[기계신문] KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 가느다란 육각연필 형태의 구조 안에서 다색-다편광 특성을 갖는 양자선 수직배열 광원 개발에 성공했다.
최근 각광받는 마이크로 디스플레이, 빛을 이용해 주변을 탐색하는 라이다(LIDAR), 홀로그램, 정밀측량, 그리고 의료기기 등 광범위한 분야에서 복수의 파장과 편광 특성을 동시에 가지고 조절할 수 있는 고효율의 소형 광원을 필요로 하고 있다.
이러한 소형 광원 후보 중 1차원 구조의 반도체 양자선은 구성하는 물질의 조성비 및 두께 변화를 통해 색깔을 조절할 수 있을 뿐 아니라 1차원 구조가 갖는 양자구속 효과를 통해 선형편광 특성을 조절하고 발광효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
기존 연구는 다양한 성장방법을 통해 단순한 형태의 양자선을 제작하는데 집중되어 왔지만, 파장과 편광을 동시에 조절하면서 정확히 수직으로 정렬된 양자선 배열 구조를 제작하기에는 나노 단위의 미세한 제어가 어려워 지금까지 구현이 어려웠다.
연구팀은 연필 모양을 닮은 반도체 기반의 3차원 구조인 육각형 마이크로 막대 구조를 활용하여 복잡한 양자선 정렬 문제를 해결했다. 머리카락보다 100배 얇은 육각형 마이크로 막대 구조를 선택적 영역 성장 방법으로 만들고, 이 구조를 기본 틀로 활용하여 양자 우물 구조를 얇게 성장시키면 육각형 막대 구조의 모서리 방향을 따라서 복수의 양자선 구조들이 자발적으로 배열된다.
이렇게 구조의 틀에 따라 수직으로 정렬된 양자선들은 총 두 가지 그룹으로 나뉘게 된다. 첫 번째는 육각형 막대 옆면의 육각 모서리에 형성된 양자선이고, 두 번째는 육각형 막대와 막대 끝에 형성된 피라미드 구조 사이의 모서리에 형성된 양자선이다.
첫번째 그룹의 양자선의 경우, 파란 색깔과 막대의 축방향에 평행한 편광 상태를 가지는 반면, 두번째 그룹의 양자선은 초록 색깔과 막대의 축방향에 수직한 편광 상태를 가지게 된다. 따라서 두 그룹의 양자선들은 서로 다른 색깔과 서로 수직한 편광 특성을 가지게 되는데, 발광하는 색깔과 편광의 방향은 서로 강한 상관관계를 가지고 있기 때문에 색깔과 편광 사이의 상호 조절이 가능하게 된다.
기존에는 파장을 제어하기 위해서는 셀로판지와 같은 컬러필터를 이용했고, 편광을 제어하기 위해서는 선형 편광자를 이용해야 했다. 하지만 이번에 개발한 자발적으로 수직 정렬된 양자선 배열 광원은 색깔을 제어해도 편광을 바꿀 수 있고 이와 반대로 편광을 제어해도 색깔을 바꿀 수 있는 매우 독특한 광학적인 특성을 보이게 된다.
반도체 마이크로막대 구조를 활용하여 수직 정렬된 양자선 배열 광원은 편광과 색깔 간의 상호 조절이 가능할 뿐만 아니라 상온에서도 높은 광 효율을 보여주고 대면적 제작이 가능한 고성능 소형 광원으로서, 고해상도를 필요로 하는 소형 마이크로 LED 디스플레이 및 홀로그램의 광원 등 다양한 분야에 활용될 수가 있다.
KAIST 조용훈 교수는 “육각연필 구조의 양자선 구조를 이용해 서로 다른 색깔과 서로 방향이 교차하는 편광을 얻은 이번 연구 결과는 기존 LCD 패널과 다르게 컬러필터 없이도 액정의 편광 특성을 이용해서 색깔을 선택할 수 있고, 반대로 컬러필터만으로도 편광 특성까지 제어할 수 있어, 초소형 기능성 광원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 양자선 수직 배열 광원은 위치 제어가 용이한 마이크로 막대와 결합되어 있어 기존에 나노선이 겪고 있는 한계점인 광집적회로와 나노 광원의 정밀한 결합 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 12월 11일자 게재되었다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널