김동호 교수팀, 엑시머 형성 과정의 구조 변화 메커니즘 규명

종합화학 분야 세계적 권위지 ‘앙게반테 케미’ VIPs 및 표지논문 선정

[사진. 김동호 교수(왼쪽), 홍용석 박사]

이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀은 펨토초 시간 분해 순간 유도 라만 분광법(time-resolved impulsive stimulated Raman spectroscopy)을 이용해 퍼릴렌 비스이마이드(perylene bisimide) 쌓임체 내에서의 엑시머 형성 과정(excimer formation)에 수반되는 구조 변화 메커니즘을 규명했다. 

엑시머(excimer)란 들뜬 상태에서 두 개의 단량체가 상호작용해 생기는 들뜬 상태 이합체(excited-dimer)를 뜻하며, 파이공액 유기물의 쌓임체로 구성되는 유기 광전자 소자에서 흔히 발현된다. 유기 광전자 소자 내에서 엑시머의 형성은 소자 내의 에너지 수송을 억제시키는 요소로 알려져 있어, 엑시머 형성 메커니즘에 대한 연구는 효율적인 소자 개발에 필수적이다. 

이론적 연구를 통해 엑시머 형성 과정에서 구조 변화가 중요한 역할을 할 것이라 예측하고 있으나, 실제 엑시머의 발현에 영향을 미치는 구조 변화 메커니즘의 실험적 규명은 이루어진 바 없다. 본 연구에서는 독일 연구팀과의 공동연구를 통해 엑시머가 발현되는 쌓임 구조 중 가장 단순한 모델인 퍼릴렌 비스이마이드 이합체(dimer)를 합성했고, 시간 분해 순간 유도 라만 분광법을 이용해 엑시머 형성의 구조 메커니즘을 규명하고자 했다.

김동호 교수 연구팀은 200 펨토초로 발현되는 엑시머의 구조 변화를 포착하고자 ‘시간 분해 라만 분광법’을 도입했다. 이러한 라만 분광법은 10 펨토초(100조 분의 1초) 미만의 레이저 펄스를 이용해 일반적인 유기 분자체에서 관측되는 100~3000 ㎝⁻¹ 영역의 진동 모드를 관측할 수 있도록 해, 들뜬 상태에서 수반되는 구조 변화에 대한 정보를 얻어 낼 수 있다. 

시간 분해 라만 분광 장치를 이용해 실시간 라만 스펙트라의 변화를 분석한 결과, 200 펨토초로 분자 간 거리가 감소하고 배향의 각도가 줄어드는 구조 변화를 관측할 수 있었다. 또한, 시간 영역의 진동 결맞음(vibrational coherence) 신호를 분석해 해당 진동 모드가 엑시머 형성 과정과 진동-전자 상호작용(vibronic coupling)을 해 엑시머 형성 과정이 초고속(200 펨토초)으로 발현될 수 있음을 규명했다.

김동호 교수는 “유기 소자 내에서의 엑시머가 어떠한 조건에서, 어떻게 발현되는지에 대한 이해는 효율적인 소자를 디자인하기 위해 필수적”이라며 “따라서 본 연구에서 밝혀낸 엑시머 발현의 구조 메커니즘은 앞으로 엑시머의 발현을 조절하는 소자 디자인에 초석이 되는 연구 결과라 생각된다.”고 말했다.

본 연구 결과는 종합화학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 지난해 12월 26일 게재됐으며, VIPs (Very Important Papers, less than 5%) 및 표지논문으로 3월 3일 선정됐다.

논문정보

● 논문제목: Real-time Observation of Structural Dynamics Triggering Excimer Formation in a Perylene Bisimide Folda-dimer by Ultrafast Time-Domain Raman Spectroscopy

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/anie.202114474