미국 오클라호마대학교 연구진이 기존 통념을 뒤집는 새로운 하이브리드 소재를 개발해 고속 방사선 검출 기술의 지평을 넓혔다.

오클라호마대는 최근 유기·무기 성분을 결합한 층상(2D) 할라이드 페로브스카이트 기반의 신소재를 설계해, 방사선에 노출될 때 나타나는 발광 효율과 속도를 크게 개선했다고 밝혔다고 웹사이트 PHYS.org가 최근 보도했다. 

연구 결과는 미국화학회 학술지인 「저널 오브 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)」에 게재됐다.

페로브스카이트는 특정한 원자 배열을 지닌 결정성 물질로, 태양전지와 광전자소자 분야에서 주목받아 왔다. 그간 연구는 주로 무기 구조에서 나타나는 특성에 집중돼 왔으나, 이번 연구는 하이브리드 구조 속 유기 성분의 역할에 주목했다는 점에서 차별화된다.

연구팀은 유기 분자인 '스틸벤(stilbene)'을 맞춤형 층상 페로브스카이트 구조에 도입했다. 그 결과, 단독 유기 분자 대비 최대 5배 높은 발광 효율을 달성했다. 특히 유기 성분에서 발생하는 발광은 무기 성분보다 반응 속도가 빠르다는 특성을 지녀, 고에너지 방사선 검출에 유리한 것으로 평가된다.

논문 제1저자인 무함마드 S. 무함마드(화학·생화학과 대학원생)는 "무기와 유기 구조를 하나의 하이브리드 소재로 결합함으로써 각각의 강점을 동시에 활용할 수 있었다"며 "고속 방사선 검출에는 빠른 섬광(scintillation) 특성이 필수적인데, 유기 구조가 이를 제공한다"고 설명했다.

공동 저자이자 책임 연구자인 바이람 사파로프 교수는 "유기와 무기 구조의 발광 특성은 근본적으로 다르며, 특정 응용 분야에서는 발광 수명과 속도가 핵심 변수"라며 "이번 설계 전략을 통해 유기 성분의 발광 효율을 최대 5배까지 끌어올릴 수 있었다"고 밝혔다.

이 소재는 안정성 측면에서도 강점을 보였다. 다수의 방사선 검출 소재는 환경 노출 시 성능 저하를 막기 위해 보호용 캡슐화가 필요하지만, 이번에 개발된 하이브리드 소재는 별도의 보호 장치 없이 공기 중에서 1년 이상 안정성을 유지한 것으로 확인됐다.

연구진은 해당 소재가 현재 상용 고속 방사선 검출기와 견줄 만한 성능을 보인다고 평가했다. 향후 발광 효율을 추가로 개선할 경우, 기존 최첨단 검출기를 능가할 가능성도 제기된다.

이번 연구는 무기 구조 중심이던 페로브스카이트 연구 패러다임을 확장해, 유기 성분의 기능적 잠재력을 체계적으로 입증했다는 점에서 의미를 갖는다. 고속 중성자, 엑스선, 감마선 검출 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 주목된다.