IBS, 2D 반도체에서 상온 고효율 양자광원 구현 성공

연구 배경: 상온 양자광원의 오랜 난제

2차원 반도체는 원자 한 층 두께의 극박 소재로, 엑시톤(전자와 정공이 결합한 준입자)을 통한 발광 특성 덕분에 차세대 광소자 후보로 주목받아 왔다. 그러나 상온에서는 열에너지로 인해 엑시톤이 트랩 영역을 쉽게 이탈하고, 재료 내 잉여 전하가 발광 에너지를 열로 소산시키는 비복사 손실이 커지는 문제가 있었다. 이 때문에 2차원 반도체 국소 엑시톤의 실온 발광 양자 효율은 통상 1% 미만에 머물러 있었다.

나노홀 설계와 전하 중성화 전략

연구팀은 MoS₂ 단층 아래에 직경 500나노미터의 나노홀을 제작해 엑시톤을 홀 중앙으로 자연스럽게 집속·국소화하는 구조를 도입했다. 시뮬레이션 결과, 나노홀 영역 엑시톤의 약 98%가 중심부로 유입되어 국소 상태를 형성하는 것으로 나타났다.

발광 손실의 또 다른 원인인 잉여 전자 문제는 열처리로 해결했다. MoS₂를 금 기판 위에 전사할 때 계면에 형성되는 잔류 수분층이 전하 이동을 차단하는 유전 장벽으로 작용하는데, 열처리를 통해 이 수분층을 제거하자 잉여 전자가 금 기판으로 흘러나가 재료가 전하 중성 상태를 회복했다. 그 결과 광루미네선스 양자 효율은 열처리 전 0.076%에서 약 10%로 약 130배 향상됐다.

압력을 이용한 가역적 발광 제어

연구팀은 원자힘현미경 탐침으로 기가파스칼 규모의 압력을 가해 나노홀의 변형률을 조절함으로써 국소 엑시톤 발광 강도를 동적으로 제어하는 데도 성공했다. 열처리된 시료에서 압력 인가 시 발광 강도가 약 120% 증가했으며, 압력을 해제하면 원래 상태로 완전히 되돌아오는 가역성도 확인됐다. 이는 향후 조율 가능한 광전자 소자 구현에 실마리를 제공한다.

기술적 의의와 한계

이번 성과의 실용적 가치는 공정 호환성에 있다. 기존 상온 국소 엑시톤 연구는 대부분 극저온 환경이나 복잡한 전기소자 구조에 의존했으나, 이번 연구는 나노구조 가공과 열처리라는 비교적 단순한 조합을 사용했고, 기존 웨이퍼 규모 반도체 공정과의 호환성도 확인했다. 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 나노 LED 등 다양한 응용 가능성이 제시됐다.

다만 현재 달성된 10%의 양자 효율은 상업적 단일광자원에 요구되는 수준과는 여전히 거리가 있다. 연구팀 스스로도 나노구조를 더 소형화하고 광학 여기 조건을 최적화해야 단일광자 방출이 가능해질 것이라고 밝혔다. 실제 소자 집적화 단계에서의 재현성 검증과 대면적 균일도 확보도 향후 과제로 남아 있다.