광메카트로닉스공학과 김광석 교수와 홍석원 교수가 영국 옥스퍼드대학 클라랜든 연구소 로버트 테일러 교수와의 국제공동연구를 통해 ‘페로브스카이트 나노종이’ 기반의 광증폭(light amplification·光增幅) 현상을 분석해 2차원 구조의 새로운 광학적 응용 가능성을 제시했다. ‘페로브스카이트 나노종이’를 이용한 레이저 개발에 성공한 것이다.
연구팀은 페로브스카이트 나노종이가 지닌 레이저 매질(광자를 생성·증폭하는 역할을 하는 물질)로서의 장점을 ‘기초 광물성’과 ‘실용 광소자’라는 두 측면에서 입증했다.
이번 연구에서 레이저 매질로 사용된 ‘페로브스카이트 나노종이’는 CsPbBr₃라는 무기 페로브스카이트 계열의 물질로 만들어진 2차원 구조로, 가로나 세로의 길이가 수백 나노미터인 것에 비해 두께는 수 나노미터를 지니고 있어 종이의 모습을 떠올리게 한다.
‘페로브스카이트’ 물질은 주로 태양전지 분야에서 많은 연구가 진행되고 있으나, 최근에는 페로브스카이트 물질을 기반으로 다양한 차원의 나노구조물이 제작되고 있다.
최근 많은 주목을 받는 수 나노미터 크기의 아주 작은 구슬이나 상자의 모습을 지닌 페로브스카이트 양자점은 의외로 태양전지가 아닌 레이저 매질로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 0차원 구조의 양자점에는 레이저 발진 효율을 제한하는 여러 가지 근원적 원리들이 여전히 존재한다.
반면, 2차원에 해당하는 나노종이 속 전자들은 수직적 속박과 수평적 자유가 공존하고 있어서, 0차원 구조의 양자점이 지닌 효율 제한의 근원적 문제점으로부터 상대적으로 자유로울 수 있다. 부산대 국제공동연구단은 2차원 구조가 지닌 이러한 특성을 활용할 경우, 레이저 발진이 시작되는 문턱을 낮출 수 있다는 사실을 실험적으로 확인했다.
또한, 연구팀은 ‘실용 광소자’ 개발의 측면에서 레이저 매질의 증폭 특성을 다차원적으로 분석할 수 있는 새로운 방법을 도입했다. 레이저 매질의 광증폭 정도는 광학적 이득(gain)을 통해 가늠할 수 있는데, 이번 연구에서는 나노종이의 광학적 이득의 포화 특성을 여기(excitation, 전자가 에너지를 흡수해 기존 상태보다 들뜬 상태) 세기, 온도에 따라 분석해 광증폭 효율 원인을 다각도로 파악할 수 있도록 했다.
나아가 도파관(waveguide) 구조의 광학적 구속효과를 통해 나노종이 레이저 발진의 안정성과 효율 향상을 확인함으로써 나노종이가 지닌 ‘실용 광소자’로서의 가치를 보였다.
【 교신저자: 왼쪽부터 김광석 교수, 홍석원 교수 】
김광석 교수와 홍석원 교수는 이번 연구는 ‘페로브스카이트 물질’과 ‘2차원 물질’의 특성을 모두 지닌 ‘페로브스카이트 나노종이’의 새로운 가치를 발견한 측면에서 의미가 있으며, 나노구조를 기반으로 하는 실용 레이저 개발에 많은 영감을 줄 수 있기를 기대한다고 말했다.
이번 연구결과는 『네이처(Nature)』 자매지인 『Light: Science & Applications』에 2023년 11월 24일 게재됐다.
- 논문 제목: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation(도파관 패턴을 통한 페로브스카이트 나노종이의 이득향상: 이득 포화의 여기세기와 온도의존성)
- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-023-01313-0
이번 연구를 수행한 부산대 국제공동연구단(단장 김광석)은 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 BrainLink사업으로 운영되고 있으며, 다양한 유/무기/생체 나노소재를 기반으로 나노포토닉스 분야에서 국제적 경쟁력을 지닌 집단공동연구 네트워크를 구축해 공동연구를 진행 중이다.
* 상단 연구 이미지: 레이저 매질에서 발생하는 광증폭은 광학적 이득(gain)을 통해 분석되며, 도파관 구조의 광학적 구속효과를 통해 보다 향상될 수 있다. 페로브스카이트 나노종이는 레이저 매질로서 다양한 장점을 가지고 있다.
[Abstract]
The joint research team of Pusan National University(Professors Kwangseuk Kyhm and Seokwon Hong Department of Optics and Cogno Mechatronics Engineering) and Oxford University(Professor Robert Taylor) reported the light amplification phenomenon based on ‘perovskite nanopaper' and presented the possibility of a new optical applications by using two-dimensional structures.
In their work, the light amplification phenomenon was studied in terms of optical gain enhancement in a two-dimensional CsPbBr₃ nanosheets guided by a patterned structure of polyurethane-acrylate. The research team obtained spectrum energy and stripe length dependent gain contour and average gain, and analysed gain saturation phenomenon. Consequently, they demonstrated the advantages of perovskite nano paper as a laser medium that generates and amplifies photons in two aspects: ‘basic optical property' and ’practical optical device'.
* Reference
- Authors (Department of Opto & Cogno Mechatronics Engineering, Pusan National University)
· First Authors: Inhong Kim, Ga Eul Choi, Ming Mei
· Corresponding Authors: Suck Won Hong, Kwangseuk Kyhm
- Title of original paper: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation
- Journal: Light: Science & Applications