`찰나의 순간 변화`, 빛으로 실시간 관측…발광현상 등 정밀 조작 가능성

김유수 GIST 교수팀, 분자수준서 화학반응 제어
테라헤르츠파 펄스와 광학 주사터널현미경 활용
전하주입 통해 분자 상태 제어..유기전자기기 적용

광주과학기술원은 테라헤르츠파 펄스와 주사터널현미경(STM)을 결합한 장치를 이용해 분자 수준에서 일어나는 전하 이동 현상을 실시간 초고속으로 관측·제어하는 데 성공했다.

김유수(왼쪽부터) GIST 교수, 이마다 히로시 일본 이화학연구소 교수, 키무라 켄스케 일본 이화학연구소 연구원

한일 연구진이 다양한 광학 현상을 초고속으로 미세한 변화까지 정밀 측정하는 기술을 개발했다. 앞으로 유기발광다이오드(OLED), 태양광 패널 등 유기 전자기기의 효율을 획기적으로 높이는데 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 김유수 화학과 교수(IBS 양자변환연구단장) 연구팀이 이마다 히로시 일본 이화학연구소 교수, 요코하마국립대, 도쿄대 등과 공동으로 분자 수준에서 일어나는 에너지 변환과 화학 반응을 실시간 초고속으로 관측·제어하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 '사이언스(7일자)'에 실렸다.

분자와 전극 사이에서 전하가 이동하는 현상(전하 교환)은 유기 소자나 촉매 표면에서 발생하는 화학 반응 등에서 나타나는 기본적인 분자 과학현상 중 하나다. 이런 전하 이동 과정에서 전하 상태(음전하·양전하), 여기자(전자와 정공이 공존하는 준양자 상태) 등과 같은 과도적인 중간 상태가 형성된다. 하지만 이 상태들은 수명이 피코초(1조분의 1초) 수준으로 매무 짧아 특성을 조사하려면 초고속으로 전하를 제어해야 한다.

최근에는 광학기술의 발전으로 피코초 단위의 짧은 시간 폭을 가진 테라헤르츠파(㎔) 영역의 광 펄스를 이용해 초고속으로 전하 제어가 가능해졌다. 나아가 테라헤르츠 펄스를 주사터널현미경(STM)과 결합해 나노미터 수준의 물질에 전하를 주입하면 단일 분자 수준에서 다양한 양자 현상을 보다 정밀하게 관측할 수 있다.

연구팀은 광학 주사터널현미경(STM)과 테라헤르츠파(㎔) 펄스를 결합한 '㎔-광학 STM' 장치를 이용해 중심에 팔라듐 원자가 포함된 단일 분자(팔라듐 프탈로시아닌)를 대상으로 실험을 진행했다. 그 결과, 660나노미터 파장 대역에서 분자의 발광을 검출했다.

특히 발광 측정 동안 전류를 함께 측정했는데, 전류가 거의 흐르지 않는 흥미로운 사실을 확인했다. 이는 STM 탐침과 분자 사이에서만 전하가 교환되고, 분자를 통과하는 순전류가 거의 없음을 의미한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이어 ㎔ 펄스의 파형이 달라짐에 따라 발광 강도가 변하는 것을 관찰했고, 위상이 210도 근처일 때 발광 강도가 최대에 이르는 것으로 확인했다. ㎔ 펄스를 이용해 초고속으로 연속적인 전하 주입을 통해 분자의 양자 상태를 제어하고 여기자를 형성할 수 있음을 보여준 결과라고 연구팀은 설명했다.

김유수 GIST 교수는 "이번 연구에서 ㎔ 펄스와 광학 STM을 결합해 극한의 시공간 분해능으로 분자의 상태를 측정하고 제어하는 방법을 확립했다"며 "분자에서 방출된 빛을 검출하는 데 그쳤지만, 다른 레이저 광원과 결합하면 다양한 광학 현상을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있게 될 것"이라고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr