본교 물리학과·화공신소재공학과 연구팀, 신개념 광전자소자 개발 가능성 제시
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- 등록일2022.06.28
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유기 형광분자와 2차원 반도체의 새로운 하이브리드 이종구조 제시
엑시톤 전달을 이용한 반도체 에너지 전달 및 발광 특성 개선
본교 연구진이 유기 형광분자를 2차원 반도체에 적층한 하이브리드 이종구조에서 에너지 전달을 구현해 광전자소재의 발광특성을 크게 개선했다. 신개념 광전자소자 개발 가능성을 제시한 본 연구 결과는 세계적 국제학술지인 <Advanced Science(IF: 16.806, 재료과학 분야 상위 4.4%)> 6월 16일(목) 온라인판에 게재됐다.
(왼쪽부터) 유영민 교수, 김동욱 교수, 권소영 박사
물리학과 김동욱 교수와 화공신소재공학과 유영민 교수 연구팀은 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide, 이하 TMD)과 유기물 형광분자(Fluorescent Organic Molecule)로 이루어진 이종구조 계면에서 엑시톤 전달(exciton transfer)에 의한 발광 증진 효과를 발견했다.
‘엑시톤’은 들뜬 상태의 전자와 전자가 빠져나간 빈 자리에 만들어진 양공(hole)이 짝을 지어 하나의 입자처럼 이동하는 준입자를 일컫는다. 엑시톤이 매개하는 빛-물질 상호 작용에 대한 연구는 기존 한계를 극복할 고성능 광전자소자 연구에 크게 기여하고 있으며, 응집물리학은 물론 양자광학, 양자화학, 재료공학 등 다양한 학문 분야에 큰 파급력을 끼치고 있다. 하지만 지금까지는 TMD에 전자와 홀을 동시에 효율적으로 주입하는 것이 어려워 이를 기반으로 제작된 발광 소자들은 낮은 발광 효율을 보여 왔다.
자체 개발한 형광 유기분자인 DY1에서 형성된 엑시톤이 인접한 2차원 반도체 MoS2 단일층으로 전달되는 모식도 | DY1/MoS2 하이브리드 이종구조의 가시광 발광특성 향상과 엑시톤 수명 연장(작은 그림)
김동욱 교수는 대표적 TMD 물질인 MoS2 단일층 위에 유영민 교수 그룹이 OLED 개발 과정에서 확보한 DY1 형광 분자의 나노박막을 형성하여 이종구조를 제작했다. 연구팀은 광특성 측정과 주사탐침현미경을 이용한 분석을 통해 DY1 분자에서 MoS2로 엑시톤 이동에 따른 에너지 전달이 나타나고, 그 결과 MoS2의 발광특성이 크게 개선됨을 발견했다. 그동안 서로 다른 TMD 물질을 적층한 이종구조 계면에서 전하 이동 사례는 다수 보고된 바 있으나 이를 통한 에너지 전달은 어렵다고 알려져 왔다. 이번 연구를 통해 본교팀은 유기 형광분자를 TMD에 적층한 하이브리드 이종구조에서 에너지 전달을 구현해냈으며, 고성능 광전자소자 개발 가능성을 제시했다. 또한, 광학적 측정과 주사탐침현미경 분석을 상호보완적으로 활용함으로써 전하 및 에너지 전달 과정을 규명해 주목받고 있다.
제1저자인 물리학과 권소영 박사는 “학위 과정 마지막 2년여 동안 유기/무기 이종구조라는 새로운 주제를 연구하느라 크고 작은 시행착오와 많은 어려움들이 있었던 만큼, 더욱 뿌듯한 성과이며 많은 후속연구가 이루어지기를 희망한다”고 말했다.
이번 연구 성과를 담은 논문 「Exciton Transfer at Heterointerfaces of MoS2 Monolayers and Fluorescent Molecular Aggregates」는 본교 물리학과(윤석현 교수, 최태영 교수), 성균관대 기초과학연구원(김지희 교수, 김기강 교수), 충남대 물리학과(이기주 교수)와의 협력연구를 통하여 이루어졌으며, 한국연구재단(기초연구실후속지원사업, 중견연구자사업, 나노소재원천사업)과 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다. 기초연구실 후속연구 지원사업 과제를 수행 중인 김동욱, 유영민 교수가 함께 공동교신저자로 논문을 게재했다.
물리학과 김동욱(연구책임자), 이상욱, 최태영 교수와 화학신소재공학부 유영민, 이병훈 교수는 ‘엑시톤 나노구조의 양자물성 제어’를 목표로 기초연구실 지원사업(19.9-22.2)을 수행해 왔으며, 연구 우수성을 인정받아 지난 3월 ‘2022년 기초연구실 후속연구 지원사업’에 연속 선정됐다. 또한 본 연구팀은 본교의 ‘학제간 융복합 공동연구 활성화 사업’의 지원을 받아 협력 연구를 수행하고, 한국연구재단과 삼성미래기술육성센터 및 재단, HFSP(Human Frontier Science Program) 등의 사업을 수행하며 연구 수월성을 인정받고 있다.