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김동호 교수팀
김동호 명예특임교수팀, 유기 반도체 구조 배열에 따른 분자체 내 전하 이동 메커니즘 규명 전하 주개-전달 다리-전하 받개 3단 구조의 다합체 내 전하 이동 과정 관측, 다합체 쌓임 배열에 따른 전하 전달 메커니즘 규명 및 에너지 전달과 용매 극성의 상관성 밝혀, 자연 광합성 과정을 모방한 유기 반도체 기반 태양전지 개발의 방향성 제시
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사진 1. (왼쪽부터) 김동호 명예특임교수, Hongwei Song 박사우리 대학교 화학과 김동호 명예특임교수 연구팀이 유기 반도체 물질 내 전하 분리 및 이동 과정을 분광학적으로 관측하는 데 성공했다.
이번 연구는 인공 광합성 및 유기 태양전지와 같은 차세대 광에너지 변환 기술 개발에 중요한 이론적 기반을 제공하며, 세계적인 화학 분야 학술지인 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 19.2)'에 게재됐다.
유기 반도체 기반 태양전지는 전자 주개(Donor)와 전자 받개(Acceptor)로 구성된 구조를 통해 분자 내 전하 이동을 유도하여 전기를 생성한다. 빛을 흡수하면 분자가 들뜨면서 전자와 양전하(정공)가 짝을 이룬 엑시톤(Exciton)이 생성되고, 전자 받개가 이를 분리하면서 전자와 정공이 각각 다른 방향의 전극으로 이동하여 전류가 흐르게 된다.
따라서 유기 태양전지의 성능을 높이기 위해서는 분자 내 전하의 이동 과정을 명확히 이해하는 것이 중요하다. 연구팀은 유기 반도체 재료인 퍼릴렌 비스이마이드(PBI)를 중심으로 전하 이동 특성을 정밀 분석했다. PBI는 이중결합과 단일결합이 반복된 파이(π) 공액 구조를 가지며, 이를 통해 전자가 분자 전체에 걸쳐 효율적으로 이동할 수 있다.
자외선 영역의 빛을 효과적으로 흡수하면서도 뛰어난 광안정성을 갖춘 PBI는 이미 유기 광전자 소자 분야에서 주목받는 물질이다. 이번 연구는 이러한 파이(π) 공액 분자 내 전하 이동 메커니즘을 규명함으로써, 광합성 원리를 모사한 차세대 태양 에너지 변환 소재 개발의 중요한 기반을 제공한다.
연구팀은 PBI 다합체 합성 분야의 세계적 권위자인 독일 뷔르츠부르크대학교 프랑크 뷔르트너(Frank Wurthner) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, PBI 분자들이 층층이 쌓인 구조의 양 끝에 전자 주개와 전자 받개를 각각 배치하고, 쌓임체 내부의 단량체 수를 조절하여 전하 이동 거리와 메커니즘을 정밀하게 분석했다.
또한, 극성 용매 환경에서 전자 주개에 선택적으로 빛을 조사하여 전자를 들뜨게 한 후, 이 전자가 받개로 이동하는 과정을 다양한 분광 분석 기법을 활용해 실시간으로 관측했다.
[그림1. 전자 주개와 받개가 치환된 PBI 쌓임체 내의 전하 주개와 전하 받개 간에 일어나는 광유도 전하 전달 메커니즘]
연구 결과, 전자 주개에서 생성된 전자는 전자 받개로 즉시 이동하지 않고, 중간에 위치한 단량체들을 거치는 ‘결 어긋남 전하 도약(Incoherent Charge Hopping)’ 방식으로 전달됨을 확인하였다. 이는 분자 간 결합력(커플링)이 약할 경우, 전하가 다리 역할을 하는 중간 분자들을 단계적으로 건너뛰며 이동한다는 것을 의미한다.
또한, 전자 이동과 재결합 과정은 용액의 극성에 영향을 받았으나, 에너지 전달 과정은 극성과 무관하게 안정적으로 유지되는 특성을 보였다.
김동호 교수는 “이번 연구는 인공 광합성 과정에 유리한 특성을 가지는 PBI 쌓임체 내 전하 및 에너지 전달 경로를 규명하고, 분자 간 거리와 구조적 특성이 전하 이동에 미치는 영향을 밝힌 중요한 성과”라며, “차세대 광 에너지 변환 소재 개발과 인공 광합성 기술의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
논문정보
● 논문제목: Photoinduced stepwise charge hopping in π-stacked perylene bisimide donor–bridge–acceptor arrays
연구진
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김동호 교수
연세대학교 교무처 교무팀
DONGHO@YONSEI.AC.KR
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