농업용 광전환 필름에 사용되는 Perylene 염료의 특성에 치환체들이 미치는 영향

Abstract

필름 상태에서 형광 퀜칭이 적게 일어나고, 적색 형광 광전환 필름에 사용하기에 적합한 염료를 개발하기 위해 부피가 다른 세 종의 치환체를 퍼릴렌 염료의 bay 위치에 도입하여 세 종의 염료를 합성했다. 합성된 세 염료의 광학적 특성과 형광 특성을 측정했고, 염료의 최적화된 구조, 분자의 오비탈 등을 Gaussian 16 프로그램의 DFT, TD-DFT를 통해 계산했으며, 공정 과정에서의 열 안정성을 알아보기 위하여 TGA를 통해 내열성을 측정했다. 도입한 치환체들의 부피가 커질수록 용액 상태에서 염료의 Stokes shift와 형광 양자 효율이 증가했고 이 원인에 대한 분석을 진행했다. Stokes shift의 증가는 각 염료의 S0 state 일 때와 S1 state 일 때의 구조의 차이를 계산함으로써 분석했다. 염료의 부피가 커질수록 분자 간 입체 장애가 증가하여 응집이 억제되었고, 응집에 의한 형광 퀜칭 (ACQ)이 억제되어 용액 상태에서 염료의 형광 양자 효율이 높아지는 경향을 보였으며, 이를 분자의 부피와 퀜칭상수 (kq) 계산을 통해 수치적으로 분석했다. 합성된 염료들의 용액 상태에서의 특성이 필름 상태에서도 유지되는지 알아보고, 필름 상태에서 염료들의 적색 투과 광전환 필름의 적합성을 알아보기 위하여 PMMA를 바인더로 이용하여 필름으로 제작했다. 필름 상태에서 합성된 세 염료의 광학적 특성과 형광 특성을 측정했고, 가장 좋은 특성을 보인 한 종의 염료 (PI-TBPO)를 적색 형광 광전환 필름으로 제작하여, 상추의 광합성 속도와 수확량을 측정했다. 이번 연구를 통하여 적색 형광 광전환 필름에 사용하기에 적합한 염료를 개발하였으며, 염료들의 광학적 특성과 형광 특성을 수치적으로 분석했다.

We synthesized three dyes with less fluorescence quenching suitable for red fluorescence spectrum conversion film (SCF) by introducing substituents with different volumes at the bay positions of the perylene dye. The photophysical properties, optimized structures, and energy states of the synthesized dyes were investigated by experiments and computational calculations (DFT/B3LYP/6-31G, Gaussian 16 program package). Also, the thermal stability of the dyes was investigated by thermogravimetric analysis (TGA). The Stokes shift and fluorescence quantum yields of the dyes in the solution state increased as the volume of the bay position-substituents increased. We compared the Stokes shift of each dye by comparing the structural difference between S0 and S1 states of each compound. Also, we investigated the quenching constant (kq) and molar volume of the dyes in the solution state to verify the relation between the degree of intermolecular steric hindrance and the degree of aggregation caused quenching (ACQ). PMMA films doped with the synthesized dyes were fabricated, and the photophysical properties were investigated. The photosynthesis rate and growth of the lettuce were measured by the film doped with PI-TBPO, which shows the best properties among the dyes.