▲ [왼쪽] 자체 개발한 형광 유기분자인 DY1에서 형성된 엑시톤이 인접한 2차원 반도체 MoS₂ 단일층으로 전달되는 모식도. [오른쪽] DY1/MoS₂ 하이브리드 이종구조의 가시광 발광특성 향상과 엑시톤 수명 연장(작은 그림).

‘엑시톤(exciton)’은 전자와 홀(hole)이 정전기적 인력으로 속박되어 하나의 입자처럼 이동하는 준입자를 일컫는다. 벌크 무기물 소재에서 엑시톤 거동을 조사하려면 고품질 박막 시료와 저온 물성 측정이 필요하다. 최근 기초학문과 다양한 응용 연구에서 주목받고 있는 2차원 반도체 전이금속 칼코젠 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)은 매우 큰 엑시톤 속박 에너지를 갖기 때문에 상온 특성을 조사하는 것만으로도 엑시톤 거동 연구 수행이 가능하다. 특히, TMD 소재는 가시광 또는 근적외선 영역 빛을 흡수하고 방출하므로 엑시톤이 매개하는 빛-물질 상호 작용을 이용하여 기존 한계를 극복할 고성능 광전자 소자 연구 노력 또한 활발히 이루어지고 있다.

트랜지스터, LED, 태양전지 등 소자들은 반도체 이종구조를 형성하고 계면 에너지밴드 정렬에 따라 전하 수송과 전자-홀 재결합(recombination)을 제어하는 원리로 동작한다. TMD 소재 또한 서로 다른 물질들을 적층한 이종구조 계면에서 일어나는 전하 전달(charge transfer) 및 재결합 특성에 따라 다양한 소자를 구현하는 연구 성과들이 발표되고 있다. 이종구조 계면에서는 전하 전달 외에도 한 물질에서 생성된 엑시톤이 인접 물질로 이동하는 엑시톤 전달(exciton transfer) 또한 일어날 수 있다. 엑시톤 전달은 특정 물질에 전자와 홀을 동시에 효율적으로 주입하는 셈이므로 발광 소자 효율을 크게 개선하는 일이 가능하다. 그런데, 서로 다른 TMD 물질을 적층한 이종구조 계면에서 전하 전달 사례는 다수 보고된 바 있으나 엑시톤 전달을 관찰한 연구 결과는 드물게 보고되고 있다. 그 이유는 엑시톤 전달에 적합한 에너지밴드 정렬 구조를 갖는 type-I 이종구조 형성이 가능한 TMD 물질 조합을 찾기 어렵기 때문이다.

이화여자대학교 물리학과 김동욱 교수팀은 유기 형광 분자를 TMD에 적층한 하이브리드 이종구조에서 엑시톤 전달을 구현하는 성과를 거두었다. 본 연구팀은 TMD/유기물 이종구조를 이용하여 type-I 이종구조 제작이 가능할지 또 제작한 이종구조에서 엑시톤 전달이 나타날지를 조사하는 연구에 착수하였다. 특히, 가시광선 영역의 빛을 방출하는 소재를 대상으로 하고자 유기발광다이오드(organic light emitting diode, 이하 OLED)에 이용되는 형광 분자 중에 적절한 후보 물질을 탐색하였다. 그 결과, 청색 OLED 응용을 목적으로 최근 새롭게 개발된 DY1 분자에 주목하고 DFT (density functional theory) 계산, 광특성 측정, 주사 전자 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy) 분석 등을 수행하였다. 계산 및 실험에서 확인한 HOMO (highest occupied molecular orbital), LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지값을 바탕으로 DY1 형광 분자에서 대표적 TMD 물질인 MoS₂ 단일층으로 엑시톤 전달이 가능하리라 예상하게 되었다.

이러한 예측을 확인하기 위하여 DY1 형광 분자를 열증착 방법으로 MoS₂ 단일층 위에 박막 형태로 형성하여 DY1/MoS₂ 이종구조를 제작하였다. DY1 박막, MoS₂ 단일층, DY1/MoS₂ 이종구조의 PL (photoluminescence) 스펙트럼을 비교하니 DY1 /MoS₂ 이종구조에서 DY1 분자의 PL 세기는 현저하게 줄어든 반면, MoS₂의 PL 세기는 크게 증진됨을 발견하였다. 원인 규명을 위하여 TA (transient absorption) 스펙트럼을 이용하여 엑시톤 동역학을 조사하고, KPFM (Kelvin probe force microscopy)을 써서 두 물질 사이에서 광생성 전하 이동 여부를 조사하였다. 일련의 결과들로부터 DY1 분자에서 생성된 엑시톤들이 MoS₂ 단일층으로 이동하는 엑시톤 전달이 일어남을 입증할 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 이종구조 계면 특성 조사에 널리 쓰이는 분광학적 측정 외에도 KPFM 분석을 상호보완적으로 활용함으로써 전하 및 엑시톤 전달 과정을 규명하는 효율적 연구 방법론을 제안하기도 하였다.

유기/무기 하이브리드 이종구조는 각 소재의 장점을 이용하고 단점을 보완하는 상호 시너지를 도모할 수 있다는 관점에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 이번 연구에서는 2차원 반도체 TMD와 OLED 활용을 위해 개발된 유기 형광 분자를 적층한 이종구조에서 엑시톤 전달을 구현함으로써 엑시톤 거동에 대한 이해를 더욱 심화하고 새로운 개념의 소자 가능성을 탐색하는 또 다른 접근방안을 제시하였다는데 큰 의의가 있다.