단일 원자로 정밀하게 빛을 낼 수 있는 광원 기술인 ‘양자 발광다이오드(LED)’가 국내외 공동 연구를 통해 개발됐다.

포스텍은 김종환 신소재공학과 교수와 이고르 아로노비치 호주 시드니공대 교수 공동 연구팀이 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입해 빛을 만들어내는 ‘양자 LED 광원’ 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘나노 레터스’에 표지논문으로 최근 게재됐다.

연구팀은 육각형 붕소질화물(hBN)을 활용해 전기로 빛을 내는 광원 기술을 구현했다. 전자를 개별 원자 수준의 극단적으로 작은 공간에 가두면 수백 개에서 수천 개의 원자로 구성된 양자점과 달리 상온에서도 우수한 양자 광원 특성을 발현시킬 수 있다. hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재로 주목을 받고 있지만 넓은 밴드갭이라는 소재 특성상 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다.

연구팀은 ‘그래핀-hBN-그래핀’ 반데르발스 터널링 구조를 설계했다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성으로 전자를 hBN의 내부까지 빠르게 이동시킬 수 있으며 도핑을 통해 전자의 에너지 상태를 조절하여 전하 주입 효율을 극대화한다. 주입된 전하가 hBN 내부의 원자 결함에 집중되도록 유도했다. 그 결과 전자와 전공의 재결합을 통해 가시광선부터 근적외선까지 폭넓은 파장에서 빛을 방출하는 데 성공했으며 연구팀의 소자는 기술적 한계를 극복하고 상온에서도 안정적으로 작동했다.

논문 1저자인 박규나 포스텍 통합과정 연구원은 “차세대 광전자 소자와 양자 기술의 응용에 새로운 가능성을 열어줄 것”이라고 말했다.