화학과 김태연 교수, 펨토초 분광법을 통해 전자 전달 방향을 제어하는 쌓임체 구조 규명

화학과 김태연 교수는 펨토초 분광법을 이용해 전자 전달의 방향을 제어하는 쌓임체 구조를 규명하였다. 이번 연구는 노스웨스턴대 Wasielewski 교수 연구실의 분광학 실험과 Fraser 교수(2016년 노벨 화학상 수상자) 연구실의 초분자 합성을 기반으로 수행되었다.

유기 반도체에서 전하 전달(charge transfer) 경로를 설계하고 제어하는 것은 태양 에너지 응용에 매우 중요하다. 특히 태양 전지에서는 광자를 받아 생성된 엑시톤(exciton)이 전하 전달 상태로 전이된 후, 쿨롱적으로 결합된 전하 전달 상태가 자유 전하 운반체로 더 분리되어야 한다. 하지만, 상세한 전하 전달 상태의 이완 과정의 메커니즘적인 정보가 매우 부족하다.

이 논문에서는 바이올로겐의 중심 고리는 페닐렌(ExV2+) 또는 전자가 풍부한 2,5-디메톡시-페닐렌(ExMeOV2+)으로, 치환되지 않았거나 메톡시로 치환된 중심 고리를 갖는 두 개의 대칭 사이클로판(ExBox4+ 및 ExMeOBox4+)과 중심 바이올로겐 고리 중 하나만 메톡실화된 비대칭 사이클로판(ExMeOVBox4+)을 대상으로 연구를 수행했다(그림 1). 빛을 흡수해 들뜬 상태(excited-state)에 도달했을 때, 비대칭 호스트-게스트 복합체는 페릴렌 공여체와 사이클로판 수용체 사이의 강한 상호작용을 촉진하는 구조적 제한으로 인해 에너지적으로 불리한 메톡실화된 쪽으로 전하 전달 과정이 일어난다.

전하 전달 상태의 완화 경로는 사이클로판 전하 편재화(localization) 및 페릴렌-사이클로판의 비혼재화(dehybridization) 축을 따라 일어나며 이때 결맞음 전자-핵진동(coherent vibronic wavepackets)을 초고속 분광법을 사용하여 탐구하였다(그림 2). 특정 저주파 및 고주파 핵 운동은 비편재화된 전하 전달 상태와 전하 전달의 정도를 직접적으로 보여주는 지표로 작용했으며, 실험 결과는 전하 전달 경로와 전하 전달의 정도를 시간에 따라 추적하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여준다.

▲ 호스트-게스트 복합체 시스템 및 전반적인 광유도 동역학

김태연 교수는 "일반적으로 에너지적으로 안정한 수용체로 전하가 전달되는데, 본 연구는 오비탈 중첩과 전하 전달 상호작용이 강하게 일어날 수 있는 구조적 제한이 에너지적으로 덜 안정한 수용체로 전하를 전달시킬 수 있다는 것을 밝혔으며, 이 연구는 미세한 화학적 조절을 통해 전하 전달 경로를 제어하고, 초고속 전자 전달 및 이완 과정을 전자-핵진동 신호를 통해 규명한 중요한 연구"라고 밝혔다. 또한 "전자 전달뿐만 아니라 펨토초에서 수 피코초에 이르는 초고속 시간 영역에서 일어나는 다양한 광유도 동역학의 메커니즘을 전자-핵진동 신호를 통해 지속적으로 탐구할 것"이라고 전했다.

본 연구는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 화학분야의 전통 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF: 16.383)’에 지난달(4월 19일 수요일) 논문으로 게재되었다.

▲ 전자 전달 상태의 이완 과정을 나타낸 호스트-게스트 복합체 시스템들의 퍼텐셜 에너지 표면