차세대 광전자 소재에서 새로운 성능인 원적색 빛 구현
- 원적색 광원/광검출 ‧ 바이오이미지 ‧ 헬스케어 ‧ 양자정보 등 다양한 응용 기대 -
□ 국내 연구진이 차세대 광전자 소재인 페로브스카이트*와 양자점** 이종접합 구조에서 관찰되는 원적색 영역*** 빛을 분석하여 미래 반도체 및 에너지‧ 양자정보 산업 등에 응용 가능한 원리를 제시하였다.
* 페로브스카이트(perovskite) : ABX3( A:유기분자 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온) 구조를 갖는 차세대 반도체로 전하의 확산거리와 수명이 길고, 높은 양자효율을 보이는 소재.
** 양자점 (quantum-dot; QD) : 수 나노미터(머리카락 두께의 1/10,000 수준) 크기의 반도체로써 양자제한효과(quantum confinement effect)에 의해 크기에 따라 양자 에너지 준위의 변화를 통해 발광 색상이 변하는 특성을 갖는 나노소재.
*** 원적색 영역 (far-red): 광 방출 파장이 가시광선과 적외선 사이의 800 nm 대역 파장 영역.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 주진수 교수(고려대학교)와 김정용 교수(성균관대학교) 연구팀이 페로브스카이트/양자점 하이브리드 구조체를 제작하고, 가시광선과 적외선 경계인 원적색 영역에서 빛을 내는 준입자인 층간 엑시톤(interlayer exciton)*을 발견 및 광검출기 제작에 성공했다고 밝혔다.
* 층간 엑시톤 (interlayer exciton): 서로 다른 물리적 특성을 갖는 반도체 접합 경계면에 형성되는 전자-정공 쌍(electron-hole pair).
□ 광전자 소자와 양자정보시스템에서 광신호를 효율적으로 전달하려면 수명이 길고 확산거리가 먼 전자-정공 쌍, 즉 엑시톤 구현이 중요하다.
○ 기존에는 단일 반도체를 이용한 광원과 소자 개발이 추진됐지만, 최근에 2차원 전이금속-칼코게 이종접합에서 층간 엑시톤 연구가 활발하다.
□ 연구팀은 차세대 광전자 소재인 메틸암모늄 요오드화납(MAPbI3) 페로브스카이트에 도포되는 셀렌화카드뮴-황화아연(CdSe-ZnS) 양자점의 크기를 변화시키는 방법으로, 이들의 이종접합 경계면에서 원적색 영역의 새로운 광원이 될 수 있는 층간 엑시톤을 구현하였다.
○ 구현된 층간 엑시톤의 평균수명은 5.68 마이크로초(μs)로, 기존 CdSe-ZnS 양자점의 평균수명에 비해 약 7950배 증가하여 엑시톤 소자로의 응용 가능성을 보였다.
□ 또한 MAPbI3과 CdSe-ZnS-QDs 결합 물질의 빛을 분석할 수 있는 광검출기를 제작하고, 원적색 광검출도*가 양자점 도포 전과 비교해서 약 8.4 배 증가함을 관찰함으로써 성능의 우수성도 검증하였다.
* 광검출도 (photodetectivity) : 입력되는 빛 세기에 따른 전류 증가 비율.
□ 연구팀은 새로운 층간 엑시톤 구현 방법이 원적색 광원/광검출기 및 적외선을 이용하는 메디컬 분야의 소재와 소자로 응용 가능할 것으로 전망하였다. 또한 마이크로파 및 가시광선 영역의 통신과 적외선 영역 통신의 연결고리를 제공해 정보통신 기술 발전을 촉진하리란 설명이다.
□ 주진수 교수는 “이번 연구는 차세대 반도체 소재와 양자점 경계면에서 원적색 영역의 층간 엑시톤을 처음 발견한데 학술적으로 의의가 있다”라며 “연구에서 제시된 이종접합 시스템을 간단하게 구현할 수 있는 방법은 향후 다양한 이종접합 소자 설계 시 인적, 물적 자원의 최소화에 기여할 수 있을 것”이라고 기대를 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 기초과학 및 의료/생명 과학 분야 국제학술지‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 3월 20일 게재되었다.
