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고효율의 단일광자원 소자 핵심기술 개발
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 의 방출 효율과 공정 수율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
빛은 보통 파동의 성질을 갖는 동시에 입자의 성질도 가지고 있는데, 이 입자를 광자라고 한다. 단일광자원 혹은 양자광원은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자이다. 반도체 양자점을 이용한 단일광자 방출 소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
하지만 빛의 파장은 양자점보다 수십~수백 배 정도 크기 때문에 상호 작용하기 어려워서 단일광자의 방출 효율이 매우 작다는 한계점이 있다. 따라서 고효율 단일광자원를 만들기 위해서는 양자점과 빛을 집속시키는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이다.
하지만 양자점은 불규칙하게 분포되어 있고 위치를 정확히 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다. 따라서 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성된다. 그리고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속 끝에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것이다.
특히 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다. 즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과의 크기 차이로 인한 문제를 극복할 수 있게 되는데, 이 방법으로 단일광자 방출 효율이 기존의 방식보다 20배 정도 증가되었다.
단일광자 방출소자는 양자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소이다. 이번 연구를 통해 기존의 까다로운 과정들 없이 단순한 방식으로 효율과 수율을 모두 높일 수 있으므로, 단일광자방출원 혹은 양자광원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대된다.
조 교수는 “이 기술은 높은 공정 수율을 갖고 있기 때문에 상용 양자광원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것”이라고 말했다.
조용훈 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)·김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 우리 대학 신종화·이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습의 개념도
2015.04.23 조회수 14029 -
슈퍼렌즈로 초고해상도 2차원 실시간 영상획득 성공
우리 학교 물리학과 박용근·조용훈 교수 공동연구팀은 빛의 회절한계 때문에 광학렌즈로는 볼 수 없었던 100nm(나노미터, 10억분의 1미터) 크기 이미지를 2차원으로 실시간 관찰하는데 성공했다.
이번 연구는 지난해 4월 박 교수 연구팀이 페인트 스프레이를 이용해 기존 광학렌즈보다 3배가량 해상도가 뛰어난 ‘슈퍼렌즈’를 세계 최초로 개발해 초점을 형성한 기술의 후속 연구로 향후 초정밀 반도체 공정이나 세포 내 구조 관찰 등에 응용 가능하다.
빛의 굴절을 이용하는 광학렌즈는 빛의 파장보다 작은 초점을 만들 수 없는 특성(회절한계) 때문에 가시광선 영역에서 200~300nm 이하 크기의 물체를 관찰할 수 없다.
연구팀은 빛의 산란 때문에 소멸하는 고주파 근접장을 산란 물질이 밀집한 나노입자로 구성된 페인트 스프레이를 뿌려 미세한 크기의 이미지 정보를 얻어냈다.
이후 빛을 시간 가역성을 이용해 최초의 산란 형태를 계산해 복구함으로써 회절한계를 넘는 나노 이미지를 구현했다. 복잡한 궤적으로 물체를 투사할 때 피사체의 특정위치에서 피사체가 지나온 궤적에 대해 시간을 되돌리는 방식으로 계산하면 피사체의 처음 위치를 알 수 있는 원리다.
이번 연구를 주도한 박용근 교수는 “개발된 기술은 광학 측정과 제어가 요구되는 모든 분야에서 핵심 기반기술로서 사용될 수 있다”며 “기존의 전자현미경은 세포가 파괴되는 단점이 있었지만 이 기술을 이용하면 세포파괴 없이 초고해상도로 관찰할 수 있다”고 말했다.
연구결과는 물리학분야에서 귄위 있는 국제학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 9일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 관찰영상
그림2. 산란을 통한 나노 이미징의 원리
2014.09.22 조회수 12407 -
빛의 속도로 빠른 단방향 광전달 소자 개발
우리 학교 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 반도체 나노와이어를 이용해 빛을 한쪽 방향으로만 선택적으로 전달할 수 있는 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 광자 다이오드 구조는 직경이 수백 나노미터에 길이가 수 마이크로미터 정도로 크기가 매우 작아 고집적회로에 사용할 수 있으며 입사광의 편광방향에도 덜 민감해 효과적으로 활용가능하다.
집적회로에서 전자의 흐름을 제어하는 다이오드를 전자 대신 빛을 이용해 구동하는 방식으로 만들면 정보를 초고속으로 처리하고, 전송 손실이 작아지기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있어 꼭 필요한 미래기술이다.
그러나 기존에 비대칭메타물질이나 광결정구조 등을 이용한 기존의 광자 다이오드 방식은 크기가 커서 고집적회로에 적용하기 어렵다. 또 입사광의 편광방향과 입사 각도에 민감해 제한된 환경에서만 사용할 수 있었다.
연구팀은 수 마이크로미터 이하의 질화물반도체 나노와이어를 이용해 양 방향으로 빛이 나오는 강도가 크게 다른 높은 효율의 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 반도체 나노와이어는 길이 방향으로 큰 에너지 차이를 보이는데 이는 나노와이어에 형성된 양자 우물의 두께와 양자우물 층의 인듐 함량을 길이 방향으로 연속적으로 제어했기 때문이라고 연구팀은 전했다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “길이 방향으로 나타나는 에너지의 큰 차이는 비대칭적으로 빛의 진행을 일으켜 광자 다이오드로서 작동하게 되는 것”이라며 “집적회로에서 전자 대신에 광자를 활용하면 정보의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월10일자 표지논문으로 게재됐다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수의 지도를 받아 고석민(제1저자)·공수현(제2저자) 박사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업과 KAIST EEWS 연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
반도체 나노와이어로 만든 광자 다이오드가 광집적회로에 적용된 가상의 모습
2014.09.22 조회수 12133 -
그래핀 양자점 디스플레이 핵심기술 개발
우리 학교 신소재공학과 전석우(39) 교수는 물리학과 조용훈(48) 교수, 전기및전자공학과 유승협(43) 교수와 공동으로 세계에서 처음으로 흑연으로부터 고품질의 그래핀 양자점을 개발하는데 성공했다.
연구팀은 그래핀의 원재료인 흑연에 염(salt)과 물만을 이용한 흑연층간 화합물을 합성해 친환경적인 방법으로 그래핀 양자점을 만들었다.
개발된 양자점은 지름이 5nm(나노미터, 10억분의 1미터) 정도로 크기가 매우 균일하면서도 높은 양자 효율을 보였으며, 기존 양자점과 달리 납, 카드뮴 등의 독성 물질이 포함돼 있지 않다. 또 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 재료(흑연, 염, 물)로만 만들어 적은 비용으로 대량생산이 가능할 것으로 기대된다.
이와 함께 연구팀은 그래핀 양자점의 발광 메커니즘을 규명했으며 제조된 그래핀 양자점을 통해 휴대폰 디스플레이의 최대 밝기(수백 cd/㎡)보다 높은 1,000 cd/m2(cd, 칸델라) 이상의 높은 휘도를 갖는 그래핀 양자점 LED를 개발해 상용화 가능성을 최초로 입증했다.
전석우 교수는 “아직은 기존 LED의 발광효율에는 못 미치지만 발광 특성은 향후 더욱 향상될 가능성이 많다”며 “특히 그래핀 양자점을 활용하면 종잇장처럼 얇은 디스플레이는 물론 커튼처럼 유연한 소재에도 원하는 정보가 표시되는 기술도 가능할 것”이라고 밝혔다.
연구팀이 KAIST 나노융합연구소 그래핀 연구센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)’ 20일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 그래핀 양자점 합성 과정 및 그래핀 양자점 이미지
그림2. 그래핀 양자점 발광 메커니즘
그림3. 그래핀 양자점 적용 LED 구조 및 발광 이미지
2014.08.28 조회수 14740 -
나노 입자 기반 신개념 슈퍼렌즈, 2013 10대 과학기술 뉴스로 선정
박용근 교수
우리 학교 물리학과 박용근·조용훈 교수 공동연구팀이 개발한 "나노 입자 기반의 신개념 슈퍼렌즈" 기술이 한국과학기술단체총연합회가 선정한 "2013년 10대 과학기술 뉴스"로 선정됐다.
이 렌즈는 빛의 산란을 이용해 기존 광학렌즈보다 3배가량 뛰어난 해상도를 갖는다.
빛의 굴절을 이용하는 기존 광학렌즈와 달리, 슈퍼렌즈는 100㎚ 크기의 세포 내 구조와 바이러스 등을 볼 수 있다. 또 광통신과 최첨단 반도체 공정 등에 응용 가능하다.
이밖에도 나로호 발사 성공, 뇌세포막을 제거해 뇌를 투명하게 보는 기술과 암 전이를 차단하는 신물질 개발, 초광각 곤충 눈 카메라 기술 개발 등이 올해의 연구업적으로 인정받았다.
2013 10대 과학기술 뉴스는 3차례의 위원회 심의와 지난달 21일부터 이달 4일까지 14일 간 5437명의 온라인투표 참여를 통해 선정됐다.
2013.12.11 조회수 12794 -
양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22 조회수 16666 -
뇌신경전달 단백질의 구조와 작동원리 규명
- 생체막 융합 단백질의 구조변화 실시간 측정 -- 퇴행성 뇌질환 연구에 실마리 제공 -
우리 학교 물리학과 윤태영 교수 연구팀이 자기력 나노집게를 이용해 뇌신경세포사이의 신경물질전달에 가장 중추적인 역할을 하는 스네어(SNARE) 단백질의 숨겨진 구조와 작동원리를 단분자 수준에서 밝히는데 성공했다.
스네어 단백질의 세포막 융합기능은 알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌질환이나 신경질환과 밀접하게 연관되어 있어 이 같은 질병의 예방과 치료법 개발에 새로운 실마리가 될 것으로 기대된다.
뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스에서 신경전달물질을 저장하는 포낭 주머니가 세포막에 융합되면서 일어난다. 이 과정에서 스네어 단백질은 신경전달물질 분출에 가장 핵심적인 역할을 하는 세포막 융합 단백질이다.
지금까지 학계에서는 스네어 단백질이 신경물질을 주고받는 과정을 조절할 것이라고 추정해 왔지만 그 구조와 기능을 명확하게 밝혀내지 못했다.
연구팀은 자기력 나노집게를 이용해 피코 뉴턴(pN, 1조분의 1뉴턴) 수준의 힘으로 단백질 하나를 정교하게 당겼다 놓으면서 나노 미터수준의 물리적 변화를 실시간으로 측정하는 실험기법을 개발했다.
이를 통해 스네어 단백질에 숨겨진 중간구조가 존재하며, 이 구조에 대한 정밀한 측정결과 중간상태가 어떤 구조를 갖는지 정확하게 예측했다.
이와 함께 생체막 사이에 있는 스네어 단백질의 중간구조가 생체막이 서로 밀어내는 힘을 견디고 유지하면서 신경물질을 주고받는 과정을 조절하는 역할을 할 수 있음을 밝혔다.
윤태영 교수는 “생체단백질이 갖는 숨겨진 구조와 작동원리를 힘을 정교하게 조절하는 실험만으로 직접 관찰하는 것과 동일한 획기적 연구 결과를 일궈냈다”며 “이 기술은 생물학의 연구대상을 물리학적인 방법 연구하는데 매우 중요한 기술로 향후 학제적 융합연구에 매우 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 물리학과 윤태영 교수와 김기범 연구교수의 주도 아래 KIST 의공학연구소 신연균 교수와 공동연구로 진행됐고, KAIST 물리학과 조용훈 교수, 민두영 박사과정, KIAS 계산과학부 현창봉 교수가 참여했으며, 이번 세계적 과학학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 4월 16일자에 게재됐다.
(a) 뇌의 신경전달은 신경세포 말단 시냅스에서 신경전달물질을 저장하는 포낭 주머니가 세포막에 융합되면서 일어난다. 이 과정에서 스네어 단백질은 신경전달물질 분출에 핵심적인 역할을 한다.
(b) 자기력 나노집게를 이용하여 단분자 수준에서 단백질 구조 변화를 실시간으로 측정방법의 개략도. 피코 뉴톤(pN) 수준의 힘으로 단백질 하나를 정교하게 당겼다 놓으면서 나노 미터수준의 물리적 변화를 실시간으로 측정하여 생체막 융합 단백질의 숨겨진 중간구조와 작동원리를 단분자 수준에서 관찰한다.
2013.05.09 조회수 15916 -
LED의 새로운 발견, 형광체 없이 다양한 색깔의 빛 낸다!
- 나노 피라미드 반도체에서 복합 에너지 구조가 형성됨을 규명 -
- 형광체 없는 단일 칩 다중 파장 LED 개발 길 열어 -- ‘어드밴스드 머티리얼스’ 12월호 표지논문 선정 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드 구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했다.
빛의 혁명을 주도하고 있는 LED(발광다이오드)는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시장치 등에 널리 활용되고 있다.
일반적으로 조명에 주로 사용되는 백색 LED는 청색 LED칩 위에 노란색 형광체를 도포하거나 또는 복잡한 회로를 이용해 여러 개의 LED칩을 동시에 구동해야 백색 빛을 낼 수 있다.
조용훈 교수 연구팀은 반도체에 매우 작은 육각 피라미드 구조를 만들고 LED 소자를 구현해 전류를 흘려주면 육각 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 다른 에너지 크기를 갖는 복합구조가 형성된다는 현상을 발견했다.
위치에 따른 에너지 차이로 인해 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생했는데 이러한 특성은 백색 LED 뿐만 아니라 다양한 빛을 낼 수 있는 가능성을 보여준 것이다.
[그림 1] (상) 전류 구동에 의해 발광하는 나노 피라미드 LED 개념도 및 LED 발광 사진. (하) 나노 피라미드의 위치에 따라 서로 다른 차원을 갖는 양자 구조에서 다른 파장의 빛이 방출됨을 보이는 고해상도 발광 이미지.
따라서 LED에 나노 피라미드 구조를 적용하면 일반적인 넓은 파장대역을 갖는 발광이 전류 구동만을 통해서도 가능해지기 때문에 형광체를 사용하지 않으면서도 단일 LED칩에서 다양한 색상의 빛을 낼 수 있는 새로운 개념의 발광소자 개발이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 기존 LED는 다양한 색을 내기 위해 형광체를 칩 위에 도포하는 구조적 특성으로 인해 빛의 에너지 효율에 제약이 있었으나, 형광체가 필요 없는 나노 피라미드구조는 이러한 단점을 극복해 더욱 밝은 빛을 낼 수 있을 것으로 예상된다.
조용훈 교수는 “나노미터 크기의 피라미드 반도체 안에서 위치에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 흥미로운 현상을 이용하면, 형광체를 사용하지 않는 단일 칩 백색 LED와 함께 신개념의 나노 광원을 개발하는데 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)" 12월호(1일자) 표지 논문으로 선정됐다.
KAIST 물리학과의 고영호 (1저자)와 김제형 (2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
연구자사진
[그림 2] 복합 양자구조를 가지고 있는 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로 발광되는 개념도. (12월 1일자 Advanced Materials 표지 논문 그림)
2011.12.14 조회수 16852