IBS·POSTECH, 상온서 130배 밝은 양자컴용 전구 성공

나노홀 구조로 엑시톤 제어 성공

양자광원 발광 효율 130배 향상

IBS와 POSTECH 연구진이 상온에서 130배 향상된 양자광원을 구현했다.[이미지= IBS]

국내 연구진이 상온에서도 안정적으로 빛을 내는 고효율 양자광원을 구현하는 데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 서영덕 부연구단장(UNIST 화학과 교수)과 박경덕 POSTECH 물리학과·반도체공학과 교수 공동 연구팀이 2차원 반도체 소재에 나노홀 구조를 도입해 엑시톤 구속 효율 98%, 발광 효율 약 130배 향상을 달성했다고 14일 밝혔다.

엑시톤은 전자와 정공이 결합한 준입자로 반도체에서 빛을 방출하는 핵심 역할을 한다. 특정 위치에 갇힌 '국소화 엑시'은 안정적인 발광이 가능해 양자광원으로 주목받아 왔다. 그러나 상온에서는 열에너지로 인해 엑시톤이 쉽게 퍼져나가고, 소재 내 잉여 전하가 발광 효율을 크게 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구팀은 두 가지 방식으로 이 문제를 동시에 해결했다. 우선 2차원 반도체 이황화몰리브덴(MoS₂) 아래에 지름 500나노미터(nm) 크기의 나노홀 구조를 적용했다. 움푹 파인 그릇처럼 작용하는 이 구조가 엑시톤을 한 점으로 모아 가두는 역할을 한다. 여기에 300도 진공 열처리를 통해 MoS₂와 금 기판 사이에 자연 형성된 약 2나노미터 두께의 물 분자층을 제거했다. 이 물 분자층이 전하 중성화를 가로막는 장벽으로 작용했는데, 이를 없애자 잉여 전자가 금 기판으로 빠져나가 엑시톤이 에너지를 빼앗기지 않고 빛으로 방출될 수 있었다.

그 결과 광발광 양자효율이 기존 0.076%에서 10%로 약 130배 높아졌다. 드리프트-확산 모델 시뮬레이션에서는 나노홀 영역의 약 98%에서 엑시톤이 드리프트 전류에 의해 지배되는 것으로 확인됐다. 연구팀은 원자간력현미경(AFM) 탐침으로 국소 압력을 가했을 때 발광이 120% 증가하고 압력 제거 시 원래대로 돌아오는 가역적 동적 제어도 입증했다.

연구팀은 이번 성과가 복잡한 전기적 게이트 소자나 극저온 환경 없이 간단한 진공 열처리만으로 달성됐다는 점에서 의미가 크다고 설명했다. 2차원 반도체는 반도체 웨이퍼 공정으로 대면적 제작이 가능해 양자통신·양자컴퓨팅 등으로의 확장도 기대된다.

연구팀은 향후 나노홀 크기를 100나노미터 이하로 줄여 상온 단일광자 발생원 구현을 목표로 후속 연구를 이어갈 계획이다.

제1저자인 문태영 IBS 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 설명했다.

서영덕 부연구단장은 "빛이 만들어지고 사라지는 과정을 정밀하게 제어해 성능을 끌어올린 것이 핵심"이라며 "상온에서 단일광자를 만드는 광원으로 발전할 중요한 기술적 전환점이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 지난달 13일자에 게재됐다.