국민대학교(총장 정승렬) 과학기술대학 응용화학부 나노소재 전공 김영훈 교수, 김지건 연구원 및 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 연구팀이 최근 SCI 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’ 최신호에 ‘SN2-mediated decoupled precursor provision enables large-scale production of monodisperse lead halide perovskite quantum dots in a single reactor’라는 제목의 연구 논문을 게재했다. 이 학술지는 복합 재료 분야의 최신 연구를 다루는 권위 있는 국제학술지로, 피인용지수(Impact factor) 23.2를 기록하며 해당 분야에서 JCR 등급 상위 2.9%에 속하는 저명한 학술지이다.

페로브스카이트 나노결정은 우수한 발광 효율, 넓은 색역, 높은 색순도 등의 우수한 광물리적 특성을 지니며, 차세대 디스플레이 및 광전자 소자에서 기존의 무기 반도체 양자점 및 유기 발광체를 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존의 전구체 주입 방식 기반 합성법은 이온결합성의 PbX2 전구체를 사용하기 때문에 합성 과정에서 [PbX6]4- 팔면체 구조의 골격이 미리 형성되며, 이로 인해 핵생성과 결정 성장의 정밀한 조절이 제한된다. 특히, 전구체 주입 단계에서 발생하는 온도 및 농도 구배 등의 합성적 변수들로 인해 대량 생산 시 균일성이 현저하게 저하되며, 고품질 및 고균일의 페로브스카이트 나노결정을 안정적으로 제조하는 데 한계가 있었다.

김영훈 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전구체 변환 반응 기반의 비주입(non-injection) 합성법을 개발하였다. 연구팀은 공유결합성 전구체를 할라이드 반응물로 변환하는 이분자성 친핵성 치환(Bimolecular nucleophilic substitution) 반응을 활용하여 페로브스카이트 나노결정의 핵생성과 결정 성장을 정밀하게 조절하였다. 친핵성 치환 반응을 이용한 전구체 변환 방식을 통해 합성적 변수의 영향을 최소화하고 크기 및 형태의 균일성을 극대화할 수 있었다. 또한, 기존의 주입 방식 합성법에서 발생하는 핵생성 조절 문제와 페로브스카이트 나노결정의 낮은 형성 에너지로 인한 불균형한 결정 성장 문제를 해결하였다.

제안된 친핵성 치환 반응 기반의 합성법은 기존의 주입 방식과 비교하여 페로브스카이트 나노결정의 크기 및 차원적 균일성을 향상시킬 뿐만 아니라, 보다 높은 광발광 양자 효율과 단일 양자점 수준의 좁은 발광 반치폭을 구현하였다. 특히, 다양한 실시간 분광학 및 결정학적 분석 기법을 활용하여 핵생성과 결정 성장 과정의 정밀한 조절을 실험적으로 확인하였으며, 이 방법을 통해 적색, 녹색, 청색 발광을 갖는 고균일 페로브스카이트 나노결정의 대량 합성이 가능함을 입증하였다.

이번 연구의 성과는 고색순도를 갖는 페로브스카이트 나노결정의 대량 생산을 가능하게 함으로써 차세대 디스플레이 및 광전자 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 특히, 본 연구에서 개발한 합성 전략은 단순히 페로브스카이트 나노결정 합성에 국한되지 않고, 핵생성과 결정 성장의 정밀 제어가 요구되는 다양한 나노결정 소재에도 적용될 수 있어, 차세대 나노소재 및 복합 재료의 대량 생산 기술 발전에도 중요한 기여를 할 것으로 전망된다.