. Inorganic phosphors tend to be more stable and can operate at high temperatures, but stimulating them with the correct wavelength of UV can cause problems. Pure organic phosphors can be bright and efficient but usually need to be in solution, which makes packaging difficult.
Cheetham's team has shown that a hybrid organic-inorganic phosphor, in the form of a MOF, might be able to achieve the best of both worlds. The researchers created MOFs from the intrinsically luminescent organic ligand
9-fluorenone-2,7-dicarboxylic acid together with calcium or strontium.
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MOFs, containing the luminescent organic ligand 9-fluorenone-2,7-dicarboxylic acid and either calcium or strontium, emit white light
© University of Cambridge |
'These form a rigid structure which holds the organic ligands in place, which absorb light strongly,' says team member Joshua Furman. 'We see an increase in the light conversion efficiency in the calcium-fluorenone structure over a purely organic sample of the fluorenone ligand.'
The colour of the emitted light changes with the choice of metal cation, making the system tunable.
Furman says that the research area is now open to investigate a range of MOFs for different applications. 'The field got off to a strong start with a search for gas storage and catalysis materials with everyone looking for porous structures and zeolite analogues,' he says. 'Along the way a great number of new dense structures have been made which while not interesting as a storage material may show interesting electronic, magnetic, multiferroic and optical phenomena because of their arrangements.'
Robert Withnall, from the centre for phosphors and display materials at Brunel University in the UK, says that the new work is interesting. While the brightness, temperature-dependent emission behaviour and stability of the materials are below what would be required for a commercial device, Withnall says, 'such inorganic-organic phosphors would have the potential to be used for solid state lighting applications if higher performance materials can be developed.'
Simon Hadlington
