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Research

광석계 팔방미인 페로브스카이트, 레이저로 변신!

  • 조회. 342
  • 등록일. 2020.04.27
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원, 나노막대 형태의 페로브스카이트-그래핀 합성체에서 요오드의 폴리머 사슬구조 규명
- 고품위 단색빔이 나오는 저전력 레이저 등 새로운 패러다임의 페로브스카이트 기반 레이저 광센서 등으로 활용 기대돼

 

DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원

DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원 ⓒDGIST

 

 DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원과 고려대학교 신소재공학부 김수영 교수 연구팀은 나노막대 형태로 제조된 페로브스카이트의 위아래를 그래핀으로 덮는 샌드위치 형태 구조체에서 고품위의 단색빔이 발생되는 것을 발견했다. 저전력 기반의 레이저에 대한 기초연구 성과를 응용하는 다양한 페로브스카이트 기반 레이저구조체 탄생에 기여할 것으로 기대된다. 

 처음 광물을 발견한 학자의 이름을 딴 ‘페로브스카이트’는 부도체이면서 반도체와 전도체, 그리고 초전도체의 성질도 함께 지닐 수 있는 광물이다. 이에 따라 태양전지, 조명, 레이저 등 차세대 재료로 각광받고 있다. 특히 빛을 잘 흡수해 태양전지 소재로 많은 관심을 받았다.

 기존에도 할로겐이 음이온 자리에 들어간 페로브스카이트는 광학적 특성이 우수해 광원으로 이용하려는 연구가 활발했으나 주로 필름형태로 연구됐다. 이 때, 필름형태는 제작은 용이하나 양자 홀 효과 관찰에 어려움이 있어 레이저 광원으로 활용하는데 어려움이 있었다. 

 DGIST 김현민 박사팀은 이러한 페로브스카이트를 막대형태로 만들어 얇은 그래핀으로 감싸면 레이저가 될 수 있다는 사실을 연구를 통해 발견했다. 이는 그래핀이 페로브스카이트를 습기와 열로부터 보호하는 한편 레이저의 핵심원리인 ‘광공진’을 강화시킨 데 따른 것이다. 

 김 박사팀은 먼저 양자점 형태의 나노분말을 만들고 여기에 화학반응을 일으켜 마치 씨앗이 자라나듯 페로브스카이드 나노막대가 자라나도록 해 합성효율을 높였다. 이 때, 자라난 나노막대는 위아래를 그래핀으로 덮는 샌드위치 형태로, 요오드 이온들 사이의 사슬에서 광공진이 증폭되며 단색의 빔이 발생했다.

 DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원은 “이번 연구는 그래핀을 덮어 열과 습기에 취약한 페로브스카이트의 안정성 향상과 더불어 새로운 발광현상을 발견한 연구”라며 “향후 그래핀 이외 2차원 평면구조의 물질들과의 페로브스카이트 접합구조체 제조가 시도될 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편 이번 연구는 관련 분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy)에 4월1일(수) 게재됐다.

 

 

    연구결과개요 

Graphene-mediated enhanced Raman scattering and coherent light lasing from CsPbI3 perovskite nanorods
Jung-Hye Kim, Quyet Van Le, Thang Phan Nguyen, Tae Hyung Lee, Ho Won Jang, Won Seok Yun, Soon Moon Jeong, Jae Dong Lee, Soo Young Kim, Hyun min Kim
(Nano Evergy,  published on 1 April, 2020) 


 공동연구를 통해 나노막대 형태로 제조된 알파상의 요오드화 세슘레드 (CsPbI3) 페로브스카이트를 탄소의 원자 단층 구조체인 그래핀으로 위아래를 덮는 샌드위치 형태로 만들어 그것의 라만 분광학을 연구하였다. 나노막대의 제조시 합성 효율을 극대화하기 위해 양자점 형태로 만든 알파상의 씨앗 형태의 나노분말을 먼저 만들고 거기에 부가 화학제를 첨가하여 화학반응의 시간에 따라 나노막대의 기하학적 형태가 제어될 수 있는 seed-growth 방식을 채택하였다.
 이러한 연구 도중 기존에 보고된 바 없는 고분자 형태의 요오드 체인의 구조와 자발적인 밴드갭 증폭과 막대형상의 기하학적 구조에서 나오는 패브리-페로 (Fabry-Pérot) 공진이 결합된 결맞음 형태의 레이저 빔이 발생함을 최초로 규명하였다. 지금까지 무기 페로브스카이트 나노막대에서 발생되는 레이저의 형태는 간간히 보고되고 있었지만 표면이 반데르발스 접합으로 처리된 형태에서는 이론 및 실험적으로 보고된 바가 없었다. 
 하지만 이러한 장벽은 간단한 그래핀 전사법과 합성된 알파상 나노막대 형태의 페로브스카이트의 내습성에 의해 제조된 그래핀-페로브스카이트-그래핀 샌드위치 시스템의 제조로 극복될 수 있었다. 제조과정 중 “살아남은” 알파상의 페로브스카이트 나노막대의 라만 분광학 분석 결과 그래핀을 사용하지 않으면 강한 형광신호에 의해 묻혀 버리는 요오드 폴리머 체인의 구조에 대한 진동 모드가 감지되었고 그것의 배음 (overtone) 형태의 진동모드가 2차 형태까지 감지됨을 알아낼 수 있었다.
 또한, 이러한 그래핀에 의한 화학적 증폭 효과는 그래핀에서 매우 빠른 (10-12 초 단위) 속도로 전자를 페로브스카이트에 공급하는 것을 가능하게 하였다. 그리하여 바닥상태의 정공이 소진되고 전자가 원자가띠 (conduction band)의 가장 낮은 상태에 쌓이게 되어 자발적 발광 증폭기능도 활성화될 수 있었다. 이는 최종적으로 패브리-페로 공진의 기전과 결합되어 품질인자 (Quality factor)가 1000에 달하는 결맞음 빛이 발생하는 매개체로 요오드화 세슘레드 페로브스카이트 나노막대가 이용될 수 있다는 사실을 증명할 수 있었다.   DOI : 10.1016/j.nanoen.2020.104497


 

    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
무기 페로브스카이트 나노막대에서 발생되는 레이저의 형태는 간간히 보고되고 있었지만 표면이 반데르발스 접합으로 처리된 형태는 이론적으로나 실험적으로 보고된 바가 없었다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
그래핀 이외 2차원 평면구조의 물질들과의 페로브스카이트 접합구조체 제조가 시도될 것으로 기대된다. 실용적으로 페로브스카이트 기반 저전력 레이저 구조체 탄생에 기여할 것으로 사료된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
연속파의 레이저를 이용하는 단계에서 펄스파로 전자를 여기시키는 연구와 그것의 2차 및 3차 흡수를 통해서 생성되는 레이저에 대한 연구도 흥미롭게 진행될 수 있을 것이다. 이 경우 열역학적으로 더 안정된 것으로 알려진 델타상을 이용하는 연구도 반드시 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
무기계열의 할로겐 페로브스카이트 구조체의 우수한 광학적 특성으로 1차원 형태인 막대로 제조하여 라만분광학 연구를 시작하였다. 막상 레이저 광원을 이용한 빛을 조사하니 열적 손상과 거대한 형광신호에 가려서 명확하게 페로브스카이트 소재의 분자진동 상황을 측정해 낼 수 없었다. 이에 원자 단일층 구조를 감싸고 빛에 대한 흡수상황을 변형하여 연구하게 되었다.
※ 페로브스카이트 : 페로브스카이트는 물질의 결정구조 형태를 의미하는 것으로 AMX3의 물질구성을 가지고 있음.

Q. 어떤 의미가 있는가?
그래핀을 덮는 방식으로 열과 습기에 취약한 페로브스카이트의 안정성을 향상시키는 한편 새로운 발광현상이 나타나는 것을 발견하였다.

※ 그래핀 : 탄소원자로 이뤄진 얇은 막. 탄소원자가 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층층이 쌓인 것이 흑연인데 흑연의 한 층. 
※ 패브리-페로(Fabry-Pérot) 공진 : 2개의 높은 반사율을 갖는 반사면을 정면으로 마주놓고, 고도로 축을 맞추면 일어나는 광공진. 레이저에서 보편적으로 이용됨. 

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 


 

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