고효율 빛 변환 메커니즘
고효율 빛 변환 메커니즘
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.09 09:40
  • 조회수 1499
  • 댓글 0
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더욱 밝고 다양한 빛을 고효율로 생성 가능한 빛 파장 변환 메커니즘을 발견했습니다. 광통신 분야를 비롯한 양자컴퓨팅, 비선형 광현미경 분석 등 다양한 광학기술을 한 차원 도약시킬 것으로 기대됩니다.

이차원 반도체 물질 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 이중 공명 광학 합 주파수 생성 모식도. 출처: DGIST
이차원 반도체 물질 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 이중 공명 광학 합 주파수 생성 모식도. 출처: DGIST

DGIST 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀과 바이오융합연구부 김현민 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가지는 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 '이중공명 합 주파수 생성' 방법을 최초로 발견했습니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다.

 

빛을 다루다

 

인류의 문명은 빛을 다루기 위한 노력을 통해 발전해 왔습니다. 다양한 빛의 생성과 변환기술은 근현대의 산업과학기술부터 광통신, 광의료, 광에너지 등 미래첨단분야에 이르기까지 활용

 

빛에너지는 진동을 하는 다양한 주파수를 가지고 있으며 빛의 원리를 이용해 반도체 물질이 가진 주파수를 활용한 광연구가 다각도로 진행 중입니다. 반도체는 전기전도율을 조절 가능한 물질로써 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대를 사이에 두고 전자가 존재하는 가전자대와 전도대가 연속적인 에너지밴드로 이뤄져 있습니다.

 

에너지밴드 내에 특정 주파수의 빛인 광펄스(light pulse)가 입사되면 에너지의 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명이 일어납니다. 이 때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 활발하게 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성됩니다. 이러한 에너지 밴드의 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이나 대체적으로 낮은 효율 때문에 어려움이 많은 실정입니다.

  • 가전자대(valence band) 

반도체나 부도체에서 가전자에 의해 채워진 에너지 밴드로, 절대 영도에서 전자가 포함된 가장 높은 에너지 밴드를 말합니다.

  • 전도대(conduction band) 

전자가 조금 밖에 존재하지 않고, 자유롭게 움직일 수 있는 레벨의 에너지대를 말합니다.

DGIST 연구팀은 차세대 반도체소재로 각광받는 이차원 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 여러 개의 공명 주파수를 가지는 특성에 주목했습니다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개의 광펄스를 같은 출력으로 조절해 더욱 강력한 두 개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했습니다.

이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 에너지 밴드 구조에서 이중공명 합 주파수 생성이 일어나는 상세 메커니즘과 이론, 실험 연구 결과. 출처: DGIST
이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 에너지 밴드 구조에서 이중공명 합 주파수 생성이 일어나는 상세 메커니즘과 이론, 실험 연구 결과. 출처: DGIST

이를 통해 색의 변환과 더불어 극대화된 고출력의 광펄스가 방출됨을 확인할 수 있었습니다. 이번 성과는 단일공명을 활용한 기존 방식에 비해 2개의 공명을 이용해 빛의 파장이 20배 이상 손쉽게 증폭 가능했기 때문에 다양한 광학기술에 활용 가능한 무궁한 잠재성을 가지고 있습니다.

 

DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 "빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다"고 말했습니다. 바이오융합연구부 김현민 박사는 "이번 성과는 더욱 다양한 물질로의 응용이 가능해 고차원 광변형 기술과 광통신 플랫폼의 발전 등 새로운 연구를 위한 초석이 될 것"이라고 소감을 밝혔습니다. 

DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞). 출처: DGIST
DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞). 출처: DGIST

 


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