전남대 교수팀, 무기 페로브스카이트 양자점 합성기술 개발

[아시아경제 호남취재본부 김춘수 기자] 전남대학교 임원빈 교수 연구팀(신소재공학부)의 논문 ‘0차원 세슘-납-할로겐화물 페로브스카이트(perovskite) 양자점의 상 안정화’가 세계적 권위의 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF = 12.353)’ 지난 8일 자 온라인판에 게재돼 화제를 모으고 있다.

‘0차원 무기 페로브스카이트 양자점’은 최근 우수한 광여기자 특성, 강한 광발광 및 높은 여기자 결합 에너지로 인해 LED 및 방사선 검출기의 새로운 광전자 재료로 많은 연구가 진행되고 있다.

하지만 0차원 무기 페로브스카이트 양자점은 합성 시 3차원 무기 페로브스카이트 양자점이 불순물로 공존해 지금까지 순수한 0차원 무기 페로브스카이트 양자점의 광학 특성에 대한 상세한 이해에 어려움이 있었다.

또한 우수한 재료적 특성에도 불구하고 0차원 무기 페로브스카이트 양자점에 다양한 응용이 제한됐다.

이번 연구는 망간 도핑을 통해 3차원 무기 페로브스카이트 불순물의 상분율 (질량 %)을 감소시켰으며, 망간 함량을 증가시킴에 따라 100% 0차원 무기 페로브스카이트 양자점을 합성할 수 있었다.

이는 망간의 혼입으로 강화된 팔면체 변형(octahedral tilting)을 일으켜 일반적으로 발생하는 높은 대칭을 가지는 3차원 무기 페로브스카이트 양자점 불순물의 형성 방지 및 세슘-납염의 조성 변화 제어를 통해 가능했다.

망간의 혼입에 의한 광발광 양자 수율(PLQY)은 콜로이드(29%) 및 고체(21%, 분말) 형태로 얻어졌다. 이러한 성능은 0차원 무기 페로브스카이트 양자점의 고립된 팔면체 내의 국부적인 호스트 여기자 상태에서 망간으로 에너지 이동을 향상하는 강한 양자구속 효과 (quantum confinement) 및 엑시톤-포논 상호 작용에 기인하는 것을 확인했다.

임원빈 교수는 “이번 논문을 통해 0차원 무기 페로브스카이트 양자점의 구조 및 분자 거동에 대한 깊은 통찰력을 제공했으며, 향후 고성능 광전자 응용 분야에서 광 및 화학 안정성이 우수한 저 차원 페로브스카이트 양자점을 설계 할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 중견연구자사업 및 선도연구센터 지원 사업 (ERC) 지원으로 수행됐으며, 전남대학교 신소재공학부 임원빈 교수가 교신저자로, 아룬쿠마르 박사와 석사과정에 재학 중인 조한빈 연구원(석사2)이 공동 제1 저자로 참여했다.

호남취재본부 김춘수 기자 ks7664@hanmail.net