김동호 교수팀, 퍼릴렌 비스이마이드에서의 단일항 분열 메커니즘 규명

종합화학 분야 세계적 권위 학술지 ‘Nature Communications’ 게재

[사진. 김동호 교수(왼쪽), 홍용석 박사]

이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀(단독 제1저자 홍용석 박사)은 시간 분해 흡수 및 형광상위 전환 분광법(Time-resolved absorption & fluorescence-upconverison spectroscopy)과 펨토초 시간 분해 순간 유도 라만 분광법(time-resolved impulsive stimulated Raman spectroscopy)을 이용해 퍼릴렌 비스이마이드(perylene bisimide)에서의 단일항 분열(singlet fission) 메커니즘(mechanism)을 규명했다. 

1965년 안트라센(anthracene)의 광물리 현상을 설명하기 위해 처음 제안된 단일항 분열(singlet fission)은 하나의 단일항 엑시톤(singlet exciton)이 삼중항쌍(multiexciton)을 거쳐 두 개의 삼중항 엑시톤(triplet exciton)으로 분열되는 현상을 의미한다. 특히 단일항 분열은 광증폭 현상(exciton multiplication)의 일환으로 지난 십 년간 태양전지의 이론적 한계 효율(Shockley-Quisser limit)을 극복하기 위한 대표적인 방법으로 큰 주목을 받고 있다. 

단일항 분열 현상에 대한 큰 관심에도 유기 태양전지 소자 내에서의 단일항 분열 메커니즘은 지금까지 명확히 규명된 바 없다. 소자 내에서 발생하는 메커니즘을 이해하기 위해서는 유기 분자 쌓임체 내의 분자 간 상호작용(intermolecular interaction: structure)과 이에 따른 단일항 분열 현상(SF: property)의 관계(structure-property relationship)에 대한 체계적인 연구가 필수적이다. 

이에 본 연구팀은 인천대 김형준 교수 연구팀, 포항공대 주태하 교수 연구팀 및 독일 연구팀과의 공동연구를 통해 퍼릴렌 비스이마이드에서의 단일항 분열 현상을 연구했다. 이를 위해 퍼릴렌 비스이마이드 삼합체(trimer)를 합성했고, 다양한 시간분해 분광법과 양자 계산을 이용해 퍼릴렌 비스이마이드의 전자 구조(electronic structure)에 전자 전이 성질(charge-transfer character)이 단일항 분열의 발생 및 효율에 핵심 요소임을 최초로 규명했다.

김동호 교수 연구팀은 200 펨토초(10⁻¹⁵초, 1000조 분의 1초)의 시간 분해능을 갖는 레이저를 이용해 시간 분해 흡수 분광기를 구축했고, 이는 들뜬 상태(excited-state)에서의 전자 구조 및 동역학(excited-state dynamics)에 대한 정보를 제공해 준다. 또한 10 펨토초 미만의 레이저 펄스를 이용해 일반적인 유기 분자체에서 관측되는 100~3000 ㎝⁻¹ 영역의 진동 모드를 관측할 수 있는 ‘시간 분해 라만 분광법’을 도입했다. 이러한 라만 분광법은 들뜬 상태에서 수반되는 구조 변화에 대한 정보를 얻어 낼 수 있다.

구조에 대한 정보를 얻기 위해 퍼릴린 비스이마이드 삼합체의 X-선 단일 결정 구조(X-ray crystal structure)를 분석했고, 양자 계산을 수행해 전자 전이 성질이 강한 전자 구조의 에너지를 구분해 냈다. 시간 분해 흡수 및 형광상위 전환 분광법을 이용해 전자 전이 성질이 강한 에너지를 독립적으로 여기(excitation)시켜 분자 수준에서 500 펨토초에 달하는 초고속 단일항 분열 현상을 관측했다. 

더 나아가 들뜬 상태 라만 분석을 통해 단일항 분열 현상에 오비탈 상호작용을 조절하는 구조 변화가 동반되며, 해당 구조 변화가 전자 전이 성질의 증대를 이끈다는 결과를 관측했다. 최종적으로, 양자 화학 계산을 통해 전자 전이 성질의 증대가 단일항과 다중항쌍의 결합(nonadiabatic coupling between singlet and multiexciton states)을 증진시켜 단일항 분열이 촉진됨을 규명했다.

김동호 교수는 “본 연구에서 밝혀낸 단일항 분열 메커니즘은 앞으로 태양 전지 소자의 디자인에 초석이 되는 연구 결과이며, 더 나아가 합성-이론-실험이 융합된 공동연구를 통해 얻어낸 귀중한 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구 결과는 그 우수성과 독창성을 인정받아 종합화학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=17.69)’에 8월 2일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Steering the multiexciton generation in slip-stacked perylene dye array via exciton coupling

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31958-1