광유도 전하 분리 초분자 나노구조 규명

전남대학교 연구진이 나노 크기의 초분자 구조 내부에서 빛에 의해 전자가 이동하는 과정을 규명하며 차세대 태양에너지 전환 기술의 기초를 제시했다.

이번 연구는 빛을 이용해 전하를 분리하는 메커니즘을 밝혀낸 것으로, 향후 태양전지와 광촉매 등 다양한 광에너지 기술 개발에 활용될 수 있는 기초 연구로 주목된다.

12일 전남대에 따르면 전남대학교 화학과 Tessarolo Jacopo 교수는 초분자 배위 케이지(supramolecular coordination cage) 내부에서 빛에 의해 유도되는 전하 이동 현상을 규명했다.

Tessarolo 교수와 독일·중국·한국 연구진이 참여한 국제 공동연구팀은 연구 논문 “Non-Statistical Assembly of Donor-Acceptor Cages for Light-Induced Charge Separation”을 화학 분야 세계적 학술지 Angewandte Chemie International Edition(피인용 지수 17; JCR 상위 4%)에 게재했다.

연구팀은 공여체(donor)와 수용체(acceptor) 분자를 나노 크기의 초분자 케이지 내부에 정밀하게 배치하는 새로운 자기조립 전략을 개발했다.

이를 통해 기존 연구에서 흔히 나타나던 여러 구조가 섞이는 문제를 해결하고, 단일하고 안정적인 케이지 구조를 선택적으로 형성하는 데 성공했다.

이 구조 안에서는 빛을 받았을 때 전자가 초고속으로 분리되고 이동하는 현상이 나타났다.

연구팀은 이러한 전하 분리와 이후 전자가 다시 되돌아오는 과정까지 나노초 수준에서 관찰했으며, 해당 과정은 펨토초 과도흡수 분광(femtosecond transient absorption spectroscopy) 분석을 통해 확인됐다.

이번 연구는 초분자 구조를 이용해 빛 에너지를 전하 이동으로 전환하는 원리를 규명한 것으로, 향후 태양전지(photovoltaic), 광촉매, 센서 등 다양한 광에너지 응용 기술 연구에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

특히 Tessarolo 교수는 앞서 국제학술지 Nature Chemistry 및 Chem에 논문을 발표한 데 이어 화학 분야 세계적 학술지에 연구 성과를 연이어 게재하며 초분자 화학 분야에서 연구 경쟁력을 입증했다.

이번 연구는 Tessarolo 교수의 NRF 연구비와 전남대학교 G-LAMP 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.