서 론
유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diodes, OLED) 는 저분자 화합물을 기초로 하고 있으며 차세대 평판 디스 플레이로 각광받고 있는데 이는 낮은 전압으로도 구동이 가능하고, 생산비용이 저렴하며, 빠른 응답속도 등의 장점 을 가지기 때문이다(Jung et al., 2002). OLED는 양극과 음극 두 개의 전극 사이에 전압을 인가하여 전류를 통하게 하고, 이의 조절을 통하여 원하는 시간과 밝기를 얻는 방식 이다(Kim and Kim, 2002). 크게 정공수송층, 전자수송층 및 발광층으로 구성되며, 정공수송층은 정공의 주입과 이동 을 원활하게 해주며, 전자수송층은 전자의 주입과 이동을 원활하게 해주는 역할을 하며 발광층은 전자와 정공의 재결 합이 이루어져 실제 빛을 형성하게 한다(Jung et al., 2002).
이러한 OLED 소자로 주로 사용되는 발광물질에는 저분 자로는 Alq3, 4,4-bis[N-(1-naphtyl)-N-phenyl-amino]biphenyl (α-NPD), poly(p-phenylenevinylene)(PPV)가 있다. Alq3 는 전자의 이동도가 높으며 주로 녹색과 적색 소자의 발광 층으로 사용된다(Hamada et al., 1999; Tang et al., 1989). α-NPD는 정공수송층이나 청색 소자 발광에 주 물질로 사 용되며, 10-3-10-4cm2/Vs의 운송성을 가지는 것으로 보고되 었다(van Mensfoort et al., 2010). PPV는 공액 구조를 가진 고분자로, 발광 효율 및 열에 대한 안정성의 뛰어나며 이에 alkyl사슬을 포함시켜 공액길이 조절 및 장파장 이동을 유도 할 수 있다(Burroughes et al., 1990; Yang and Karasz, 1993).
OLED 소자 개발을 위한 최근 연구에서는 인광재료를 사용하여 양자효율을 높이거나 전자수송층과 음극사이에 1㎚ 이하의 매우 얇은 레이저 유도 형광(laser-induced fluorescence)을 도핑하여 전자주입 향상 및 구동전압을 줄 이는 효과를 보였고 대면적 및 구조, 공정의 단순화를 위해 고분자 재료를 사용하는 등의 많은 연구들이 진행되고 있다 (Jung and Moon, 2013).
또한 OLED는 대기 중의 산소나 수분과 민감하게 반응하 여 흑점을 유발하여, 소자의 수명을 단축시킨다(Lin et al., 2001). 대부분 합성소재 이기 때문에 환경적인 문제와 고가 의 생산 비용 등이 문제되고 있어, 최근에는 생물소재인 cytochrome c, myoglobin, hemin, chlorophyll a, DNA 등 을 이용한 새로운 연구가 진행되고 있다(Tajima et al., 2006).
생물소재 중에서도 해양 미세조류는 성장이 빠르고 배양 이 용이하며, 대기의 이산화탄소를 고정하여 대기 중 고농 도의 이산화탄소를 저감할 수 있어 차세대 바이오 원료로서 각광받고 있으며, 그 중 일부는 이미 화장품, 식품, 원료제, 의약품, 기타 고부가가치 생산물의 생산에 이용되고 있다 (Choi et al., 2015; Shin et al., 2011).
따라서, 본 연구는 국내연안에서 주로 서식하는 해양 미 세조류 유래의 유기발광물질을 탐색하기 위해 해양 미세조 류를 배양하고 정제 및 분리하여 광 발광 활성이 있는 분획 을 GC-MS 통해 분석하였다.
연구방법
1미세조류 배양
국내연안에서 주로 발견되는 미세조류 14종을 선정하여 한국해양미세조류은행(Korea Marine Microalgae Cultrue Center, KMMCC)에서 분양받아 사용하였다(Table 1). 미 세조류 배양조건은 광량은 40μmol m-2 s-1, 온도는 25℃로 설정하였고 F/2배지를 사용하여 3일간 배양하였다. 배양된 미세조류는 원심분리(2,500rpm, 15분)하여 배지와 미세조 류를 분리하였으며, 증류수로 3회 세척 후 90℃에서 완전 건조하여 추출에 사용하였다.
2물질 정제 및 분리
완전 건조된 미세조류 1g을 메탄올 100㎖에 24시간 동안 25℃에서 추출하였다. 추출용매는 톨루엔과 에틸아세테이 트로 선정하였고, 용매의 비율은 thin-layer chromatography (TLC)를 이용하여 톨루엔 : 에틸아세테이트 (7:3) 비율로 결정하였다. 고정상으로 실리카겔을 톨루엔 : 에틸아세테이 트(7:3) 비율로 컬럼(pyrex glass 24/40, 70g)에 충진 한 후 순차적으로 20㎖씩 용출 분리 하였다.
3광 발광 분석
미세조류 14종에서 분리한 분획을 석영재질의 큐벳에 담 고 자외선(60W, 365㎚)을 조사하여 광 발광 반응을 확인하 였다. 이를 분광방사휘도계(CS-1000, minolta, Japan)를 이 용하여 발광스펙트럼, 색좌표를 분석하였다.
4GC-MS 분석
미세조류 추출물 중 광 발광 반응이 나타난 분획의 물질 을 분석하기 위해 Gas Chromatography–mass spectrometry (GC-MS, Headspace, Agilent, Germany)로 분석하였다. Rtx-5MS (30m×0.25㎜×0.25㎛) 컬럼을 사용하였으며, 25 0℃까지 승온하여 추출물 1㎕를 주입한 후 50㎖/min에서 100℃ 2분, 200℃ 5분 , 235℃ 10분에서 유지 분석된 피크 spectrum을 얻었다. 분석된 피크는 National Institute of Standards and Technology(USA)에서 제공하는 library를 통하여 물질 특성 및 분자량을 비교분석하였다.
결 과
1광 발광 분석 결과
미세조류 14종 중 Nitzschia denticula, Navicula cancellata, Nannochloropsis salina에서 광 발광 반응이 나타났으며, 이 3종의 추출물 모두 푸른색 계열의 광 발광 반응이 나타났 다. N. denticula분획 추출물 중 47번 샘플은 짙은 청색의 광 발광 반응이 나타났으며, 400㎚ 대역에서 가장 높은 값이 측정되었고 400-470㎚에서 발광하는 것을 확인할 수 있었 다(Figure 1). N. cancellata의 31번 분획 추출물도 400-480 ㎚ 대역에서 발광하였다(Figure 2). N. salina의 103번 분획 추출물은 가장 뚜렷한 스펙트럼을 보였다. 주 발광 물질은 400-500㎚에서 발광이 일어나는 것으로 확인되었다(Figure 3).
2GC-MS 분석 결과
광 발광 반응이 나타난 분획 3개를 GC-MS로 분석한 결 과, 총 22가지 물질이 나타났다. N. denticula 유래의 물질은 총7가지로, 이중 N-(3-fluorobenzyl)-7H-purin-6-amine은 분자량 243, 분자식 C12H10FN5, 끓는점은 523.8℃, 인화점 은 270.6℃, 밀도가 1.466g/㎤인 벤젠고리를 가진 화합물이 다(Table 2).
N. cancellata 유래의 물질은 총5가지가 분석되었으며, 4-Phenyl-3,4-dihydroisoquinoline은 분자량 207, 분자식이 C15H13N인 물질이며, 밀도 1.07g/㎤, 끓는점 326.5℃, 인화 점이 143.4℃이다. 두 물질 모두 벤젠고리를 가지는 화합물 이다(Table 2).
N. salina 유래의 물질은 총10가지가 나타났으며, 이중 2,5-Dihydro-2,3-diphenyl-1H-Imidazole만 두 개의 벤젠고 리를 가지는 화합물이다(Table 2).
고 찰
최근 인류의 환경문제에 대한 관심이 증가하면서 친환경 적 신소재에 대한 수요가 증가하고 있으며, 친환경적 소재 는 유해물질 발생이 일어나지 않고 부존자원의 고부가가치 화를 이룰 수 있다(Shin, 2011). 그 중 해양 미세조류는 화장 품, 의약품, 식품 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 최근에는 기존의 바이오에너지 자원들을 대체할 수 있는 새로운 자원으로서의 연구가 진행되고 있다(Shin et al., 2011; Yun et al., 2012). 이는 미세조류의 배양이 작물생산 에 적합하지 않은 고 염도 및 알칼리의 극한 환경에서도 가능하며, 대량배양을 통해 고부가가치의 산업이 가능하기 때문이다(Oh et al., 2003). 이러한 점에서 본 연구에서는 해양 미세조류를 새로운 분야에 적용하고자, 유기발광소자 로서의 적용가능성을 탐색·연구를 진행하였다. 산업화를 위 해서는 재료의 확보가 용이해야 한다는 점에서 본 연구에서 는 국내연안에서 주로 발견되는 해양 미세조류 14종을 선정 하여 추출하였으며, N. salina, N. denticula, N. cancellata 총3종의 분획 추출물에서 광 발광 반응을 확인하였다. N. denticula는 400-470㎚, N. cancellata는 400-480㎚, N. salina는 400-500㎚ 범위에서 피크가 관찰되었다. 광 발광 은 비 파괴분광법으로 쓰이며, 소량의 물질을 사용하기 때 문에 주로 소수 운반자 특성 분석에 사용된다고 한다. 또한, 불순물 및 결함에 대한 분석 연구에도 용이한 것으로 보고 되었다(Baek, 2014). N. salina의 광 발광물질은 Li et al. (2009)에서 imdazole계가 있는 물질인 1-(4-fluorobenzyl) -2-(4-fluorophenyl )-1H-benzo[d]imidazole의 광 발광이, 483㎚와 474㎚ 파장에서 가장 높은 것으로 보아 2,5- Dihydro-2,3-diphenyl-1H-Imi dazole가 광 발광에 영향을 주는 것으로 사료 된다. N. cancellata 는 quinoline계인 1,2,2’-(1,4-phenylenedivinylene)bis-8-quinoline과 2,2’-(1,4-phenylenedivinylene )bis-8-methoxyquinoline,2,2’- (1,4-phenylenedivinylene)bis-8-acetoxyquinoline 세물질의 광 발광 각각 435, 443, 439㎚ 파장에서 paek가 보고되어, 추출된 4-Phenyl-3,4-dihydroisoquinoline가 광 발광에 영향 을 주는 것으로 사료된다(Liang et al., 2003). N. denticula의 광 발광은 Vabre et al.(2014)의 연구에서 (E)-9-benzyl-N-(2- methoxyethyl)-8-(4-(trifluoromet hyl)styryl)-9H-purin-6- amine의 광 발광을 분석하였으며, purin기가 포함되어 454 ㎚에서 강한 peak이므로, N-(3-fluorobenz yl)-7H-purin-6- amine가 광 발광에 영향을 주는 것으로 사료된다. 이 결과 들에 따르면, OLED 소자는 광 발광 분석 결과 최소 435㎚, 최대 474㎚에서 peak가 확인되며, 본 연구에서는 400-500 ㎚에서 peak가 나타났다. 또한 imidazole, purin, quinoline 이 포함된 물질은 광 발광에 영향을 주는 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통해 해양 미세조류와 같은 살아있는 생물 유래의 물질이 특정 조건에 의해 광 발광하는 원리를 이용 하여 OLED 소재 분야와 조명 분야 등에 활용이 가능하며, 생물 소재이므로 재생가능한 친환경 소재가 될 수 있을 것 으로 사료된다. 따라서 향후 관련 산업분야의 가능성을 위 한 추가 연구가 필요하고, 해양 생물 유래의 OLED소자 개 발을 위한 연구의 기초자료로 제공되어 해양의 신 분야 적 용을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
