조창희 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 교수가 리테시 아가왈(Ritesh Agarwal) 미국 펜실베니아대학 교수와 공동으로 반도체 실리콘 물질 고유의 낮은 발광효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 고온발광(Hot Luminescence) 메커니즘을 규명했다.
조 교수 연구팀은 반도체 실리콘과 금속을 구조적으로 결합해 만든 플라즈모닉 메타물질에 고온발광 메커니즘을 적용, 원래 발광하지 않는 반도체 실리콘 물질을 발광하도록 유도하는데 성공했다.
지금까지 반도체 실리콘은 고유의 낮은 발광효율로 발광소자 소재로 사용하는 것이 불가능했다. 이 때문에 주로 컴퓨터 프로세서, 메모리 등 전자소자의 소재로만 활용돼 왔고 반도체 실리콘 기반 발광소자로의 개발은 힘들었다.
이번 연구결과로 도출된 고온발광 메커니즘은 반도체 실리콘을 나노 금속 공진기와 결합함으로써 가시광선 영역에서 효율적인 발광을 유도했다. 또 에너지 및 온도 의존 분광법을 사용해 플라즈모닉 메타물질을 구성하는 반도체 실리콘의 전자와 포논, 금속의 플라즈몬이 상호작용을 일으키며 발광하는 고온발광 메커니즘이 일어난다는 사실을 증명한 셈이다.
현재 전 세계적으로 회로 안에서 전자의 이동이 아닌 빛을 이용한 정보처리 기술인 실리콘 포토닉스 기술개발이 한창이다. 이번 연구는 실리콘 포토닉스 기술을 앞당기는 단초 역할을 할 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 결과는 다양한 분광학적 실험과 이론적 모델링을 통해 고온발광이라는 새로운 메커니즘을 규명한 연구”라며 “반도체 실리콘 물질에 기반을 둔 효율적인 광원 개발을 위한 가능성을 제시하고 다양한 광소자 개발에 중요한 연구결과가 될 것”이라고 말했다.
조 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학 분야 세계적 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인판에 최근 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 해외우수연구기관 유치사업의 일환으로 진행되는 ‘DGIST-LBNL 공동연구센터 및 DGIST 특성화 지원 융합과학중점센터’의 지원으로 수행됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
