자연방출의 재발견

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-12

버클리연구소 연구진이 원자, 분자 및 반도체 양자점으로부터 나오는 자연방출(spontaneous emission)을 크게 향상시킬 수 있는 나노 크기의 광학 안테나를 개발했다. 이번 발전으로 마이크로칩용 광연결을 포함하는 단거리 광통신 분야에서 레이저를 대체할 수 있고 그 밖의 수많은 다른 분야에도 응용될 수 있는 발광다이오드(LED)를 개발할 수 있게 되었다. “레이저의 발명 이후로, 유도광방출에 대한 호감으로 자연광방출은 냉대를 받아왔다. 하지만 적절한 광학 안테나가 있다면, 자연방출은 실제로 유도방출보다 더 빠를 수 있다”고 버클리연구소 재료과학부 전기공학자인 엘리 야블로노비치(Eli Yablonovitch)는 말했다. UC버클리에서도 교수로 임용되어 있는 야블로노비치는 그곳에서 미국립과학재단의 E3C(Center for Energy Efficient Electronics Science)를 관리하고 있고, 버클리에서는 카블리 에너지나노과학연구소(Kavli Energy NanoSciences Institute)의 일원이며, 금으로 제조된 외부 안테나를 이용하여 InGaAsP(Indium Gallium Arsenide Phosphide)로 제조된 나노막대의 자연광방출을 115배나 효과적으로 향상시킨 연구팀을 지도했다. 이것은 유도방출과 자연방출 사이의 속도 차이에 있어서 지표로 생각되고 있는 200배 향상에 근접하는 것이다. 200배 향상에 도달하면, 자연방출속도는 유도방출속도를 능가할 것이다. “광학 안테나를 이용하면, 50퍼센트 이상의 광방출 효율을 유지하면서도 2,500배 이상의 자연방출 속도향상이 가능할 것이라고 우리는 믿고 있다. 마이크로칩의 배선들을 안테나로 향상된 LED로 대체하면, 더 빠른 상호연결과 더 우수한 계산 능력이 가능해질 것”이라고 야블로노비치는 말했다. 이번 연구의 결과는 ‘광학안테나로 향상된 자연방출(Optical antenna enhanced spontaneous emission)’이라는 제목으로 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 보고되었다. 야블로노비치와 UC버클리의 밍 우(Ming Wu)가 교신저자이며 다른 저자들은 마이클 이글스톤(Michael Eggleston), 케빈 메세르(Kevin Messer) 및 리밍 장(and Liming Zhang)이다. 첨단기술의 세계에서 레이저는 도처에 존재하며 군림하는 고속 광통신의 사역마 역할을 한다. 하지만 1미터나 그 이하의 단거리 통신에서는 레이저가 불리한 면을 갖고 있다. 너무 많은 전력을 소비하고 일반적으로 너무 많은 공간을 차지하기 때문이다. LED가 훨씬 더 효과적인 대안이 되겠지만 자연방출 속도에 의해 제한되어 왔다. “분자 크기의 방사체로부터 나오는 자연방출이 여러 자릿수만큼 느린 이유는 분자가 자체적인 안테나 역할을 하기에는 너무 작기 때문이다. 이러한 자연방출의 속도를 높이는 열쇠는 방사 분자를 반파장 안테나에 결합시키는 것이다. 우리는 120년 동안 무선통신에 안테나를 사용해왔지만, 웬일인지 광학 분야에서는 안테나를 간과했다. 가끔씩 위대한 발견들은 우리를 똑바로 쳐다보며 기다리고 있다”고 야블로노비치는 말했다. 야블로노비치와 동료들은 아치 안테나 구조를 사용했다. 나노막대와 금배선 사이를 차단하기 위해 정사각형 모양의 InGaAsP 나노막대의 표면에는 이산화티타늄 층이 코팅되었고, 안테나를 만들기 위해 금배선은 나노막대 위로 수직으로 증착되었다. 자연광방출 재료의 역할을 하는 InGaAsP 반도체는 이미 적외선 레이저 통신과 광검출기에 널리 사용되고 있는 재료이다. 단거리 통신 분야 외에도, 광학 안테나가 장착된 LED는 광검출기 분야에서도 중요한 용도를 찾을 수 있을 것이다. 광학 안테나는 또한 이미징, 생체감지 및 데이터저장 분야에도 응용될 수 있을 것이다. 이번 연구는 E3S, 미공군 과학연구청, 미에너지부 과학청의 후원을 받았다. * 그림1 : LED로부터 나오는 자연광방출은 적절한 광학안테나와 결합되었을 때, 레이저로부터 나오는 유도방출과 비교될 수 있을 정도로 크게 향상될 수 있다. * 그림 2 : 이번 연구를 주도한 엘리 야블로노비치 * 그림 3 : 이산화티타늄으로 차단되고 에폭시에 매립된 InGaAsP 나노막대에 금 안테나를 결합시키면, InGaAsP의 자연광방출이 크게 향상된다. Eli-Yab-RBG-LED.jpg Eli-Yablonovitch.jpg Eli-Yab-image-1.jpg http://newscenter.lbl.gov/2015/02/03/rediscovering-spontaneous-light-emission/