서강대 장준익 교수팀, 2차원 페로브스카이트서 신개념 광현상 최초 관...

장준익 교수 연구팀, ‘이광자 공명 라만 산란’ 구현…양자광학·차세대 광소자 기술 도약 기대

[이뉴스투데이 수도권1취재본부 권오경 기자] 서강대학교 물리학과 장준익 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재인 2차원 페로브스카이트에서 새로운 광학 현상을 세계 최초로 관측하며 비선형 광학 분야의 지평을 넓혔다.

(좌측부터) 물리학과 장준익 교수, 신승한 석박사통합과정, 남서현 석사. [사진=서강대]

서강대는 장준익 교수 연구팀의 연구성과가 응용물리 분야 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials(2025년 기준 JCR Impact Factor 19.0)에  3월 25일 게재됐다고 밝혔다.

이번 연구는 연세대학교 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단의 기초연구 지원을 받아 진행됐다.

연구팀은 2차원 할라이드 페로브스카이트 (PEA)₂PbI₄에서 ‘이광자 공명 라만 산란(Two-photon resonant Raman scattering, TRRS)’ 현상을 최초로 관측하는 데 성공했다.

이는 두 개의 광자가 동시에 물질과 상호작용해 ‘쌍엑시톤(biexciton)’ 상태를 거친 뒤 서로 다른 에너지의 빛으로 방출되는 양자역학적 현상이다.

이 현상은 기존에 일부 와이드갭 반도체에서만, 그것도 액체 헬륨 온도에 가까운 극저온 환경에서 제한적으로 관측됐다.

그러나 연구팀은 2차원 페로브스카이트의 강한 양자 구속 효과를 활용해 약 90K(영하 183°C), 즉 액체 질소 온도 이상에서도 TRRS를 구현하는 데 성공했다. 이는 실험 조건을 크게 완화한 것으로, 실제 응용 가능성을 한층 끌어올렸다는 평가다.

또한 연구팀은 TRRS가 발생하는 임계 빛 세기, 온도 범위, 편광 조건 등을 체계적으로 규명해 해당 현상의 물리적 메커니즘을 구체적으로 밝혀냈다.

이번 연구는 2차원 페로브스카이트가 쌍엑시톤 기반 비선형 광학 현상을 구현하는 핵심 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다.

향후 비선형 광신호 처리, 정밀 분광 기술, 양자 광통신 및 차세대 광소자 개발 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다.

특히 연구팀은 브롬·염소 기반 페로브스카이트로 소재를 확장할 경우 더 강한 쿨롱 결합 효과를 통해 보다 높은 온도에서도 동일한 현상을 구현할 수 있을 것으로 내다봤다.

나아가 단층 전이금속 디칼코게나이드 등 다른 2차원 소재로의 확장 가능성도 제시하며, 궁극적으로 상온에서 작동하는 양자 광학 소자 개발의 중요한 전환점을 마련했다.