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[IT뉴스]수조분의 1초 만에 식는 ‘핫전자’ 잡았다…차세대 광촉매 설계 ‘단초’

온카뱅크관리자

2026-07-27 09:07:30

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 진호 화학과 교수팀, 美 로스앨러모스연구소와 공동 연구 반도체 양자점에 ‘망간’ 넣어 초고속 스핀 교환 반응 확인 에너지 불리한 조건 극복…전자 전달 속도 10배 이상 높여 
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 망간의 스핀 교환을 통해 핫 전자 에너지를 광촉매(광환원) 반응에 쓰는 원리. 연구그림=UNIST
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 빛을 받은 반도체에서 발생하는 고에너지 전자, 이른바 ‘핫 전자(hot electron)’가 가진 잉여 에너지를 잃기 전에 화학반응에 활용할 수 있는 획기적인 방법이 개발됐다. 태양광을 이용한 수소 생산이나 이산화탄소(CO2) 환원 등 차세대 친환경 광촉매 기술의 효율을 획기적으로 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.
 울산과학기술원(UNIST)는 화학과 진호 교수 연구팀이 미국 로스앨러모스국립연구소(LANL) 빅터 클리모프 박사팀과 공동으로 반도체 양자점 내부의 망간(Mn)이 핫 전자의 에너지를 받아 분자에 전자가 전달되도록 중개하는 ‘스핀 교환’ 반응을 규명했다고 27일 밝혔다.
 수 나노미터(㎚) 크기의 반도체 입자인 양자점은 빛을 흡수하면 내부 전자가 높은 에너지 상태로 올라가 핫 전자가 된다. 이 전자를 다른 분자에 넘기면 해당 분자가 전자를 얻어 광환원 반응을 일으킬 수 있다. 하지만 핫 전자는 일반적인 양자점 안에서 불과 수조분의 1초 만에 에너지를 잃고 ‘식은 전자’가 되어버려 이를 실제 화학반응에 활용하기는 극히 어려웠다.
 연구팀은 핫 전자가 에너지를 잃기 전 광환원 반응에 활용하기 위해 셀렌화카드뮴(CdSe) 양자점 내부에 자성을 띠는 망간 이온을 도입했다. 연구 결과, 망간 이온은 핫 전자가 포함된 전자·정공 쌍과 초고속 스핀 교환을 일으켜 열로 사라질 에너지를 우선 받아내는 것으로 나타났다. 이후 망간 이온이 원래 스핀 상태로 돌아가는 과정에서 전자가 분자로 이동하며 성공적으로 광환원 반응이 일어났다.
 스핀 교환이란 전자의 스핀(방향성을 갖는 물리적 성질)이 서로 영향을 주고받으며 위치가 바뀌고, 그 과정에서 에너지가 전달되는 현상을 말한다.
 연구팀은 이를 증명하기 위해 시료에 매우 짧은 간격으로 레이저를 비춰 전자와 에너지가 움직이는 과정을 추적하는 ‘펨토초 과도흡수 분광법’을 활용했다. 양자점 표면에 전자를 받으면 환원되는 메틸비올로젠 분자를 붙여 실험한 결과, 망간을 넣은 양자점은 그렇지 않은 양자점보다 전자 전달 속도가 10배 이상 빨라졌다.
 지금까지 광촉매에서 활용해 온 광유도 전자 전달은 반도체와 반응 분자 사이의 에너지 준위가 적절히 정렬되어야만 가능해 시스템 설계에 제한이 많았다. 하지만 이번 연구는 스핀 교환을 매개로 하여 기존에는 거의 불가능했던 에너지적으로 불리한 광환원 반응을 효율적으로 발생시켰다는 점에서 큰 의미를 갖는다.
 제1저자로 이번 연구를 이끈 진호 교수는 “기존에는 반도체와 반응 분자 간의 에너지 준위가 맞지 않으면 전자 전달이 에너지적으로 불리해 광환원 반응을 일으키기 어려웠다”며 “이번 연구는 스핀 교환을 통해 핫 전자의 여분 에너지를 활용하면 이러한 조건에서도 반응을 일으킬 수 있다는 새로운 광촉매 메커니즘을 입증한 것”이라고 설명했다.
 진 교수는 이어 “향후 태양광 기반의 수소 생산이나 이산화탄소 전환을 위한 차세대 고효율 광촉매 설계에 중요한 역할을 할 것”이라며 “나아가 스핀트로닉스나 양자정보소자 등 미래 양자기술 분야에서도 새로운 응용 가능성을 제시할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
 이번 연구 성과는 세계적인 권위의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 26일 자로 공개됐다.
 울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com
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