IBS 공동 연구진, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현 성공

- 나노홀 구조로 엑시톤 제어해 고효율 양자광원 가능성 제시

- 2차원 반도체 기반의 엑시톤 발광

- 구속효율 98%·발광 효율 약 130배 향상

연구진 사진. (앞줄 왼쪽부터) 박경덕 교수(POSTECH 물리학과·반도체공학과, IBS/공동 교신저자), 문태영 석박통합과정(POSTECH 물리학과, IBS/제1저자), 서영덕 부연구단장(IBS 다차원 탄소재료 연구단·UNIST 화학과/공동 교신저자), (뒷줄 왼쪽부터) 이형우 연구원(POSTECH 물리학과/공저자), 구연정 연구원(POSTECH 물리학과/공저자). (자료제공: UNIST)

열처리를 통한 전하 중성화로 갇힌 엑시톤의 고효율 발광을 구현하는 메커니즘. (자료제공: UNIST)

2차원 반도체는 머리카락 굵기의 최대 10만분의 1수준에 불과한 매우 얇은 소재로, 효율적인 광소자를 구현할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다. 그러나 상온에서는 빛을 만들어내는 엑시톤이 쉽게 퍼져나가 특정 위치에서 안정적인 발광이 어려운 한계가 있었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕)은 다차원 탄소재료 연구단 서영덕 부연구단장(UNIST 화학과 교수)과 POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 공동 연구팀이 상온에서도 밝게 빛나는 고효율 양자광원을 구현하는 데 성공했다고 4월 14일 밝혔다.

엑시톤은 전자와 정공(전자가 빠져나간 자리를 의미하며, 전자와 반대 방향으로 이동하는 양전하처럼 행동하는 입자)이 결합한 준입자로, 반도체에서 빛을 방출하는 핵심 역할을 한다. 

특히 특정 위치에 가두어진 ‘국소화 엑시톤’은 안정적인 발광이 가능해 양자광원으로 활용될 수 있다. 그러나 상온에서는 열에너지로 인해 엑시톤이 쉽게 확산되고, 물질 내 과잉 전하로 인해 발광 효율이 크게 저하되는 한계가 있었다. 

연구팀은 이를 극복하기 위해 2차원 반도체 아래에 지름 500나노미터(nm, nanometer) 크기의 나노홀 구조를 도입해 엑시톤이 특정 위치로 모이도록 유도했다. 이 구조는 마치 움푹 파인 그릇처럼, 엑시톤이 자연스럽게 중심으로 모여 한 점에 머물도록 만든다. 또한 열처리를 통해 반도체와 금 기판 사이의 물 층을 제거해 과잉 전하를 줄이고, 엑시톤이 에너지를 잃지 않고 빛으로 방출될 수 있는 환경을 만들었다.

그 결과, 엑시톤은 나노홀 중심의 매우 작은 영역에 효과적으로 갇히게 되었으며, 약 98%의 높은 구속 효율(특정 영역에 엑시톤이 얼마나 효과적으로 모여 머무르는지를 나타내는 비율)이 확인됐다. 또한 발광 효율은 기존 대비 약 130배 향상되어, 상온에서도 밝고 안정적인 양자광원 구현이 가능함을 입증했다.

이번 연구는 2차원 반도체에서 구현한 광원이 QLED TV에 사용되는 양자점처럼 밝고 안정적인 특성을 가질 수 있음을 보여준다. 또한 나노 구조를 더욱 작게 만들고 빛을 비추는 조건을 정밀하게 조절하면, 지금까지 어려웠던 상온 고효율 단일양자광 생성도 가능할 것으로 기대된다. 

특히 2차원 반도체는 반도체 웨이퍼 공정(둥근 판 형태의 기판(웨이퍼) 위에 회로와 구조를 반복적으로 형성해 반도체 소자를 대량 생산하는 제조 기술)을 통해 넓은 면적으로 제작할 수 있어, 향후 양자통신과 양자컴퓨팅 등 다양한 산업 기술로의 확장이 가능할 전망이다. 

제1저자 POSTECH, IBS 문태영 학생연구원은 “빛을 내는 입자를 한 점에 모아 가두는 방식으로, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원을 구현한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “이러한 구조는 다양한 광양자 소자들로 확장될 수 있는 기반이 될 것”이라고 밝혔다. 

공동교신저자 서영덕 부연구단장은 “2차원 반도체에서 빛이 만들어지고 사라지는 과정을 정밀하게 제어해 성능을 크게 끌어올린 점이 중요하다”며 “이번 기술은 향후 상온에서 단일광자를 만드는 광원으로 발전할 수 있는 중요한 기술적 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 13일에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]