나노 오벨리스크 모양 이용해 고효율 양자 광원 개발
상태바
나노 오벨리스크 모양 이용해 고효율 양자 광원 개발
  • 장영재 기자
  • 승인 2013.09.19 17:04
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

[물리학과 조용훈 교수 연구팀]기둥 끝에 형성된 질화인듐갈륨 양자점, 새로운 형태로 전기장과 전반사 제거해 광자 방출 속도와 효율 높여

 우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀이 오벨리스크 모양의 나노 구조를 통해 고효율의 양자 광원을 개발했다. 이번 연구 결과는 지난 7월 5일 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 온라인판에 게재됐다.


양자 연산의 핵심, 양자 광원

양자 컴퓨터, 양자 정보 통신, 양자 암호 등 양자를 이용해 연산을 하려면 광자를 하나씩 조정할 수 있어야 한다. 이때 필요한 것이 일정한 간격으로 광자를 하나씩 방출하는 양자 광원이다. 반도체 양자점은 이러한 양자 광원의 일종으로 전자를 수 나노미터 크기의 공간에 가둔다. 작은 공간에 갇힌 전자는 양자역학적인 특성으로 인해 불연속적인 에너지 준위를 가지게 된다. 높은 에너지 준위에 있던 전자는 낮은 에너지 준위로 떨어지며 양공과 결합한다. 이 때 방출된 에너지가 광자의 형태로 나타나며 양자 광원으로 작동한다. 특히 반도체 양자점은 높은 온도에서도 안정적으로 사용할 수 있고 전류로 구동할 수 있어 차세대 양자 광원으로서 주목받고 있다.


기존 양자점은 광자 방출 효율 떨어져

기존에는 이러한 반도체 양자점을 만들기 위해 질화갈륨 박막에 인듐을 증착시키고 그 위에 다시 질화갈륨을 덮는 방식을 이용했다. 인듐이 질화갈륨과 반응하며 만들어진 질화인듐갈륨 덩어리가 양자점으로 작동한다. 하지만 인듐가스의 화학 반응을 정밀하게 조정할 수 없어 기판에 양자점이 무작위적인 밀도로 위치하게 되었고, 이에 따라 양자점 한 개의 특성을 파악하기 힘들었다. 또, 양자점 내에 생성되는 전기장이 광자 방출 효율을 제한하는 문제가 있었다. 반도체 양자점은 서로 다른 격자구조를 가진 질화갈륨과 질화인듐갈륨이 화학적으로 결합한 형태다. 상대적으로 짧은 결합길이를 가진 질화갈륨 층 사이에 긴 결합길이를 가진 질화인듐갈륨이 들어가면 질화인듐갈륨은 주변의 질화갈륨과 격자구조를 일치시켜 안정해지고자 한다. 그 결과 분자 결합구조에 압력을 받고 압전효과로 인해 반도체 양자점 내에 전기장이 생성된다. 전기장은 전자와 양공을 분리해 전자의 에너지 방출 과정을 방해한다.


나노 오벨리스크 구조로 문제점 개선해

조 교수팀은 이 한계를 극복하기 위해 새로운 모양의 반도체를 제작했다. 질화갈륨을 깎아 나노 미터 크기의 오벨리스크 구조를 만들고 그 위에 인듐을 결합했다. 그러자 질화인듐갈륨이 나노 오벨리스크의 끝 부분에 집중되어 양자점을 형성했다. 이와 같이 독특한 나노 구조를 통해 복잡한 공정 없이 양자점을 하나씩 분리해 낼 수 있었고, 질화갈륨 사이에서 일어나는 전반사 효과를 줄여 광자 방출 효율을 크게 개선했다. 또한 뾰족한 끝에 질화인듐갈륨이 위치하면서 원자들이 밀려날 수 있는 여유공간이 생겼다. 따라서 질화갈륨에 의한 압력이 낮아져 압전효과로 인한 전기장을 제거할 수 있었다. 그 결과 전자와 양공이 잘 결합하지 않아 에너지 방출 속도가 느려지던 문제가 개선되었다.


 

▲ SEM으로 촬영된 나노 오벨리스크 구조 반도체 양자점=각각 (A) 기울어진 시각 (B) 위에서 본 시각 (C) 측면에서 본 시각/ 조용훈 교수 제공

 

기존의 양자점 반도체가 적외선 대역의 빛을 방출한 반면 새롭게 개발된 양자 광원은 가시광선 대역의 빛을 방출한다. 공기 중 수분에 쉽게 흡수되는 적외선 대역의 파장과 다르게 가시광선 대역의 파장을 이용하면 대기에 잘 흡수되지 않아 공기 중에서의 통신에 사용할 수 있다. 이 외에도 광자 검출 효율이 높은 가시광선 대역의 검출기를 사용 할 수 있어 양자 광원을 활용한 연구에 다양하게 활용될 것으로 기대된다. 이번 연구의 제1저자인 김제형 학우(물리학과 석박사통합과정)는 “기존의 양자점 제작 방식과 달리 쉽게 단일 양자점을 형성할 수 있고, 광자 방출 효율과 속도가 모두 뛰어나 실용적인 양자 광원 개발에 이바지할 수 있을 것”이라고 전했다. 이어 “현재는 레이저를 이용해 전자를 들뜨게 만들고 있다”라며 “본 양자점을 전류만으로도 구동하도록 만드는 연구를 진행할 예정이다”라고 밝혔다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토