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지난호





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PHYSICS PLAZA

새로운 연구결과 소개

등록일 : 2020-12-02 ㅣ 조회수 : 687

Hybridisation of Perovskite Nanocrystals with Organic Molecules for Highly Efficient Liquid Scintillators


조상은, 김성우, 김종민, 조용철, 류일환, 홍성수, 이재준, 차승남, 남은비, 이상욱, 노삼규, 김형상, 곽정원, 임현식, Light: Science & Applications 9, 156 (2020).


방사선 및 엑스레이 영상 검사 기술은 숨겨져 있는 사물을 볼 수 있는 기술로써 관련 기기 개발의 필요성이 꾸준히 증가하고 있다. 그 중에서도 섬광체(신틸레이터)는 영상 검사기기의 핵심 부분으로써 고에너지 방사선 및 엑스레이를 가시광선으로 변환하는 형광체이다. 현재까지도 섬광체를 이루고 있는 물질과 공정과정은 제한적이고 해외 의존성이 강해 가격이 높으며 국내 개발에 의한 독자적인 원천기술 확보 연구가 절실히 필요한 상황이다.


섬광체 종류는 무기 화합물, 유기화합물, 액체, 기체, 고체 등으로 분류할 수 있으며 가장 잘 알려진 섬광체로는 CsI(Tl), GOS, NaI(Tl) 등의 고체 섬광체가 있다. 이들 물질은 밀도가 높기 때문에 방사선에 대한 검출 효율은 좋지만 특수 목적에 사용되는 굴곡진 부분의 측정이 어렵고, 고에너지에서의 안정성에 대한 문제가 있다. 최근 이를 대체할 물질로써 무기 페로브스카이트 나노크리스탈이 주목받고 있다. 페로브스카이트 나노크리스탈은 유기아민과 카르복실기 리간드가 약하게 결합함으로써 나노크리스탈 결정 사이즈가 조절 가능하며 높은 발광효율을 가지고 있을 뿐만 아니라 세슘, 납을 포함한 무거운 원소로 구성되어있기 때문에 방사선에서 사용할 수 있는 발광 섬광체 물질로 적합하다는 평가를 받고 있고 이를 이용한 신틸레이터에 대한 많은 연구가 활발히 진행되어지고 있다. 하지만 페로브스카이트 나노크리스탈만을 이용하여 엑스선을 흡수하기엔 상용화된 CsI같은 신틸레이터를 대체하기에 한계가 있다.


조상은, 임현식-김형상 교수 연구팀은 유-무기 나노 하이브리드 물질에서 방사선에 대한 새로운 메카니즘을 제시하였다.

이에 동국대 임현식-김형상 교수 연구팀은 2020년 Nature-Springer에서 발행하는 Light: Science & Applications에 게재한 논문에서 유-무기 하이브리드 물질을 이용하여 새로운 전자 전달 방법에 기반한 방사선 및 엑스선 발광 메커니즘을 제안하였다.


본 논문의 유무기 하이브리드 섬광체 물질 구성은 무기 페로브스카이트 나노크리스탈과 유기분자 2,5-디페닐옥사졸이다. 유기분자는 고에너지 엑스선을 잘 흡수할 수 있고 페로브스카이트 나노크리스탈과 결합할 수 있는 소재이다. 적절한 유기분자와 페로브스카이트 나노크리스탈을 이용한다면 서로 상호작용을 함으로써 페로브스카이트의 리간드인 아민기가 유기분자로 대체되어 페로브스카이트 나노크리스탈의 납 원소와 유기분자의 질소원소가 서로 Pb-N 결합을 형성한다. 유무기 하이브리드 섬광체는 자외선 에너지 조사에서는 두 물질의 각 발광 파장 영역(400, 520 nm)에서 발광하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 고에너지 엑스선을 조사하면 페로브스카이트 나노크르스탈의 발광 파장영역대(520 nm)의 피크만 관측되고 유기분자의 발은 사라지고 순물질 페로브스카이트 나노크리스탈만을 이용하였을 때보다 최소 5배 이상의 발광효율이 증가하는 결과를 얻었다. 이 결과는 엑스선을 조사하면 유기분자에서 전자가 생성되고 생성된 전자가 빠르게 페로브스카이트 나노크리스탈에 전달되어 페로브스카이트 나노크리스탈 만을 사용했을 때보다 높은 양자 수율을 보이는 것을 입증하였다. 더불어 방사선 및 엑스선 에너지의 세기가 높을수록, 또한 유-무기물질의 밀도가 클수록 보다 큰 시너지효과를 보였다.


특히 상용화되어 있는 액체 섬광체는 주로 베타 에너지에서 사용이 가능하여 다양한 분야에 응용이 제한적이고 양자효율도 고체 섬광체보다 떨어져 고감도의 방사선 이미지 측정에 한계점이 있다. 동국대 임현식-김형상 교수 연구팀은 하이브리드 나노 소재에서 새로운 메커니즘을 이용해서 폭넓은 방사선 에너지 영역에서 고효율 섬광체로 사용이 가능할 뿐만 아니라 액체 섬광체의 한계였던 저에너지에서 이미지 측정이 가능함을 증명해 보였다. 또한 동국대 연구팀이 개발한 나노 하이브리드 섬광체 소재는 다양한 형태의 박막으로 제작이 가능하고 쉽게 대량 생산이 가능하여 의료 영상뿐만 아니라 보안, 비파괴 검사 등 다양한 응용 분야의 방사선 검출기에 고효율 및 저비용 섬광체로 사용될 수 있다. 이번 연구 결과는 기존 섬광체의 성능 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 나노 하이브리드 섬광체 물질을 소개하였고 제시된 신틸레이션 메커니즘은 다양한 고성능 섬광체를 개발하는 데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

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