Quantum-Nano-Bio-Photonics+Lab
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조용훈 교수, 피라미드 구조로 방향성과 집광 효율을 높인 고성능 반도체 양자 광원 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 반도체 피라미드 구조의 양자점이 피라미드 밑면으로 강한 빛을 방출함을 발견하고 이 빛을 높은 효율로 모을 수 있는 기술을 개발했다.
김세정, 공수현 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 12일자에 게재됐다.
반도체 양자점은 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일광자원(양자광원)으로 활용가능하다. 단일광자원은 미래의 양자컴퓨터 또는 양자암호기술 등을 구현하기 위한 필수 요소이다.
일반적인 양자점은 불규칙적인 위치에 형성되는 반면 3차원 피라미드 구조에 얇게 양자우물(Quantum well)을 성장시키면 정확히 피라미드 꼭짓점 위치에 양자점(Quantum dot)을 형성할 수 있다. 이 기술을 활용하면 위치가 제어된 단일광자원을 높은 수율로 얻을 수 있다.
하지만 양자점에서 나오는 빛은 빛 알갱이 개수가 적고 양자점이 굴절률 높은 반도체 물질에 갇혀 있기 때문에 일반적으로 구조 바깥으로 빠져나오기 어렵다. 반도체 단일광자원 소자가 상용화 단계로 나아가려면 빛의 집광 효율을 높여야만 한다.
연구팀은 일반적으로 가지고 있는 고정관념을 벗어나 문제를 해결했다. 피라미드 구조의 빛의 지향성(directionality)을 관찰했고 이를 이용했다. 그 동안 피라미드 양자점에서 나오는 빛은 피라미드의 위, 즉 꼭짓점 방향으로 나오는 신호만을 측정했다. 피라미드 밑면 방향으로는 성장 과정상 두꺼운 기판이 반드시 존재하기 때문이다.
하지만 연구팀은 시뮬레이션을 통해 양자점이 피라미드 위쪽보다 밑면 방향으로 더 많은 빛을 방출함을 확인했다.
또한 피라미드 밑면 방향으로 진행하는 빛은 가우시안 형태의 전기장 분포 형태를 갖고 있어, 광도파로 또는 광섬유의 단일 모드와 잘 일치한다. 이는 제품과 전선을 결합하듯이 광원과 광도파로 간의 결합 효율을 높일 수 있다.
이에 연구팀은 폴리머를 이용해 피라미드 구조체를 기판에서 떼어냈다. 피라미드의 밑면으로 나오는 빛이 두꺼운 반도체 기판을 거치지 않고 공기 중으로 직접 방출되도록 한 것이다.
연구팀이 떼어낸 피라미드는 쉽게 다른 광학 소자들과 직접 결합할 수 있어 피라미드 양자점의 응용분야가 확대될 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 연구 내용은 양자 광원 뿐 아니라 LED와 같은 광원 소자에도 적용 가능해 활용도가 높을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 폴리머로 떼어낸 피라미드 양자점의 모식도
그림2. 피라미드 양자점에서 방출된 빛의 상반구 및 하반구 먼장 (far-field) 방출 패턴(좌)와 폴리머로 떼어내기 전후의 나노 피라미드 구조체(후)
2016.10.18 조회수 18315 -
박용근, 조용훈 교수, 빛을 자유자재로 다룰 수 있는 광학기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근, 조용훈 교수와 고려대학교 재료공학과 이헌 교수 공동 연구팀이 빛의 산란을 이용해 다기능 광학 기기를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 나노분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 6월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
빛이 안개나 페인트 등의 불규칙한 매질을 투과하면 매우 복잡한 형태의 수많은 반사와 굴절이 발생한다. 이를 빛의 다중 산란이라고 하는데, 다중 산란을 겪은 빛은 간섭이라는 물리 현상을 통해 복잡한 패턴을 나타낸다.
우리가 짙은 안개 속에서 앞을 볼 수 없고 맥주의 거품이 하얗게 보이는 것도 빛의 다중산란이 만든 현상이다. 일반적으로 다중 산란이 생기면 빛이 매우 불규칙한 형태로 지나가기 때문에 제어가 어렵다.
그러나 홀로그래피 기술을 이용해 입사하는 빛의 방향을 잘 제어해주면 다중 산란이 발생해도 원하는 형태로 빛을 제어할 수 있다. 연구팀은 이러한 다중 산란을 효과적으로 활용해 빛의 다양한 성질을 제어할 수 있는 새로운 개념의 광학기기를 개발했다.
이 광학기기는 빛의 반사나 굴절의 원리를 이용하던 기존 기술과 달리 빛의 산란을 이용했다는 특징을 갖는다.
연구팀의 광학기기는 복잡 매질과 광 고분자 필름으로 구성된다. 광 고분자 필름은 입사되는 빛을 홀로그래피 기술을 통해 원하는 모양으로 제어한다. 또한 제어된 빛을 기록하고 실제로 비추는 역할을 한다.
광 고분자 필름을 통해 들어온 빛은 복잡 매질을 지나 일정한 패턴으로 다중 산란돼 원하는 모양의 빛을 나타낸다. 이 두 가지 과정을 통해 독립적으로 활용 가능한 다기능 산란 광학기기의 구현이 가능해진다.
이 기술로 투과된 빛의 진폭, 파장, 편광 뿐 아니라 기존 광학계 기술로는 접근이 어려웠던 근접장 성분까지도 제어할 수 있다.
연구팀은 기존의 광학 부품들로는 구현이 매우 어려웠던 산란 제어를 복잡한 광학적 설계나 제조공정 없이 단일 광학 부품으로도 저렴하게 제작할 수 있다고 밝혔다.
이번 연구를 주도한 박종찬 학생은 “관련 기술은 광학 기기를 제작하는 원천 기술로 활용될 수 있다”며 “향후 리소그래피, 광통신, 바이오 이미징 기술 등 빛이 사용되는 다양한 분야에 응용 가능하다”고 말했다.
□ 사진 설명
사진1. 제작된 산란 광학 기기 실제 사진
사진2. 산란 광학기기를 이용한 빛의 다양한 성분 제어
사진3. 산란 광학기기 모식도
2016.07.12 조회수 11617 -
무형광체 백색 LED 제조 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술을 개발했다.
이 기술은 차세대 조명 및 디스플레이 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 12일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정됐다.
현재 대부분의 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합해서 만드는 방식이다.
그러나 황색 형광체는 희토류물질로 수입의존도가 높고, 낮은 연색성, 변색 등의 문제점을 갖는다. 또한 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 매우 높아진다는 단점이 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 형광체를 사용하지 않고 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 제작되도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다.
이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된다.
삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색의 LED가 제작 가능하다.
연구팀은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다. 또한 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않았다. 이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의의를 갖는다.
이밖에도 연구팀은 고배율 대물렌즈를 사용해 3차원 구조체 내부에서 전류주입의 정도를 측정하는 방법을 소개했다. 이를 통해 전류를 효율적으로 주입시키는 방안을 개발한다면 LED 소자의 효율과 색재현성을 조절할 수 있을 것으로 전망했다.
조 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩 백색 광원으로 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
임승혁 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 복합 구조체에서 전류 주입으로 백색광을 내는 개념도
그림2. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 전자현미경사진과 백색광의 전계발광 스펙트럼
2016.02.23 조회수 12720