빛으로 찰나의 전기 입자 제어 차세대 전자소자에 응용 기대
빛으로 찰나의 전기 입자 제어 차세대 전자소자에 응용 기대
한일 과학자들이 전기를 띤 입자가 1조분의 1초라는 찰나에 이동하는 현상을 실시간으로 관측하고 제어하는 데 성공했다
같은 방법으로 분자 수준에서 에너지 변환과 화학 반응을 제어할 수 있어 향후 유기발광다이오드 OLED나 태양전지의 효율을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다
김유수 기초과학연구원 IBS 양자변환연구단장 겸 광주과학기술원 GIST 화학과 교수는 이마다 히로시 GIST 화학과 교수와 함께
단일 분자에서 전하가 이동하는 순간을 실시간으로 관측하고 초고속으로 제어할 수 있는 THz 테라헤르츠 광 STM 주사 터널링 현미경 기술을 개발했다고 7일 밝혔다
연구 결과는 이날 국제 학술지 사이언스 Science에 게재됐다
일본 이화학연구소 RIKEN과 요코하마국립대 도쿄대 울산대 하마마츠포토닉스 연구진도 연구에 참여했다
전하는 물체가 가진 전기의 양을 말한다
음의 전하인 입자가 전자이고 전자가 빠져나간 구멍이 양전하인 정공이다
전하가 이동하는 과정에서는 전자와 정공이 공존하는 여기자라는 중간 상태가 형성된다
OLED나 유기 박막 태양전지는 여기자를 어떻게 활용하는지에 따라 성능이 좌우된다
하지만 이런 중간 상태에 머무르는 시간이 피코초 1조분의 1초 수준으로 매우 짧아서 기존 기술로는 관측이나 제어가 힘들다
연구진은 1초에 1조번 진동하는 전자기파인 테라헤르츠 THz 빛을 활용해 THz 광학 주사 터널링 현미경을 개발했다
주사 터널링 현미경은 미세 탐침이 물질 표면에 근접할 때 발생하는 전류로 원자 단위의 이미지를 얻는 장치다
테라헤르츠 빛은 피코초보다 짧은 순간에 강한 전기장을 만들어 전자의 움직임을 초고속으로 조작하는 데 사용된다
연구진은 테라헤르츠 빛을 주사 터널링 현미경에 적용해 단일 분자 내 전자의 이동과 빛 방출을 실시간으로 제어하는 데 성공했다
이전에도 광학 주사 터널링 현미경으로 여기자 조절을 시도했지만 전압을 걸어 전자를 이동시키는 방식이어서 속도가 상대적으로 느리고 분자 손상 위험이 있었다
전자가 움직이는 짧은 순간을 포착하는 데도 한계가 있었다
반면 테라헤르츠 빛을 활용하면 매우 짧은 순간에 전자를 원하는 방향으로 밀어내 초고속 제어가 가능하다고 연구진은 설명했다
덕분에 전자의 이동뿐만 아니라 전자가 정공과 결합하면서 빛을 방출하는 엑시톤 형성 과정까지 실시간으로 관찰할 수 있다
엑시톤은 전자와 정공이 만나 서로 끌어당기지만 완전히 결합하지 않은 상태다
소멸하는 과정에서 빛을 방출해 OLED 같은 디스플레이 기술이나 첨단 양자물질 연구에서 중요한 역할을 한다
연구진은 또 테라헤르츠 펄스의 형태를 정밀하게 조절할 수 있는 장치인 테라헤르츠 위상 쉬프터도 개발했다
연구진은 차세대 전자 소자를 개발하는 데 중요한 기술적 토대를 마련했다는 점에서 의미가 크다고 밝혔다
기존 전자소자는 최종 결과만 분석해 성능을 개선했지만 이제는 분자 수준의 과정을 실시간으로 분석하고 최적화할 수 있는 기술적 기반이 확보됐기 때문이다
또한 이 기술은 화학반응 제어나 차세대 계측 센서 기술 개발에도 응용될 수 있다고 연구진은 설명했다
김유수 교수는 한국과 일본 연구진이 하나의 팀처럼 협력해 연구에 성공한 것이라며 이런 협력 모델은 앞으로도 첨단 연구에서 한국과 일본이 손잡고 글로벌 선두를 지키는 모범 사례로 자리 잡을 가능성이 크다고 말했다
