김동호 교수 연구팀 Nature 자매지 「Nature Communications」 논문 게재

펨토초 광대역 형광 측정 장치를 이용해 파이전자 쌓임 구조체에서 순간적인 결맞음 결합 크기를 최초로 결정

김동호 화학과 교수와 성주영 학생(제1저자, 박사 과정 4년차) 연구팀의 파이전자 쌓임 구조의 퍼릴린비스이마이드(Perylene bisimide) 분자 집합체 내에서의 엑시톤 동역학에 관한 연구 결과가 세계 저명 학술지인 「Nature Commnunications」 10월호에 게재됐다.

자연계에 존재하는 물질들은 보다 효율적으로 에너지를 흡수해 전달하고 저장할 수 있는 형태로 발전해 왔다. 이러한 고효율의 자연계 시스템을 모방함으로써 보다 진보된 에너지 전달 물질을 구현할 수 있으리라는 기대를 바탕으로 오랜 기간 연구들이 진행되어 왔다. 자연계에 존재하며 고효율의 에너지 전달을 구현한다고 알려진 대다수의 물질들은 하나의 분자로 존재하기 보다는 분자 집합체로서 발견되며 그 형태가 매우 다양한 것으로 밝혀졌다.

최신 연구 동향은 이러한 분자 집합체를 모방한 인공 분자 집합체를 구현해 보다 발전된 형태의 고효율 분자 소재의 개발을 목표로 한다. 더불어 인공 분자 집합체 내의 에너지 전달 메커니즘을 체계적으로 분석하고 이해하려는 노력은 해당 연구 결과를 토대로 관련 후속 연구 및 응용에 방향성을 제시해 줄 수 있기 때문에 그 의의가 매우 크다.

현재까지 연구된 인공 분자 소자의 기본 집합체 형태는 분자들이 횡렬식으로 정렬된 구조를 가진다. 이러한 형태의 분자 집합체는 수백 펨토(femto) 초의 빠른 에너지 전달 현상을 보이므로 매우 높은 효율을 갖는 인공 광소자로 응용되고 있다. 그러나 자연계의 광집합체는 횡렬 식으로 연결된 형태보다는 층층이 쌓인 구조를 가지며 이러한 구조 내에서 더 높은 에너지 전달 효율을 갖는 것으로 보고되어 왔다. 따라서 에너지 효율을 극대화한 최상의 인공 분자 소자를 개발하기 위해서는 쌓임 구조 분자 집합체로의 핵심 기반 물질의 전환이 요구된다. 그러나 횡렬식 정렬 구조 분자 집합체와는 달리 쌓임 구조 분자 집합체의 경우 에너지 구조가 매우 복잡해 본질적인 에너지 전달 메커니즘을 파악하고 연구하는 데 한계가 있다.

김동호 화학과 교수팀은 쌓임 구조 분자 집합체의 프렌켈(Frenkel) 상태에서 매우 짧은 시간만 존재하는 형광을 최초로 확인하고 에너지 전달 메커니즘을 체계적으로 밝혀냈다. 이 연구가 과학계에서 주목을 받는 이유는 처음으로 쌓임 구조 분자체 내의 프렌켈 상태에서 발현되는 형광을 확인했을 뿐만 아니라 그 특성을 이용해 수십 펨토 초 내의 에너지 전달 현상을 직접적으로 관찰했기 때문이다. 이번에 보고된 수십 초 내의 에너지 전달 속도는 일반적으로 알려진 횡렬 구조 분자 집합체 내의 에너지 전달 속도에 비해 수십 배 빠른 것으로 상대적으로 미진한 쌓임 구조의 근본적인 연구의 시발점으로서 차세대 물질 개발의 단초를 제시할 수 있어 앞으로의 활용성에 더욱 관심이 주목되고 있다.

본 연구는 2014년 연구진흥 목적의 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 ‘멀티스케일 에너지 시스템 연구단’ 과제 중 기초 및 응용분야의 독창적인 연구과제(에너지 전달 및 엑시톤 동역학 분석 연구)로 선정되었고, 그에 따른 재정적 지원을 받아 진행됐다.

연구진은 파이전자 구조체 중 생물학적 및 광전자 공학적으로 산업 이용가치가 큰 다양한 분자체들을 합성하고, 이들의 물리화학적 특성을 시분해 분광학 기법으로 심도 있게 분석한 연구로 널리 알려져 있다. 나아가 이러한 연구는 태양광 에너지 변환, 광 동역학 치료, 차세대 디스플레이 등의 다양한 기술 적용 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.