디스플레이, 바이오센싱, 양자정보처리용 소자기술 향상

원편광의 빛을 발생하는 원편광 광원은 디스플레이, 통신, 바이오센싱, 의료진단, 양자상태조절 등에 폭넓게 활용이 가능하다. 보통 선형편광자와 사분파장판 같은 추가 광학부품을 이용해 생성한다. 다양한 응용을 위해서는 소자형태의 콤팩트한 원편광 광원의 개발이 필요하지만 상용화된 원편광 광원은 없는 상태다.

카이럴(chiral) 물질을 이용한 원편광 광원 연구들이 있었으나, 사용할 수 있는 물질의 종류 및 소자 특성에 한계를 느꼈다.

최근 페로브스카이트 물질은 뛰어난 광전자 물성 때문에 발광소자, 태양광전지 등 차세대 광전자소자 응용에 많은 관심을 받고 있다. 페로브스카이트 물질을 이용한 원편광 광원 연구들도 진행돼 왔으나, 주로 광발광(photoluminescence) 형태의 연구였고 원형편광도에 한계 역시 존재했다. 소자 응용을 위해서는 전기로 원편광 빛을 생성하는 전계발광(electroluminescence, EL) 소자개발이 필요한 실정이다.

국내 및 해외 연구진이 국제공동연구를 통해 가시광선 영역의 원편광 빛을 발생하는 박막형 소자를 개발하는 데 성공했다.

한국연구재단은 울산과학기술원 전영철 교수연구팀이 박막형 소자에서 원편광 빛을 바로 얻을 수 있는 원편광 전계발광 소자를 개발하고, 실험 및 이론분석을 통해 작동원리를 규명했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 유전체(다결정 실리콘, poly-silicon) 나노 패턴을 페로브스카이트(CsPbBr3) 발광소자 내부에 포함시키는 박막형 카이럴 공진기 구조를 제안했다. 카이럴 구조는 좌·우 원편광 빛에 대해 다르게 반응하는 구조로써 최적화된 광학구조 디자인을 통해 카이럴 특성을 극대화할 수 있기 때문이다.

가시광선뿐 아니라 적외선, 테라헤르츠 영역 등으로도 확장이 가능한 박막형 카이럴 공진기를 이용해 원편광의 발광 세기 및 원형편광도를 극대화한 원편광 광원을 개발하는 데 성공했다. 이를 통해 외부 광학부품 없이 매우 컴팩트한 소자 구조에서 가시광선 영역의 원편광 빛을 얻을 수 있었다.

전영철 교수는 “카이럴 공진기 구조를 활용하면 페로브스카이트 물질 외에도 다양한 발광물질 사용이 가능하며 원편광 발광소자를 위한 실용적인 플랫폼이 될 것으로 보인다”며, “카이럴 공진기는 다양한 영역으로의 확장이 가능해 원편광 광원의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 박막형 소자 제작은 울산과학기술원의 김진영 교수팀과 협력해 제작했다. 또한 본 논문에서 제안한 박막형 카이럴 공진기의 광학적 특성에 대한 자세한 이론적 분석을 해외 선도그룹(호주국립대 유리 키브샤 교수, 러시아과학원 맥심 고쿠노브 박사)과 협력해 진행했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 기본연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 게재됐다.