한-미 연구진, 고해상도 구현 가능한 단원자 기반 양자LED광원 개발

한-미 연구진이 단원자에 기반한 양자 LED 기술을 개발했다. 이 기술은 고해상도 디스플레이 등에 활용 될 수 있다. POSTECH(포항공과대학교)은 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입, 빛을 만들어내는 '양자 LED 광원' 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구는 신소재공학과 김종환 교수·통합과정 박규나 연구생 연구팀이 시드니공대 이고르 아로노비치(Igor Aharonovich) 교수팀이 공동으로 진행했다. 이 연구결과는 나노·양자 광학 분야 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 표지 논문(front cover)으로 최근 게재됐다. 양자 광원은 광자를 하나하나 정밀하게 방출하거나 여러 광자를 서로 얽힌 상태로 만들어 정보를 전달한다. 그러나 이를 구현하기 위해서는 극저온 냉각 상태가 필요하다. 양자점 LED 광원 구현도 마찬가지다. 연구팀은 전자를 개별 원자 수준의 극단적으로 작은 공간에 가두는 방법으로 상온에서도 우수한 LED 양자 광원 특성을 발현시켰다. 이 발현에는 '육각형 붕소질화물(hBN)'을 활용했다. hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재다. 하지만 넓은 밴드갭 때문에 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다. 빛을 내려면 전자와 정공이 재결합해야 한다. 그러나 전하가 충분히 주입되지 않으면 재결합이 어려워져 빛 방출 효율이 떨어지기 때문이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 반데르발스 힘을 활용해 각 층들을 안정적으로 결합한 '그래핀-hBN-그래핀' 반데르발스 터널링 구조를 설계했다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성으로 전자를 hBN의 내부까지 빠르게 이동시킬 수 있으며, 도핑을 통해 전자의 에너지 상태를 조절하여 전하 주입 효율을 극대화한다. 또한, 주입된 전하가 hBN 내부의 원자 결함에 집중되도록 유도했다. 그 결과 전자와 전공의 재결합을 통해 가시광선부터 근적외선까지 폭넓은 파장에서 빛을 방출하는 데 성공했다. 연구팀의 소자는 기술적 한계를 극복하고, 상온에서도 안정적으로 작동했다. 박규나 연구생(논문제1저자)은 “hBN 점결함에 전하를 주입하여 효과적으로 빛을 방출시킬 수 있는 LED 광원 기술을 구현했다”라며, “이 기술은 차세대 광전자 소자와 양자 기술의 응용에 새로운 가능성을 열어줄 것”이라며 이번 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자사업, 기초과학연구원 (IBS), 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터육성지원사업 지원을 받아 수행됐다.