세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 게재
"바이엑시톤의 일반적 3차원 구조 존재, 세계 최초 증명"
태양전지·LED 효율 상승·상용화 위한 연구
"바이엑시톤의 일반적 3차원 구조 존재, 세계 최초 증명"
태양전지·LED 효율 상승·상용화 위한 연구
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서강대는 물리학과 장준익 교수 연구팀(제1저자 류홍선 석·박 통합과정, 공동저자 남서현 석사)과 연세대 물리학과 이연진 교수 연구팀(박지홍·박준우·김기태 학생)의 공동연구 논문이 이 학회지에 온라인 게재됐다고 28일 밝혔다. 연구는 한국연구재단의 개인(중견) 기초연구 지원사업으로 수행됐다.
공동연구팀은 반도체나 절연 물질에 빛을 쏘면 만들어지는 입자 ‘엑시톤’(전자-정공 쌍) 두 개가 결합한 바이엑시톤이 일반적인 3차원 구조에서도 존재한다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다. 일반적으로 페로브스카이트의 바이엑시톤은 양자가둠효과가 강하게 발현되는 저차원 구조에서만 한정되어 존재하는 것이 기존 학설이다.
수소 원자 2개가 결합하여 수소 분자를 이루듯이, 2개의 엑시톤이 서로 결합하면 바이엑시톤을 형성할 수 있다. 바이엑시톤은 반도체의 분광학적 초미세 구조 연구, 스핀 소자 및 양자 광원에 응용 가능성이 있기 때문에 매우 중요하다.
페로브스카이트는 차세대 태양전지 및 LED 발광소자로 전 세계적으로 주목받고 있는 반도체이며, 저렴한 액상법을 이용해서 성장할 수 있다. 그러나 액상법으로 제작한 페로브스카이트 단결정의 표면은 다양한 격자 결함을 가지고 있고, 이는 페로브스카이트 기반 광소자의 효율을 저하시킬 수 있는 치명적인 요인이 된다.
장 교수 연구팀은 바이엑시톤의 존재 가능성을 이론적 모델을 통해 예측했다. 고순도의 3차원 결정면에서 온도와 빛의 세기에 따른 분광학 기법을 이용하여 바이엑시톤의 존재를 실험적으로 증명했다. 또한 공명 2광자 흡수법을 이용하여 바이엑시톤의 정확한 내부에너지를 결정했다.
이 교수팀은 3차원 페로브스카이트 단결정을 특정 방향으로 정밀하게 자르면 원자 수준의 고품질 결정면을 확보할 수 있음을 X선 회절(전자빔이 원자 배열의 특정한 각도에서 강한 반사를 일으키는 현상)과 X선 광전자 분광법을 통해 밝혔다.
장 교수는 “바이엑시톤의 존재 여부에 근거해 물질의 품질을 원자 수준으로 판별할 수 있음을 세계 최초로 제시했다”라고 연구 의의를 설명했다. 이 교수는 “이 물질에 기반한 태양전지 및 LED 효율 상승과 상용화를 위해서 고품질의 페로브스카이트 확보법에 대한 연구가 지속돼야 한다”고 밝혔다.
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