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반도체 소자 내 과열 해결방법 제시
최근 반도체 소자의 소형화로 인해 과열점(hot spot)에서 발생한 열이 효과적으로 분산되지 않아 소자의 신뢰성과 내구성이 저하되고 있다. 기존의 열관리 기술만으로는 심각해지는 발열 문제를 관리하는 데 한계가 있으며, 소자가 더욱 집적화됨에 따라 전통적 열관리 기술에서 탈피해 극한 스케일에서의 열전달 현상에 대한 근본적 이해를 바탕으로 한 접근이 필요하다. 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견해 해결책을 제시하여 화제다.
우리 대학 기계공학과 이봉재 교수 연구팀이 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는 데 성공했다고 밝혔다.
☞ 표면 플라즈몬 폴라리톤: 유전체와 금속의 경계면의 전자기장과 금속 표면의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자들이 강하게 상호작용한 결과로, 금속 표면에 형성되는 표면파(surface wave)를 의미한다.
연구팀은 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다. 이 새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에, 소자 제작과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 반경이 약 3cm인 100나노미터 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25% 증가함을 보였다.
연구를 주도한 이봉재 교수는 "이번 연구의 의의는 공정난이도가 낮은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 일어나는 표면파에 의한 새로운 열전달 모드를 세계 최초로 규명한 것으로, 이는 초고발열 반도체 소자 내 과열점 바로 근처에서 효과적으로 열을 분산시킬 수 있는 나노스케일 열 분산기(heat spreader)로 응용 가능하다ˮ고 말했다.
연구팀의 연구는 나노스케일 두께의 박막에서 열을 평면 방향으로 빠르게 분산시키는데 적용될 수 있다는 점에서 향후 고성능 반도체 소자 개발에 시사하는 바가 크다. 특히, 나노스케일 두께에서는 경계 산란에 의해 박막의 열전도도가 감소하는데, 연구팀이 규명한 이 새로운 열전달 모드는 오히려 나노스케일 두께에서 효과적인 열전달을 가능하게 해 반도체 소자 단위 열관리의 근본적인 문제를 해결해 줄 것으로 기대된다.
이번 연구는 국제학술지 `피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 4월 26일 字에 온라인 게재됐으며, 편집자 추천 논문(Editors' Suggestion)에 선정됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.05.18 조회수 5425 -
고도로 응축된 빛-물질의 새로운 플랫폼 구현
우리 대학 국내외 연구자들과 협업을 통해 고도로 구속된 빛이 전파될 수 있는 새로운 플랫폼을 2차원 물질 박막을 통해 구현했다고 18일 밝혔다. 이 연구 결과는 향후 강한 빛-물질 상호작용에 기반한 차세대 광전자 소자 개발에 기여할 것으로 예상된다.
원자 한 층으로 이루어진 2차원 물질들이 여러 겹으로 쌓이게 되면 기존의 2차원 물질과 다른 특성을 보이게 된다. 이러한 방식으로 만들어진 결정을 반데르발스 결정이라고 한다. 포논-폴라리톤은 전기를 띠는 물질 속 이온의 진동이 전자기파에 결합된 형태를 말하며, 전자기장이 입사광의 파장에 대비해 극도로 응축된 형태를 띈다. 특히, 고전도도를 가지는 금속 위에 놓여진 반데르발스 결정에 생성되는 포논-폴라리톤은 응축성이 극대화된다는 결과가 최근 보고됐다. 금속 위의 유전체에서 빛의 응축성이 극대화되는 것은 폴라리톤 결정 속 전하가 영상 전하 영향으로 금속에 반사돼 `영상 포논-폴라리톤' 이라는 새로운 형태의 폴라리톤이 생성되기 때문이다.
영상 포논-폴라리톤의 형태로 전파되는 빛은 강한 빛-물질 상호작용을 유도할 수 있다는 장점이 있으나 금속 표면이 거칠 경우 생성이 억제돼, 영상 포논-폴라리톤에 기반한 광소자의 실현 가능성은 제한적인 것으로 평가받아왔다.
이러한 한계점을 돌파하고자, 첨단 제작 기술과 측정기술을 보유한 다섯 연구팀이 협업을 통해 단결정 금속 위 영상 포논 폴라리톤 측정에 성공했다.
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀은 높은 민감도를 가지는 주사 근접장 현미경(Scanning near-field optical microscope, SNOM)을 통해 단결정 금 위 63nm(나노미터) 두께의 육각형 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)에서 전파되는 쌍곡 영상 포논-폴라리톤(hyperbolic image phonon polariton, HIP)을 측정했다. 이 측정 결과를 통해 유전체 속에서 전파되는 영상 포논-폴라리톤은 중적외선 빛이 100배 응축된 형태임을 확인했다.
장민석 교수와 메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 연구교수는 수-파장을 진행하는 HIP의 이미지를 얻었으며, 육각형 질화붕소(h-BN) 결정에서 전파되는 강한 구속 상태의 고차 HIP 신호를 세계 최초로 관측하는데 성공했다. 이 결과를 통해 연구진은 반데르발스 결정에서 포논-폴라리톤이 전파 수명 손실 없이 고응축 상태에 이를 수 있다는 것을 보였다.
이 실험 결과는 원자 수준으로 평편한 금 단결정이 육각형 질화붕소(h-BN)이 올라갈 기판으로 사용됐기 때문에 얻을 수 있었던 결과로 평편한 금 단결정은 표면 산란을 억제하며, 극도로 작은 전압 손실(ohmic loss)를 보유하기 때문에 중적외선 대역에서 영상 포논-폴라리톤이 손실없이 전파되기 위한 최적의 환경을 제공한다. 연구진에 의해 측정된 영상 포논-폴라리톤은 저손실 유전체에서 전파되는 포논-폴라리톤 대비 2.4배 응축된 형태와 비슷한 전파 수명을 지니기 때문에, 약 두 배의 성능 지표를 가진다.
실험에 사용된 원자 수준의 평편도를 가지는 금 단결정은 남덴마크대학교(University of South Denmark) 나노광학센터(Center for Nano Optics) 연구소의 모텐슨(N. Asger Mortensen) 교수 연구팀이 화학적으로 제작했다.
중적외선 파장 대역에는 수많은 유기물질의 흡수 스펙트럼이 위치하기 때문에 센서에 사용될 가능성이 높다. 하지만 현재의 상용화된 센서는 낮은 민감도를 가지고 있어, 유기물질은 매우 고농도의 상태에서만 검출된다. 하지만 고응축 상태의 포논-폴라리톤의 강한 빛-물질 상호작용을 이용할 시 한개의 유기 분자도 검출 할 수 있을 것으로 예상되며, 금 단결정에 전파되는 포논-폴라리톤의 긴 전파 수명 또한 검출 기능을 향상할 것으로 예측된다.
장민석 교수 연구팀은 영상 포논-폴라리톤과 영상 그래핀 플라즈몬 사이의 유사성을 밝혀내기도 했다. 두 전파 모드는 모두 극도로 응축된 전자기장을 보이고, 짧아진 폴라리톤 파장에 무관하게 전파 수명이 일정했다. 이 측정 결과는 유전 박막으로 이루어진 저차원 폴라리톤에 대비해 영상 폴라리톤이 강점을 가진다는 것을 시사한다.
연구를 주도한 장민석 교수는 "이번 연구결과는 영상 폴라리톤, 특히, 영상 포논-폴라리톤의 장점을 잘 보여준다. 특히 영상 포논-폴라리톤이 갖는 저손실성과 강한 빛-물질 상호작용은 차세대 광전자 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 보인다. 연구팀의 실험 결과가 향후 메타표면, 광스위치, 광 센서 등의 고효율 나노광학 소자의 실용화를 앞당기는 데 도움이 되기를 바란다ˮ고 연구의 의의를 설명했다.
메나브데 세르게이 연구교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 7월 13일 字 게재됐다. (논문명: Near-field probing of image phonon-polaritons in hexagonal boron nitride on gold crystals)
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성센터와 한국연구재단의 지원을 받아 진행되었으며, 한국과학기술연구원, 일본 문부과학성, 덴마크 빌룸(Villum) 재단의 지원을 받았다.
2022.07.18 조회수 6983 -
양자 입자를 이용한 신개념 레이저 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 정육각형 모양의 반도체 막대 구조 안에서 상호작용이 높은 양자 입자를 생성해, 손실이 커질수록 발광 성능이 좋아지는 신개념의 시공간 대칭성 레이저를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 시공간 대칭성 레이저는 향후 고효율의 레이저 소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
어떠한 물리 시스템에서든 손실(loss)은 가능한 제거 하거나 극복해야 하는 대상으로 존재해왔다. 따라서, 이득(gain)이 필요한 레이저 시스템에서 손실이 있는 경우에는 작동에 필요한 최소 에너지(문턱 에너지)가 그만큼 증가하게 되므로 손실은 가능한 줄여야 하는 대상이었다.
하지만 양자역학에서 존재하는 시공간 대칭성(parity-time reversal symmetry) 및 붕괴 개념을 수학적인 유사성을 통해 광학 시스템에 적용하게 되면, 오히려 손실을 작동에 유익한 방향으로 이용할 수 있는 독특한 광학적 시스템이 탄생하게 된다.
기본적으로 빛은 서로 간의 상호작용이 존재하지 않기 때문에, 기존에는 빛을 이용한 시공간 대칭성을 갖는 광학 시스템을 구현하기 위해서 공간적으로 분리된 두 개 이상의 광학적 단위구조를 오차 없이 동일하게 제작해야 하고 이러한 단위구조들에 대하여 손실과 이득을 각각 개별적으로 조절해야 하는 까다로운 조건의 광학적 시스템을 이용해야만 했다.
한편, 빛은 반도체 내부의 엑시톤(전자-정공이 결합된 입자)과 오랜 시간 동안 머물면서 강하게 상호작용할 수 있는 적절한 조건이 성립되면, 엑시톤과 빛의 특징을 동시에 갖는 폴라리톤(엑시톤-폴라리톤)이라는 제3의 양자 입자를 생성할 수 있는데 엑시톤이 갖는 물질적인 성질로 인해 폴라리톤 사이의 상호작용이 커지게 된다. 특히, 질화물 반도체 기반의 정육각형 마이크로 공진기 구조를 이용하면 거울 없이도 내부 전반사의 원리를 통해 자발적으로 형성되는 빛의 모드와 엑시톤의 강한 상호작용으로 폴라리톤을 상온에서도 구현할 수 있다.
조용훈 교수 연구팀은 빛과는 달리 상호작용이 높은 폴라리톤을 이용해 단 한 개의 정육각형 마이크로 공진기 안에 존재하는 서로 다른 모드 사이의 상호작용을 직접적으로 제어할 수 있는 독자적인 방법을 고안했다.
육각 대칭성을 갖는 단일 공진기 내부에는 에너지가 동일하면서 정삼각형 및 역삼각형 형태의 경로를 갖는 두 개의 빛의 모드가 상호작용 없이 존재하게 되는데, 빛 대신 폴라리톤을 이용하면 엑시톤을 매개로 하여 두 개의 모드 사이에 직접적인 상호작용이 가능할 것이라는 점에 연구팀은 착안했다.
이 중 역삼각형 모드에 대해서만 손실 크기를 연속적으로 조절할 수 있도록 나비넥타이 모양으로 홈이 파여진 기판과 결합했는데, 이를 통해 손실이 증가할수록 작동에 필요한 에너지가 도리어 더 작아진다는 특이한 결과를 상온에서 관측하고 그 원인을 체계적으로 규명했다.
이는 일반적으로 손실이 클수록 작동에 필요한 에너지가 증가한다는 일반적인 직관과는 상반되는 결과로서, 기존에 빛을 이용한 시공간 대칭성 시스템의 복잡성과 한계를 극복하고 단 하나의 반도체 마이크로 공진기를 이용해 시공간 대칭성 레이저를 최초로 구현했다는 데 의미가 크다.
이와 같은 시공간 대칭성을 적용한 시스템은 제거하거나 극복해야 하는 대상이었던 손실을 오히려 이용해서 결과적으로 이득이 될 수 있게 해 주는 중요한 플랫폼이다. 이 플랫폼을 이용해서 레이저 발진 에너지를 낮추거나, 비선형 광소자 및 민감한 광센서 같은 고전적인 광소자뿐만 아니라 빛의 방향성을 제어할 수 있는 비가역적인 소자, 그리고 초유체 기반의 집적회로 양자 광소자에 응용될 수 있다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “폴라리톤이라는 양자 입자를 이용한 신개념 단일 마이크로 공진기 플랫폼으로서 복잡한 저온 장치 없이 시공간 대칭성과 관련된 기초연구의 문턱을 낮출 수 있는 기반이 될 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동할 수 있으면서도 손실을 이용한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”라고 말했다.
물리학과 송현규 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 삼성 미래기술육성사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 포토닉스 분야의 세계적 학술지인 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)' 6월 10일 字에 온라인 출간됐다. (논문명: Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity / 단일 마이크로 공진기를 이용한 상온 폴라리톤 non-Hermitian 시스템)
2021.06.11 조회수 64458 -
조용훈 교수, 양자입자의 상온 응축 및 운동량 제어 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 육각형 반도체 막대 구조를 이용해 극저온에서만 형성이 가능했던 빛과 물질의 성질을 동시에 갖는 양자 입자(엑시톤-폴라리톤)를 응축하고 이의 운동량을 상온에서도 제어하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 향후 고효율의 비선형 광소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
송현규 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 광학회의 국제학술지 ‘옵티카 (Optica)’10월 20일 자에 게재됐다.
빛이 반도체 내부의 엑시톤과 오랜 시간 동안 머물 수 있는 적절한 조건이 성립되면, 서로가 강하게 상호작용하며 빛과 물질이 지닌 장점을 동시에 갖는 제3의 양자 입자인 엑시톤-폴라리톤이 생성된다.
기존 연구에 많이 사용되던 비소화물 기반 반도체의 경우, 빛을 반도체 내부에 오랜 시간 가둬두기 위한 균일한 거울 구조를 만드는 공정과정은 잘 알려졌지만, 열에너지에 의해 엑시톤이 해리되기 때문에 극저온의 실험환경이 필수적인 요소였다.
반면 질화물 기반 반도체의 경우 상온에서도 안정적으로 존재할 수 있는 엑시톤을 형성할 수는 있지만, 거울 구조를 만드는 공정과정이 복잡하고 물리적 요인들로 인해 공간적으로 균일한 거울 구조를 만드는 데 한계가 있다. 이러한 불균일한 거울 구조는 엑시톤-폴라리톤의 움직임을 방해하는 중요한 원인이다.
연구팀은 거울 구조 대신 질화물 반도체 기반의 3차원 구조인 육각형 마이크로 막대 구조를 이용해 문제를 해결했다. 이 구조를 이용하면 거울 없이도 내부 전반사의 원리를 통해 균일하면서도 자발적으로 형성되는 빛의 모드와 엑시톤의 강한 상호작용으로 상온에서도 엑시톤-폴라리톤을 생성할 수 있게 된다.
엑시톤-폴라리톤은 빛으로부터 얻은 고유의 특성으로 인해 질량이 전자보다 10만 배, 원자보다 10억 배 가볍다. 기존 원자를 이용하면 절대영도(영하 273도) 근처에서 에너지가 낮은 하나의 바닥 상태를 모든 입자가 공유해서 마치 하나의 입자처럼 행동하는‘보즈-아인슈타인 응축 현상’이 관측된다. 연구팀은 질화물 반도체에서 엑시톤-폴라리톤 입자를 형성하여 이러한 응축 현상이 상온에서도 생성될 수 있다는 사실을 검증했다.
또한, 엑시톤으로부터 얻은 고유 특성으로 기존의 빛과는 다르게 엑시톤-폴라리톤 입자 서로 간의 밀어내는 힘인 척력이 발생한다. 연구팀은 고해상도 레이저 광학 시스템을 이용해 엑시톤-폴라리톤의 포텐셜 에너지와 이의 경사도를 조절해서 엑시톤-폴라리톤 응축 현상의 운동량을 제어하는 데에도 성공했다.
이와 같은 응축 현상의 운동량 제어는 공간적으로 넓은 결맞음을 동반하기에 양자 소용돌이와 같은 양자 상전이 현상부터 양자 시뮬레이터로 활용하기 위한 양자현상 제어의 중요한 요소 중 하나이다. 이 기술은 구동 전류가 10배 이상 낮은 엑시톤-폴라리톤 기반의 신개념 레이저, 비선형 광소자와 같은 고전적인 광소자뿐만 아니라 초유체 기반의 집적회로, 양자 시뮬레이터와 같은 양자광소자에 응용될 수 있다.
조 교수는 “상온 엑시톤-폴라리톤 플랫폼으로서 복잡한 저온 장치 없이 이와 관련된 기초연구의 문턱을 낮출 수 있는 기반이 될 수 있을 것이다”라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동이 가능한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 반도체 육각형 막대 구조에서 생성되는 상온 엑시톤 폴라리톤 응축 및 이의 운동량 제어
2019.10.31 조회수 10904 -
조용훈, 최형순 교수, 반도체 내 양자 소용돌이 제어 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈, 최형순 교수 공동 연구팀이 반도체 공진기 구조에서 ‘엑시톤-폴라리톤 응축’이라는 양자물질 상태를 형성 후 새 광학적인 방식으로 양자 소용돌이를 생성하고 제어하는 데 성공했다.
권민식 연구원과 오병용 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 물리학회가 발행하는 물리학 권위지인‘피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters)’ 2월호에 게재됐다.
태풍이 일거나 싱크대에서 물이 빠질 때 유체가 소용돌이를 일으키며 회전하는 것은 우리에게 익숙한 현상이다.
이와 마찬가지로 초유체, 초전도체 같은 양자 유체도 소용돌이를 일으키며 회전할 수 있는데, 이는 파동 함수의 위상(phase)이 소용돌이를 중심으로 원주율의 특정 배수가 되는 조건에서만 가능하다. 이렇게 소용돌이가 불연속적으로 양자화되는 현상을 양자 소용돌이라고 한다.
양자 소용돌이는 양자 유체역학을 연구하는 데 가장 핵심적인 요소 중 하나이다. 초유체의 에너지 손실 없이 회전할 수 있는 특성과 소용돌이의 회전 방향을 쉽게 뒤집을 수 없는 위상학(topology)적 안정성이 결합돼 있어 양자 소용돌이를 쉽게 생성하고 제어할 수 있다면 미래형 정보 소자로도 활용할 수 있다.
이런 면에서 반도체 내부에 존재하는 양자 유체인 엑시톤-플라리톤(이하 폴라리톤)은 특히 유리하다. 반도체에 밴드갭(전도체의 가장 아랫부분의 에너지 준위와 가전자대의 가장 윗부분의 에너지 준위 간의 에너지 차이)보다 높은 에너지를 갖는 빛을 쬐면 전자-전공 쌍이 형성되고 서로 강하게 이끌리며 엑시톤을 형성한다.
이러한 반도체에 높은 반사율을 갖는 거울 구조의 공진기를 결합하면 빛(광자)과 물질(엑시톤)이 강하게 상호작용하며 빛, 물질의 성질을 동시에 갖는 제3의 양자 물질을 만들 수 있는데 이를 폴라리톤이라 한다.
폴라리톤이 일정 밀도 이상 모이면 마치 하나의 입자처럼 행동하는 폴라리톤 응축 상태를 띌 수 있는데 이 때 폴라리톤은 초유체의 특성도 갖게 된다. 다른 초유체와 달리 잘 정립된 반도체 공정 기술과 광학적 제어 기술이 결합돼 있고, 초유체 생성 온도가 상대적으로 높아 그 응용 가능성이 기대되는 물질이다.
연구팀은 광-펌핑(원자나 이온이 빛을 흡수해 낮은 에너지의 상태에서 높은 에너지의 상태로 변화하는 현상)을 위해 사용한 레이저의 궤도 각운동량을 제어해 반도체 물질 내에 양자 소용돌이의 방향과 개수를 손쉽게 조절할 방법을 개발했다.
연구팀은 공진 파장이 아닌 빛으로 기존 양자 소용돌이 생성을 위한 까다로운 실험조건을 극복했다. 이 결과는 고체 상태에서 광학적 방법을 이용한 미래형 정보 소자와 복잡한 양자 현상을 이해할 수 있는 양자 시뮬레이터로의 활용 가능성을 높였다는 측면에서 큰 의의가 있다.
비공진 레이저의 궤도 각운동량이 폴라리톤의 기저 상태에까지 영향을 끼친다는 것을 밝힌 이번 연구 결과는 반도체 공진기 시스템에서 전자-정공 쌍의 에너지 완화 과정을 이해하는 데에 있어서도 중요한 결과이다.
KIST 송진동 박사 연구팀과의 협력으로 진행된 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 및 신진연구자 지원사업을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 엑시톤-폴라리톤 초유체와 양자소용돌이 상태의 생성
그림2. 양자소용돌이 제어
2019.03.11 조회수 14227 -
이봉재, 이승섭 교수, 금속-유전체 간 근접장 복사열전달량 제어 기술 개발
〈 왼쪽 위부터 시계방향으로 이승섭 교수, 이봉재 교수, 임미경 박사, 송재만 박사과정 〉
우리 대학 기계공학과 이봉재 교수와 이승섭 교수 연구팀이 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달량을 측정하고 제어하는 데 성공했다.
연구팀의 복사열전달 제어 기술은 차세대 반도체 패키징과 열광전지, 열관리 시스템 등에 적용 가능하고 폐열의 재사용을 통한 에너지 절감, 사물인터넷 센서의 지속적 전력 공급원 등에 응용 가능할 것으로 기대된다.
임미경 박사와 송재만 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 16일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Tailoring Near-Field Thermal Radiation between Metallo-Dielectric Multilayers using Coupled Surface Plasmon Polaritons, 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링을 이용한 금속-유전체 다층구조 사이의 근접장 복사열전달 제어)
두 물체 사이의 거리가 나노미터 단위일 때 물체 사이의 복사열전달은 거리가 가까워질수록 매우 크게 증가한다. 그 값은 복사열전달량의 이론적인 최댓값이라 여겨졌던 흑체 복사열전달량보다 1천 배에서 1만 배 이상 커질 수 있다. 이 현상을 근접장 복사열전달이라고 한다.
최근 나노기술의 발전으로 다양한 물질 사이의 근접장 복사열전달을 규명하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 나노구조에서 발생하는 표면 폴라리톤 커플링을 이용하면 두 물체 사이의 근접장 복사열전달량을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 파장에 따른 복사열전달 제어가 가능해진다.
이런 이유로 박막, 다층나노구조, 나노와이어 등 나노구조를 도입한 근접장 복사열전달 적용 장치에 대한 이론 연구가 계속 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 연구는 등방성(等方性) 물질 사이의 근접장 복사열전달만을 측정하는 데 초점이 맞춰졌다.
이봉재, 이승섭 교수 공동 연구팀은 커스텀 MEMS 장치 통합 플랫픔과 3축 위치 나노제어 시스템을 이용해 금속-유전체 다층나노구조 사이의 진공 거리에 따른 근접장 복사열전달량을 최초로 측정하는 데 성공했다.
금속-유전체 다층나노구조는 일정한 두께를 갖는 금속과 유전체가 반복적으로 쌓인 구조를 말한다. 금속-유전체 단일 층 쌍을 단위 셀이라 부르며 단위 셀에서 금속 층이 차지하는 두께의 비율을 충전인자라 한다.
연구팀은 다층나노구조의 충전인자와 단위 셀 개수의 변화에 따른 근접장 복사열전달량 측정 결과를 통해 표면 플라즈몬 폴라리톤 커플링으로 근접장 복사열전달량을 크게 향상시켰으며, 나아가 열전달의 파장별 제어가 가능함을 증명했다.
연구를 주도한 이봉재 교수는 “그동안 실험적으로 규명된 등방성 물질은 근접장 복사열전달의 파장별 제어에 한계가 있었다”며 “이번에 밝혀낸 다층나노구조를 사용한 근접장 복사열전달 제어 기술은 열광전지, 다이오드, 복사냉각 등 다양한 근접장 복사열전달 적용 장치 개발에 첫걸음이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 근접장 복사열전달 측정 3차원 개념도와 개발한 장치
그림2. 금속-유전체 다층나노구조의 충전 인자에 따른 복사 열전달량 분석 결과
2018.11.14 조회수 11220 -
빛과 물질의 성질 동시에 갖는 양자 입자 상온에서 관측
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 육각형의 반도체 막대 구조에서 빛과 물질의 성질을 반절씩 동시에 갖는 양자 입자를 상온에서 관측하는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8일자에 게재됐다.
실생활에 응용되는 광소자는 빛과 물질의 상호작용을 기반으로 한다. 빛이 물질 내부에 충분히 오랫동안 머물 수 있는 적절한 조건을 만들면 서로가 강하게 상호작용을 하며 빛도 물질도 아닌 제 3의 입자가 생성되는데 이를 폴라리톤이라고 한다.
특히 반도체 내부에 존재하는 엑시톤과 빛을 강하게 결합시킨 경우를 엑시톤 폴라리톤이라 부른다.
이처럼 빛이 물질 내부에 충분히 머물기 위해선 좋은 품질의 거울 구조를 만드는 것이 필수적이다. 그러나 100%에 가까운 반사율을 갖는 거울 구조를 만드는 반도체 기술은 공정이 매우 복잡하고 제작 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 거울 대신 육각기둥모양의 질화물 반도체 마이크로막대를 이용했다. 이 막대를 사용하면 거울이 없어도 전반사의 원리로 인해 빛이 물질 내부에 갇혀 빛과 물질이 강한 상호작용을 하게 된다.
연구팀은 빛이 갇혀서 맴돌게 되는 위치에 질화물 반도체 양자우물을 성장시켜 기존 구조보다 약 5배 이상 강한 빛과 물질의 상호작용을 얻었다. 이를 통해 상온에서도 엑시톤 폴라리톤 입자가 형성됨을 검증했다.
새로운 입자인 엑시톤 폴라리톤은 빛과 물질이 지닌 장점을 동시에 갖는데, 빛으로부터 얻은 고유 특성으로 인해 전자에 비해 10만 배, 원자에 비해 10억 배 가벼운 질량을 갖게 된다.
이렇게 가벼운 질량은‘보즈-아인슈타인 응축’을 관측할 수 있는 임계온도를 올려주는 역할을 해 그 동안 절대영도(영하 273도) 근처에서 연구된 양자 현상들을 상온에서도 관측할 수 있는 가능성을 열어 준다.
또한 엑시톤으로부터 얻은 고유 특성으로 레이저, 광학 스위치 등 빛을 이용한 비선형 광학 시스템보다 10배 이상 낮은 구동 전류를 갖는 폴라리톤 기반의 신개념 광학 소자로도 응용이 가능하다.
조 교수는 “전통적 레이저의 문턱전류의 한계를 넘는 폴라리톤 레이저 개발로 이어질 수 있을 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동이 가능한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”고 말했다.
물리학과 공수현 박사(1저자), 고석민 박사(2저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 모험연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 반도체 코어-쉘 마이크로 막대 모식도
그림 2. 질화물 반도체 코어-쉘 마이크로 막대 구조 현미경 사진. 육각기둥모양(위)과 양자우물구조(아래)
그림 3. 코어-쉘 마이크로 막대 구조의 단면 굴절율 분포(위)와 마이크로 막대 구조 안의 전기장 분포(아래)
2015.07.15 조회수 9961