포스텍 박경덕·노준석 교수 연구팀이 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프 교수와 함께 2차원 반도체의 발광 효율을 획기적으로 향상시키는 기술 개발에 성공했다.
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▲ 2차원 반도체의 대면적 발광효율 증강 모식도(왼쪽), 바비넷 원리와 표면격자공명 현상을 설명한 그림. [포스텍 제공] |
27일 포스텍에 따르면 스마트폰 등 디스플레이 기기는 야외활동 시 화면이 충분히 밝지 않고, 고전력 사용에 따라 배터리 소모가 급격히 빨라지는 문제도 발생한다.
차세대 전자소재로 주목받는 2차원 반도체는 두께가 불과 수 원자층이기 때문에 유연하면서도 뛰어난 전기적·광학적 특성을 갖는다. 이 때문에 TSMC 등 글로벌 기업들이 반도체칩 양산을 위한 차세대 소재로 이미 상용화 연구를 진행하고 있다.
하지만 단위 부피당 발광효율이 매우 높은 것에 비하여, 수 원자층 두께에서 발생하는 빛의 절대적인 세기는 여전히 낮기 때문에 디스플레이 소재로의 활용을 위해서는 발광효율 향상이 반드시 필요하다.
연구팀은 바비넷 원리와 표면격자공명이 발생하는 대면적 금 나노광학안테나 구조를 설계 및 제작하고, 이 위에 2차원 반도체를 적층하여 발광효율을 1600배 증강시키는 소자를 구현하는데 성공했다.
연구팀은 바비넷 원리가 적용되는 역발상의 안테나 구조를 고안하여 발광에너지 손실을 최소화하였고, 표면격자공명이 발생하는 배열식 구조를 제작하여 나노광학안테나 효과를 대면적으로 극대화 시킬 수 있었다.
2차원 반도체의 발광효율을 획기적으로 향상시킨 이 연구를 통해 손목에 감거나 의류에 부착하는 웨어러블 디스플레이 개발이 가능해질 전망이며, 디스플레이 소자의 전력소모를 크게 감소시킴으로써 스마트폰 등 전자기기의 배터리 사용 시간을 크게 늘리는 기능도 할 것으로 기대된다.
이번 연구는 광학 분야 국제학술지 'Light: Science & Applications'에 게재됐으며, 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다.
논문의 제1 저자인 포스텍 물리학과 통합과정 구연정 씨는 "이번 연구는 2차원 반도체가 직면한 발광소재로써의 한계를 극복하고, 차세대 디스플레이와 광반도체 기술 상용화에 중요한 돌파구를 제시할 수 있을 것"이라고 전했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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