국민대는 김영훈 국민대 과학기술대학 응용화학부 나노소재 전공 교수와 김지건 연구원, 고민재 한양대 화학공학과 교수 연구팀이 최근 SCI 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'에 연구 논문을 게재했다고 7일 밝혔다.
이 학술지는 복합 재료 분야의 최신 연구를 다루는 국제학술지다. 피인용지수(IF, Impact Factor)는 23.2이고 해당 분야에서 저널인용보고서(JCR, Journal Citation Reports) 등급 상위 2.9%에 속한다. 논문 제목은 'SN2-mediated decoupled precursor provision enables large-scale production of monodisperse lead halide perovskite quantum dots in a single reactor'이다.
페로브스카이트 나노결정은 우수한 발광 효율, 넓은 색역, 높은 색순도 등 우수한 광물리적 특성을 지녔다. 차세대 디스플레이 및 광전자 소자에서 기존의 무기 반도체 양자점 및 유기 발광체를 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다.
그러나 기존의 전구체 주입 방식 기반 합성법은 이온결합성의 PbX2 전구체를 사용하기 때문에 합성 과정에서 [PbX6]4- 팔면체 구조의 골격이 미리 형성된다. 때문에 핵생성과 결정 성장의 정밀한 조절이 제한된다.
특히 전구체 주입 단계에서 발생하는 온도 및 농도 구배 등 합성적 변수들로 인해 대량 생산 시 균일성이 현저하게 저하된다. 고품질 및 고균일의 페로브스카이트 나노결정을 안정적으로 제조하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전구체 변환 반응 기반의 비주입(non-injection) 합성법을 개발했다. 공유결합성 전구체를 할라이드 반응물로 변환하는 이분자성 친핵성 치환(Bimolecular nucleophilic substitution) 반응을 활용해 페로브스카이트 나노결정의 핵생성과 결정 성장을 정밀하게 조절했다.
친핵성 치환 반응을 이용한 전구체 변환 방식을 통해 합성적 변수의 영향을 최소화하고 크기 및 형태의 균일성을 극대화할 수 있었다. 기존의 주입 방식 합성법에서 발생하는 핵생성 조절 문제와 페로브스카이트 나노결정의 낮은 형성 에너지로 인해 불균형한 결정 성장 문제도 해결했다.
제안된 친핵성 치환 반응 기반의 합성법은 기존의 주입 방식과 비교해 페로브스카이트 나노결정의 크기 및 차원적 균일성을 향상시킨다. 그뿐만 아니라 보다 높은 광발광 양자 효율과 단일 양자점 수준의 좁은 발광 반치폭을 구현했다.
특히 다양한 실시간 분광학 및 결정학적 분석 기법을 활용해 핵생성과 결정 성장 과정의 정밀한 조절을 실험적으로 확인했다. 이 방법을 통해 적색, 녹색, 청색 발광을 갖는 고균일 페로브스카이트 나노결정의 대량 합성이 가능함을 입증했다.
정승은 기자 evelin@etnews.com
