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[2024. 12. 31.] 연세대 양종희 교수, 2차원 페로브스카이트의 광대역 발광 메커니즘 규명 2024.12.31

신촌 홍보팀

연세대 양종희 교수, 2차원 페로브스카이트의 광대역 발광 메커니즘 규명

- 페로브스카이트 결정화 단계의 상 분리 현상에 의한 발광 특성 변화 확인 -

- 고처리량 자동화 실험을 통한 고성능 친환경 태양광, LED 소재 개발 가속화 -

양종희 화학과 교수

연세대학교 화학과 양종희 교수팀이 미국 테네시대학교 Mahshid Ahmadi 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 주석과 납을 혼합한 2차원 페로브스카이트 소재의 독특한 광대역 발광 특성(Broadband Photoluminescence Emission)에 대한 새로운 메커니즘을 제시했다.

이번 연구는 세계적 권위를 자랑하는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 18.5)’ 12월 호에 게재됐다.

페로브스카이트는 뛰어난 빛 흡수 및 방출 특성으로 차세대 태양전지와 초실감 디스플레이 같은 첨단 기술에서 주목받고 있다. 특히, 이 소재를 2차원 형태로 제작하면 기존 벌크 소재에서는 나타나지 않는 독특한 광학적 특성이 새롭게 발현된다. 하지만 소재를 구성하는 원자와 이온의 조합이 매우 복잡해, 지금까지는 이러한 광 특성의 물리적 원인을 명확히 규명하는 데 한계가 있었다.

현재까지 학계에서는 2차원 페로브스카이트의 광대역 발광 특성을 설명하기 위해 두 가지 주요 메커니즘이 제안됐다. 첫 번째는 격자를 구성하는 원자의 크기 변화에 따라 발생하는 격자의 진동(Phonon)이 광전하에 영향을 미친다는 ‘자체 트랩 엑시톤(Self-trapped exciton)’ 모델이며, 두 번째는 격자 내 결함으로 인해 산발적으로 형성된 에너지 준위가 발광 특성을 유도한다는 ‘결함 유도(Defect-induced) Stokes-shift’ 가설이다.

양종희 교수팀은 이번 연구에서 납(Pb)과 주석(Sn)을 혼합한 2차원 페로브스카이트 소재를 대상으로 고처리량 자동화 실험 시스템(high-throughput automated experiment)을 활용했다. 이를 통해 소재의 결정화 과정과 광대역 발광 특성에 대한 동역학적 이해를 통해, 실제로는 결함 유도 모델과 함께, 불안정하게 만들어진 소재가 열화돼, 각각의 결정 상(phase)로 분리되는 과정에서 새로운 에너지 준위를 형성하는 ’전하 전달(charge-transfer) 상태 형성‘이라는 새로운 메커니즘, 이 두 가지에 복합적으로 기인함을 규명했다. 이는 소재가 열화되면서 각각의 결정 상으로 분리되는 과정에서 새로운 에너지 준위를 형성하며 발광 특성을 만들어내는 현상이다.

연구팀은 또한 공간분해능 전자현미경 분석을 통해 소재의 화학적 조성에 따라 발광 메커니즘의 우세성을 예측할 수 있는 기본 원리를 제시했다. 이를 통해 차세대 광전자 소재의 발광 특성을 사용자가 원하는 대로 조정할 수 있는 맞춤형 설계 기술의 기반을 마련했다.

양종희 교수는 “최근 로봇 기술의 발달로 가능해진 고처리량 자동화 연구기법을 활용해, 단순히 우수한 특성을 가진 신소재를 빠르게 발견하는 데 그치지 않고, 화학적으로 복잡한 소재 시스템의 본질적 특성을 다차원적으로 규명할 수 있음을 보여준 연구”라고 이번 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구는 차세대 광전자 반도체 구현에 필요한 소재의 특성을 정밀하게 설계할 수 있는 기반을 제공하며, 특히 초실감 디스플레이와 같은 첨단 기술 구현을 위한 차세대 광전자 소재 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 연구팀은 앞으로도 고처리량 자동화 실험 기법을 활용해 복잡한 화학적 상관관계를 규명하는 연구를 지속할 계획이다.

붙임 1. 양종희 교수 사진 1장.

2. 논문 그림 1장. 끝.

(논문 그림 설명)

납-주석 조성에 따른 2D 페로브스카이트의 결정 구조와 에너지, 발광 메커니즘 변화 모식도

(논문 정보)

1. 논문 제목: Decoding the Broadband Emission of 2D Pb-Sn Halide Perovskites through High-Throughput Exploration

2. 논문 주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202411164

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