초록 ▼

본 연구과제에서는 높은 시간 및 공간의 분해능을 지닌 펨토초 시분해 분광법을 활용하여 금속 나노입자와 유기 분자 간의 에너지 전달 과정을 밝힘으로써 형광증강의 메커니즘을 이해하고, 인공광합성 복합체 내에서의 펨토초-피코초 단위의 빠른 에너지 전달 과정을 실시간으로 관찰하는 것을 목표로 하였다. 이러한 연구를 위하여 펨토초 Ti:sapphire 레이저 시스템 (800 nm, <50 fs, 1 kHz)에 기반한 흡수분광법 (50 fs의 시간 분해능) 및 피코초 형광분광법 (100 ps의 시간 분해능)을 이용하여 다양한 분자 시스템에 대

본 연구과제에서는 높은 시간 및 공간의 분해능을 지닌 펨토초 시분해 분광법을 활용하여 금속 나노입자와 유기 분자 간의 에너지 전달 과정을 밝힘으로써 형광증강의 메커니즘을 이해하고, 인공광합성 복합체 내에서의 펨토초-피코초 단위의 빠른 에너지 전달 과정을 실시간으로 관찰하는 것을 목표로 하였다. 이러한 연구를 위하여 펨토초 Ti:sapphire 레이저 시스템 (800 nm, <50 fs, 1 kHz)에 기반한 흡수분광법 (50 fs의 시간 분해능) 및 피코초 형광분광법 (100 ps의 시간 분해능)을 이용하여 다양한 분자 시스템에 대해 들뜬상태 동력학 및 형광 lifetime 측정 연구에 활용하였다.

염료 분자가 금속 나노입자 주변에 존재하는 경우, 염료의 흡수 및 형광 신호의 세기가 크게 증가하게 되는데 이를 금속증강형광이라 하며, 형광신호의 민감도를 크게 높일 수 있는 효과적인 방법임에도 불구하고 금속형광증강의 정확한 메커니즘은 알려진 바 없다. 따라서 본 연구과제에서는 금속증강형광 메커니즘을 규명하기 위해 금속 나노입자와 염료 분자 간의 복합체를 구성하였고, 펨토초 흡수분광법과 TCSPC 분광법을 활용하여 금속증강형광 및 실시간 에너지 전달 연구를 진행하였다. 그 결과, 나노입자로부터 염료 분자로 약 30 ps의 에너지 전달 과정이 일어남을 확인할 수 있었고, 들뜸펄스의 파장에 따라 크게 변화하는 에너지 전달 과정을 통해 분자 고유의 들뜬상태 동력학이 금속증강형광 메커니즘에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 실험적으로 관찰할 수 있었다.

식물의 광합성 반응에서 염록소 내의 보조염료인 케로티노이드는 높은 광수확률 및 에너지 전달 효율을 지니고 있으나, 형광현상과 관련된 dark state 의 존재 및 에너지 준위 등의 특성은 많이 알려져있지 않다. 본 연구에서는 은나노 평면과 케로티노이드의 복합체를 폴리머의 스핀코팅을 통해서 합성하였으며, 폴리머의 종류에 따라 4-30 배의 형광증강 및 lifetime의 감소를 보였으며, 이를 통해 천연염료의 금속형광증강 정보를 획득할 수 있었다.

산화반응에 의해 카르복실산 형태로 합성된 케로티노이드 분자는 TiO₂ 등의 나노입자에 쉽게 부착되어 복합체를 형성할 수 있다. 빛에 의해 흡수된 케로티노이드로부터 TiO₂ 나노입자로 전자 전이가 일어나고 전이된 전자는 TiO₂ 내부에서 relaxation 과정을 거친 후, 케로티노이드 분자와 재조합하는 현상을 보이는데, 이를 인공광합성 복합체 연구에 활용하고자 하였다. 케로티노이드로부터 TiO₂ 나노입자로 240fs의 시간동안 전이되며, 약 33%의 전자전달효율을 보였고, 추가적으로 Anthraquinone 계열 중 대표적인 염료인 Alizarin 과 TiO₂ 나노입자 와의 복합체를 구성하여 전자전달연구를 진행하였으며, 케로티노이드- TiO₂ 복합체처럼 들뜬 상태에서의 전자 전이 및 재조합 동력학을 보였고, 용매의 극성 및 혼합 용매에 따라 전자 전달 효율이 달라짐을 관찰할 수 있었다. 이는, 들뜬 상태에서 양성자 이동 특성을 나타내는 Alizarin 의 분자구조의 변화에서 기인하며, 염료와 TiO₂ 나노입자 표면간의 electronic coupling 상수가 클수록 높은 전자 전달 효율을 실험적으로 확인할 수 있었다.

또한 유기합성 연구팀과의 공동연구 협력을 통하여 새로운 인공광합성 시스템인 포피린-펩토이드 복합체 염료를 합성하였고, 펨토초 시분해 흡수/형광 분광법을 활용하여 인공광합성 복합체 내에서 두포피린 (ZnTPP와 FbTPP) 간의 상대적 거리에 따라 96-97%의 높은 효율로 에너지 전달이 일어남을 관찰할 수 있었다. 본 연구과제를 통해 얻어진 기초적인 연구 결과는 광감응형 태양전지 및 기타 인공광합성 복합체 연구에 중요한 동력학 정보를 제공할 것이며, 향후 다양한 형태의 인공광합성 복합체 시스템에 대해 높은 효율로 광수확 및 에너지 전달이 일어날 수 있도록 최적화된 설계 방향을 제시할 수 있을 것이다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• (1) 금속 나노입자와 염료 분자 간의 에너지 전달 및 형광증강현상 연구 ... 4
• (2) 인공광합성 복합체의 합성 및 에너지 전달 연구 ... 5
• (3) 포피린-펩토이드 복합체 내에서의 에너지 전달현상 연구 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 14