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김동호 교수 연구팀
김동호 교수 연구팀, 아센 덴드리머 구조에서 일어나는 단일항 분열 현상의 발생 메커니즘 규명 화학과
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김동호 교수 연구팀, 아센 덴드리머 구조에서 일어나는 단일항 분열 현상의 발생 메커니즘 규명
표지논문 및 상위 5% 이내의 VIP(Very Important Paper) 논문으로 선정
이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀(제1저자 김준오, 공동저자 홍용석 통합과정 학생)은 펨토초 레이저를 기반으로 한 시간분해 흡수 및 형광 분광법(fs-transient absorption & fs-broadband fluorescence upconversion spectroscopy)을 이용해 펜타센(pentacene) 및 테트라센(tetracene) 덴드리머 구조에서 일어나는 단일항 분열 현상(singlet exciton fission)의 발생 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 본 연구는 그 중요성과 우수성을 인정받아 종합화학(multidisciplinary chemistry) 분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=12.959)에 11월 9일 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
단일항 분열 현상이란 유기 분자체가 빛을 흡수해 생긴 하나의 단일항 엑시톤이 두 개의 삼중항 엑시톤 쌍으로 변이하는 것을 말한다. 최근 태양 전지를 비롯한 광전자 소자의 효율 증진을 목적으로 많은 주목을 받고 있다. 현재 태양 전지의 최대 효율은 쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Quessier limit)인 33.7%로 알려져 있으나 단일항 분열 현상을 광전자 소자에 접목할 경우 이론적으로 45.9%까지 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 이를 실현하기 위한 유수한 연구들이 전 세계적으로 이루어지고 있다. 최근 MIT 엑시톤연구센터(Center for Excitonics)는 하프늄 옥시나이트라드(hafnium oxynitride)층을 계면 사이에 도입해 단일항 분열 현상으로 생겨난 두 삼중항 엑시톤을 효율적으로 추출할 수 있다고 밝혔다.
이러한 공학적 관점의 연구 외에도 분자 간의 효율적인 단일항 분열 현상을 유도하는 것 역시 단일항 분열 현상을 이용해 높은 효율의 광전자 소자를 제작하는 데 중요한 이슈이다. 단일항 분열 현상의 발현 및 효율성은 분자체 간의 상호작용에 의존하며 필연적으로 분자체 간의 거리 및 배향을 비롯한 미시적 구조에 큰 영향을 받는다고 알려져 있다. 하지만 실제 광전자 소자에 활용되는 유기 박막 내의 구조적 불균일성은 미시적 구조에 따른 단일항 분열 현상의 발생 메커니즘 규명 및 발현 효율성 평가에 어려움을 제공해 왔다.
이점에 착안해 김동호 교수 연구팀은 고체 상의 축소 형태로서 분자체 간의 다양한 거리 및 배향을 가지는 다섯 가지 덴드리머 구조체를 도입했다. 이러한 덴드리머 구조체와 시간분해 흡수 및 형광 분광법을 이용해 미시적 구조에 따른 단일항 분열 현상의 발생 메커니즘을 규명했다.
시간분해 분광 데이터를 바탕으로 덴드리머 내의 미시 구조에 따라 단일항 분열 현상의 효율성이 상이하게 발현되는 것을 직접적으로 제시했으며, 덴드리머 내에서 다양한 형태의 삼중항 엑시톤 쌍 상태가 형성되는 것을 관찰했다. 양자 계산 결과를 통해 분자체 간의 공간적 그리고 결합을 통한 전자적 상호작용이 단일항 분열 현상 발현에 관여하는 것으로 밝혀졌으며 미시 구조에 따른 각각의 상호작용의 기여도를 평가했다.
본 연구는 단일항 분열 현상이 효율적으로 일어나는 최적의 미시적 구조 개발에 중요 정보를 제시하며 고효율 광전자 소자 개발을 위한 기초 연구로서 그 의의를 인정받아 표지논문 및 상위 5% 이내의 VIP(Very Important Paper) 논문으로 선정됐다.
논문명: Multiexcitonic Triplet Pair Generation in Oligoacene Dendrimers as Amorphous Solid‐State Miniatures
논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008533
출처 : 연세소식 (2020. 11. 13.)
Researcher