입력 2025.07.23 10:14
– 새로운 분자 설계로 구현한 고효율·고안정성 유기 반도체
– 실리콘 태양전지와의 정합성 확보, 차세대 광소자 실용화에 한 걸음 더
연세대학교 화학과 김우재 교수와 김동호 명예특임교수 연구팀은 삼성종합기술원 박정일 박사 연구팀과 공동으로 고효율 단일항 분열(Singlet Fission)을 구현하면서도 박막 내 물리적·화학적 안정성을 갖춘 신규 테트라센 유도체를 개발했다.
이번 성과는 차세대 태양전지 및 광기능성 소자 기술의 상용화를 앞당길 핵심 기술로 평가받고 있으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위지 ‘Advanced Functional Materials(IF 19.0)’에 6월 1일자로 온라인 게재됐다.
단일항 분열은 하나의 단일항 엑시톤으로부터 두 개의 삼중항 엑시톤을 생성하는 유기 반도체 고유의 광물리적 현상으로, 일반적으로 열에너지로 손실되는 고에너지 광자의 활용도를 높여 태양전지의 이론적 효율 한계(Shockley–Queisser 한계)를 극복할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 이때, 단일항과 삼중항 엑시톤의 적절한 에너지 준위(S1 ≈ 2 x T1)를 갖는 테트라센 유도체는 단일항 분열 구현에 적합한 대표 유기 소재다.
또한 테트라센은 실리콘 태양전지와의 밴드갭 정합성도 뛰어나, 고에너지 광자를 테트라센이 흡수한 뒤 단일항 분열을 통해 생성된 삼중항 엑시톤을 실리콘 하부층으로 전달할 수 있어, 고효율 단일항 분열 태양 전지 구조 설계가 가능하다.
그러나 기존 테트라센 유도체는 뛰어난 단일항 분열 특성에도 불구하고, 산소와 수분에 대한 낮은 화학적 안정성과 분자 간 적층 구조 제어의 어려움으로 인해 실제 소자에서 장기적인 성능 유지를 방해하는 한계를 지녀 왔다. 이는 테트라센 코어가 바닥 상태에서 불안정한 라디칼 특성을 띠며 산소·수분과 쉽게 반응해 광화학 반응이나 분해를 유발하기 때문이다.
이러한 한계를 극복하고자 연구팀은 분자의 전자 구조 및 분자 간 상호작용을 정밀하게 조절할 수 있는 치환기 설계 전략을 도입했다. 중심 코어 구조는 유지한 채, 다양한 치환기의 종류와 위치를 체계적으로 변화시킨 여러 테트라센 유도체를 합성하고, 이들의 박막 결정 구조와 단일항 분열 효율 간 상관관계를 정밀 분석했다.
그 결과, 특정 치환 패턴에서 테트라센 코어의 평면성이 유지되며, 이는 분자 간 겹침을 유리하게 만들어 전자적 상호작용을 강화하고 단일항 분열 효율 또한 높아지는 것을 확인했다. 아울러, 이러한 강한 분자 간 상호작용은 외부 환경과의 반응성을 억제해 박막의 광화학적 안정성 향상에도 기여했다.
특히 이번 연구에서는 초고속 시간 분해 흡수 및 발광 분광법을 활용해 단일항 엑시톤으로부터 삼중항 쌍이 형성되는 속도 및 다중엑시톤의 특성을 실시간으로 추적하고, 분자 설계가 분열 및 분리 과정에 어떤 영향을 주는지를 계통적으로 규명했다.
김우재 연세대 교수는 “단일항 분열은 매우 빠르고 복합적인 광역학 현상으로, 이번 연구는 그 근본 메커니즘을 분자 설계 차원에서 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준 사례”라며, “향후 태양전지는 물론 광센서, 양자소자 등 다양한 광기능성 소자에 응용 가능한 기초설계 원리를 제시한 데에 큰 의의가 있다”고 밝혔다.
한편, 연구는 삼성전자 협력과제, 한국연구재단 우수신진/중견연구과제(과학기술정보통신부), G-LAMP과제(교육부), 및 포스코사이언스펠로십 지원을 통해 진행됐다.
(논문 정보)
1. 논문 제목: 5,11-Di(thiophen-2-yl)Tetracene: A Novel Tetracene Derivative for Efficient Singlet Fission with Enhanced Physical and Chemical Stability in Thin Films
2. 논문 주소: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202423223