총설에 부쳐-단일항 엑시톤 분열(2025년 8월호)

성완 박
7월 30일
2분 분량

최종 수정일: 9월 5일

김형준 | 한양대학교 화학과 부교수, kimhyungjun@hanyang.ac.kr

단일항 엑시톤 분열은 광자 하나를 흡수한 물질에서 두 개의 삼중항 엑시톤이 생성되는 현상입니다. 이 개념은 1965년에 안트라센 결정의 지연 형광을 설명하기 위해 처음 제안되었으며, 이후 자기장 효과 연구 등을 통해 삼중항 쌍의 생성이 확인되었습니다. 테트라센, 펜타센과 같은 아센 계열 결정에서 펨토초에서 피코초 수준의 매우 빠른 단일항 엑시톤 분열 현상이 관찰되었으나, 초기에는 큰 주목을 받지 못했습니다.

단일항 엑시톤 분열 연구의 전환점은 2006년에 찾아왔습니다. 한 논문을 통해 이 현상에 대한 관심이 크게 증폭되었는데, 해당 논문은 단일항 엑시톤 분열을 이용하면 고에너지 광자 흡수 시 열로 손실되는 에너지를 추가적인 전자 들뜸에 사용함으로써 실리콘 기반 단일 접합 태양광 전지의 이론적 효율 한계를 43%까지 끌어올릴 수 있다고 제시했습니다. 이후 펜타센-풀러렌 모델 시스템에서 다전자 전이 가능성을 보였으며, 실제 실리콘 태양전지 위에 단일항 엑시톤 분열 물질을 코팅한 소자 제작도 성공적으로 이루어졌습니다.

단일항 엑시톤 분열의 활용도를 높이기 위해서는 메커니즘에 대한 깊이 있는 이해가 필수적입니다. 이러한 배경에서, 단일항 엑시톤 분열 메커니즘을 규명하기 위해 활발히 연구를 수행하고 계신 국내 연구자 세 분께 최신 연구 동향을 심도 있게 조망하는 총설 집필을 의뢰드렸습니다. 본 시리즈는 8월부터 세 달간 연재될 예정이며, 각 연구자께서 맡으신 분야의 최신 연구 동향과 수행 중인 연구 내용을 소개합니다.

첫 번째 총설은 한양대학교 화학과 김형준 교수님께서 맡아주셨습니다. 계산화학을 이용한 단일항 엑시톤 분열 연구 방법론, 특히 이 분야에서 널리 활용되는 제한된 활성 공간 내 스핀 뒤집힘 방법론을 소개합니다. 또한, 단일항 분열 발색단 간 상호작용을 결정짓는 핵심 요소인 양자 간섭 현상을 설명하고, 이 현상이 단일항 분열의 초기 단계인 멀티엑시톤 형성 과정에서 어떻게 발현되는지 논의할 예정입니다.

두 번째 파트에서는 연세대학교 화학과 김우재 교수님께서 단일항 엑시톤 분열의 첫 단계인 스핀-얽힘 삼중항 쌍 생성 동역학에 대하여 소개해 주시겠습니다. 삼중항 쌍은 단일항 엑시톤으로부터 두 개의 삼중항 엑시톤이 형성되는 과정에서의 핵심 중간 상태입니다. 삼중항 쌍 상태의 형성 메커니즘에 관한 간략한 소개와 함께 이에 관한 실험적 결과들을 논의하고 해당 동역학에 영향을 주는 다양한 인자들에 대한 포괄적 분석에 대해 설명드리고자 합니다.

마지막으로 인하대학교 화학과 김준오 교수님께서는 자기장 접목 시간 분해 분광법을 이용한 연구 결과로써 단일항 엑시톤 분열의 매개 상태인 다중 엑시톤 상태의 동역학이 그것을 구성하는 네 개의 얽혀 있는 전자 스핀에 의해 받는 영향을 소개드리고자 합니다. 다중 엑시톤 상태가 보유하고 있는 높은 스핀 준위인 스핀 오중항, 삼중항 상태들에 대해 설명을 드린 이후에, 높은 스핀 준위들이 생성되는 메커니즘과 각각의 스핀 준위들을 통해 발현되는 특징적인 다중 엑시톤 프로세스에 대해 설명드리고자 합니다.

이번 총설 시리즈가 화학세계 구독자 여러분들의 단일항 엑시톤 분열 메커니즘 및 관련 분야 최신 연구 동향에 대한 이해를 넓히는 데 기여하기를 바랍니다.