서강대 물리학과 장준익·정명화 교수팀 연구, 최고 권위 美 학술지 게재

"2차원 반도체에 존재하는 암흑물질의 관측 및 주요 효과 규명"

국내 연구진의 반도체 관련 연구 결과가 화학 분야 최고 권위 학술지인 미국화학회지 JACS(Journal of the American Chemical Society)에 실렸다.

서강대 물리학과 연구팀: 최원경, 남서현, 소현경, 장준익 교수, 정명화 교수, 이상언(좌측 상단에서 시계방향으로).

서강대는 물리학과 장준익 교수 연구팀(공동 제1저자 최원경 동문, 남서현 석사과정)과 정명화 교수 연구팀(공동저자 소현경 석사과정, 이상언 석·박통합과정)의 공동연구 논문이 JACS에 게재됐다고 26일 전했다.

공동연구팀은 차세대 태양전지와 발광다이오드(LED) 발광소자로 주목받는 반도체 ‘할로겐 페로브스카이트’ 내부의 비발광 엑시톤(dark exciton)의 존재와 효과를 규명했다.

정명화 교수팀은 자성 원소가 치환된 고품질의 2차원 할로겐 페로브스카이트(2D 할로겐 페로브스카이트) 제작 및 기본특성 분석을 수행하였고, 장준익 교수팀은 ‘정밀 광 발광 분광학(precision photoluminescence spectroscopy)’ 기법을 이용하여 할로겐 페로브스카이트 단결정 내부에서 일어나는 바이엑시톤(biexciton) 형성 및 붕괴 과정을 입사광의 편광, 세기 및 물질의 온도의 함수로 정밀 측정 및 분석하였다.

페로브스카이트는 유기 양이온(A), 금속 양이온(B), 할로겐 음이온(X)이라고 부르는 세 가지 성분이 1:1:3의 비율로, 육면체나 팔면체 같은 특정한 격자 구조를 이루고 있는 물질 종류를 말한다. 할로겐 페로브스카이트는 차세대 태양전지 및 LED 발광소자로 전 세계적으로 주목받고 있는 반도체다.

엑시톤은 전자와 정공이 결합한 입자로, 반도체나 절연 물질에 빛을 쏘면 만들어진다. 붕괴할 때 빛을 내면서 LED가 작동하게 한다. 엑시톤의 전자와 양공 스핀이 반대로 결합하면 ‘비발광 엑시톤’이 된다. 빛과 상호작용을 하지 않아 반도체 내부의 ‘암흑물질’(dark matter) 입자로 불린다.

지금까지는 엑시톤 두 개가 결합해야 ‘바이엑시톤’이 되는 것으로 알려져 왔는데, 연구팀은 엑시톤이 아닌 비발광 엑시톤의 결합으로 바이엑시톤이 생성됨을 증명했다.

장준익 교수는 “할로겐 페로브스카이트뿐만 아니라 모든 반도체 내에서 일어나는 바이엑시톤 생성 원리에 대한 기초과학적 지식을 정립했고, 비발광 엑시톤이 전혀 관측되지 않는 물질에서도 바이엑시톤 결합에 비발광 엑시톤이 영향을 직접 준다는 것을 증명했다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구에는 서강대 연구원들만 참여했으며 한국연구재단의 기초연구 지원을 받았다고 서강대는 전했다.

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -