"모양 닮았지만 빛 반응은 정반대"…유기 분자의 '야누스' 특성 밝혔다

작성일 08-22

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         <section dmcf-sid="qJvUFcP3Md">
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="46f825bcb692c8db1cc2dc0fd9b6401793c6f8dbba60fa1056169451c44e6ab7" dmcf-pid="BiTu3kQ0ee" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="왼쪽부터 연세대 화학과 강병주 통합과정생(제1저자), 김재욱 통합과정생(공동저자), 최현우 통합과정생(공동저자), 김우재 교수(교신저자)." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/22/dongascience/20250822111922235njlv.png" data-org-width="680" dmcf-mid="z3vUFcP3LJ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/22/dongascience/20250822111922235njlv.png" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            왼쪽부터 연세대 화학과 강병주 통합과정생(제1저자), 김재욱 통합과정생(공동저자), 최현우 통합과정생(공동저자), 김우재 교수(교신저자).
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          <p contents-hash="dfea35d953fc4764747219a3fdc69f0e87760103da2906e8ff92695a50e7d90a" dmcf-pid="bny70ExpLR" dmcf-ptype="general">동일한 유기 분자라도 회전 이성질체 구조에 따라 빛에 대한 반응이 완전히 달라질 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 이성질체는 같은 분자식을 가지지만 원자들의 배열 방식이 달라 서로 다른 성질을 보이는 화합물을 말한다. 마치 똑같은 레고 블록을 가지고 하나는 세로로 쌓고, 하나는 가로로 쌓는 것과 같다.</p>
          <p contents-hash="da4d139e83b45be95fb702147f3279c4edcb3c04ac7e6589b4b536c027fe3ebe" dmcf-pid="KLWzpDMUdM" dmcf-ptype="general">이번 발견은 더 효율적인 유기발광다이오드(OLED), 유기 태양전지, 광센서 등 차세대 유기 광전자 소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. </p>
          <p contents-hash="02496203d43d451aabadce4651326eb53fe1b95a0fc99bb7ec98a868fe57359c" dmcf-pid="9KAThxUldx" dmcf-ptype="general">연세대는 김우재 화학과 교수 연구팀이 동일한 유기 분자가 회전 이성질체 구조에 따라 정반대의 광물리적 특성을 보인다는 사실을 규명했다고 22일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 게재됐다. 이번 연구는 김형준 한양대 화학과 교수팀, 나이틱 A. 판즈와니 독일 베를린 자유대학 물리학부 연구원 등도 참여했다. </p>
          <p contents-hash="42172cc1d74142949b2bc517399ef2ef2ff257b78758fc0f23c1eddd40f7a69f" dmcf-pid="29cylMuSJQ" dmcf-ptype="general">이번 연구는 유기 광전자 소자의 효율을 결정짓는 분자 간 상호작용을 더 정교하게 설계할 수 있는 새로운 원리를 제시했다. 빛을 흡수하거나 방출하는 분자 단위인 발색단(Chromophore) 두 개가 연결된 이합체 유기 분자는, 발색단 간 상호작용을 관찰할 수 있는 가장 단순한 모델 시스템으로 간주된다. </p>
          <p contents-hash="7139f2045846308ef9e8464a3250bac3f5f8cfd0ca5987d7f3c652f0a05be0b0" dmcf-pid="V2kWSR7vMP" dmcf-ptype="general">이합체 유기 분자의 두 발색단 사이에서 일어나는 상호작용은 전하 이동, 에너지 전달 등 다양한 광물리적 현상의 핵심을 이룬다. 이들 분자는 구조적으로 자유롭게 회전할 수 있어 회전 방향에 따라 서로 다른 ‘회전 이성질체’가 존재하게 된다. 겉보기엔 거의 동일한 구조지만, 미세한 차이로 인해 이성질체별로 빛에 대한 반응이 완전히 달라질 수 있다. 지금까지 연구에서는 이 같은 차이가 충분히 고려되지 않아 분자의 설계나 특성 해석 과정에서 오차나 예기치 못한 결과가 발생하는 한계가 있었다.</p>
          <p contents-hash="5d2747c812b78e840a75a8aed492cd299fa6c0328cc68d857090d9a4cd59b457" dmcf-pid="fVEYvezTd6" dmcf-ptype="general">이러한 한계를 해결하기 위해 연구팀은 분자 TPBA를 연구 모델로 선택했다. 이 분자는 가운데 연결된 단일결합이 자유롭게 회전할 수 있어서 두 가지 형태(syn-TPBA, anti-TPBA)로 존재할 수 있다. 이 두 구조는 빛을 흡수하고 방출하는 방식이 정반대에 가까운 ‘야누스(Janus)형’ 특성을 보인다. 빛을 흡수하는 내보내는 특성이 완전히 다르다.</p>
          <p contents-hash="067496314319546e1a5ecdd02ddfcab7a612d687b1536b685fd3b91a6f31c272" dmcf-pid="4fDGTdqye8" dmcf-ptype="general">연구팀은 파장에 따른 상태, 시간 분해 광발광, 순간 흡수, 시간 분해 전자 상자기 공명 분광법 등 다양한 분광 기법을 종합적으로 사용했다. 그 결과 anti-TPBA는 syn-TPBA보다 강한 빛을 방출하고, 반응 속도는 더 빠르지만 전하 이동 능력은 낮은 것으로 나타났다.</p>
          <p contents-hash="5cacfd73e9d92d2371d29b31da5a92e112e22a6c6ed713836120742ac4384a33" dmcf-pid="84wHyJBWM4" dmcf-ptype="general">두 회전 이성질체는 빛 에너지를 받아 삼중항 상태로 전환시키는 경로에서 분명한 차이를 보였다. 극성이 낮은 용매 환경에서는 두 분자 모두 빛에 에너지를 흡수한 뒤 전자의 스핀 상태가 바뀌는 ‘계간전이’ 과정을 거쳐 삼중항 엑시톤(준입자)을 형성했다. 하지만 극성이 높은 용매에서는 anti-TPBA에서는 이러한 반응이 거의 일어나지 않았고, 반대로 syn-TPBA는 여전히 삼중항 엑시톤을 활발히 생성하는 것으로 나타났다.</p>
          <p contents-hash="e6091030c38083e711930d94ad30265e49088ddb52518a3c76d297951bf4dfc8" dmcf-pid="68rXWibYef" dmcf-ptype="general">극저온에서 진행한 정밀 실험에서도 두 분자가 삼중항 상태에 도달하는 구체적인 경로도 다르다는 사실이 확인됐다. </p>
          <p contents-hash="1cbcb91043fc6742f005253d735d9dee2dbf31dfe64aae1f84c6866a36be1b0b" dmcf-pid="P6mZYnKGJV" dmcf-ptype="general">이번 연구는 분자의 미세한 구조 차이가 실제로 어떤 방식으로 광물리적 특성에 영향을 주는지를 보여준 대표 사례다. 김우재 교수는 “그동안 간과됐던 회전 이성질체의 중요성을 조명하고, 분자 설계 시 구조의 이질성을 반드시 고려해야 한다는 점을 명확히 보여줬다”고 말했다. 제1저자인 강병주 연구원은 "이 방식은 원하는 광물리적 특성을 정밀하게 조절하는 데 유용해 고효율 유기 광전자 소자 개발에 중요한 분자 설계 기준이 될 것"이라고 말했다.</p>
          <p contents-hash="2fdb2915dc44bd940299ad3f7cbdfb024efb9f93dbc119dc19533ac99fefda5f" dmcf-pid="QPs5GL9HJ2" dmcf-ptype="general">&lt;참고 자료&gt;<br> - doi.org/10.1002/anie.202507385</p>
          <p contents-hash="dfc7bbffe170763d21aa11b8e8160a7553277fa4e90e18207644ff019a74821f" dmcf-pid="xQO1Ho2XR9" dmcf-ptype="general">[정지영 기자 jjy2011@donga.com]</p>
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        <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.</p>

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