육각연필 구조에서 색깔-편광 다른 양자선 형성
한국연구재단은 KAIST 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 가느다란 육각연필 형태의 구조 안에서 다색-다편광 특성을 갖는 양자선 수직배열 광원 개발에 성공했다고 밝혔다.
여러 색깔과 편광을 동시에 상호제어할 수 있는 고효율 소형 광원은 하나의 요소만으로도 2개의 물리량을 동시에 제어 할 수 있어 다양한 분야에서 광범위하게 활용될 수 있다.
반도체 양자선 구조는 물질의 조성이나 두께 변화를 통해 색을 조절할 수 있고 나노 단위에서 발생하는 효과를 이용해 편광방향도 조절할 수 있어 효율적인 소형 광원으로 꼽히지만, 나노 단위의 정밀한 제어가 어려워 색깔과 편광을 동시에 조절할 수 있고 수직으로 정렬된 양자선 배열을 구현하는 데 한계가 있었다.
조용훈 교수 연구팀은 육각연필을 닮은 반도체 기반의 육각형 마이크로 막대구조를 활용해 복잡한 양자선 정렬문제를 해결했다.
머리카락 보다 얇은 육각형 막대 구조를 먼저 형성시킨 후 이 구조를 기본 틀로 활용한 것으로, 얇은 층의 물질이 성장하면 막대 구조의 모서리 방향을 따라 1차원 구조인 양자선이 자발적으로 배열되도록 설계했다.
이를 통해 육각연필 구조의 길이 방향으로 만들어진 양자선은 청색으로 축 방향과 나란한 편광을 지니는 반면, 연필대와 연필심의 기울어진 부분과 만나는 단면에 형성된 양자선은 녹색을 띠며 축 방향에 수직한 편광을 갖게 된다.
연구팀은 해당 구조를 통해 색깔을 제어하면서 편광을 바꿀 수 있고 이와 반대로 편광을 제어해도 색깔을 바꿀 수 있다고 설명했다. 기존에는 색깔을 제어하려면 얇은 컬러필터를 이용했고 편광을 제어하기 위해서는 편광판을 이용해야 했다.
육각연필 구조의 양자선 구조를 이용해 서로 다른 색깔과 서로 방향이 교차하는 편광을 얻을 수 있다. 기존 LCD 패널과 다르게 컬러필터 없이도 액정의 편광 특성을 이용해서 색깔을 선택할 수 있고, 반대로 컬러필터만으로도 편광 특성까지 제어할 수 있어 초소형 기능성 광원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최성한 박사와 송현규 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구의 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’에 12월11일 게재됐다.