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[IT뉴스]산소 빠진 빈자리가 '전자의 대기실'…광촉매 성능 향상 실마리 찾았다

온카뱅크관리자

2026-10-26 14:37:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div>  <strong class="summary_view" data-translation="true">보도기사</strong> 
        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="f39nfbCEut">
          <p contents-hash="ee3f2cbd43d7306bc360baa1840fdd77a563928f175d937708800279f63fee76" dmcf-pid="402L4KhD01" dmcf-ptype="general">KAIST 공동연구진, 이산화티타늄 산소 결함의 전자 포획 원리 규명<br>전자·정공 재결합 속도 약 2.5배 늦춰…고효율 광촉매 개발 기대</p>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="467b8d37a7225bab0b1d89a9376b0b6d332f392122ef73fe51bb04d08e1a97b0" dmcf-pid="8pVo89lw75" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="산소 결함으로 인해 생성된 깊은 트랩 상태에 의한 광유도 전하 재결합 지연 설명" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359448jbdf.jpg" data-org-width="600" dmcf-mid="9cwHsE9U70" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359448jbdf.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            산소 결함으로 인해 생성된 깊은 트랩 상태에 의한 광유도 전하 재결합 지연 설명
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="4d032206340a1d549f4c4e889d066df3f6ce19a8b2eda076f1f61debab4ff461" dmcf-pid="6Ufg62SruZ" dmcf-ptype="general"><br>국내 연구진이 태양광으로 수소를 생산하는 등 친환경 에너지 기술에 활용되는 광촉매 소재에서 빛 에너지를 더 오래 유지할 수 있는 원리를 밝혀냈습니다. 소재 내부에서 산소 원자가 빠진 빈자리가 전자를 붙잡아 에너지 손실을 늦추는 것으로, 향후 고효율 광촉매 개발에 활용될 것으로 기대됩니다.</p>
          <p contents-hash="3579dcc824720efca90a4a3e032de70a1d4775d28db3548db6db2be2b05d2f34" dmcf-pid="Pu4aPVvmFX" dmcf-ptype="general">KAIST는 화학과 김태규 교수 연구팀이 경희대학교 김태우 교수, 가톨릭대학교 김중한 교수, 포항가속기연구소 이재혁 박사 연구팀과 공동으로 이산화티타늄의 '산소 결함'이 전자를 안정적으로 유지하는 원리를 규명했다고 25일 밝혔습니다.</p>
          <p contents-hash="3a40d33519aed593c02f0f8e08083bb7c2f84b51772b1302d63a03a2ac40aaa7" dmcf-pid="Q78NQfTsuH" dmcf-ptype="general">◆ 산소 빠진 빈자리가 '전자의 대기실' 역할</p>
          <p contents-hash="b31a9393d1af6d733f47d90f9f40d79d96ad4055a4e5ccb75eab142effdf7f0a" dmcf-pid="xz6jx4yO0G" dmcf-ptype="general">이산화티타늄은 빛을 받으면 화학반응을 촉진하는 대표적인 광촉매 소재입니다. 태양광을 이용한 수소 생산과 이산화탄소 전환, 오염물질 분해 등 다양한 친환경 기술에 활용할 수 있어 관련 연구가 활발하게 이뤄지고 있습니다.</p>
          <p contents-hash="55e0e78af5fb92ab3f534a5aaaf70f8298bbc1560d9ad7ebd46e97c4c1cc3d52" dmcf-pid="yESpyhx20Y" dmcf-ptype="general">하지만 빛을 받은 전자가 에너지를 얻어 이동하더라도 이를 화학반응에 활용하기 전에 에너지를 잃는 문제가 있었습니다. 빛을 받은 전자가 이동하면 원래 자리에는 '정공'이라는 빈자리가 생기는데, 전자가 다시 정공과 결합하면 빛에서 얻은 에너지를 활용할 기회가 사라지기 때문입니다.</p>
          <p contents-hash="468409db0ccb5428510bc17e545efbb12dd37bc33fb074f491edf14f3bc33848" dmcf-pid="WbxkePGhuW" dmcf-ptype="general">이 같은 현상을 '재결합'이라고 하며, 광촉매의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 꼽힙니다. 연구팀은 이를 해결할 실마리로 산소 원자 일부가 빠져 푸른빛을 띠는 '블루 이산화티타늄'에 주목했습니다.</p>
          <div contents-hash="05accec3255baf7baef4c45dcca9d5c9997845f4428b1bc8eb39923e25665728" dmcf-pid="YKMEdQHlFy" dmcf-ptype="general">
           이 소재의 산소 결함은 전자가 잠시 머무를 수 있는 공간처럼 작용하지만, 그동안 전자를 어떻게 붙잡고 재결합을 늦추는지는 명확하게 규명되지 않았습니다.
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="deb4f79a4e951b97d777306d5255054bd10243cf0f9be2279246f91ef4077196" dmcf-pid="G9RDJxXSzT" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="펨토초 X-선으로 본 이산화티타늄에서의 산소 결함과 전하 수명 간 관계 규명 연구(AI 생성)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359559ijiv.jpg" data-org-width="533" dmcf-mid="2okWwAB3p3" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359559ijiv.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            펨토초 X-선으로 본 이산화티타늄에서의 산소 결함과 전하 수명 간 관계 규명 연구(AI 생성)
           </figcaption>
          </figure>
          <div contents-hash="e156a450db3d4e303454835df133c607f04c4bb56c88e07aa92e7197ba6b4a13" dmcf-pid="H2ewiMZvuv" dmcf-ptype="general">
           <div>
            <br>◆ 초고속 엑스선으로 전자 움직임 추적…재결합 2.5배 늦어져
            <br>
            <br>연구팀은 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기인 '엑스선 자유전자레이저'를 활용해 빛을 받은 소재 내부의 변화를 초고속으로 관찰했습니다. 이를 통해 1,000조분의 1초에 해당하는 펨토초 단위로 티타늄 원자 주변의 변화를 추적하고, 광학 분석과 컴퓨터 계산을 결합해 전자의 움직임을 분석했습니다.
            <br>
            <br>분석 결과 일반 이산화티타늄과 블루 이산화티타늄 모두 빛을 받은 직후 전자가 에너지 일부를 잃고 일시적으로 붙잡히는 현상이 나타났습니다.
            <br>
            <br>그러나 블루 이산화티타늄에서는 산소 결함의 영향으로 전자가 더욱 안정적으로 머무르는 '깊은 포획 상태'가 형성됐습니다. 공이 얕은 홈보다 깊은 홈에서 빠져나오기 어려운 것처럼, 전자가 쉽게 벗어나지 못하는 에너지 상태에 놓이게 된 것입니다.
            <br>
            <br>실제로 블루 이산화티타늄의 전자는 약 1.5나노초, 즉 10억 분의 1초 단위의 짧은 시간에 걸쳐 더욱 안정적인 포획 상태로 이동했습니다. 이후 전자와 정공이 다시 결합하는 속도는 일반 이산화티타늄보다 약 2.5배 느리게 나타났습니다.
            <br>
            <br>산소 결함이 일종의 '전자의 대기실' 역할을 하면서 전자가 화학반응에 참여할 수 있는 시간을 늘려줄 가능성을 확인한 것입니다. 또 전자가 붙잡히는 과정에서 주변 원자들의 배열도 함께 변화하는 것으로 나타났습니다.
            <br>
            <br>이는 산소가 빠진 빈자리뿐 아니라 주변 원자 구조의 변화도 전자를 안정적으로 유지하는 데 관여한다는 의미입니다.
           </div>
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="67ec9711519824a24c3666a2cba9b9a6de9c7228688e5d5f6717bce6e8d1ebc5" dmcf-pid="XVdrnR5TFS" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="연구진(왼쪽부터 김효주 박사과정생, 이준호 박사과정생, 오한얼 박사과정생, 우태균 박사과정생, 김태규 KAIST 화학과 교수)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359691enzv.jpg" data-org-width="600" dmcf-mid="VgmZIwV7pF" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/26/551724-22lyJQR/20261026143359691enzv.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            연구진(왼쪽부터 김효주 박사과정생, 이준호 박사과정생, 오한얼 박사과정생, 우태균 박사과정생, 김태규 KAIST 화학과 교수)
           </figcaption>
          </figure>
          <div contents-hash="f472f2dd371dc93c67df2af3c550da46ee944ce079a7ee72317cff6179337705" dmcf-pid="ZfJmLe1ypl" dmcf-ptype="general">
           <div>
            <br>◆ 태양광 수소 생산·이산화탄소 전환 기술 활용 기대
            <br>
            <br>이번 연구는 광촉매 소재 내부의 미세한 산소 결함이 빛 에너지의 손실을 늦추는 과정을 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있습니다. 특히 산소 결함의 양과 분포를 조절하면 전자가 더 오래 유지되도록 광촉매 소재를 설계할 수 있다는 가능성을 제시했습니다.
            <br>
            <br>연구팀은 이번 성과가 태양광 수소 생산을 비롯해 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하거나 오염물질을 분해하는 고효율 광촉매 개발에 기여할 것으로 기대하고 있습니다. 다만 전자가 오래 유지되는 현상이 실제 화학반응의 효율 향상으로 이어지는지는 추가 검증이 필요합니다.
            <br>
            <br>연구팀은 앞으로 안정적으로 붙잡힌 전자가 실제 화학반응에 얼마나 효과적으로 참여하는지 등을 확인하는 후속 연구가 필요하다고 설명했습니다.
           </div>
          </div>
          <p contents-hash="696b4e09441f5c18832f2ac749aca9191b0bf3f1cb6e67843e2b0aa2a8ff00e2" dmcf-pid="54isodtWuh" dmcf-ptype="general">(사진=KAIST) </p>
          <p contents-hash="2b0268d08e61cfe0a1196eecdb3a544c9c54a7ec6b9ed0b12e1786239df01dd9" dmcf-pid="1H4aPVvm7C" dmcf-ptype="general">조형준 취재 기자 | brotherjun@tjb.co.kr</p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © TJB </p>

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