빛으로부터 전기가 탄생하는 과정을 밝혀낸 실험
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-09-10 14:29:23
4분 읽기
- 엑시톤의 양자 상태를 최초로 측정
- 엑시톤은 예를 들어 태양 전지에서 빛에 의해 들뜰 때 생성
- 이번 실험을 통해 엑시톤의 크기와 시간 경과에 따른 변화를 직접적으로 관찰 할 수 있다.
반도체는 태양 전지를 비롯한 수많은 기술에 필수적인 소재다. 반도체의 핵심 기능은 빛이나 다른 에너지에 의해 여기될 때 전자 구조가 변하는 능력이다. 반도체 물질 내의 전자는 원래 위치를 떠나 양전하를 띤 정공을 생성한다. 이 정공과 전자는 쌍을 이루어 마치 새로운 독립적인 입자처럼 행동한다. 이러한 여기로 생성된 준입자, 즉 엑시톤은 태양광 발전을 통한 전기 생산과 광전자 재료의 작동에 중요한 역할을 한다.
파동 함수: 중요하지만 이해하기 어려운 특성
엑시톤의 핵심적인 특성 중 하나인 파동 함수는 지금까지 밝혀지지 않았다. 이 양자역학적 상태는 엑시톤의 크기, 파동 위상, 내부 구조 등을 설명하며, 엑시톤의 거동을 결정짓는다. 마르부르크 대학교의 마르셀 테일렌(Marcel Theilen) 교수와 그의 동료들은 "엑시톤의 출구 영역의 파동 함수는 분자 격자 내에서의 결합, 분리, 이동을 결정짓는 핵심적인 역할을 한다"고 설명했다. 하지만 지금까지는 이 파동 함수를 측정하거나 분석하는 것이 불가능했다.
이제 상황이 바뀌었다. 그라츠 대학교의 수석 저자인 페터 푸슈니히(Peter Puschnig) 교수는 "우리는 처음으로 엑시톤이 생성되는 초기 순간의 공간적 크기와 시간적 변화를 실험적으로 재구성하는 데 성공했다"고 밝혔다. 그들이 개발한 이 방법은 엑시톤의 내부 상태를 최초로 연구할 수 있게 해준다.
측정 방법:
이번 획기적인 연구의 출발 물질은 박막 태양 전지에 자주 사용되는 유기 반도체인 알파-섹시티오펜(6T)이다. 율리히 연구센터의 공동 저자인 모냐 슈테트너(Monja Stettner)는 "샘플은 특수하게 준비된 구리 표면에 증착된 막대 모양 분자 6T의 초박막 정렬 필름이다. 분자의 정확한 배열과 기판과의 분리는 엑시톤을 충분한 시간 동안 유지하는 데 매우 중요하다"고 설명했다.
실험에서 물리학자들은 먼저 빛으로 이 반도체를 여기 시켜 엑시톤을 생성했다. 그런 다음 다양한 시간 간격으로 강력한 레이저 펄스를 샘플에 조사했다. 이 펄스는 준입자에서 전자를 떼어낸다. 푸슈니히는 "전자의 에너지와 방향을 측정함으로써 이론 모델을 사용하여 양자 역학적 상태를 추론할 수 있다"고 설명했다. 이 측정 방법은 시간 분해 광전자 방출 궤도 단층 촬영(trPOT)으로 알려져 있다.
물리학자들은 강력한 레이저 펄스를 다양한 시간 간격으로 샘플에 조사했다. 이 펄스는 준입자에서 전자를 떼어낸다. 엑시톤은 크기가 변한다.
이러한 측정 덕분에 연구팀은 양자역학적 엑시톤 상태의 스냅샷을 최초로 만들어낼 수 있었다. 이 스냅샷들을 모델과 결합하여 엑시톤의 공간적, 시간적 변화를 보여주는 일종의 비디오를 제작했다.
테일렌의 동료인 지그프리드 카이디쉬(Siegfried Kaidisch)는 "우리의 모델을 통해 측정된 광전자 이미지로부터 엑시톤 파동 함수의 공간적 형태와 내부 양자역학적 위상을 직접적으로 추론할 수 있다"고 설명했다.
특히, 연구 결과는 전자-정공 쌍이 처음에는 더 먼 거리에서 연결되어 있다가 순식간에 서로 가까워지는 것을 보여주었다. 카이디쉬는 "측정 결과에 따르면 전자-정공 쌍은 형성될 때 약 세 개의 분자에 걸쳐 뻗어 있다. 약 400펨토초(1조분의 1초) 이내에 엑시톤의 반지름은 약 25% 감소한다"고 보고했다.
반도체에 대한 새로운 통찰력
물리학자들에 따르면, 그들의 방법은 엑시톤의 내부 구조를 측정하고 탐구하는 길을 열어준다. 테일렌과 그의 동료들은 "이러한 결과는 trPOT가 광범위한 분자 및 저차원 물질에서 엑시톤 파동 함수를 분석하는 데 일반적이고 실험적으로 접근 가능한 접근법임을 입증한다"고 밝혔다. 이는 유기 태양 전지 및 기타 광전 응용 분야에 적합한 재료를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
출처: Marcel Theilen (마르부르크 대학교) 외, Physical Review X, 2026; doi: 10.1103/3zmg-276c
- 엑시톤의 양자 상태를 최초로 측정
- 엑시톤은 예를 들어 태양 전지에서 빛에 의해 들뜰 때 생성
- 이번 실험을 통해 엑시톤의 크기와 시간 경과에 따른 변화를 직접적으로 관찰 할 수 있다.
빛으로부터 전기가 탄생하는 과정을 밝혀낸 실험
광전 효과 분야의 획기적인 발견:
물리학자들이 반도체에서 빛을 전기로 변환하는 데 핵심적인 역할을 하는 준입자, 즉 엑시톤의 양자 상태를 최초로 측정했다. 이러한 엑시톤은 예를 들어 태양 전지에서 빛에 의해 들뜰 때 생성된다. 이번 실험을 통해 엑시톤의 크기와 시간 경과에 따른 변화를 직접적으로 관찰할 수 있게 되었다. 이는 태양 전지 및 기타 광전자 재료의 최적화에 중요한 역할을 할 수 있다.
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| ▲ 물리학자들이 처음으로 엑시톤의 양자 파동 함수를 측정했다. 엑시톤은 반도체, 예를 들어 태양 전지에서 빛에 의해 여기되어 생성되는 준입자다. 사진: © Andreas Windischbacher/University of Graz |
반도체는 태양 전지를 비롯한 수많은 기술에 필수적인 소재다. 반도체의 핵심 기능은 빛이나 다른 에너지에 의해 여기될 때 전자 구조가 변하는 능력이다. 반도체 물질 내의 전자는 원래 위치를 떠나 양전하를 띤 정공을 생성한다. 이 정공과 전자는 쌍을 이루어 마치 새로운 독립적인 입자처럼 행동한다. 이러한 여기로 생성된 준입자, 즉 엑시톤은 태양광 발전을 통한 전기 생산과 광전자 재료의 작동에 중요한 역할을 한다.
파동 함수: 중요하지만 이해하기 어려운 특성
엑시톤의 핵심적인 특성 중 하나인 파동 함수는 지금까지 밝혀지지 않았다. 이 양자역학적 상태는 엑시톤의 크기, 파동 위상, 내부 구조 등을 설명하며, 엑시톤의 거동을 결정짓는다. 마르부르크 대학교의 마르셀 테일렌(Marcel Theilen) 교수와 그의 동료들은 "엑시톤의 출구 영역의 파동 함수는 분자 격자 내에서의 결합, 분리, 이동을 결정짓는 핵심적인 역할을 한다"고 설명했다. 하지만 지금까지는 이 파동 함수를 측정하거나 분석하는 것이 불가능했다.
이제 상황이 바뀌었다. 그라츠 대학교의 수석 저자인 페터 푸슈니히(Peter Puschnig) 교수는 "우리는 처음으로 엑시톤이 생성되는 초기 순간의 공간적 크기와 시간적 변화를 실험적으로 재구성하는 데 성공했다"고 밝혔다. 그들이 개발한 이 방법은 엑시톤의 내부 상태를 최초로 연구할 수 있게 해준다.
측정 방법:
이번 획기적인 연구의 출발 물질은 박막 태양 전지에 자주 사용되는 유기 반도체인 알파-섹시티오펜(6T)이다. 율리히 연구센터의 공동 저자인 모냐 슈테트너(Monja Stettner)는 "샘플은 특수하게 준비된 구리 표면에 증착된 막대 모양 분자 6T의 초박막 정렬 필름이다. 분자의 정확한 배열과 기판과의 분리는 엑시톤을 충분한 시간 동안 유지하는 데 매우 중요하다"고 설명했다.
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| ▲ (a) Cu(110)-(2×1)O 기판(회색: 구리 원자, 적색: 산소 원자) 위에 형성된 4개 단분자층(monolayer) 두께의 6T(황색) 구조 모델로, 분자 평면이 시료 표면에 대해 ±32° 기울어져 있다. 수직 입사 펌프 펄스(청색)와 55° 입사 p-편광 프로브 펄스(적색), 그리고 방출되는 전자의 각도 분포가 함께 표시되어 있다. (b) 6T의 화학 구조. (c) 최저 광학 허용 엑시톤 상태인 S1의 모식도로, 주된 HOMO-LUMO 전이와 부차적인 HOMO-1-LUMO+1 전이의 기여가 나타나 있다. 출처: Observing the Spatial and Temporal Evolution of Exciton Wave Functions in Organic Semiconductors / Physical Review X / Published 28 August, 2026) |
실험에서 물리학자들은 먼저 빛으로 이 반도체를 여기 시켜 엑시톤을 생성했다. 그런 다음 다양한 시간 간격으로 강력한 레이저 펄스를 샘플에 조사했다. 이 펄스는 준입자에서 전자를 떼어낸다. 푸슈니히는 "전자의 에너지와 방향을 측정함으로써 이론 모델을 사용하여 양자 역학적 상태를 추론할 수 있다"고 설명했다. 이 측정 방법은 시간 분해 광전자 방출 궤도 단층 촬영(trPOT)으로 알려져 있다.
물리학자들은 강력한 레이저 펄스를 다양한 시간 간격으로 샘플에 조사했다. 이 펄스는 준입자에서 전자를 떼어낸다. 엑시톤은 크기가 변한다.
이러한 측정 덕분에 연구팀은 양자역학적 엑시톤 상태의 스냅샷을 최초로 만들어낼 수 있었다. 이 스냅샷들을 모델과 결합하여 엑시톤의 공간적, 시간적 변화를 보여주는 일종의 비디오를 제작했다.
테일렌의 동료인 지그프리드 카이디쉬(Siegfried Kaidisch)는 "우리의 모델을 통해 측정된 광전자 이미지로부터 엑시톤 파동 함수의 공간적 형태와 내부 양자역학적 위상을 직접적으로 추론할 수 있다"고 설명했다.
특히, 연구 결과는 전자-정공 쌍이 처음에는 더 먼 거리에서 연결되어 있다가 순식간에 서로 가까워지는 것을 보여주었다. 카이디쉬는 "측정 결과에 따르면 전자-정공 쌍은 형성될 때 약 세 개의 분자에 걸쳐 뻗어 있다. 약 400펨토초(1조분의 1초) 이내에 엑시톤의 반지름은 약 25% 감소한다"고 보고했다.
반도체에 대한 새로운 통찰력
물리학자들에 따르면, 그들의 방법은 엑시톤의 내부 구조를 측정하고 탐구하는 길을 열어준다. 테일렌과 그의 동료들은 "이러한 결과는 trPOT가 광범위한 분자 및 저차원 물질에서 엑시톤 파동 함수를 분석하는 데 일반적이고 실험적으로 접근 가능한 접근법임을 입증한다"고 밝혔다. 이는 유기 태양 전지 및 기타 광전 응용 분야에 적합한 재료를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
출처: Marcel Theilen (마르부르크 대학교) 외, Physical Review X, 2026; doi: 10.1103/3zmg-276c
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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