연세대 이연진 교수팀, 페로브스카이트 물질 전자구조 규명

페로브스카이트의 고성능 광전특성을 규명할 열쇠, 정밀 전자구조 측정 성공
차세대 광전소자 개발 전략 및 반도체 물리 이론 확장 기대
‘ACS Nano’표지 논문으로 선정

이연진(오른쪽) 연세대 교수(교신저자)와 박지홍 학생(제1저자).

[ACS Nano 3월 12일 호 표지] 페로브스카이트 단결정을 구성하는 전자 운동 측정

연세대학교(총장 윤동섭) 물리학과 이연진·최형준 교수팀이 서울대학교 물리학과 김창영 교수팀과 공동연구를 통해 차세대 반도체로 주목받는 페로브스카이트의 전자구조를 실험적으로 규명해 학계에 보고했다.

이전까지 페로브스카이트의 전자구조를 정량적으로 이해하기 위한 노력이 있었지만, 실험과 이론을 통해 정확히 규명한 사례는 이번이 최초다. 연구 성과는 우수성을 인정받아 응집 물질 및 나노분야의 권위 있는 국제 학술지 '에이시에스 나노(ACS Nano, IF 17.1)'의 표지 논문으로 선정돼 3월 12일에 게재됐다.

페로브스카이트는 우수한 광전기적 특성과 저렴한 합성 공정의 이점이 있어 태양전지부터 디스플레이, 엑스선 검출기 등 다양한 응용 분야에서 주목받고 있는 차세대 반도체이다. 이 물질이 광전소자에서 높은 효율을 가질 수 있는 원리를 찾기 위해 지난 수년간 국내외 다수의 연구진이 노력했으나, 아직까지 명확한 해답을 찾지 못했다.

이를 규명하기 위해 이연진 교수 연구팀은 페로브스카이트의 전자구조에 주목했다. 반도체 전자구조는 물질의 고유한 광학적·전기적 성질을 결정하므로, 태양전지나 LED와 같은 광전소자의 동작을 이해하는 핵심적인 역할을 하기 때문이다.

연구팀은 고품질 페로브스카이트 단결정을 합성하고, 초고진공·극저온 환경에서 각분해 광전자 분광법을 이용해 전자구조를 직접 관찰했다. 그리고 이를 제일원리 이론 계산과 비교해 해당 물질의 전자구조 특성을 체계적으로 조사했다.

그 결과, 페로브스카이트 내의 전자가 자유전자보다 매우 작은 유효질량을 갖고, 이상적인 등방 포물면형태의 에너지-운동량 분산관계에 따라 운동함을 발견했다. 이는 실리콘 등 기존 반도체의 전자구조보다 훨씬 단순한 형태로, 페로브스카이트의 우수한 광전기적 성질을 뒷받침하는 중요한 근거로 꼽힌다.

또한 연구팀은 페로브스카이트 전자구조에서 입증이 어려워 논란이 된 '거대 표면 라쉬바 효과(Giant surface Rashba effect)'에 대한 실마리도 찾았다. 라쉬바 효과는 반전 대칭성이 깨진 고체에서 전자의 스핀이 특정한 패턴을 갖는 현상으로, 지난 10여 년간 페로브스카이트 물질 표면에서 해당 현상의 발현 여부에 대해 논쟁이 존재했다. 본 연구팀은 스핀분해 광전자 분광법을 통해 전자의 스핀 분극을 직접 측정한 결과, 해당 물질에서 라쉬바 밴드의 특성을 발견하지 못함을 규명했다.

연세대 이연진 교수는 "산업계와 학계가 주목하는 새로운 물질의 기초 물성을 결정짓는 연구는 매우 중요하다"며 "이번 연구는 아직 밝혀지지 않은 페로브스카이트 소자의 고효율 동작 원리를 이해하는 데 중요한 기반을 제공할 뿐만 아니라, 새로운 소재 발굴 전략 수립과 물리현상 발견에도 크게 기여할 것으로 기대한다."고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업(반데르발스물질연구센터) 등의 지원을 받아 수행됐다.

이상훈기자 am8523am@dt.co.kr