더 밝고 다양하게…'빛 파장 변환 메커니즘' 발견

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국내 연구진이 더욱 밝고 다양한 빛을 고효율로 생성 가능한 빛 파장 변환 메커니즘을 발견했다. 광통신과 양자컴퓨팅, 비선형 광현미경 분석 등 다양한 광학기술에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이재동 신물질과학전공 교수 연구팀과 바이오융합연구부 김현민 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 '이셀레늄화텅스텐(WSe2)'이 가진 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 '이중공명 합 주파수 생성' 방법을 발견했다고 8일 밝혔다.

DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞)
<DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞)>

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

에너지밴드 내에 특정 주파수 빛인 광펄스가 입사되면 에너지 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명이 일어난다. 이때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 활발하게 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성된다. 이러한 에너지 밴드 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이지만 낮은 효율 때문에 어려움이 많은 실정이다.

연구팀은 이차원 물질 이셀레늄화텅스텐이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 여러 개 공명 주파수를 가지는 특성에 주목했다.

이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개 광펄스를 같은 출력으로 조절해 더욱 강력한 두 개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했다. 이를 통해 색의 변환과 더불어 극대화된 고출력 광펄스가 방출됨을 확인했다.

이번 성과는 단일공명을 활용한 기존 방식에 비해 두 개의 공명을 이용해 빛 파장이 20배 이상 손쉽게 증폭 가능했기 때문에 다양한 광학기술에 활용 가능하다.

이재동 교수는 “빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다”고 말했다. 김현민 박사는 “이번 성과는 다양한 물질로 응용이 가능해 고차원 광변형 기술과 광통신 플랫폼의 발전 등 새로운 연구를 위한 초석이 될 것”이라고 밝혔다.

김영재 DGIST 신물질과학연구소 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구성과는 최근 나노 과학·기술 분야 국제학술지 '나노 레터스' 온라인판에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com