에너지과학과 김정용 교수 연구팀,

발광 반도체의 엑시톤 충돌∙소멸 현상을 억제하는 메커니즘 개발

“LED의 고휘도 양자효율 감소 문제 해결책 제시”

[사진] 김정용 교수

성균관대학교(총장 신동렬) 에너지과학과 김정용 교수 연구팀(제1저자 이용준 연구원)이 엑시톤 간 상호작용을 억제하여 발광 반도체의 고휘도 양자효율을 획기적으로 향상한 연구 결과를 발표하였다.

LED와 같은 반도체 발광소자는 광여기하거나 전기적으로 주입된 전자(-)와 정공(+)들이 만나 엑시톤을 이루고, 이 엑시톤들이 다시 광자로 변하면서 빛을 발하는 원리로 작동한다. 다만 높은 밝기를 얻기 위해 엑시톤의 밀도를 증가시키면, 엑시톤이 광자로 변하기 전에 서로 충돌해 소멸되어(엑시톤이 갖는 에너지는 열로 소비됨) 고휘도에서의 LED 양자효율이 급격히 줄어드는 전형적인 문제가 있다. 엑시톤이 광자로 변하기 위해선 보통 수 나노(10억분의 1)초의 시간이 걸리는데 이보다 먼저 충돌하면서 소멸되기에 엑시톤의 평균수명도 밀도가 높아짐에 따라 10배 이하로 급격히 줄어든다고 알려져 있다.

연구진은 양자가둠 효과가 큰 2차원반도체에서 이러한 문제가 더욱 심화되는데 착안하여, 엑시톤들이 무작위가 아닌 전기장에 의한 상호 인력에 의하여 충돌이 가속된다고 가정했다. 전기장 차폐성질이 있는 금속 박막을 2차원반도체에 근접시키고 고휘도에서 양자효율을 측정한 결과 금속박막이 없을 때보다 최고 16배 증가시킬 수 있었다. 2차원반도체와 금속박막 사이 간격을 최소 7나노미터로 줄인 결과 엑시톤 농도가 10000배 늘어나도 본래의 엑시톤 평균 수명인 나노초 이하로 거의 줄어들지 않는 것으로 측정되었다. 2차원반도체와 인접 금속판과의 간격 변화에 따른 엑시톤 간 충돌 확률을 양자역학 기반으로 계산한 결과가 실험 결과와 완벽히 일치하여 연구진이 세운 가설의 효용성이 확인되었다.

김정용 교수는 “엑시톤 간 상호작용을 제어하는 방식으로 반도체의 비발광 엑시톤 충돌현상을 줄일 수 있다는 것을 최초로 증명하고, 반도체 LED의 고휘도 양자효율 저하 문제의 해결책을 제시하였다는데 의미가 있다”고 덧붙였다.

본 연구결과는 삼성미래기술육성사업 지원으로 이루어졌으며, 미국 미네소타 대학의 토니 로우 교수, 서강대학교 장준익 교수 등 여러 전문가 그룹과 수년간 함께한 공동연구의 성과로서, 과학전문 잡지인 네이쳐커뮤니케이션즈에 12월 7일(화) 게재되었다.

※ 논문 : “Boosting quantum yields of two-dimensional semiconductors via proximal metal plates”, Nature Communications, Dec. 7th, 2021