낮은 광변환 효율, 엑시톤 반입자로 인한 것 밝혀내 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야 기여 기대 이황화몰리브덴 (MoS2) 는 전이금속 디칼코게나이드 화합물 (Transition metal dichalcogenide compounds, 이하 TMDC)라고 불리우는 물질군에 속하며, 흑연과 같이 판형으로 뜯어질 수 있는 격자 구조를 가지고 있다. 2000년대에 들어서 각광받게 된 신소재인 그래핀의 발견 이후로 원자 수준 두께의 신물질을 찾고자 하는 시도가 많이 있었다. 그 중 그래핀에 이어 가장 많은 주목을 받고 있는 TMDC는 그래핀이 가지지 못하는 반도체 특성과 매우 강한 광학적 성질을 가지고 있어 반도체 소자, 광전자 소자로의 응용 가능성이 기대되는 물질이다. 미래창조과학부(장관 최양희)는 “원자층 반도체에 빛을 흡수시키면 기존에 관측할 수 없었던 새로운 형태의 반입자(엑시톤 반입자)가 나타나 광변환 효율을 저하시킨다는 것이 국내 연구진을 통해 규명됐다”고 밝혔다.최현용 교수 연구팀(연세대)은 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 25일자에 게재됐다.논문의 주요 내용을 보면 이황화몰리브덴(MoS2)은 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 육각 모양으로 서로 공유결합을 이루어 판형 구조를 이루는 물질로, 밴드갭이 없는 그래핀과 다르게 1 나노미터 (10-9m) 두께의 단일 층에서도 밴드갭이 존재하기 때문에 차세대 반도체 신소재로 각광받고 있다고 기술했다. MoS2의 강력한 빛-물질 상호작용 능력은 태양 전지, 광 탐지기, 발광 소자 등의 광전자 소자로 제작했을 때 그 효율을 향상시키는데 탁월할 것으로 기대되고 있다. 또한, 원자 단위의 두께만으로도 충분히 동작이 가능하기 때문에 광전자 소자를 소형화, 경량화 시켜 몸에 붙이거나 박막처럼 만들어 사용할 수 있다.그동안 광소자 응용을 위한 많은 노력에도 불구하고 2차원 물질을 이용한 광소자 (대표적인 태양 전지)의 효율은 이론적 예상치를 크게 밑돌아 전 세계 과학자들에게 그 원인이 무엇인지 큰 골칫거리가 되고 있었다.최현용 교수 연구팀은 MoS2 단일 박막에 펨토(10-15, 단위 기호는 fs)초 레이저를 쪼이는 방식의 초고속 분광법을 이용해 광학적으로 측정 불가능했던 새로운 엑시톤 상태를 발견했다. 펨토초 레이저가 MoS2에 입사되면 엑시톤을 형성한다. MoS2의 엑시톤은 얇은 박막 환경에 의한 강한 공간적 양자 가둠 현상으로 인해 기존 실리콘이나 갈륨아슈나이드(GaAs) 반도체에서의 엑시톤보다 훨씬 안정적인 엑시톤을 만드는데, 이 엑시톤 준위와 전자 전도대 사이에 기존 전기적 및 광학적으로 관측 불가능한 새로운 엑시톤 반입자가 존재함을 발견했다.새로운 엑시톤 반입자는 수소 원자의 명명법을 따라 2p, 3p 등으로 표기되며, 본 연구를 통해 A 엑시톤의 3p 준위, B 엑시톤의 2p, 3p 준위를 발견할 수 있었고, 엑시톤 기본 준위인 1s 상태로부터 매우 짧은 피코초 시간동안 광학적으로 중적외선 에너지만큼의 전이가 가능함을 발견했다.이러한 엑시톤 반입자는 전자와 정공이 매우 강력하게 결합돼 전자들이 자유롭게 움직일 수 없게 해 빛에 의해 발생되는 광전류의 생성을 방해하는 역할을 하게 되는데, 이번 엑시톤 반입자의 발견은 MoS2가 광전자 소자로서 가지고 있던 가장 큰 문제점인 자유 전자/정공의 분리 가능성에 대한 근본적인 원인을 밝혔다. 또한 엑시톤 반입자의 구속 에너지를 정확히 측정함으로써 자유전자(즉, 광전류)를 만드는데 필요한 최소한의 에너지(0.3eV)를 실험적으로 밝혀 광변환 효율을 증가 시킬 수 있는 해결책을 제시 할 수 있게 됐다.이 연구는 그동안 꿈의 신물질이라 불리우는 그래핀에 비해 수십배의 광흡수율을 보이지만 낮은 광변환 효율을 나타낸 2차원 원자층 물질의 광학적 특성을 엑시톤 반입자라는 발견을 통해 해석했고 엑시톤 구속을 깨뜨릴 수 있는 최소 에너지값을 제시함으로써 태양 전지 등의 광소자 활용에 필요한 기본 원리를 밝혀냈다. 그 동안 학계에서는 광변환 효율이 매우 낮게 보고 됐는데, 그 원인이 무엇인지는 많은 과학자들의 의문이었다. 연구팀은 낮은 광변환 효율이 엑시톤 반입자로 인한 것임을 실험적으로 밝혀냈다.최 교수는“이번 연구는 과학계의 난제 중 하나를 풀어낸 것으로 앞으로 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.다음은 최현용 교수 연구팀과의 일문일답.-. 연구를 시작한 계기나 배경은?▲연구는 2014년부터 2년간 포항공과대학교 (POSTECH) 조문호 교수 연구팀과 공동으로 진행된 연구로서, 엑시톤 준위 관찰을 위해 화학 기상 증착법으로 합성한 MoS2가 사용됐다. 처음 MoS2의 기본 엑시톤 준위를 연구하는 동안 강한 엑시톤 현상에 대해 인식하게 됐고, 따라서 MoS2라면 다른 물질에서는 연구하기 어려웠던 엑시톤 반입자를 측정 할 수 있을 거라는 기대에 연구를 시작했다.-. 연구 전개 과정에 대한 소개▲연구 책임자는 2011년 연세대학교 부임 이래로 지난 5년간 초고속 펨토초 레이저 시스템과 분광법 측정 시스템을 구축해 왔다. 본 연구는 기존에 알려지지 않은 신소재의 엑시톤 물리 현상을 규명하기 위한 연구의 첫 걸음으로서, 향후 더욱 더 심도 있는 연구를 진행해나갈 계획이다.-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?▲새로운 엑시톤 반입자를 측정하기 위해 중적외선을 사용했는데, 중적외선과 호환되는 여러 기판이나 렌즈 등을 찾아보고 확보하는 데에 어려움이 있었다. 특히 넓은 파장 영역을 가지는 중적외선을 한 번에 측정해야 했기 때문에, 기판이나 실험 환경을 매우 정밀하게 최적화시켜야 했다. 한 예로, 광학 실험에 많이 쓰이는 사파이어 (sapphire, Al2O3) 기판은 5 마이크로 미터의 파장을 가지는 중적외선 영역에서 강한 흡수를 하기 때문에 실험 진행이 불가능했다. 그리고, 공기 중의 이산화탄소 (CO2) 또한 중적외선 영역에 강한 흡수가 있어서 온전한 데이터를 확보하는 데에 어려움이 있었다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 약간의 흡수가 있지만 전 중적외선 영역에서 90% 이상의 투과도를 가지는 불화칼슘(CaF2) 기판을 사용했고, 같은 물질로 구성한 크라이오스탯 안에서 진공 상태로 실험을 진행해서 이산화탄소로 인한 중적외선 흡수를 막았다. 결과적으로, 이러한 극복 방안은 향후 동류의 중적외선 측정 실험을 할 때에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.-. 이번 성과, 무엇이 다른가?▲MoS2 단일박막의 엑시톤에 대한 연구는 많이 이루어져 왔지만, 가장 측정이 간단한 1s 준위에 대한 관측만이 있어왔다. 본 연구는 1s 준위 뿐만 아니라, 기존에 측정할 수 없었던 엑시톤 반입자들을 초고속 광학적 분광법으로 발견했기 때문에 실제로 MoS2 단일박막 내 엑시톤을 효율적으로 분리시켜 광전자 소자로 응용할 때에 필요한 기초지식들을 제공할 수 있다.-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?▲중적외선 영역보다 에너지가 낮은 테라헤르츠 파를 이용해 MoS2 단일 박막의 엑시톤 준위를 분석하고자 한다.-. 기타 특별한 에피소드가 있었다면?▲Nature Communications지에 투고한 논문이 총 세 명의 리뷰어에게 보내졌으나, 한 명은 minor revision, 다른 두 명은 major revision을 주었다. 3개월 간의 revision을 마치고 다시 투고한 결과, 모든 리뷰어들이 만족했고, 마지막 간단한 수정으로 에디터에게 accept 싸인을 받을 수 있었다.

낮은 광변환 효율, 엑시톤 반입자로 인한 것 밝혀내

광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야 기여 기대

기사입력 2016-03-09 12:39:03

[산업일보]
이황화몰리브덴 (MoS2) 는 전이금속 디칼코게나이드 화합물 (Transition metal dichalcogenide compounds, 이하 TMDC)라고 불리우는 물질군에 속하며, 흑연과 같이 판형으로 뜯어질 수 있는 격자 구조를 가지고 있다. 2000년대에 들어서 각광받게 된 신소재인 그래핀의 발견 이후로 원자 수준 두께의 신물질을 찾고자 하는 시도가 많이 있었다. 그 중 그래핀에 이어 가장 많은 주목을 받고 있는 TMDC는 그래핀이 가지지 못하는 반도체 특성과 매우 강한 광학적 성질을 가지고 있어 반도체 소자, 광전자 소자로의 응용 가능성이 기대되는 물질이다.

MoS2의 초고속 광학적 분광법 도식(왼쪽), 연구진에 의해 발견된 MoS2 엑시톤의 새로운 에너지 준위(오른쪽)

미래창조과학부(장관 최양희)는 “원자층 반도체에 빛을 흡수시키면 기존에 관측할 수 없었던 새로운 형태의 반입자(엑시톤 반입자)가 나타나 광변환 효율을 저하시킨다는 것이 국내 연구진을 통해 규명됐다”고 밝혔다.

최현용 교수 연구팀(연세대)은 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 25일자에 게재됐다.

논문의 주요 내용을 보면 이황화몰리브덴(MoS2)은 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 육각 모양으로 서로 공유결합을 이루어 판형 구조를 이루는 물질로, 밴드갭이 없는 그래핀과 다르게 1 나노미터 (10-9m) 두께의 단일 층에서도 밴드갭이 존재하기 때문에 차세대 반도체 신소재로 각광받고 있다고 기술했다.

MoS2의 강력한 빛-물질 상호작용 능력은 태양 전지, 광 탐지기, 발광 소자 등의 광전자 소자로 제작했을 때 그 효율을 향상시키는데 탁월할 것으로 기대되고 있다. 또한, 원자 단위의 두께만으로도 충분히 동작이 가능하기 때문에 광전자 소자를 소형화, 경량화 시켜 몸에 붙이거나 박막처럼 만들어 사용할 수 있다.

그동안 광소자 응용을 위한 많은 노력에도 불구하고 2차원 물질을 이용한 광소자 (대표적인 태양 전지)의 효율은 이론적 예상치를 크게 밑돌아 전 세계 과학자들에게 그 원인이 무엇인지 큰 골칫거리가 되고 있었다.

최현용 교수 연구팀은 MoS2 단일 박막에 펨토(10-15, 단위 기호는 fs)초 레이저를 쪼이는 방식의 초고속 분광법을 이용해 광학적으로 측정 불가능했던 새로운 엑시톤 상태를 발견했다. 펨토초 레이저가 MoS2에 입사되면 엑시톤을 형성한다. MoS2의 엑시톤은 얇은 박막 환경에 의한 강한 공간적 양자 가둠 현상으로 인해 기존 실리콘이나 갈륨아슈나이드(GaAs) 반도체에서의 엑시톤보다 훨씬 안정적인 엑시톤을 만드는데, 이 엑시톤 준위와 전자 전도대 사이에 기존 전기적 및 광학적으로 관측 불가능한 새로운 엑시톤 반입자가 존재함을 발견했다.

새로운 엑시톤 반입자는 수소 원자의 명명법을 따라 2p, 3p 등으로 표기되며, 본 연구를 통해 A 엑시톤의 3p 준위, B 엑시톤의 2p, 3p 준위를 발견할 수 있었고, 엑시톤 기본 준위인 1s 상태로부터 매우 짧은 피코초 시간동안 광학적으로 중적외선 에너지만큼의 전이가 가능함을 발견했다.

이러한 엑시톤 반입자는 전자와 정공이 매우 강력하게 결합돼 전자들이 자유롭게 움직일 수 없게 해 빛에 의해 발생되는 광전류의 생성을 방해하는 역할을 하게 되는데, 이번 엑시톤 반입자의 발견은 MoS2가 광전자 소자로서 가지고 있던 가장 큰 문제점인 자유 전자/정공의 분리 가능성에 대한 근본적인 원인을 밝혔다. 또한 엑시톤 반입자의 구속 에너지를 정확히 측정함으로써 자유전자(즉, 광전류)를 만드는데 필요한 최소한의 에너지(0.3eV)를 실험적으로 밝혀 광변환 효율을 증가 시킬 수 있는 해결책을 제시 할 수 있게 됐다.
이 연구는 그동안 꿈의 신물질이라 불리우는 그래핀에 비해 수십배의 광흡수율을 보이지만 낮은 광변환 효율을 나타낸 2차원 원자층 물질의 광학적 특성을 엑시톤 반입자라는 발견을 통해 해석했고 엑시톤 구속을 깨뜨릴 수 있는 최소 에너지값을 제시함으로써 태양 전지 등의 광소자 활용에 필요한 기본 원리를 밝혀냈다.

그 동안 학계에서는 광변환 효율이 매우 낮게 보고 됐는데, 그 원인이 무엇인지는 많은 과학자들의 의문이었다. 연구팀은 낮은 광변환 효율이 엑시톤 반입자로 인한 것임을 실험적으로 밝혀냈다.

최 교수는“이번 연구는 과학계의 난제 중 하나를 풀어낸 것으로 앞으로 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

다음은 최현용 교수 연구팀과의 일문일답.

-. 연구를 시작한 계기나 배경은?
▲연구는 2014년부터 2년간 포항공과대학교 (POSTECH) 조문호 교수 연구팀과 공동으로 진행된 연구로서, 엑시톤 준위 관찰을 위해 화학 기상 증착법으로 합성한 MoS2가 사용됐다. 처음 MoS2의 기본 엑시톤 준위를 연구하는 동안 강한 엑시톤 현상에 대해 인식하게 됐고, 따라서 MoS2라면 다른 물질에서는 연구하기 어려웠던 엑시톤 반입자를 측정 할 수 있을 거라는 기대에 연구를 시작했다.

-. 연구 전개 과정에 대한 소개
▲연구 책임자는 2011년 연세대학교 부임 이래로 지난 5년간 초고속 펨토초 레이저 시스템과 분광법 측정 시스템을 구축해 왔다. 본 연구는 기존에 알려지지 않은 신소재의 엑시톤 물리 현상을 규명하기 위한 연구의 첫 걸음으로서, 향후 더욱 더 심도 있는 연구를 진행해나갈 계획이다.

-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?
▲새로운 엑시톤 반입자를 측정하기 위해 중적외선을 사용했는데, 중적외선과 호환되는 여러 기판이나 렌즈 등을 찾아보고 확보하는 데에 어려움이 있었다. 특히 넓은 파장 영역을 가지는 중적외선을 한 번에 측정해야 했기 때문에, 기판이나 실험 환경을 매우 정밀하게 최적화시켜야 했다. 한 예로, 광학 실험에 많이 쓰이는 사파이어 (sapphire, Al2O3) 기판은 5 마이크로 미터의 파장을 가지는 중적외선 영역에서 강한 흡수를 하기 때문에 실험 진행이 불가능했다. 그리고, 공기 중의 이산화탄소 (CO2) 또한 중적외선 영역에 강한 흡수가 있어서 온전한 데이터를 확보하는 데에 어려움이 있었다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 약간의 흡수가 있지만 전 중적외선 영역에서 90% 이상의 투과도를 가지는 불화칼슘(CaF2) 기판을 사용했고, 같은 물질로 구성한 크라이오스탯 안에서 진공 상태로 실험을 진행해서 이산화탄소로 인한 중적외선 흡수를 막았다. 결과적으로, 이러한 극복 방안은 향후 동류의 중적외선 측정 실험을 할 때에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

-. 이번 성과, 무엇이 다른가?
▲MoS2 단일박막의 엑시톤에 대한 연구는 많이 이루어져 왔지만, 가장 측정이 간단한 1s 준위에 대한 관측만이 있어왔다. 본 연구는 1s 준위 뿐만 아니라, 기존에 측정할 수 없었던 엑시톤 반입자들을 초고속 광학적 분광법으로 발견했기 때문에 실제로 MoS2 단일박막 내 엑시톤을 효율적으로 분리시켜 광전자 소자로 응용할 때에 필요한 기초지식들을 제공할 수 있다.

-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
▲중적외선 영역보다 에너지가 낮은 테라헤르츠 파를 이용해 MoS2 단일 박막의 엑시톤 준위를 분석하고자 한다.

-. 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
▲Nature Communications지에 투고한 논문이 총 세 명의 리뷰어에게 보내졌으나, 한 명은 minor revision, 다른 두 명은 major revision을 주었다. 3개월 간의 revision을 마치고 다시 투고한 결과, 모든 리뷰어들이 만족했고, 마지막 간단한 수정으로 에디터에게 accept 싸인을 받을 수 있었다.