본문 바로가기 사이드메뉴 바로가기 주메뉴 바로가기

주메뉴영역

주메뉴영역

혁신으로 세상을 바꾸는 융복합 대학, DIGIST
Innovative University Changing the World through Convergence
이 페이지를 SNS로 퍼가기

Research

원자층의 울림을 깨워 더 밝고 새로운 빛으로...고효율 빛 변환 메커니즘 발견

  • 조회. 315
  • 등록일. 2020.07.08
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 공동연구팀, 이셀레늄화텅스텐(WSe2)에서 고효율 빛 변환 메커니즘‘이중공명 합 주파수 생성 방법’발견
양자컴퓨팅 및 광통신, 비선형 광현미경 분석법 등 다양한 광학기술발전 기대

 

관련사진1. DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞)

DGIST 바이오융합연구부 김현민 책임연구원(왼쪽), 신물질과학전공 이재동 교수(오른쪽), 제1저자 김영재 박사 후 연구원(앞)

 

 국내 연구진이 더욱 밝고 다양한 빛을 고효율로 생성 가능한 빛 파장 변환 메커니즘을 발견했다. 광통신 분야를 비롯한 양자컴퓨팅, 비선형 광현미경 분석 등 다양한 광학기술을 한 차원 도약시킬 것으로 기대된다.

 DGIST는 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀과 바이오융합연구부 김현민 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가지는 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 ‘이중공명 합 주파수 생성’ 방법을 최초로 발견했다고 8일(수) 밝혔다. 

 인류의 문명은 빛을 다루기 위한 노력을 통해 발전해 왔다. 다양한 빛의 생성과 변환기술은 근현대의 산업과학기술부터 광통신, 광의료, 광에너지 등 미래첨단분야에 이르기까지 활용되고 있다. 

 빛에너지는 진동을 하는 다양한 주파수를 가지고 있으며, 빛의 원리를 이용해 반도체 물질이 가진 주파수를 활용한 광연구가 다각도로 진행 중이다. 반도체는 전기전도율을 조절 가능한 물질로써, 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대를 사이에 두고, 전자가 존재하는 가전자대1)와 전도대2)가 연속적인 에너지밴드로 이뤄져 있다. 에너지밴드 내에 특정 주파수의 빛인 광펄스(light pulse)가 입사되면 에너지의 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명(共鳴)이 일어난다. 이 때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 활발하게 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성된다. 이러한 에너지 밴드의 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이나, 대체적으로 낮은 효율 때문에 어려움이 많은 실정이다.

 DGIST 연구팀은 차세대 반도체소재로 각광받는 이차원 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 여러 개의 공명 주파수를 가지는 특성에 주목했다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개의 광펄스를 같은 출력으로 조절해 더욱 강력한 두 개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했다. 이를 통해 색의 변환과 더불어 극대화된 고출력의 광펄스가 방출됨을 확인할 수 있었다. 이번 성과는 단일공명을 활용한 기존 방식에 비해 2개의 공명을 이용해 빛의 파장이 20배 이상 손쉽게 증폭 가능했기 때문에 다양한 광학기술에 활용 가능한 무궁한 잠재성을 가지고 있다.

 DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 “빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다”고 말했다. 바이오융합연구부 김현민 박사는 “이번 성과는 더욱 다양한 물질로의 응용이 가능해 고차원 광변형 기술과 광통신 플랫폼의 발전 등 새로운 연구를 위한 초석이 될 것”이라고 소감을 밝혔다. 

 이번 연구는 DGIST 신물질과학연구소의 김영재 박사가 제1저자로 참여했으며, 나노 과학·기술 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 18일자 온라인판에 게재됐다.

---
1) 가전자대(價電子帶,valence band) : 반도체나 부도체에서 가전자에 의해 채워진 에너지 밴드로, 절대 영도에서 전자가 포함된 가장 높은 에너지 밴드를 말한다.
2) 전도대(傳導帶, conduction band) : 전자가 조금 밖에 존재하지 않고, 자유롭게 움직일 수 있는 레벨의 에너지대를 말한다.

 


    연구결과개요  

Dual resonant sum frequency generations from two-dimensional materials
Youngjae Kim1, Hyunmin Kim*2, Houk Jang3, Jong-Hyun Ahn4, and J.D. Lee*1
1Department of Emerging Materials Science, DGIST, Daegu, 42988, Republic of Korea
2Division of Biotechnology, DGIST, Daegu, 42988, Republic of Korea
3School of Engineering and Applied Science, Havard University, Cambridge, MA 02138, USA
4School of Electrical Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, Republic of Korea
Published on 18th May, 2020

 이차원 단층 육각 이중격자 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)는 반도체의 밴드구조를 가지고 있으며, 가전자대와 전도대 사이엔 A, B, C, D 총 4개의 높은 광흡수 공명들이 존재한다. 우리는 단층 WSe2에서 두 입사 광펄스 중 하나가 A 공명(740nm)을, 두 입사 광펄스가 합 주파수 생성으로 D 공명(432nm)을 일으키도록 하여 가장 강력한 공명을 일으키도록 선택 할 수 있는, 이중공명 광학 합 주파수 생성 메커니즘을 이번 연구를 통해 제안한다. 

 본 연구의 이중공명 합 주파수 생성은, 두 입사 광펄스가 같은 출력(1.4*10^(10) W/m^2)일 경우에 기존 방식(이차 조화파 생성)에 비해서 20배 높은 공명 세기가 나타날 수 있음을 확인하였다. 더 나아가, WSe2에서의 이중공명 합 주파수 생성은 같은 조건에서의 이황화텅스텐 (WS2)보다 약 10 배의 높은 출력을 나타냄을 확인하였다. DOI 10.1021/acs.nanolett.0c01363

 


     연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
합 주파수 생성을 통해 반도체의 가장 높은 광흡수 공명을 동시에 발생시키는 이중공명으로 고효율 색 변환을 얻은 것이 기존의 연구에 비해 다른 점이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간 및 과제는?
2차원 반도체인 이셀레늄화텅스텐의 경우 높은 이차원적 안정성과 뛰어난 반도체특성을 지니고 있기도 하다. 따라서 높은 품질의 단결정 구조를 얻는 것이 실용화에 가장 큰 중요한 점이다. 2차원 재료 성장 기술은 한국을 비롯하여 전 세계적으로 중점연구 분야이기 때문에 가까운 장래 해결 가능하리라 본다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존 단일공명을 활용한 연구는 상당히 많이 진행되어 왔지만 효과적인 고출력 색변환은 비선형성이라는 물리적 한계로 단일 공명만으로는 활용이 쉽지가 않다. 반도체의 밴드구조가 가진 다중 공명점을 최대한 활용할 수 없을까 하는 고민에서 연구를 시작하였다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
인류의 문명은 인공적인 빛을 만들어내면서 비로소 발전하기 시작하였고 지금도 광통신, 광의료, 광에너지 등 빛을 기반으로 하는 첨단산업이 중심이 되는 미래로 가고 있다. 따라서 당연하게도 원하는 좋은 빛을 쉽게 잘 만드는 것은 그 무엇보다 가장 중요하다. 이번 연구는 높은 집적 가능성의 2차원 단층물질을 통해 손쉽게 빛의 색을 변환하고 얻을 수 있어서 차세대 비선형 광현미경 분석과 양자 및 광통신 등 각종 광학기반 플랫폼의 발전에 핵심적인 단초를 제공할 수 있다. 

Q. 향후 목표는?
신물질 성장기술과 광학기술은 전 세계적으로 상당히 발전하고 있으며, 각 물질의 고유 특성과 어울리는 광학반응은 조금만 상상력을 발휘해도 더욱 많은 것을 이루어낼 수 있다. 이번에 연구된 이중공명뿐 아니라, 더욱 좋은 흡수율과 밴드특성을 가진 신물질 탐색을 통하여 더 고효율의 색 변환 메커니즘을 찾고자 한다.

 

 

     그림 설명  

[그림 1] 이차원 반도체 물질 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 이중 공명 광학 합 주파수 생성 모식도.

관련사진2. 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐의 이중 공명 광학 합 주파수 생성 모식도

(그림설명) 이차원 단층 육각 이중격자 반도체물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)에서 두 입사 광펄스(빨간색, 파란색)가 이중 공명 광학 합 주파수 생성을 일으켜, 색 변환과 더불어 극대화된 고출력의 투과 광펄스(보라색)을 형성하고 있다.

 

[그림 2] 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 에너지 밴드 구조에서 이중공명 합 주파수 생성이 일어나는 상세 메커니즘과 이론, 실험 연구 결과

관련사진3. 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 에너지 밴드 구조에서 이중공명 합 주파수 생성이 일어나는 상세 메커니즘과 이론, 실험 연구 결과

(그림설명) (왼쪽) WSe2의 에너지 밴드 구조와 이중공명 합 주파수 생성 모습. 외부로부터 입사된, ω1과 ω2의 주파수를 가진 각각의 두 빛에 의해 WSe2의 가전자대와 전도대 사이에서 ω1 주파수와 ω1+ω2 주파수의 두 공명이 동시에 발생하는 이중공명 합 주파수 생성을 나타내었다. (오른쪽) 이중공명 합 주파수 생성의 단일공명 생성에 대한 상대적 출력 세기. ω1 주파수의 빛의 출력이 낮을수록 이중공명 합 주파수 생성이 효율적으로 수십 배 높아진다.

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   홍보팀 ㅣ 053-785-1135