성균관대·연세대, 식물 광합성 및 반도체의 '전하 이동 원리' 규명

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 성균관대학교는 김태연 화학과 교수 연구팀이 연세대 연구팀과의 공동 연구로 식물의 광합성이나 차세대 분자 반도체 소자에서 '전하 분리 및 이동' 현상을 제어할 수 있는 새로운 물리화학적 원리를 규명했다고 3일 밝혔다.

식물은 태양광을 흡수해 에너지를 만들 때 내부에서 전하를 신속히 분리하고 이동시킨다. 과학계는 이를 모방해 인공 광합성 시스템이나 유기 태양전지 같은 차세대 에너지 소자를 개발하기 위해 많은 연구를 진행해 왔다.

특히 전자 수용체 특성이 우수한 '페릴렌 비스이미드(PBI)'라는 유기 반도체 분자를 쌓아 올린 분자 집합체 구조가 주요 연구 대상으로 주목받았으나, 분자들이 뭉쳐 있는 탓에 주변 환경이 전하 이동에 미치는 순수한 영향을 밝히는 데 한계가 있었다.

연구팀은 분자가 쌓여 있는 나노 구조는 그대로 유지한 채, 분자들을 둘러싼 용매(액체)의 극성만 선택적으로 바꿀 수 있는 독자적인 PBI 분자 집합체 플랫폼을 만들었다. 이 집합체에 빛의 미세한 변화를 포착하는 초고속 레이저 분광 기술을 적용하고, 컴퓨터 양자화학 계산으로 결과를 뒷받침했다.

그 결과 전하가 이동하는 방식 자체가 주변 용매의 성질에 따라 완전히 뒤바뀌는 현상인 이른바 '메커니즘 크로스오버'를 세계 최초로 관찰했다.

기름처럼 극성이 낮은 용매에서는 분자가 미세한 진동을 이용해 벽을 뚫고 지나가는 '양자 역학적 터널링' 현상이 전하 이동을 주도했다. 반면 물이나 알코올처럼 극성이 높은 용매 환경에서는 주변 용매 분자들의 집단적인 요동에 의해 전하 이동이 제어되는 것을 확인했다.

나아가 연구팀은 강한 빛을 비췄을 때 빛 에너지가 이동하는 유효 거리인 '엑시톤 확산 길이'가 주변 용매 환경에 따라 35.9㎚(나노미터)에서 최대 98.8㎚까지 조절될 수 있음을 증명했다. 유기 반도체 내부에서 에너지가 소실되지 않고 더 멀리 효율적으로 전달될 수 있는 길을 연 것이다.

김태연 성균관대 교수는 "이번 연구는 복잡한 분자 집합체 내부에서 구조적 왜곡 없이 유전 환경만의 영향을 분리해 내 전하 이동의 근본 원리를 밝힌 데 의의가 크다"며 "향후 친환경 미래 에너지 소자의 효율을 극대화할 수 있는 홀리스틱(통합적) 분자 설계 지침을 제공할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

연세대 화학과 김우재 교수, 최현우 연구원을 비롯해 성균관대 채민정 연구원이 참여한 이번 연구는 나노 및 화학 분야의 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난달 17일 온라인 게재됐다.


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