서강대 장준익 교수팀, 반도체 신소재 페로브스카이트에서 '이광자 공명 라만 산란' 세계 최초 관측 … 차세대 광기술 발판

서강대학교는 물리학과 장준익 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 할라이드 페로브스카이트 (PEA)₂PbI₄에서 세계 최초로 ‘이광자 공명 라만 산란(Two-photon resonant Raman scattering, TRRS)’ 현상을 관측하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

스마트폰, 카메라, LED(발광다이오드) 조명, 태양전지 등 기술의 핵심에는 ‘빛과 물질의 상호작용’이 있다. 빛을 물질에 쏘면 대부분은 튕겨 나오지만, 아주 일부는 에너지가 바뀐 상태로 나오는데 이를 라만 산란이라고 한다. 빛이 분자의 진동 에너지를 주고받으면서 색(에너지)이 살짝 바뀌는 현상이다. 라만 산란은 매우 약하지만, 빛의 에너지가 물질의 전자 상태와 딱 맞으면 라만 신호가 강해진다.

TRRS는 빛 입자인 광자 2개가 동시에 반도체 물질과 상호작용하며 ‘쌍엑시톤(biexciton)’이라는 에너지 상태를 거쳐 다시 튕겨 나오면서 라만 산란이 매우 강하게 나타나는 현상을 말한다.

기존에는 염화구리(CuCl), 브롬화구리(CuBr) 등 일부 와이드갭 반도체에서 액체 헬륨 온도(영하 269°C 수준)에 가까운 극저온에서만 TRRS 현상이 관측됐다.

연구팀은 2차원 페로브스카이트의 강한 양자적·유전적 구속 효과를 활용해 영하 183°C(약 90K), 즉 액체질소 온도 이상에서도 이 현상을 구현하는 데 세계 최초로 성공했다. 또한 연구팀은 TRRS 현상이 나타나는 조건, 즉 특정한 빛의 세기(문턱값), 온도 범위, 빛의 편광 조건을 체계적으로 규명했다.

이번 연구는 2차원 페로브스카이트가 강한 쌍엑시톤을 기반으로 한 비선형 광학 현상의 플랫폼으로 기능할 수 있음을 보여준다. 쌍엑시톤 기반 비선형 광신호 처리, 정밀 엑시톤 공명 분광, 양자 광통신과 광소자 응용 등으로 확장이 기대된다. 브롬·염소계 페로브스카이트로 소재를 전환하면 더 강한 쿨롱 결합으로 인해 더 높은 온도에서의 TRRS 구현도 가능할 것으로 전망된다.

연구팀은 단층 전이금속 디칼코게나이드 등 여타 2차원 소재로의 확장 가능성도 제시하며, 궁극적으로 상온 동작 쌍엑시톤 기반 양자 광학 소자 개발을 향한 중요한 이정표를 마련했다.

이번 연구는 빛을 훨씬 더 강하고 정밀하게 제어할 수 있는 길이 열렸다는 데 의미가 있다. 향후 차세대 디스플레이, 양자 광통신, 질병 진단 등 고감도 센서 기술 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 연세대 연구팀과 공동으로 수행했다. 연구 논문 응용물리 분야 국제 저명 학술지 ‘(Advanced Functional Materials)’에 지난 25일 게재됐다. 서강대 물리학과 신승한 석·박사통합과정, 남서현 석사가 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 개인기초연구 지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.