상온에서 원하는 위치에 4만배 밝은 양자광원 개발

한국연구재단 박경덕 UNIST 교수 공동연구팀
"광기반 양자정보통신용으로 사용 가능"

[아시아경제 김봉수 기자] 기존 액체질소나 액체헬륨, 온도제어장비 같은 번거로운 극저온 설비 없이 상온에서 원하는 위치에 밝은 양자광원을 생성할 수 있는 기술이 개발됐다. 기존 반도체 양자광원보다 4만배나 밝아 양자정보통신용으로 사용될 수 있어 주목된다.

한국연구재단은 박경덕 울산과학기술원(UNIST) 교수)와 노준석 포항공대 교수 등 공동연구팀이 2차원 물질의 양자광원을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

소자의 광원으로 실제 활용하기 위해서는 임의의 위치에 무작위로 존재하는 양자광원의 위치를 제어하는 것이 필요했다. 저온에서만 양자광원의 생성과 검출이 가능한 것도 극복해야 할 과제였다. 양자광원이란 물질 내부의 불연속적인 전자에너지 구조에서 방출하는 양자화된 빛을 말한다. 기존 나노광학 공진기는 광원의 위치는 제어할 수 있지만 공간 분해능(서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 능력)에 제약이 있었고, 탐침증강 광발광 나노현미경은 분해능은 높지만 양자광원 생성은 어려웠다.

연구팀은 이 둘을 결합해 공진-나노현미경이라는 새로운 개념을 이용한 빛 제어 및 측정 시스템을 설계했다. 이미 연속 도미노 리소그래피 공정으로 원자수준으로 뾰족한 나비넥타이 형태로 나노광학 공진기를 제작, 2차원 반도체 물질의 양자광원을 원하는 위치에서 생성할 수 있는 기술은 개발된 상태였다.

여기에 광발광 나노현미경을 결합해 삼중 안테나 효과(세 개의 안테나를 통해 형성된 공진기 구조를 통해 더욱 강하게 빛을 집속시키는 효과)를 유도함으로써 높은 효율로 양자광원을 생성하도록 했다. 상온에서 약 15나노미터(머리카락 두께의 약 만분의 일)의 공간분해능으로 양자광원을 검출할 수 있었다. 실제 이렇게 만들어진 양자광원은 안테나 효과를 적용하지 않은 반도체 양자광원 대비 밝기가 4 만 배 강해지는 것을 확인했다. 삼중안테나 효과를 적용한 LED 한 개에서 방출되는 빛이 기존 LED 4만개에서 방출되는 빛의 밝기와 같아지는 셈이다.

연구팀은 양자정보통신 소자를 위한 광원이자 나노스케일에서 양자물질을 이해하는 도구로 쓰일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 다양한 나노 소재의 미약한 광신호를 고감도로 검출하는 데도 응용될 수 있다는 설명이다. 이번 연구 결과는 재료물리 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 18일자로 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr