한국과학기술원(KAIST)은 고성능 단일 양자점 양자 광원을 고밀도 양자점 기판 위에 식각 등 공정 없이 맞춤형·다량 생산하는 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
조용훈 물리학과 교수팀이 고영호 한국전자통신연구원(ETRI) 박사팀, 송진동 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀과 공동연구로 이룬 성과다.
양자정보통신 기술에 필수인 양자광원을 구현하는 플랫폼으로 반도체 양자점이 주목받고 있다. 양자점을 이용하면 빛 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생시키는 단일광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다. 다만 양자점과 광학적 특성이 꼭 들어맞는 공진기 구조를 정밀하게 설계하고 결합해야만 발광 성능이 우수한 단일광자 발생기를 만들 수 있다.
공동 연구팀은 고밀도 양자점 중에서 단 하나 양자점을 선별해 내는 비파괴적인 선택 방법을 고안하고, 이렇게 선택한 양자점 광학 특성을 분석해 이에 맞는 맞춤형 공진기를 제작했다.
조용훈 교수팀은 최근 개발한 집속 이온빔을 이용한 '초정밀 나노 소광 기법'을 고밀도 양자점에 적용했는데, 집속 이온빔을 약하게 조사하면 시료가 깎여 나가지 않지만, 이온빔을 맞은 부분은 빛을 내지 못하게 되는 '소광' 현상을 이용한 것이다.
고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사해 정중앙 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는 데 성공했다.
그리고 특성에 꼭 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞춰 제작해, 단일광자 방출효율을 높이고 빛 방향성을 제어할 수 있었다.
조용훈 교수는 “기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도를 조절하기 어려워 외면받던 고밀도 양자점 시료들에 대해서 고성능 양자광원을 맞춤형으로 구현할 수 있는 방법”이라며 “원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있어 대규모 양자 광학 플랫폼 개발에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.
최민호 KAIST 물리학과 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP)과 한국연구재단 등 지원을 받아 수행됐으며, 재료 과학분야 권위 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 3월 22일자 온라인 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
