‘찰나의 에너지’ 핫 전자 잡았다…망간으로 태양광 촉매 효율 10배 높여 작성일 07-27 39 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">UNIST·美 로스앨러모스硏<br>양자점 내 망간 스핀 교환 원리 규명<br>수소 생산·CO₂ 전환 신기술 기대</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="FhkuS64qEU"> <p contents-hash="22b4874ef0b1eff6e0fb6475994ede21e086ad3741029556e9a63d10b907fb87" dmcf-pid="3lE7vP8BEp" dmcf-ptype="general"> [이데일리 김현아 기자] 빛을 받은 반도체에서 순간적으로 만들어지는 고에너지 전자 ‘핫 전자(hot electron)’를 화학반응에 활용할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다. 수조분의 1초 만에 사라지는 핫 전자의 에너지를 망간이 중개해 광촉매 반응으로 연결하는 원리다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="95778c6c516ae2f181bb55d4b8b8adfc3f66d9b8d8459eb99fc82d7653698844" dmcf-pid="0OXdzEcnr0" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="진호 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수. 사진=UNIST" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/Edaily/20260727080259213gicy.jpg" data-org-width="499" dmcf-mid="1YAj4hIkE7" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/Edaily/20260727080259213gicy.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 진호 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수. 사진=UNIST </figcaption> </figure> <div contents-hash="dcae1400e53226b8bc508ff728ced1b24b7c77625050d6e4b50fc5ac492f780d" dmcf-pid="pIZJqDkLO3" dmcf-ptype="general"> 울산과학기술원(UNIST)은 화학과 진호 교수 연구팀이 미국 로스앨러모스국립연구소(LANL) 빅터 클리모프 박사팀과 공동으로 양자점 내부 망간의 초고속 스핀 교환 현상을 활용한 새로운 광환원 메커니즘을 규명했다고 27일 밝혔다. </div> <p contents-hash="1d06484d2792fd000b722614455856b779efe4406dae4fb886b3067436e881d7" dmcf-pid="UC5iBwEoEF" dmcf-ptype="general">이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 26일 게재됐다. 논문명은 ‘Ultrafast Photoreduction Driven by Interfacial Spin Exchange in Manganese-Doped Quantum Dots’다.</p> <p contents-hash="5ea2ac1a3ded0c70b3d611f478b90f0b4bec2fadd7b13607eaa26e0c5a62ebb2" dmcf-pid="uh1nbrDgst" dmcf-ptype="general">양자점은 수 나노미터 크기의 반도체 입자로, 빛을 흡수하면 내부 전자가 높은 에너지 상태로 올라가 핫 전자가 생성된다. 이 전자를 다른 분자에 전달하면 태양광 기반 수소 생산이나 이산화탄소(CO₂) 전환 같은 광환원 반응을 유도할 수 있다.</p> <p contents-hash="928701f6b7ad0364ad1bd45798df6c08e0e05f6b280d1f43cfcf4600edcc0469" dmcf-pid="7ltLKmwaD1" dmcf-ptype="general">하지만 핫 전자는 매우 짧은 시간 안에 에너지를 잃는 한계가 있었다. 일반적인 반도체 양자점에서는 수백 펨토초(1펨토초=1000조분의 1초) 이내에 에너지가 열로 변환돼 화학반응에 활용하기 어려웠다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="cd67982d1b706e9f2b23b671b7c7efed2b935bbe6d56e1affb3953400ffa8a46" dmcf-pid="zSFo9srND5" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="망간의 스핀 교환으로 핫 전자 에너지를 광환원 반응에 쓰는 원리. 사진=UNIST" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/Edaily/20260727080300415filj.jpg" data-org-width="1280" dmcf-mid="tDL5rbqFIu" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/27/Edaily/20260727080300415filj.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 망간의 스핀 교환으로 핫 전자 에너지를 광환원 반응에 쓰는 원리. 사진=UNIST </figcaption> </figure> <div contents-hash="45a83346a75351d18d081d82567a79629b77e0e337d110be6dd03c5c7546db8a" dmcf-pid="qv3g2OmjEZ" dmcf-ptype="general"> 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 셀렌화카드뮴(CdSe) 양자점 내부에 자성을 가진 망간 이온을 넣었다. 망간 이온이 핫 전자가 포함된 전자·정공 쌍과 초고속 스핀 교환을 일으켜 사라질 뻔한 에너지를 저장하고, 이후 망간이 안정 상태로 돌아가는 과정에서 전자를 반응 분자로 전달하도록 한 것이다. </div> <p contents-hash="166b334598bc1ec725d681d28781b53081f513dd8b4d187d32e89df6a50d1cc3" dmcf-pid="BT0aVIsAIX" dmcf-ptype="general">스핀 교환은 전자가 가진 고유 특성인 스핀이 서로 영향을 주고받으며 에너지와 정보를 전달하는 현상이다. 연구팀은 이를 활용해 기존에는 불가능했던 에너지 조건에서도 광환원 반응을 유도할 수 있음을 확인했다.</p> <p contents-hash="5b11075497ac58ae804caf540f57219e188627b868257a59ea82f86feefcecab" dmcf-pid="bltLKmwaDH" dmcf-ptype="general">연구팀은 펨토초 과도흡수 분광법을 이용해 전자와 에너지 이동 과정을 분석했다. 양자점 표면에 전자를 받아 환원되는 메틸비올로젠 분자를 결합한 뒤 망간이 포함된 양자점과 일반 양자점을 비교한 결과, 망간이 들어간 양자점에서는 전자 전달 속도가 기존보다 10배 이상 빨라졌다.</p> <p contents-hash="2151cfc803f0f8fafa8865332d7f4cfe3386709f94b12b5ac19dd62927c6d1a0" dmcf-pid="KSFo9srNIG" dmcf-ptype="general">또 고에너지 빛과 저에너지 빛을 각각 조사하는 실험을 통해 핫 전자의 에너지가 실제 반응에 사용됐다는 점도 확인했다. 고에너지 빛을 받은 양자점에서만 광환원 반응이 발생하면서 망간을 통한 핫 전자 활용 메커니즘이 입증됐다.</p> <p contents-hash="aed0772a719aed8ce66301603f121b4ebf8aec1b8a123e4dc916f2158d76dbde" dmcf-pid="9v3g2OmjrY" dmcf-ptype="general">진호 UNIST 교수는 “기존 광촉매는 반도체와 반응 분자 사이의 에너지 준위가 맞아야 전자 전달이 가능했지만, 이번 연구는 스핀 교환을 이용해 핫 전자의 여분 에너지를 활용하면 이런 제약을 넘어설 수 있음을 보여줬다”고 설명했다.</p> <p contents-hash="fba96a604128687f9961fc7d1b5c92890ebcca216ee1bbd5ebda1953f4b4b10d" dmcf-pid="2T0aVIsAwW" dmcf-ptype="general">이어 “이번 연구는 태양광 기반 수소 생산과 이산화탄소 전환을 위한 차세대 고효율 광촉매 설계에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.</p> <p contents-hash="80a7e60755db6560c69e34b2b2a53953eb6bde2c8fbd037f161b71c9a82a17b7" dmcf-pid="VypNfCOcIy" dmcf-ptype="general">이번 연구는 기존의 ‘에너지 준위 정렬’ 중심 광촉매 설계 방식을 넘어 ‘스핀 자유도’를 활용하는 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 광촉매뿐 아니라 스핀트로닉스, 양자광원, 양자정보소자 등 미래 양자기술 분야에도 활용 가능성이 기대된다.</p> <p contents-hash="6effd6a378ee01cb69c26fe582d741f53ecfee3602e5611ebab311bae0c6125e" dmcf-pid="fWUj4hIkOT" dmcf-ptype="general">김현아 (chaos@edaily.co.kr) </p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 이데일리. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 주름·두께·배터리 한번에 잡았다…삼성 폴더블 8세대 혁신 07-27 다음 선수들 말리던 女심판, 떠밀려서 '쾅'…뇌진탕 증세 07-27 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
