울산광역시 울주군 언양읍유니스트길 50 울산과학기술원 103동 415호
052) 217-5424
ohkwon@unist.ac.kr
https://femtokid.wixsite.com/ulsan-lab
핵심 기능성 소재에서 일어나는 에너지 변환 및 전달 과정에 관한 물리화학적 규명은 태양전지, 양자점 디스플레이 소자, 광촉매, 양자 정보 소자의 개발에 필수적이다. 최근 소자의 신물질 개발에 관한 연구는 물질의 순도를 향상시켜 순수한 성질을 얻어내는 균일 소재의 한계를 넘고자, 의도적으로 빈자리 격자, 구조적 결함 등을 만드는 시도들이 활발히 이루어지고 있다. 구체적으로, 페로브스카이트 태양전지의 경우 나노입자 내부와 결정 경계에 국부적으로 존재하는 빈자리(vacancy), 원자 치환(substitution), 표면 결함이 전자(electron)/ 정공(hole)의 재결합에 관여해 광전효율을 조절하거나, 구조적 결함을 통해 전자구조를 조절하여 광자 재활용, 결함 중개에 의한 전하의 수명 연장 등 소자 활용도를 극대화하고 있다. 이러한 빈자리 격자, 구조적 결함, 구조적 특이성 소자 연구를 위해 각종 정밀 분광법을 이용한 분석과 고분해능 전자현미경 분석을 수행해 왔지만, 아직 나노미터 수준에서 구조적 특이성과 전자상태 사이의 구체적인 시공간 상관관계를 실험적으로 밝힌 연구는 거의 전무하다.
이에‘구조-기능 상관관계 초고속 나노이미징 연구실’은 ①초고속 구조 동역학 및 전자상태 전이 동역학의 동시 분석을 통한 물리화학적 연구, ②구조적, 화학적 전자상태의 결함, 불균일 구조의 계면 분석, ③구조적 특이성을 활용한 양자원, 양자정보 소자 개발을 위한 초고속 나노이미징 및 분광학, ④나노 분광학, 물질파 광학, 전자 소자 개발 등의 총 4개 연구팀을 구성하였다. 본 연구실은 공동연구를 통해 0차원 양자점부터 2차원 반데르발스 구조, (준)2차원 페로브스카이트 복합체, 3차원 나노 다이아몬드까지 여러 차원의 물질에 존재하는 국부적인 결함 요소로 인한 물리적, 화학적 특성을 초고속 나노이미징을 통하여 분석하고 구조-기능 상관관계를 규명하고자 한다. 이를 바탕으로 소자 응용에 필요한 물리화학적 이론의 기틀을 마련하고 결함 제어를 통한 양자점 디스플레이 소자, 광촉매, 양자정보 소자 등 새로운 기능성 소자를 구현해 검증하고자 한다.
그림 1. 연구실 구성 개괄도.
그림 2. 연구 내용 개괄도.
Project.1 시공간-분해 구조-전자상태 상관관계 동역학 연구
물질 내 국부적 구조적 특이성에 기인한 전자상태 전이를 분석하기 위해 기존의 분광학적 측정 한계인 앙상블 형태의 관측을 뛰어넘어, 대물렌즈 시스템을 도입하여 수백 나노미터 수준의 공간선택성을 가진 초고속 흡광 현미경을 구축하였다.
그림 3. (a) 초고속 흡광현미경, (b) 초고속 전자현미경과 초고속 흡광현미경으로 관측한 시료(WS2)(척도: 2 μm), (c) 초고속 흡광현 미경의 공간분해능 측정 결과, (d) 기판지지 위치와 변형이 유도된 홀 위치에서 얻은 2차원 시분해 흡광차 지도.
높은 공간 해상도를 가진 전자현미경에 펨토초 레이저 여기-탐침 방식을 도입하여 펨토초 시간 분해능을 탑재한 3세대 초고속 전자현미경(ultrafast electron microscopy, UEM)도 이미 개발하여 초고속 구조 동역학 연구에 활용하고 있다. 구조적 특이성에 따른 물질의 발광 메커니즘 규명을 위해 음극선 발광 분광법을 최근에 초고속 전자현미경에 접목해, 자외선에서 근적외선(300-900 nm) 영역대에 이르는 피코초-분해 음극선 발광의 관측도 가능해졌다.
그림 4. (a) 초고속 투과 전자현미경, (b) 응력이 작용하는 홀 위치에서 얻은 시간에 따른 구조 변화 UEM 이미지(위)와 UEM 이미지를 통해 얻은 2차원 및 3차원 구조 변화 모식도(아래).
이를 통해 국부적 응력이 유도된 WS2 박막에‘엑시톤(exciton) 깔대기(funnel)’현상의 구조 동역학과 전자구조 동역학을 동시에 관측하였다. 앞서 최적화 과정을 거친 초고속 흡광현미경을 활용하여 WS2 물질이 광여기가 될 경우, 수백 피코초의 시간영역에 걸쳐 홀 주변 응력에 의해 홀 중앙으로 엑시톤이 이동하는 것을 시간-분해 흡광 지도를 통해 확인하였다. 또한 초고속 전자현미경을 활용하여, 광여기된 WS2 물질에, 마이크로미터 크기의 홀 바깥쪽에 파형이 발생하고 그 물결이 안쪽으로 이동하는 시간에 따른 박막의 형태 변형을 직접 촬영하였다. 연구진은 초고속 흡광현미경으로 광여기에 의한 엑시톤/전자구조 동역학을 관측하고, 초고속 전자현미경으로 광여기에 의한 구조 동역학 변화를 관측하여 전자구조 동역학과 구조 동역학이 서로 상관관계를 지님을 확인하였다. 이를 바탕으로 물질 내 전자-포논-결정격자 간 에너지 전달 메커니즘을 규명하는 연구를 진행하고 있다.
또한, 공간전하 효과(space-charge effect)를 극복해 펨토초 수준의 시간 분해능을 지닌 에너지-필터 (energy-filtered) 초고속 전자현미경법을 개발하였다. 이를 시연하기 위해 대표적인 초고속 광여기 상변이 물질인 VO2의 크기, 구조적 결함특성, 변형 정도에 따른 불균일 상변이 동역학을 광시야에서 포괄적으로 촬영하고, 국부적 특이구조와 상변이 동역학 간의 상관관계를 총체적으로 규명하고자 한다.
그림 5. (a) 에너지 필터 초고속 전자현미경의 펄스당 전자수에 따른 광전자 위상 공간 지도, (b) 그래핀 위에 놓인 VO2 나노입자의 초 고속 상전이 모식도.
Project.2. 2차원 물질의 엑시톤 동역학 연구
분자결정의 두께가 원자 또는 분자 수준으로 줄어 2차원 형태로 수렴할 때 나타나는 전자구조의 변이와 그로 인한 엑시톤 동역학의 변화를 이해하고자 하며, 이를 위해 가시광선계 파장변조 레이저를 이용한 광에너지대역 선형 및 비선형 분광법을 설계 중이다. 시분해 형광법을 이용한 실시간 엑시톤 발광 분석과 함께 순간 흡수 분광법을 이용한 바닥상태 표백(ground-state bleach), 들뜬 상태 흡수(excited-state absorption), 유도 방출 (stimulated emission) 등 여러 비발광 과정을 관찰 대상으로 삼고 있다. 연구진은 여기-탐침 방식을 결합하여 펨토초 시간 분해능과 대물렌즈 시스템을 도입하여 마이크로 크기 수준 공간 분해능을 가진 시분해 반사형 흡광 측정장치를 설계하였다. 또한 선형(linear) 분광법에 대비하여 높은 비등방성을 갖는 제2조화파 생성(second-harmonic generation)과 같은 비선형 현상을 탐침으로 이용하는 시분해 분광 방법을 개발하고 있다. 연구진은 질화붕소(hexagonal boron nitride) 결정을 기판으로 한 적층 성장법을 통해 원자 두께를 갖는 2차원 PTCDA(perylenetetracarboxylic dianhydride) 결정을 제작하고, 캡슐화(encapsulation)로 구조-보강 된 상태에서 전자 회절 패턴을 얻어 결정의 격자 구조를 해석할 수 있었다. 연구진은 저온으로 갈수록 단층 결정 에서 나타나는 Frenkel 엑시톤의 비편재화(delocalization)가 증가함을 보여 주는 초복사(superradiance) 현상을 관찰하였다. 또한, 편광 발광 분광법을 이용한 전이쌍극자 배향 측정을 통해 단층 결정에서 관찰되는 Frenkel 엑시톤과 복층 결정에서 관찰되는 전하전달 엑시톤의 혼성 현상을 체계적으로 설명할 수 있었다. 개발 중인 시분해 분광법을 이용하여 2차원 결정 내에서 일어나는 엑시톤의 이완 과정의 특수성을 규명하고자 한다.
그림 6. (a) 광에너지대역 시분해 및 비선형 광발광 분광장치 모식도, (b) 2차원 PTCDA 결정(3L)의 Frenkel 엑시톤과 전하전달 엑시 톤의 전이쌍극자 배향을 나타내는 편광 광발광 세기 그래프, (c) 결정의 두께에 따라 두 엑시톤의 전이쌍극자의 배향이 바뀜을 보여 주는 실험 결과, (d) 전이쌍극자의 회전을 설명하는 엑시톤 상태 혼성에 대한 모식도.
Project.3 물질과 입자의 상호작용 에너지 측정법 연구
2차원 물질의 굽힘 강도 측정, 2차원 물질과 기질 사이의 결합 세기 측정, 전자-포논 결합 상수 측정을 위한 수 meV의 에너지를 갖는 헬륨 원자 빔의 산란(helium atom scattering)을 이용한 연구가 주목받고 있다. 그러나 국부적인 결함이나 무아레 초격자(moire superlattice) 같은 계면적 특이성이 굽힘 강도, 전이금속 칼코젠 화합물(transition metal dichalcogenides, TMD)-기질 결합 세기, 전자-포논 결합 상수, TMD-입자 상호작용 상수에 미치는 영향에 대한 실험적으로 밝힌 연구는 없다. 기존 헬륨 원자 산란법은 넓은 면적을 헬륨 원자로 탐침하기 때문에 국부적인 결함에 대한 민감도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구진은 KB(Kirkpatrick- Baez) 소자를 도입하여 집광한 헬륨 빔으로 표면을 연구함으로써 국부적인 구조 변화로 생기는 기능 변화를 분석하고자 한다. 시판되는 광학 회절판에서 일어나는 입자의 반사율을 측정하여, 회절판의 구조, 거칠기, 곡률이 헬륨의 반사율에 미치는 영향을 연구하였다. 이전 양자 반사만으로 설명할 수 없었던 삼각 회절판으로부터 반사하는 물질파의 반사율을 다중 모서리 회절 반사로 해석 가능함을 보였다. 이와 같은 경우, 삼각 회절판의 모서리 거칠기가 반사율에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 또한, 곡률 반지름이 480 m 정도의 미세한 곡률 회전판으로 물질파 빔의 너비를 조절할 수 있음을 확인하였다. 적합한 곡률 반지름을 가지는 반사체를 고안하여 반사된 빔의 폭을 수백 nm 정도까지 줄이려는 연구를 진행 중이다.
그림 7. (a) 국소 영역 연구를 위한 헬륨 빔 집광용 KB 소자 모식도. 확대한 그림은 시판용 광학 회절판의 원자 힘 현미경 이미지, (b) 무아레 초격자의 물리학적 특징, (c) 시판용 광학 회절판의 모식도, (d) 다중 모서리 회절 반사로 설명 가능한 서로 다른 주기를 가지는 삼 각 회절판들에서 반사하는 He의 반사율, (e) 곡률 반지름이 480 m인 홀로그래픽 삼각 회절판의 높은 반사율(최대 47%)과 입사 각에 따라 달라지는 빔 너비.
Project.4 결함 구조에 따른 (준)2차원 물질 물성 분석 및 소자 응용 개발
결함 제어 소자 응용 연구를 위해 2차원 물질의 기본 물성을 분석하는 것을 목표로, 물리적으로 벌크로부터 박리된 2차원 물질을 이용하여 비휘발성 저항 메모리 소자를 제작하였다. 2차원 물질에 가한 전압에 의해 결함이 제어되어 저항 상태를 조절하고 저항 정보가 저장되는 특성을 확인할 수 있다. 특히, 비휘발성 저항 메모리의 상용화를 위해서는 동작 내구성 최적화가 필요하므로 금속 전극 종류를 나눠 제작, 측정하였다. 활성 전극의 재료에 따른 성능 비교를 위해 비활성 전극을 Au로 고정하고 활성 전극을 Ag와 Cu로 나눠 비교하였을 때, 활성 전극이 Ag일 때 40번 스위칭 된 반면, Cu일 때 19번 스위칭 된 것을 확인하였고, 결과적으로 금속 전극이 안정성에 영향을 끼침을 확인하였다. 또한, 제작한 Au/InSe/Ag 소자에서 전류주사(current sweep)를 이용한 소자의 SET, RESET 과정을 확인하였으며, 이를 통해 결함구조 개수에 따라 단계적으로 저항값을 조절하여 소자에 정보를 저장할 수 있음을 확인하였다.
(준)2차원 물질을 포함한 나노 소재에서의 응력 제어를 통한 구조-기능 특성의 변화를 관측하기 위해, 투명 구조체를 구현하였다. 투명 구조체의 경우 나노 소재의 응력 제어를 위해 마이크로, 나노 단위의 구조 제작이 필요하였으며, 폴리이미드(polyimide) 물질을 이용하여 특정 두께의 투명 나노 구조체를 제작하였다. 추가적으로 투명 나노 구조체를 투명 기판 위에 제작함으로써 광학적 분석이 가능하도록 공정을 최적화하였다. 나노 소재의 구조-기능 상관관계 분석을 위해 구조변형 물질을 투명 기판 위에 위치시키는 것이 필수적이다. 따라서, 재료에 추가적인 영향을 최소화하는 동시에 특정 구조에 위치시키기 위한 공정을 개발하여 나노 소재에 구조적 변형이 가해짐을 확인하였다.
그림 8. (a) Au/InSe/Ag 구조 비휘발성 저항 메모리 소자의 I-V curve와 (b) Endurance 특성, (c) Current sweep을 이용한 비휘 발성 소자의 SET, (d) RESET process 그래프.
울산과학기술원(UNIST) 기초연구실(BRL)
구조-기능 상관관계 초고속 나노이미징 연구실
권오훈 연구 책임자
울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수
구조-기능 상관관계 초고속 나노이미징 연구실’을 이끌고 있는 울산과학기술원(UNIST) 화학과 권오훈 교수는 피코초-분해 레이저 분광학을 이용한 화학반응 메커니즘 연구로 서울대학교 화학과 에서 박사학위를 취득하고, Caltech 즈웨일(1999년 노벨 화학상) 연구단에서 펨토화학 및 응축상 물리 연구, 2세대 초고속 전자현미경 개발, 펨토초 분해 EELS 개발, 4차원 전자 단층촬영법 및 입체촬영법 연구를 수행하였다. 그 후, 2013년에 울산과학기술원 화학과에 부임하여 국내 유일이자, 전 세계적으로 가장 강력한 성능을 지닌 초고속 전자현미경을 구축해 연구에 활용 중이며, 2020년 부터 한국표준과학연구원‘Virtual Lab’리더로서도 활동 중이다.
2022년부터 공동연구원인 류순민 교수, 조범석 교수, 김명수 교수를 포함한 박사 후 연구원 5명, 박사 과정 7명, 석사 과정 1명, 학부 과정 6명, 기타 1명 등 총 20명으로 구성된 기초 연구실 사업을 수행하고 있다. 본 연구실은 우수한 연구 몰입환경 및 연구 인프라를 토대로 구조적 특성에 의존하는 특이 동역학과 전자 상태 전이 동역학의 시공간 상관관계, 2차원 물질의 광물리, 물질파와 입자의 상호작용, 결함구조 물질의 물성 분석 및 소자 응용 개발 등에 관심을 가지고 연구를 함께 수행할 대학원생, 박사 후 연구원을 모집하고 있다.
Comments