IBS, 나노물질 초고속 동역학 변화 포착 기술 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 나노물질이 빛에 반응하는 찰나의 모습을 포착했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장이 고려대학교 연구팀과 빛에 민감하게 반응하는 페로브스카이트 나노물질의 초고속 동역학 변화를 포착하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 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. 또 기존 사용되는 분광 기술은 측정 시간이 길고 조사된 빛 자체가 시료에 손상을 줄 수 있어, 빛에 민감한 물질의 ‘실제 반응’을 보기 어려웠다.

이에 연구진은 자체 개발한 ‘비동기 간섭 계측형 순간 흡수 분광법(AI-TA)’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.

그 결과 연구진은 페로브스카이트 나노물질이 빛을 받을 때 일어나는 화학 반응과 구조 변화, 전하 이동 현상 등 복잡한 물리화학적 반응을 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 관찰했다.

아울러 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.

나아가 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”며 “복잡한 나노 세계의 움직임을 실시간으로 해석할 수 있는 강력한 도구가 될 것”이라고 설명했다.