▲ 열처리를 통한 전하 중성화로 갇힌 엑시톤의 고효율 발광을 구현하는 메커니즘. IBS 제공
기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 서영덕 부연구단장과 포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 공동 연구팀이 상온에서도 밝게 빛나는 고효율 양자광원을 구현하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.
엑시톤은 전자와 정공(전자가 빠져나간 자리)이 결합한 준입자로, 반도체에서 빛을 방출하는 핵심 역할을 한다. 특히 특정 위치에 갇힌 ‘국소화 엑시톤’은 안정적인 발광이 가능해 양자광원으로 활용할 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 500㎚ 크기의 나노홀 구조를 도입해 엑시톤이 특정 위치로 모이도록 유도했다. 또 열처리를 통해 반도체와 금 기판 사이의 물층을 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 효율이 확인됐다. 발광 효율은 기존 대비 약 130배 향상돼 상온에서도 밝고 안정적인 양자광원 구현이 가능함을 입증했다.
이번 연구는 2차원 반도체에서 구현한 광원이 밝고 안정적인 특성을 가질 수 있음을 보여주며, 지금까지 어려웠던 상온 고효율 단일양자광 생성도 가능할 것으로 기대된다. 특히 2차원 반도체는 반도체 웨이퍼 공정을 통해 넓은 면적으로 제작할 수 있어, 향후 양자통신과 양자컴퓨팅 등 다양한 산업 기술로의 확장이 가능할 전망이다.
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.
김형중 기자 kimhj@ggilbo.com
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