빛이 물질에 닿는 찰나의 순간, 물질 안에서는 어떤 일이 벌어질까? 지금껏 볼 수 없었던 이 순간이, 이제는 실시간 영상처럼 펼쳐진다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장과 고려대학교 물리학과 윤태현 교수 공동연구팀은 빛에 민감하게 반응하는 페로브스카이트 나노물질의 초고속 동역학 변화를 포착하는 기술을 개발하고, 이를 통해 물질 내부에서 일어나는 극미세한 변화와 전하의 생성부터 소멸, 그리고 일시적으로 머무는 현상까지 실시간으로 추적하는 데 성공했다.

페로브스카이트는 태양전지와 LED 등 차세대 광전소자에 활용될 수 있는 꿈의 소재로 주목받고 있지만, 빛과 같은 외부 요인으로 인해 화학 물리적 특성이 변해 그 작동 메커니즘을 정확히 파악하는 데 한계가 있었다. 또한 기존 사용되는 분광 기술은 측정 시간이 길고 조사된 빛 자체가 시료에 손상을 줄 수 있어, 빛에 민감한 물질의 ‘실제 반응’을 보기 어려웠다.

이에 IBS 연구진은 자체 개발한 ‘비동기 간섭 계측형 순간 흡수 분광법(AI-TA, Asynchronous and Interferometric Transient Absorption Spectroscopy)’을 적용했다. 이 기술은 두 개의 정밀한 레이저를 이용해, 빛에 반응하는 물질의 펨토초(100조분의 1초)부터 수십 분까지 다양한 시간 범위 내에서 변화 과정을 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있다.

실험 결과, 연구진은 페로브스카이트 나노물질이 빛을 받을 때 일어나는 화학 반응과 구조 변화, 전하 이동 현상 등 복잡한 물리화학적 반응을 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 관찰했다. 또한, 페로브스카이트 나노입자가 염소가 함유된 용매(클로로포름)와 반응하며 내부 조성이 빠르게 바뀌는 과정을 실시간으로 추적했다. 이 과정에서 전자의 움직임을 좌우하는 밴드갭이 넓어지고, 들뜬 상태의 전자가 빠르게 이완되는 특성이 함께 나타나는 것을 관측했다. 이 현상은 물질의 성능과 효율을 조절하는데 중요한 단서를 제공한다.

더하여, 연구진은 나노 크기의 얇은 판 구조 물질들이 빛을 받으며 서로 뭉치는 응집 현상을 관찰했다. 이 과정에서 나노 판의 응집 정도에 따라 들뜬 상태의 에너지 손실이 어떻게 달라지는지를 정밀하게 분석함으로써, 물질의 구조 변화와 광학적 반응 간의 상관관계를 밝혀냈다.

조민행 단장은 “이제는 물질이 빛을 받을 때 ‘어떻게 반응하는가’뿐만 아니라, ‘반응 도중 어떻게 변하고 있는가’를 동시에 볼 수 있게 됐다”라며 “복잡한 나노 세계의 움직임을 실시간으로 해석할 수 있는 강력한 도구가 될 것”이라고 밝혔다.

공동 교신저자인 윤태현 교수는 “AI-TA는 주파수 영역에서 매우 정밀한 측정을 가능하게 해주는 광주파수 빗살 기술을 바탕으로 개발되었고, 더 나아가 펨토초 시간 척도에서 분자의 반응을 정확하게 관찰할 수 있는 시분해 분광 기술로 발전하고 있다”라는 전망을 제시했으며,

제1저자인 한기림 연구원은 “AI-TA는 빛을 포함한 여러 요소에 의해 변질될 수 있는 신소재 물질 및 다양한 화학물질의 동역학을 탐구할 수 있는 새로운 방법이다”라며 “이번 실험은 AI-TA의 활용 가능성을 보여준 첫 번째 시도로서 앞으로의 차세대 광전소자, 양자소자 개발 및 여러 화학 반응에 적용될 응용 연구가 더욱 크게 기대된다”라고 말했다.

연구 결과는 5월 28일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 본 연구에서 탐구한 두 가지 페로브스카이트 나노 물질의 광유도 변화
위쪽 패널은 페로브스카이트 나노크리스탈이 보이는 광유도 할로젠 치환 과정의 모식도이다. 이 과정에서 페로브스카이트 나노결정 내의 브롬(Br) 대 염소(Cl) 조성 비율이 변하게 된다. 아래 패널은 페로브스카이트 나노플레이트렛이 분산된 용액이 빛을 받으면 나노플레이트렛들이 서로 뭉치고 응집하여 고차 구조를 형성하는 과정을 보여준다. AI-TA는 이러한 변화가 초고속 순간 흡수 스펙트럼과 전하 운반체의 동역학에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀내기 위해 적용되었다.

[그림 2] 페로브스카이트 나노크리스탈의 광유도 치환 과정에서 일어나는 동역학적 변화
광주파수 빗살 팀에서는 AI-TA 기법을 이용해 클로로포름에 분산된 페로브스카이트 나노크리스탈의 시분해 순간흡수 스펙트럼을 빠른 시간 안에 얻을 수 있었고 (좌측 위), 이를 측정 시간에 따라 분석하여 핫 캐리어와 트랩 형성과 연관된 감쇠시간이 줄어드는 것을 보였고 (우측 위), 밴드갭 에너지가 점점 늘어나는 것을 보였다 (좌측 아래). 이는 측정 과정에서 브롬(Br)이 많은 나노크리스탈이 염소(Cl)가 많은 나노입자로 변하면서 일어나는 결과이다 (우측 아래).

[그림 3] 페로브스카이트 나노플레이트렛의 광유도 응집 과정에서 일어나는 동역학적 변화
약 42분 동안 AI-TA를 통해 관측한 시분해 순간흡수 스펙트럼을 관측시간에 따라 나눠서 분석하였으며 (좌측 그림), 그 결과 나노플레이트렛의 광유도 응집으로 인해 미세하게 스펙트럼과 (우측 위) 감쇠 시간이 (우측 아래) 관측 시간동안 변화하고 있음을 확인할 수 있었다.