연세대 김동호 명예특임교수팀, 단일항 분열 스핀 동역학 매커니즘 규명

김동호 연세대 화학과 명예특임교수 연구팀이 자기·시간 분해 분광법을 활용해 단일항 분열 과정에서의 다중 엑시톤 동역학 매커니즘을 확인했다.(연세대 제공)

(서울=뉴스1) 남해인 기자 = 연세대는 김동호 화학과 명예특임교수 연구팀이 자기·시간 분해 분광법을 활용해 단일항 분열 과정에서의 다중 엑시톤 동역학 매커니즘을 확인했다고 22일 밝혔다.

유기 반도체 물질에서 발현되는 엑시톤은 전자와 정공의 스핀 상태에 따라 단일항 엑시톤과 삼중항 엑시톤으로 구분된다. 단일항 분열 현상은 물질이 빛을 흡수해 형성한 초기 단일한 엑시톤이 두 개의 삼중항 엑시톤으로 분열하는 것을 일컫는다. 제한된 유기 반도체 물질에서만 관측된다.

단일항 분열 현상은 물질에 주입된 한 개의 광자를 이용해 에너지 손실 없이 두 개의 엑시톤을 형성한다는 측면에서 태양 전지의 효율 증진에 응용될 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.

최근에는 양자 얽힘 상태에 있는 두 삼중항 엑시톤이 스핀 오중항(Quintet)과 같은 높은 스핀 준위를 가진다는 것이 밝혀지면서 양자 정보 과학 분야에서의 응용 가능성을 시사했다.

그동안 단일항 분열 과정의 중간체로 양자 얽힘 상태에 있는 두 개의 삼중항 엑시톤인 '삼중항 쌍 다중 엑시톤(Multiexcitonic Triplet Pair)'의 존재는 알려져 왔지만 이것의 스핀 상태가 소멸, 발광과 분열에 핵심적인 역할을 하는지에 대해 실험적으로 밝히진 못했다.

이에 연구팀은 'TIPS-테트라센(TIPS-Tetracene)' 다량체의 구조를 변화시키며 다중 엑시톤의 동역학을 제어하고, 외부 자기장을 도입해 스핀 상태와 다중 엑시톤 동역학 간의 상관관계를 규명했다.

연구팀은 연구 결과 구조의 경직도와 스핀 교환 상호작용이 다중 엑시톤의 최종 분열에 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인했다. 또 다중 엑시톤의 스핀 오중항 상태가 다중 엑시톤의 분열을 유도하고, 스핀 삼중항 상태가 다중 엑시톤의 소멸을 유도한다는 것을 밝혀냈다.

김 명예특임교수는 "분자 간 상호 작용과 다중 엑시톤의 특성을 체계적으로 밝혀 스핀과 관련한 단일항 분열 과정의 메커니즘을 이해하는데 크게 기여했다"고 말했다.

hi_nam@news1.kr