기초과학연구원(IBS)과 UNIST, POSTECH 공동 연구진이 2차원 반도체 기반 양자광원의 상온 발광 성능을 높였다. 상온 구동의 걸림돌로 꼽혀온 엑시톤 확산 문제를 나노 구조 설계로 제어한 결과다.

이번 연구 결과는 3월 13일 국제학술지 사이언스 어드밴시스에 게재됐다. 연구팀은 2차원 반도체가 차세대 광소자 재료로 주목받아 왔지만, 상온에서는 엑시톤이 쉽게 퍼지고 과잉 전하가 발광을 방해해 특정 위치에서 안정적으로 빛을 내기 어렵다는 점에 주목했다.

엑시톤은 전자와 정공이 결합한 준입자로, 반도체에서 빛을 만들어내는 핵심 역할을 한다. 특히 좁은 영역에 머무는 국소화 엑시톤은 양자광원으로 활용 가능성이 크지만, 열에너지가 큰 상온 환경에서는 형성이 쉽지 않았다. 연구팀은 이런 한계를 줄이기 위해 2차원 반도체 아래에 지름 500나노미터 크기의 나노홀 구조를 두고, 열처리로 반도체와 금 기판 사이의 물층을 제거해 전하 환경을 정리했다.

이 과정에서 엑시톤은 나노홀 중심의 좁은 영역에 모였고, 에너지를 잃지 않은 채 빛으로 방출될 조건도 개선됐다. 연구진에 따르면 엑시톤 구속 효율은 약 98%로 나타났고, 발광 효율은 기존 대비 약 130배 높아졌다. 연구팀은 이를 통해 2차원 반도체 기반 광원이 상온에서도 비교적 밝고 안정적으로 작동할 수 있음을 확인했다고 설명했다.

이번 성과는 상온에서 작동하는 광양자 소자 연구의 폭을 넓혔다는 점에서 의미가 있다. 다만 이번 연구는 곧바로 상용화 단계에 들어섰다기보다, 상온에서 빛의 생성과 소멸 과정을 정밀하게 제어할 수 있는 구조를 제시한 데 가깝다. 연구팀은 나노 구조를 더 미세하게 조정하고 광 조사 조건을 정밀화하면, 향후 상온 단일광자 광원 연구로도 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.