연세대학교(총장 윤동섭) 화학과 김우재 교수 연구팀이 성균관대 화학과 김태연 교수 연구팀과 함께 초분자 응집체 안에서 빛으로 생성된 전하의 분리와 재결합 방식이 주변 유전 환경에 따라 전환된다는 사실을 규명했다. 이번 연구는 인공광합성과 유기 태양전지 등 차세대 광전자 소자에서 전하와 엑시톤 이동을 설계할 수 있는 이론적 기준을 제시한 성과로 평가된다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 7월 17일 온라인 게재됐다. 자연의 광합성은 빛을 흡수해 만들어진 엑시톤을 전하 분리 과정을 통해 화학 에너지로 바꾸는 에너지 변환 시스템이다. 이를 모방한 인공 광 수확 시스템과 유기 광전자 소자의 효율은 초기 전하 분리와 전하 재결합 과정의 효율에 영향을 받는다. 하지만 실제 소자 환경에 가까운 초분자 응집체에서는 구조 제어가 어렵고, 엑시머 형성이나 엑시톤-엑시톤 소멸 등 여러 경쟁 과정이 복잡하게 얽혀 있어 주변 유전 환경의 효과만 따로 규명하는 데 한계가 있었다 바나나게임 . 연구팀은 전자 주개인 TDOP와 전자 받개인 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 특성을 지닌다. 연구팀은 분자 골격과 응집 구조를 유지한 채 용매의 유전 상수만 체계적으로 바꿨다. 메틸시클로헥산부터 테트라하이드로퓨란까지 7가지 유전 환경을 구현하고, 펨토초 시간 분해 흡수 분광법으로 전하 분리와 재결합 동역학을 추적했다. 그 결과 전자 이동 메커니즘이 유전 매질에 따라 근본적으로 전환되는 현상이 관측됐다. 비극성 환경에서는 분자 내 고주파수 진동 모드를 매개로 한 양자역학적 터널링이 나타났다. 반면 극성 환경에서는 용매 쌍극자의 집단적 요동이 반응을 지배하는 고전 영역의 거동이 확인됐다. 바다시즌7게임 전하 재결합 과정에서는 용매 극성이 커질수록 마커스 역전 영역에서 정상 영역으로 이동하는 현상도 확인됐다. 연구팀은 이를 통해 용매 극성이 반응 메커니즘을 전환하는 ‘스위치’처럼 작동한다는 .을 입증했다. 또 엑시머 유사 단일항 엑시톤의 전하 분리가 엑시톤-엑시톤 소멸 과정과 경쟁하고, 유전 환경에 따라 1차원 엑시톤 확산 거리가 최대 약 100㎚까지 조절된다는 사실도 밝혀냈다. 김우재 교수는 “이번 연구는 구조가 고정된 초분자 플랫폼을 활용해 유전 환경의 효과만을 분리함으로써 유기 응집체의 전자 이동이 언제 양자적으로, 언제 고전적으로 작동하는지에 대한 판별 기준을 제시한 사례”라며 “분자 구조와 응집체 형태, 주변 유전 환경을 통합적으로 고려하는 설계 전략을 통해 인공광합성과 유기 태양전지 등 광전자 소자의 효율을 끌어올릴 수 있는 로드맵을 제공했다는 데 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구과제, G-LAMP 과제, 포스코사이언스펠로십, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅 자원 지원을 받아 수행됐다. 이를 통해 용매