0:00Your browser does not support theaudio element.구글 선호 매체 등록연세대학교(총장 윤동섭) 화학과 김우재 교수 연구팀은 성균관대학교 화학과 김태연 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 초분자 응집체 내에서 빛에 의해 생성된 전하의 분리와 재결합 방식이 주변의 유전(Dielectric) 환경에 의해 근본적으로 전환된다는 사실을 세계 최초로 규명했다.(왼쪽부터) 최현우 통합과정생(제1저자), 김우재 교수(교신저자)광고이번 성과는 인공광합성 및 유기 태양전지 등 차세대 광전자 소자에서 전하와 엑시톤의 이동을 설계할 수 있는 새로운 이론적 기준을 제시한 것으로 평가받고 있다. 연구 결과는 종합 과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 Nature Communications(IF 18.1)에 7월 17일 온라인 게재됐다.광고자연의 광합성은 빛을 흡수해 만들어진 엑시톤(Exciton)을 전하 분리 과정을 통해 화학 에너지로 변환하는, 수십억 년에 걸쳐 최적화된 에너지 변환 시스템이다. 이를 모방한 인공 광 수확 시스템과 유기 광전자 소자의 효율은 초기 전하 분리(Charge Separation)와 전하 재결합(Charge Recombination) 과정의 효율에 직결된다. 그러나 실제 소자 환경에 가까운 초분자 응집체에서는 구조 제어의 어려움과 엑시머 형성, 엑시톤-엑시톤 소멸 등 여러 경쟁 과정의 복잡성으로 인해, 주변 유전 환경의 효과만을 분리하여 규명하는 것이 오랜 난제로 남아 있었다.광고광고전자 이동 반응을 설명하는 대표적 이론은 노벨화학상 수상 업적인 ‘마커스(Marcus) 이론’이다. 그러나 용매를 연속적 유전체로 취급하는 고전 마커스 이론은 유기 분자 응집체와 같은 복잡한 시스템의 실험 결과를 충분히 설명하지 못하는 경우가 많았으며, 분자 내 고주파수 진동 모드를 통한 양자 터널링을 포함하는 반고전 이론(Marcus–Levich–Jortner 이론)이 언제 필요한지에 대한 명확한 기준도 없었다.D-PBI-D 분자의 자기조립 구조와 광여기 후 엑시머 유사 상태로부터의 전하 분리·재결합, 엑시톤 수송 및 소멸 경로 모식도.광고이러한 난제를 해결하기 위해 연구팀은 전자 주개(TDOP)와 전자 받개(페릴렌 비스이미드, PBI)를 하나의 분자에 결합한 ‘D-PBI-D 유도체’에 주목했다. 이 분자가 형성하는 1차원 나선형 H-응집체는 용매의 극성과 관계없이 동일한 적층 구조와 엑시톤 결합 세기를 유지하는 독특한 구조적 강건성을 지닌다.연구팀은 이러한 특성을 활용해 분자 골격과 응집 구조는 그대로 유지하면서 용매의 유전 상수만을 체계적으로 변화시켰다. 메틸시클로헥산부터 테트라하이드로퓨란까지 총 7가지 유전 환경을 구현하고, 펨토초 시간 분해 흡수 분광법을 이용해 전하 분리 및 재결합 동역학을 정밀하게 추적했다(그림 1).광고연구 결과, 유전 매질에 의해 지배되는 전자 이동 메커니즘의 근본적 전환(Crossover)이 관측됐다. 비극성 환경에서는 반응이 분자 내 고주파수 진동 모드(PBI 코어의 C=C 신축 진동)를 매개로 한 양자역학적 터널링에 의해 진행되는 반고전(Semiclassical) 영역의 거동을 보인 반면, 극성 환경에서는 용매 쌍극자들의 집단적 요동이 반응을 지배하는 고전(Classical) 영역의 거동이 나타났다(그림 2). 특히 전하 재결합 과정의 경우, 용매 극성 증가에 따라 마커스 역전 영역에서 정상 영역으로 이동하는 현상까지 확인돼, 용매 극성이 반응 메커니즘을 전환하는 일종의 ‘스위치’로 작동함을 입증했다.아울러 연구팀은 펌프 세기 의존 실험을 통해 엑시머 유사 단일항 엑시톤의 전하 분리가 엑시톤-엑시톤 소멸 과정과 경쟁하며, 유전 환경에 따라 1차원 엑시톤 확산 거리가 최대 약 100nm까지 조절됨을 밝혀냈다. 이와 달리, 전하 분리로 생성된 전하 운반체는 주개-받개 간 짧은 거리로 인해 비확산적 거동을 보이는 것을 확인했으며, 이를 통해 향후 소재 설계에서는 전하 수송 채널 확보가 중요함을 제시했다.김우재 교수는 “이번 연구는 구조가 고정된 초분자 플랫폼을 활용해 유전 환경의 효과만을 순수하게 분리함으로써, 유기 응집체의 전자 이동이 언제 양자적으로, 언제 고전적으로 작동하는지에 대한 명확한 판별 기준을 제시한 사례”라며, “분자 구조, 응집체 형태, 그리고 주변 유전 환경을 통합적으로 고려하는 설계 전략을 통해 인공광합성과 유기 태양전지 등 광전자 소자의 효율을 한 단계 끌어올릴 수 있는 로드맵을 제공했다는 데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.한편, 연구는 한국연구재단 우수신진연구과제(과학기술정보통신부), G-LAMP 과제(교육부), 포스코사이언스펠로십 및 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨팅 자원 지원을 통해 진행됐다.<이 기사는 연세대학교에서 제공한 정보기사로 한겨레의 의견과 다를 수 있습니다.>