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UNIST 신소재공학과 김진현 교수, KAIST 신소재공학과 박찬범 교수 및 네덜란드 델프트 공과대학교(TU Delft) 프랭크 홀만(Frank Hollmann) 교수 연구팀은 태양광 에너지 전환을 위한 하이브리드 신소재와 소자 설계 원리를 종합적으로 제시한 리뷰 논문을 화학 및 소재 분야 최고 권위의 세계적 학술지인 Chemical Reviews의 2026년 인공 광합성 특별호(Semi-artificial Photosynthesis)에 게재했다고 밝혔다 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5c01010).

이번 논문은 “Principles, Materials, and Devices for Solar-to-Chemical Biotransformation”이라는 제목으로, 무기물 기반의 고효율 반도체, 생체 친화적인 유기 고분자 소재뿐만 아니라 분자 광촉매까지 아우르며, 이를 산화환원 생물 촉매(효소, 미생물)와 융합해 태양광 하에서 고부가가치 화합물을 합성하는 차세대 에너지 소재 기술을 종합적으로 다루고 있다. 이러한 하이브리드 플랫폼의 성능을 극대화하기 위해, 각 소재 군이 지닌 한계를 극복하고 장점을 융합하기 위한 재료공학적 설계 전략을 심도 있게 분석했다. 무기 소재가 제공하는 뛰어난 광흡수 능력과 안정성, 공유결합 유기 골격체(covalent organic framework)나 전도성 고분자 등 유기 소재가 형성하는 연성 계면(soft interface), 그리고 전이금속 착화합물과 같은 분자 촉매에서 리간드 구조 변형을 통해 이종 소재 간의 정전기적 상호작용을 정밀하게 제어하는 전략을 어떻게 하나의 하이브리드 시스템으로 엮어낼 것인지를 원자 및 분자 단위에서 제시하였다.

또한, 본 리뷰는 광전환 시스템의 근간이 되는 열역학적 에너지 준위 정렬에 관한 심도 있는 고찰을 포함하고 있다. 빛 흡수에 따른 엑시톤(exciton)의 생성 및 거동부터 양자 터널링을 바탕으로 한 생체 촉매로의 직접적인 전자 전달(direct electron transfer)과 매개체 재활용(mediator recycling)에 이르기까지, 이종 소재 간의 산화환원 전위(redox potential) 차이가 만들어내는 열역학적 구동력과 에너지 장벽 극복 과정을 세밀하게 분석했다. 이를 바탕으로 다양한 신소재들이 어떻게 전자 흐름의 병목 현상을 해소하고 효소의 촉매 반응을 극대화할 수 있는지에 대한 통합적 설계 지침을 제시하였다.

나아가 본 리뷰는 단일 무기 촉매나 생물학적 촉매가 가지는 본질적인 한계를 이종 소재 간의 정밀한 계면 공학으로 극복하는 방안을 중점적으로 조명한다. 광촉매 표면의 정전기적 특성 제어, 다공성 전극 구조를 통한 전하 추출 가속화뿐만 아니라, 생물 촉매의 광손상을 막기 위한 코어-쉘(Core-shell) 고분자 설계, Z-scheme 인공나뭇잎 형태의 소자 구조 등 소재의 나노 및 매크로 단위 설계가 화학 에너지 전환 효율에 직접적으로 미치는 영향을 규명하였다. 이는 광활성 소재와 효소의 하이브리드화가 고효율 친환경 화학 합성의 새로운 패러다임을 열 수 있다는 관점을 제시하며, 차세대 융합 에너지 소재 연구의 새로운 이정표를 제안한다.

이번 리뷰 논문은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 우수신진연구 사업(과제번호: RS-2025-00513045)의 지원을 받아 작성됐다.