차세대 광전자 소재에서 새로운 성능인 원적색 빛 구현

- 원적색 광원/광검출/바이오/이미지/양자/정보 등 다양한 응용 기대

국내 연구진이 차세대 광전자 소재인 페로브스카이트1)와 양자점2) 이종접합 구조에서 관찰되는 원적색 영역3) 빛을 분석하여 미래 반도체 및 에너지/양자정보 산업 등에 응용 가능한 원리를 제시했다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 주진수 고려대학교 교수와 김정용 성균관대학교 교수 연구팀이 페로브스카이트/양자점 하이브리드 구조체를 제작하고, 가시광선과 적외선 경계인 원적색 영역에서 빛을 내는 준입자인 층간 엑시톤(interlayer exciton)4)을 발견 및 광검출기 제작에 성공했다고 3월 29일 밝혔다.
  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 구현했다. 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 광검출도5)가 양자점 도포 전과 비교해서 약 8.4 배 증가함을 관찰함으로써 성능의 우수성도 검증했다.
  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”며 “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‘Advanced Science’에 3월 20일 게재됐다.

(그림1) MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs 모식도, TEM 이미지, 에너지 밴드 구조, 광발광(PL) 및 시간 분해 PL 스펙트럼
가. MAPbI3, CdSe-ZnS-QD (왼쪽) 및 이종접합 시스템(오른쪽)의 모식도.
나. MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs 단면의 TEM 이미지. 에너지 분산 X선 분광법을 통해 아이오딘(보라색)과 카드뮴(녹색)의 성분 분포를 측정하여 이종접합 시스템의 형성을 확인.
다. MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs 이종접합 시스템의 에너지 밴드 구조. CdSe-ZnS-QDs의 전자와 MAPbI3의 정공에 의해 층간 엑시톤이 형성.
라. 저온(3 K)에서 측정한 MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs의 PL (왼쪽) 및 층간 엑시톤의 시간 분해 PL 스펙트럼(오른쪽). PL 스펙트럼의 원적색 영역에서 층간 엑시톤 신호(붉은색 점선 및 화살표)를 발견했고, 이를 이용해 시간 분해 PL 스펙트럼을 측정한 결과 평균수명이 5.68 μs임을 확인. (자료제공 : 고려대학교 김택준 박사과정)

(그림2) MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs의 영역별 후초점면 매핑 이미지, MAPbI3 기반 광검출기 모식도 및 광전류 특성
가. MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs 후초점면 매핑 이미지의 MAPbI3 영역(왼쪽)과 층간 엑시톤 영역(오른쪽) 및 상응하는 PL 스펙트럼 영역(삽입 그림). 주변부의 세기가 약할수록(녹색) 쌍극자 방향이 평면과 평행이고, 강할수록(붉은색) 수직임을 의미. 측정 결과 층간 엑시톤의 쌍극자가 MAPbI3에 비해 수직 방향임을 확인.
나. MAPbI3/CdSe-ZnS-QDs 기반 광검출기의 모식도(왼쪽) 및 광전류 특성(오른쪽). 광원 차단(검은색) 및 원적색 광원(붉은색) 조건 모두 CdSe-ZnS-QDs 도포 전(사각형 윤곽선)에 비해 도포 후(원형 붉은색 기호) 성능이 향상되었음을 확인. (자료제공: 고려대학교 김택준 박사과정)

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