서강대·연세대 물리학 공동연구, 재료과학 국제학술지 게재

"바이엑시톤의 일반적 3차원 구조 존재 사실, 세계 최초로 증명"
태양전지·LED 효율 상승·상용화에 전환점 마련

연구 결과 모식도 (왼쪽) 고품질의 내부 표면에서만 관측되는 바이엑시톤(XXT) 모식도. (오른쪽) 공명 조건에서 빛의 세기에 따른 엑시톤-바이엑시톤의 발광 스펙트럼 변화. [서강대 제공. 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 임성호 기자 = 국내 대학 연구팀의 반도체 관련 협업연구 결과가 재료과학 분야의 세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 실렸다.

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.

공동연구팀은 반도체나 절연 물질에 빛을 쏘면 만들어지는 입자 '엑시톤'(전자-정공 쌍) 두 개가 결합한 바이엑시톤이 일반적인 3차원 구조에서도 존재한다는 것을 세계 최초로 밝혔다.

기존 학설은 바이엑시톤이 초저온·고밀도의 극한 조건에서만 나타나며, 특히 페로브스카이트(perovskite) 물질 군에서는 저차원 나노구조에서만 관측되는 것으로 설명했다.

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질은 물론 초전도 현상까지 갖는 산화물인데, 공정 단가가 낮고 에너지 전환 효율은 높아 차세대 태양전지와 발광다이오드(LED) 등 소재로 주목받고 있다.

장 교수 연구팀은 이론적 모델을 통해 3차원 구조의 페로브스카이트에서 바이엑시톤의 존재 가능성을 예측했다. 고순도의 3차원 결정면에서 온도와 빛의 세기를 조정하는 분광학 기법을 이용해 관련 개념을 실험적으로 증명했다.

이 교수팀은 X선 회절(전자빔이 원자 배열의 특정한 각도에서 강한 반사를 일으키는 현상)과 X선 광전자 분광 분석법으로 3차원 페로브스카이트 단결정을 특정 방향으로 정밀하게 자르면 원자 수준의 고품질 결정면을 확보할 수 있음을 밝혀냈다.

장 교수는 연구 결과에 관해 "바이엑시톤의 존재 여부에 근거해 물질의 품질을 원자 수준으로 판별할 수 있음을 세계 최초로 제시했다"라고 의의를 설명했다. 이 교수는 "이 물질에 기반한 태양전지 및 LED 효율 상승과 상용화를 위해서 고품질의 페로브스카이트 확보법에 대한 연구가 지속돼야 한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 개인(중견) 기초연구 지원사업으로 수행됐다.

서강대·연세대 공동 연구진 (상단 왼쪽부터) 서강대 물리학과 류홍선 석·박사 통합과정, 남서현 석사(LG 디스플레이 재직), 장준익 교수. (하단 왼쪽부터) 연세대 물리학과 박지홍 학생, 박준우 학생, 김기태 학생, 이연진 교수. [서강대 제공. 재판매 및 DB 금지]

sh@yna.co.kr

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