KAIST, 빛 에너지 가두는 '전자 대기실' 원리 찾았다

KAIST 연구진이 빛 에너지를 더 오래 붙잡아 두는 '전자 대기실'의 작동 원리를 규명해 고효율 광촉매 개발의 가능성을 열었다.

카이스트(KAIST)는 25일 화학과 김태규 교수 연구팀이 경희대학교, 가톨릭대학교, 포항가속기연구소와 공동으로 이산화티타늄 내 '산소 빈자리'가 전자를 더 오래 머물게 하는 원리를 규명했다고 밝혔다.

이산화티타늄은 빛을 받으면 화학 반응을 촉진하는 대표적인 광촉매 물질이다. 태양광을 이용한 수소 생산, 이산화탄소 전환, 오염물질 분해 등 친환경 기술 분야에서 연구되어 왔다.

광촉매가 빛을 흡수하면 전자가 에너지를 얻어 이동하며 빈자리인 '정공'을 남긴다. 이 전자와 정공이 화학 반응에 참여하기 전에 다시 결합하면 빛 에너지는 사라진다. 따라서 둘의 재결합을 최대한 늦추는 것이 중요하다.

연구팀은 일부 산소 원자가 빠져 푸른색을 띠는 '청색 이산화티타늄'에 주목했다. 이 물질의 산소 빈자리가 전자가 임시로 머무는 장소로 작용할 수 있기 때문이다.

연구팀은 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기인 '엑스선 자유전자 레이저'를 이용했다. 이를 통해 빛을 흡수한 물질 내부의 변화를 1000조분의 1초인 펨토초 단위로 관찰했다.

관찰 결과, 청색 이산화티타늄의 전자는 빛 흡수 직후 산소 빈자리로 이동해 더 안정적인 '깊은 덫 상태'에 빠지는 것으로 나타났다. 이 상태가 일종의 '전자 대기실' 역할을 해 정공과의 재결합을 지연시켰다.

전자가 깊은 덫 상태에 안착하는 데 걸리는 시간은 약 1.5나노초(10억분의 1.5초)였다. 이후 전자와 정공의 재결합은 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느리게 일어났다. 이는 빛 에너지를 더 오래 보유해 화학 반응에 활용될 기회가 늘어남을 의미한다.

김태규 교수는 "물질에서 빠진 산소 원자 자리가 단순한 결함이 아니라 전자를 더 오래 머물게 하는 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다"며 "향후 물질의 미세 구조를 제어해 빛 에너지를 더 효율적으로 활용하는 광촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구에는 카이스트 화학과 우태균 박사과정이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회지(JACS)'에 지난 9월 17일 온라인 게재됐다.