합금 원자 구조를 빠르게 예측하는 방법에 대한 연구

김정준, 송유빈, 박지상, New Physics: Sae Mulli 72, 481 (2022).

인류의 문명을 어떤 재료를 주로 사용하는지로 나눈다면, 현대는 반도체기(semi- conductor age)라고 부를만할 것이다. 실리콘(Si)은 트랜지스터나 태양전지에 주로 쓰이고 있고, 질화물 반도체는 LED에 쓰이고 있다. 반도체 물질들을 보다 유용하게 사용하기 위해 주기율표에서 같은 열에 있는 원자를 섞는 경우가 잦다. 실리콘에 게르마늄(Ge)을 섞은 트랜지스터가 쓰인 바 있고, 질화물 반도체에서는 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al)을 섞음으로써 LED에서 나오는 빛의 파장을 조절할 수 있다.

제일원리(first-principles)라고 불리는 계산을 통해 반도체 물질의 특성을 연구하는 일이 잦아지고 있다. 여러 원자로 구성된 물질의 해밀토니안(Hamiltonian)을 임의의 매개 변수를 사용하지 않고 푸는 방법으로, 밀도 범함수 이론(Density Functional Theory, DFT)에 기반하여 바닥 상태 원자 구조와 전자 구조를 분석할 수 있다. 일종의 원자 시뮬레이션이며, 유한한 수의 원자들에 대해 시뮬레이션을 수행한다. 실제 합금 샘플에는 셀 수 없을 만큼 많은 원자가 무작위로 섞여 있지만, 우리의 컴퓨터 자원이 유한하므로 수십, 수백 개 원자만 다루는 경우가 많다.

제일원리 계산에서는 그림에서처럼 원자 구조가 주어지면, 원자에 가해지는 힘을 계산하여 안정한 원자 구조를 찾을 수 있다. 일상생활에서 거리가 가까울수록 더 일찍 도착할 수 있듯이, 초기 원자 구조가 바닥 상태(ground state) 원자 구조와 비슷하면 비슷할수록 더 빨리 계산을 끝마칠 수 있다. 따라서 만약 여러 원자가 섞여 있는 합금(alloy)의 원자 구조를 보다 잘 예측할 수 있다면, 이들에 대한 연구를 가속할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 두 물질이 섞이기 전의 결합 길이를 이용하여 합금의 원자 구조를 예측하는 코드를 작성하였고, 이를 이용하여 다양한 비율을 가지는 SiGe과 AlGaN의 안정성과 전자 구조를 짧은 시간 안에 분석할 수 있었다.

Eu³⁺ 농도 및 열처리 온도에 따른 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체 분말의 광학적 특성

정경복, New Physics: Sae Mulli 72, 504 (2022).

높은 발광 효율을 갖는 형광체 재료는 조명, 디스플레이 및 바이오이미징 등 전체적인 빛 기반 기술에 중요한 역할을 하고 있다. 따라서 각 응용 분야에 맞는 우수한 특성을 가지는 새로운 형광체 재료의 개발이 필수적이다. 칼슘티타늄산화물(Calcium Titanate, CaTiO₃)은 페로브스카이트(perovskite) 결정구조로 화학적·열적 안정성이 우수하며, 인체에 무해하고, 희토류 양이온을 첨가한 경우 고효율의 발광 특성을 나타내어 다양한 광전자 소자 개발 및 광촉매, 바이오이미징에 잠재적인 후보 물질로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 CaTiO₃에 Eu³⁺을 첨가하여 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체 분말을 고에너지 볼밀링 방법으로 합성하였고, 광활성 이온 Eu³⁺의 농도 변화와 열처리 온도변화에 따른 구조적 특성과 근자외선에 의해 여기되는 광발광 특성을 연구하였다. X-선 회절(XRD) 분석 결과 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체 분말은 사방정계(orthorhombic) 결정구조를 나타내었으며, 푸리에 변환 적외선(FT-IR)과 라만 분광 분석을 통해 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체는 CaTiO₃와 동일한 분자간 결합 구조적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 Eu³⁺이 CaTiO₃에 효과적으로 첨가되었음을 알 수 있다. CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체에서 Eu³⁺ 첨가 농도 변화와 열처리 온도 변화에 따른 발광 세기는 Eu³⁺ 첨가 농도 6 mol%, 열처리 온도 1200 ℃에서 최대로 나타났으며, 여기 파장 398 nm에서 ⁵D₀ → ⁷F₂ 전이에 해당하는 614 nm에서 가장 강한 적색 발광을 나타냈다(그림). 본 연구를 통하여 Eu³⁺의 농도 변화와 열처리 온도 변화를 조절함으로써 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체 분말의 적색 발광의 세기를 제어할 수 있음을 제시한다. 본 연구에서 합성한 CaTiO₃:Eu³⁺ 페로브스카이트 형광체 분말은 근자외선 LED를 기반으로 하는 백색 LED 구현, 광촉매, 바이오이미징 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.