김동호 교수 연구팀, 들뜬상태 방향성을 이용한 이전자 이동현상 구현

유기분자 시스템 응용에 획기적인 지평을 넓혀

화학과 김동호 교수 연구팀(공동 제1저자 김진석 학생, 오주원 박사)이 진행해온 ‘들뜬상태 방향성화에 의한 이전자 이동 안정화’ 연구가 그 중요성과 우수성을 인정받아 세계적으로 저명한 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’지에 2019년 11월 1일자로 게재됐다.

방향성은 분자의 안정성을 결정짓는 중요한 성질로써 화학분야에서 연구되는 핵심적인 연구 분야 중 하나이다. 최근엔 들뜬상태에서 방향성이 뒤집힌다는 특이한 성질의 베어드 방향성에 대한 이론적 제시와 실험적 증명이 활발히 진행되고 있다. 베어드 방향성은 들뜬상태의 안정성과 구조, 에너지상태를 조절할 수 있기 때문에 새로운 광합성법·광활성 물질 등의 차세대 첨단 유기소재 개발에 응용될 수 있는 가능성이 제시되어 왔다. 또한, 그 효용잠재력과 가치가 매우 높을 것으로 기대되고 있다.

이러한 베어드 방향성을 이용하여 들뜬상태 성질을 바꾸기 위해선 들뜬상태 방향성을 조절할 수 있는 전략이 필요했다. 하지만 들뜬상태의 방향성은 바닥상태 방향성의 영향을 받기 때문에 들뜬상태 방향성만을 조절하려면 새로운 접근이 필요했다. 본 연구팀은 광유도 전하이동(Photoinduced charge transfer)를 이용하여 애뉼렌 공액에서 들뜬상태 파이전자의 개수를 변화시키는 방법을 도입하고 이를 구현하기 위해 전자 받개-주개-받개의 구조를 가져 분자 내 전하이동현상을 일으킬 수 있는 TMTQ 분자에 집중했다.

TMTQ 분자의 전자 주개에 해당하는 가운데 개체는 10개의 파이전자를 가지는 [10]애뉼렌으로 바닥상태에서는 메틸렌 브릿지에 의해 뒤틀린 구조를 가지며 비방향성 (non-aromatic)한 성질을 띄고 있다. 여기에 베어드 방향성의 성질을 이용해 광여기에 의한 이전자 이동의 결과로 8개의 파이전자를 가지며 안정화될 수 있는 상태를 최초로 구현해 냈다.

김동호 교수는 "이번 연구 성과는 기존의 파이전자 공액구조 시스템에서 방향성의 역할과 그 응용가능성을 제시하여 유기분자 시스템 응용에 획기적인 지평을 넓혔다."라며 "새로운 개념의 방향성 연구를 통해 광기능성 유기소재 개발 및 응용에 새로운 장을 열어줄 것으로 기대된다."고 밝혔다.