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사회

IBS, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현 성공

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...

IBS, 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원 구현 성공

▲ 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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