상온에서 밝은 양자광원 생성 기술 개발

액체질소나 액체헬륨, 온도제어장비 같은 번거로운 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술이 소개됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 박경덕 교수(울산과학기술원, 제1저자 이형우 연구원), 노준석 교수(포항공대, 공동 제1저자 김인기 박사) 공동연구팀(공저자 성균관대 정문석 교수, 고려대 박홍규 교수 등)이 2차원 물질의 양자광원을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존 나노광학 공진기는 광원의 위치는 제어할 수 있지만 공간 분해능에 제약이 있었고, 탐침증강 광발광 나노현미경은 분해능은 높지만 양자광원 생성은 어려웠다.

연구팀은 이 둘을 결합, 공진-나노현미경이라는 새로운 개념을 이용한 빛 제어 및 측정 시스템을 설계했다.

선행연구를 통해 연속 도미노 리소그래피 공정으로 원자수준으로 뾰족한 나비넥타이 형태로 나노광학 공진기를 제작, 2차원 반도체 물질의 양자광원을 원하는 위치에서 생성할 수 있도록 했다.

이번 연구에서는 이 공진기에 광발광 나노현미경을 결합, 삼중 안테나 효과를 유도함으로써 높은 효율로 양자광원을 생성, 상온에서 약 15나노미터(머리카락 두께의 약 만분의 일)의 공간분해능 으로 양자광원을 검출할 수 있었다.

이렇게 만들어진 양자광원은 안테나 효과를 적용하지 않은 반도체 양자광원 대비 밝기가 4만 배 강해지는 것을 확인하였다.

삼중안테나 효과를 적용한 LED 한 개에서 방출되는 빛이 기존 LED 4만개에서 방출되는 빛의 밝기와 같아지는 셈이다.

양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

또한 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있다는 설명이다.

양자광원의 안정성과 품질을 더욱 높이기 위해 연구팀은 다양한 플라즈모닉 구조를 대상으로 비교연구를 수행하고 있다.

이번 연구의 성과는 재료물리 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 6월 18일 게재(온라인)되었다.