[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트1) 양자점2)은 차세대 디스플레이 및 태양발전 소자로 큰 각광을 받고 있다. 페로브스카이트 양자점을 기반으로한 소자의 효율 및 성능을 높이기 위해서는 다양한 방법이 사용되는데 그 중에 대표적인 것이 변형률 제어 (strain-engineering)이다. 하지만 기존의 방식으로는 단일 양자점에서의 변형률 제어는 불가능하여 단일 양자점 자체의 물리적 특성을 이해하는데 어려움이 있었다. 또 변형을 줌으로써 양자점의 품질저하로 효율이 떨어지는 문제점도 있었다. 단일 양자점 수준의 변형률 제어 해상도 및 변형률 제어법을 통해 양자점 기반 소자의 성능을 높이면서 효율 또한 유지하거나 더 나아가 증폭시키는 기술 개발은 큰 과제로 남아있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 탐침증강 광발광 나노현미경3) 기술에서 쓰이는 원자 힘 탐침을 물리적 압력매체로 사용하여 10나노미터(nm) 크기의 단일 페로브스카이트 양자점을 약 15나노미터의 초고분해능으로 탐지하고 이의 특성을 가역적으로 제어하였다. 탐침증강 광발광 나노현미경은 빛의 회절한계4)를 뛰어넘어 수 나노미터의 분해능으로 시료를 관찰함과 동시에 시료에 자극을 줄 수 있는 자체 기술이다.

연구팀은 탐침증강 광발광 나노현미경을 변형해 탐침이 시료에 기가파스칼(GPa)의 수준의 압력을 가해도록 했다. 10 나노미터 크기의 페로브스카이트 양자점을 직접 탐지하여 원자힘 탐침을 단일 양자점 위에 위치시키고, 원자힘 탐침을 압전소자와 연결하여 수 나노미터의 정밀도로 단일 양자점에 매우 높은 압력을 가하는 방식이다. 금 (Au) 탐침과 양자점이 올려진 금 (Au) 표면사이에 형성되는 플라즈모닉 나노광학공진기(Plasmonic cavity)5)에 의한 퍼셀효과6)로 페로브스카이트 양자점의 광발광 양자수율(밝기)7)이 10만 배 증가됐다. 또, ~60 meV 까지의 광발광 에너지 변화(파장변화)를 가역적으로 변화시키면서 관찰하고 분석하였다.

더 나아가 나노수준의 작은 면적에서 나오는 이점을 이용하여 작은 힘으로 기가파스칼 (GPa) 수준의 압력을 나노수준 영역에서 유도할 수 있었고 이를 통해 원하는 영역에 양자점 결합 (Quantum dot coupling)을 자유자재로 형성시키는 방법 또한 제시하였다.

3. 기대효과

이번에 제시된 새로운 변형률 제어법을 통해 단일 양자점의 광학적, 물리적 특성을 깊이 이해하고, 양자점 기반의 차세대 나노 광전자 소자의 광학적, 전기적 특성을 제어하는 실현가능한 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가, 현재 페로브스카이트가 활발히 응용되고 있는 양자점 디스플레이 및 태양전지 분야에서 성능 및 효율을 발전시키는데 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1. 페로브스카이트 (Perovskite)

페로브스카이트는 티탄산 칼슘으로 이루어진 칼슘 타이타늄 산화광물이다. 이것의 이름을 빌려서 CaTiO₃ 와 같은 형식의 결정 구조로 이루어진 것을 페로브스카이트 구조로 분류한다. 여러 다른 양이온이 이 구조에 들어갈 수 있어서 다양한 재료 공학 물질로의 개발이 가능하다.

2. 양자점(quantum dot)

수 나노미터 수준으로 작은 반도체 입자. 입자의 크기에 따라 양자점이 광발출하는 색상이 달라진다. 빛에 의해 자극받아 스스로 빛을 내는 광방출(광발광)은 현상이 나타난다.

3. 빛의 회절한계 (diffraction limit)

빛의 회절효과에 의해 광학계가 상을 맺을 수 있는 결상능력의 한계를 칭하는 것으로, 관찰하고자 하는 사물의 물리적 크기가 빛 파장에 비해 작을 경우에는 회절한계에 의해 광학적 이미징이 어려움.

4. 탐침증강 광발광 나노현미경 (tip-enhanced photoluminescence spectroscopy)

플라즈몬 현상에 의해 금으로 제작된 탐침 끝에서 빛의 나노광학 안테나 효과가 일어나며, 이를 이용해 시료의 광발광을 증강시키는 방식의 나노분광현미경을 말함. 플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말함. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 함.

5. 플라즈모닉 나노광학공진기

플라즈모닉 나노구조로 제작한 광 공진기(optical resonator)를 말한다. 빛을 공진기에 가둬 증폭할 수 있다.

6. 퍼셀 효과 (Purcell effect)

발광 분자가 공진기 내에 위치했을 때 자발 방출률이 증가하는 효과를 말한다.   

7. 발광 양자수율 (photoluminescence quantum yield)

발광은 물질이 빛에 의해 자극 받아 스스로 빛을 내는 현상을 말하며, 양자수율은 광화학 반응에서 실제로 화학 변화를 일으킨 분자 수와 흡수된 광양자 수의 비를 의미함.

[붙임] 그림설명

그림1. 탐침증강 광발광 나노현미경을 이용한 페로브스카이트 양자점 변형률 제어 묘사한 그림. 금 박막에 위치한 약 10나노 크기 단일 페로브스카이트 양자점을 0.2나노 크기의 금 탐침을 이용해 효율 증폭 및 변형률 제어를 하고 있다.

그림2. 발광에너지 및 세기 변화 분석 (a) 실험적으로 관찰한 페로브스카이트 단일 양자점의 발광에너지 및 효율 제어 스펙트럼. (b) 이를 기반으로 탐침으로 가한 압력에 따라 변화하는 발광에너지 및 세기를 나타낸 그래프. X축이 파장 변화를 나타낸다. 또 빛의 세기를 나타는 강도(그래프색깔의 밝기가 밝음)가 강해짐을 볼 수 있다.