상온에서도 빛나는 양자광원, 130배 효율 향상
나노홀 구조로 엑시톤 구속 효율 98% 달성
양자통신·컴퓨팅 등 다양한 산업 기술로 확장 기대
국제학술지 사이언스 어드밴시스에 연구 성과 게재
기초과학연구원과 포항공과대학교 공동 연구팀이 상온에서도 밝게 빛나는 양자광원을 개발했다고 14일 밝혔다.
연구팀은 2차원 반도체 기반의 엑시톤 발광을 통해 구속 효율 98%와 발광 효율 약 130배 향상을 이뤄냈다. 이번 연구는 나노홀 구조를 활용해 엑시톤을 특정 위치에 효과적으로 가두고, 열처리를 통해 과잉 전하를 줄여 상온에서도 안정적인 발광을 가능하게 했다.
엑시톤은 전자와 정공이 결합한 준입자로, 반도체에서 빛을 방출하는 핵심 역할을 한다. 그러나 상온에서는 열에너지로 인해 엑시톤이 쉽게 확산되고, 물질 내 과잉 전하로 인해 발광 효율이 크게 저하되는 한계가 있었다. 연구팀은 2차원 반도체 아래에 지름 500나노미터 크기의 나노홀 구조를 도입해 엑시톤이 특정 위치로 모이도록 유도했다. 이 구조는 엑시톤이 자연스럽게 중심으로 모여 한 점에 머물도록 만든다.
연구 결과, 엑시톤은 나노홀 중심의 매우 작은 영역에 효과적으로 갇히게 됐으며, 약 98%의 높은 구속 효율이 확인됐다. 발광 효율은 기존 대비 약 130배 향상돼, 상온에서도 밝고 안정적인 양자광원 구현이 가능함을 입증했다.
연구팀은 “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.
이번 연구는 2차원 반도체에서 구현한 광원이 QLED TV에 사용되는 양자점처럼 밝고 안정적인 특성을 가질 수 있음을 보여준다. 나노 구조를 더욱 작게 만들고 빛을 비추는 조건을 정밀하게 조절하면, 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.
이번 연구는 국제학술지 사이언스 어드밴시스에 게재됐다. 연구진은 나노홀 크기를 100나노미터 이하로 축소해 상온 단일광자 발생원 구현을 목표로 후속 연구를 진행할 계획이다. 다양한 2차원 반도체 소재로 플랫폼을 확장하고, 기계 자극 반응 광소자 등 새로운 응용 분야 개척도 이어갈 예정이다.
이번 연구는 상온에서도 안정적으로 작동하는 양자광원의 가능성을 열어주며, 향후 양자통신과 양자컴퓨팅 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 제시한다.
울산=송희숙 기자 bitmul1@viva100.com