빛의 속도로 정보를 전달하는 초고속 광전소자- 2차원 반도체와 금속나노선 융합한 신개념 나노광전소자회로 구현

빛의 속도로 정보를 전달하는 초고속 광전소자- 2차원 반도체와 금속나노선 융합한 신개념 나노광전소자회로 구현

 

보도일 2016-11-28 19:00 연구단명나노 구조 물리 연구단

 

 

 

빛의 속도로 정보를 전달하는 초고속 광전소자
- 2차원 반도체와 금속나노선 융합한 신개념 나노광전소자회로 구현 - 

  우리는 매일 엄청난 양의 데이터를 생산하고 소비하는 빅데이터 시대를 살고 있다. 머지않아 사물인터넷이 본격적으로 구현되면, 현재 광범위하게 쓰이는 실리콘기반 전자소자의 정보처리 속도로는 늘어나는 데이터를 감당하기 어려운 상황에 직면하게 된다. 전자의 이동속도가 갖는 물리적 한계 때문이다. 
  연구자들은 전자소자 대비 100배 이상 빠른 동작이 가능한 나노포토닉스(nanophotonics) 기술에 집중하고 있다. 나노포토닉스 기술의 핵심은 빛과 전기의 상호 전환을 이용해 신호를 만드는 광전소자이다.
  광전소자의 성능을 실리콘 전자소자 수준 이상으로 높이려면, 우선 소자의 크기를 나노미터(nm) 수준으로 줄여 집적도를 높여야 한다. 하지만 이 경우 빛이 회절한계 회절한계 (diffraction limit): 광학계의 성능이 빛의 회절효과로 인해 제한되는 것.
에 부딪혀 성능이 현저히 떨어진다. 이해를 돕기 위해 전자회로를 좁은 수로, 전자를 돛단배, 빛을 여객선이라 가정해보자. 여객선은 돛단배보다 훨씬 빠르지만 비좁은 수로를 지날 수 없다. 만약 돛단배와 크기가 비슷하지만 속도가 훨씬 빠른 모터보트라면 어떨까?
  기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 이현석 연구위원 연구팀은 2차원 반도체 2차원 반도체(two-dimensional semiconductor): 원자단위의 두께에 유한한 밴드갭 (band gap)을 가지는 2차원 평면형태의 반도체. 전자 및 광전자 소자에 활용이 가능한 신소재이며 대표 물질로는 이황화몰리브덴 (MoS2)이 있다.
 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 은 나노선을 다리처럼 연결해 복합소자를 만들어 이 같은 한계를 넘어설 수 있게 됐다. 이 복합소자는 빛을 엑시톤이나 플라즈몬으로 자유롭게 전환시켜, 회절한계를 극복했다.
  2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤(exciton) 엑시톤 (exciton): 반도체 내에서 전자와 정공이 정전기력으로 인하여 결합되어 있는 전자-정공 쌍. 엑시톤이 결합 시 결합에너지에 준하는 광자(photon)을 방출하게 된다.
이 만들어지며, 그 순간 광자가 방출된다. 이 광자가 지름 200나노미터, 길이 수십 마이크로미터의  은 나노선의 표면 플라즈몬(surface plasmon) 표면플라즈몬 (surface plasmon): 유전체와 금속의 경계면을 따라 존재하는 광자 (photon)와 금속 표면의 고밀도 전하 분포가 상호작용을 이루어 생성되는 근접장 (near-field).
으로 전환되어 나노선을 따라 지나가게 된다. 플라즈몬 광신호는 건너편 2차원 반도체 소자에 전달돼, 다시 엑시톤이 생긴다. 이 엑시톤은 다시 플라즈몬으로 변환되는 일련의 과정이 반복되며, 정보를 담은 광신호가 전자의 움직임 보다 훨씬 빠르게 전달된다.
  연구진은 엑시톤-플라즈몬 간 상호변환 뿐만 아니라 이종의 2차원 반도체 물질 간 광에너지의 흡수/발광/변환에 의한 파장 변환 및 다중화 메커니즘을 실험으로 규명했다. 또한 은 나노선의 고효율 표면 플라즈몬 도파 로 광통신회로에 필요한 엑시톤 트랜지스터, 엑시톤 파장 다중화장치, 고효율 플라즈몬-전기신호 변환기 등 나노광전소자회로 구성의 필수 요소들을 상온에서 구현해냈다.
  단일층의 2차원 반도체는 상온에서 엑시톤을 방출하며, 대면적 제작이 용이하고 엑시톤 발광의 전기적 제어가 가능해 차세대 광전소재로 적합하다. 기존에 널리 연구되어온 양자점(quantum dot) 양자점 (quantum dot): 반도체 물질의 크기가 수십 나노미터 (nm) 단위로 줄어들 경우 양자현상으로 인해 전기적, 광학적 성질이 크게 변화되는 물질.
이나 양자 우물(quantum well) 양자우물 (quantum well): 나노미터 (nm) 두께의 2차원 평판 초미세구조로 전자의 움직임이 2차원 우물에 속박되어 양자현상이 발현되는 물질.
은 우수한 발광 효과를 가지고 있는 반면, 얇고 균일한 대면적 소재를 양산하기 힘들거나, 저온(1.4K이하)에서 동작해 상용화가 어렵다.
  이현석 박사(제 1저자 및 공동교신저자)와 이영희 단장(공동교신저자) 연구팀의 이번 연구 성과는 국제 과학학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 11월 28일 게재됐다.

[붙임] 1. 연구결과 개요  2. 그림설명  3. 연구이야기  4. 연구진 이력사항

연 구 결 과 개 요

  
Reconfigurable exciton-plasmon interconversion for nanophotonic circuits

Hyun Seok Lee, Dinh Hoa Luong, Min Su Kim, Youngjo Jin, Hyun Kim, Seokjoon Yun, and Young Hee Lee
(Nature communications)

  기존의 실리콘 전자소자는 성능향상을 위해 지속적으로 고집적화 됨에 따라 발열 및 전력소모가 심하고, 물리적으로 집적 한계에 다다른 실정이다. 연구자들은 이러한 상황을 극복할 차세대소자로 빛을 이용한 광전소자를 꼽는다.
  양자점(quantum dots)이나 양자우물(quantum wells)을 활용한 기존의 저차원 광전소자는 플라즈몬 광 도파로(plasmonic waveguide)와 복합 구조로 광 회절한계를 넘어서는 집적소자룰 구현하는 방향으로 연구됐다. 하지만 상온동작 뿐만 아니라 집적회로화가 어렵다는 점들이 상용화에 큰 걸림돌이다.
  한편 단일층의 2차원 반도체 물질을 활용한 광전소자는 상온에서의 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지, 우수한 엑시톤-플라즈몬 변환, 우수한 집적회로화, 넓은 밴드갭(band gap) 조절 범위, 엑시톤 발광의 전기적 제어가 용이한 이점들로 인해 큰 주목을 받고 있다.
  이에 본 연구에서는 엑시톤-플라즈몬 간 가변적 에너지 상호교환으로 나노광통신 집적회로를 실현할 수 있는 핵심기술들을 구현했다. 연구진은 2차원 반도체 트랜지스터 위에 지름 200나노미터의 은 나노선(Ag nanowire)을 지나게 해 다음의 광통신 요소기술을 구현했다. 1)전기적으로 엑시톤의 방출량이 제어되는 도파 길이가 긴 엑시톤 트랜지스터, 2)다른 종류의 밴드갭을 갖는 2차원반도체 트랜지스터들을 은 나노선으로 다리처럼 연결해, 여러 개의 엑시톤 파장신호들을 단일 도파로로 이동시키는 파장 다중화 장치, 3)광 도파로로 전달된 플라즈몬 신호를 전기신호로 변환 시키는 신호감지 전기변환기 등이다.
  이번 연구결과는 나노 광전회로소자 구현에 있어 기존의 저차원 반도체물질의 한계점을 극복할 수 있는 2차원 반도체의 유용성뿐만 아니라 엑시톤-플라즈몬 간의 가변적인 에너지변환으로 다양한 광소자 실현의 가능성을 실험적으로 구현해 낸 것에 의의가 있다.
 
그   림   설   명

그림 1. (가)연구진이 개발한 엑시톤 트랜지스터의 구조, (나)엑시톤-플라즈몬 간의 에너지 상호교환 원리, (다)엑시톤 트랜지스터의 동작원리.
 
(가)이황화몰리브덴(MoS2) 2차원 반도체 단일층으로 만든 트랜지스터 위에 은나노선(Ag nanowire)이 중첩돼 있는 엑시톤 트랜지스터의 모식도. MoS2는 전극을 연결해 전자를 주입하고, 기판의 게이트전압으로 주입 정도를 조절한다. 은나노선의 좌측 끝단 source부에 레이저(빛)를 조사하면 레이저 변환 플라즈몬이 생기고, 이는 MoS2 층에서 흡수돼 엑시톤이 된다[(나) 좌측]. 엑시톤의 강도는 게이트전압으로 조절한다. 엑시톤 발광의 일부는 다시 은나노선의 엑시톤 변환 플라즈몬 형태로 은나노선을 따라 흐른다[(나) 우측]. 결국 엑시톤의 on/off 신호는 은나노선의 우측 끝단 drain 부에서 발광되어 신호로 검출된다. (다)는 엑시톤-플라즈몬 에너지 변환 및 엑시톤 발광강도 on/off 조절 원리의 계략적인 모식도이다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

  최근 주목 받고 있는 2차원 반도체의 특징 중 하나는 단일층 평면구조에서 안정적인 엑시톤이 발생한다는 것이다. 이는 기존에 연구가 활발히 이루어진 양자점이나 양자우물 같은 저차원 반도체에 비해 소자제작 및 상온동작 측면에서 용이하다는 장점을 항상 염두해 두고 응용분야를 생각하고 있었다. 기존에 플라즈몬 소자를 연구했었기 때문에 2차원 반도체의 장점과 플라즈몬 소자의 장점을 결합하면 신개념의 광소자를 구현할 수 있을 것이란 생각에서 연구를 시작하게 됐다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

  초기 2차원 반도체와 은나노선을 적층하여 엑시톤-플라즈몬 에너지교환 소자에 대한 가능성을 타진 한 후 에너지교환 원리에 대한 심도있는 연구로 논문을 먼저 게재하였다. 이후 좀 더 심화된 연구의 일환으로 응용소자 구현을 위해 다양한 작동원리에 대한 개념을 도출 하였으며, 이러한 개념들을 다양한 2차원 반도체 물질 및 소자구조에 적용하여 실험적으로 구현하는 성과를 얻을 수 있었다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면? 어떻게 극복(해결)했는지?

  연구 초기에 엑시톤 트랜지스터나 파장다중화 장치에 대한 요소기술에 집중하여 논문게재를 시도했으나 논문편집자들에게 크게 어필하지 못하였다. 이후 광회로 구현에 필요한 여러 요소기술들을 모두 구현할 수 있다는 장점, 그리고 엑시톤-플라즈몬 간 가변적 상호에너지 교환이라는 새로운 개념을 강조하여 논문을 작성한 결과 논문편집자 및 논문심사자들이 본연구의 신규성 및 파급효과를 쉽게 인정하게 되어 큰 난관 없이 논문게재를 할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

  최근 주목을 받고 있는 2차원 반도체의 기초물리 특성에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으나 응용분야의 경우는 특정 전기소자 및 광전소자 등에 집중되어온 부분이 있다. 이번 성과를 통해 2차원 신소재의 응용 범위를 나노기술을 접목한 광통신/광회로 분야로 확장시킬 수 있는 계기가 되었다고 생각한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

  본 연구에서 도출된 소자의 개념을 대면적에서 구현할 수 있을 때 응용소자로써의 파급효과가 더욱 클 것으로 생각하기 때문에 리소그라피 기반의 대면적 소자구현 연구가 향후 관심사이다. 또한 엑시톤-플라즈몬 간의 가변적 상호에너지교환 원리를 이용한 신개념 논리소자 구현 및 새로운 응용분야 발굴을 목표로 연구할 계획이다.

연구진 이력사항

< IBS 나노구조물리 연구단 이영희 연구단장, 공동교신저자 >

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단              성균관대학교 물리학과, 에너지과학과 교수
 

 
2. 경력사항 
 1989 - 1990 미국 에임스 국립 연구소, 방문연구원
 1993 - 1993 스위스 취리히 IBM 연구소, 방문연구원
 1996 - 1997 미국 미시간 주립대학교, 객원연구원
 1987 - 2001 전북대학교 물리학과, 전임강사 - 교수
 2001 - 현 재 성균관대학교 물리학과(학부), 교수
 2008 - 현 재 성균관대학교 에너지과학과, 교수
 2012 - 현 재 IBS 나노구조물리 연구단 연구단장

3. 전문 분야 정보
 2005 한국물리학회 학술상 수상
 2005 교육인적자원부 국가석학 선정
 2006 과기부 되고 싶고 닮고 싶은 과학기술자 선정
 2009 대통령 표창
 2014 삼양사 수당재단 제23회 수당상 수상(기초과학부문)

< IBS 나노구조물리 연구단 이현석 연구위원, 제1저자 및 공동교신저자 >

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단,
              연구위원
 

 
2. 경력사항 
 2002 - 2009 한국과학기술연구원(KIST), 연수생/박사후연구원
 2009 - 2011 프랑스원자력위원회 전자정보기술연구소(CEA-Leti, Grenoble, France)
            박사후연구원
 2011 - 2013 삼성전자, 책임연구원
 2013 - 현재 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단, 연구위원