UNIST 연구진, 빛-물질 상호작용 제어하는 신개념 나노현미경 개발

‘플렉시톤’ 생성해 실시간 발광특성 관찰

근접장’ 광학현미경 페러다임 전환… Science Advances 논문 게재

【울산=뉴시스】 박수지 기자 = 울산과학기술(UNIST)은 자연과학부 박경덕 교수가 미국 콜로라도대, 메릴랜드대 연구팀과 공동으로 빛과 물질사이의 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 신개념 나노현미경을 개발했다고 13일 밝혔다. 사진은 박경덕 교수가 나노금속 탐침에서 플라즈몬을 생성시키고 있다. 2019.07.12. (사진=울산과학기술원 제공). [email protected].

【울산=뉴시스】박수지 기자 = 국내연구진이 빛과 물질 사이 상호작용을 능동적으로 제어할 수 있는 신개념 나노현미경을 개발했다.
 
울산과학기술(UNIST)은 자연과학부 박경덕 교수가 미국 콜로라도대, 메릴랜드대 연구팀과 공동으로 빛과 물질 사이의 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 신개념 나노현미경을 개발했다고 13일 밝혔다.
 
LED, 태양전지 등과 같은 반도체 소자는 빛과 물질 사이의 상호작용에 대한 정확한 물리적 이해를 기반으로 개발됐다.

여기에는 근접장(물체 표면에 머무는 빛)을 활용해 파장보다 작은 세계를 관찰하는 '근접장 나노광학현미경'이 큰 역할을 한다.
 
연구진은 이 기술에서 한 발 나아가 '플렉시톤(plexciton)'을 만들어 빛과 물질 사이의 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 방법을 개발했다.
 
플렉시톤은 반도체 내에서 만들어지는 '엑시톤(exiton)'과 금속 내에서 진동하는 자유전자 덩어리인 '플라즈몬(plasmon)'이 강하게 결합한 상태다.
 
엑시톤은 현재 우리가 사용하는 OLED 같은 발광소자에 쓰이는 준입자로, 빛이 반도체 내부로 들어가면서 만들어진다. 이 과정에서 생기는 구멍(정공)과 전자가 결합하면 엑시톤이 생성되데, 이때 엑시톤이 방출하는 빛을 이용하면 소자를 만들 수 있다.
 
엑시톤과 다르게 플렉시톤은 다른 특성을 가진 빛을 방출하는데, 이 때문에 새로운 차원의 소자를 만들 후보로 꼽힌다. 하지만 플렉시톤에 대한 정확한 성질은 밝혀지지 않은 상태였다.
 

【울산=뉴시스】 박수지 기자 = 울산과학기술(UNIST)은 자연과학부 박경덕 교수가 미국 콜로라도대, 메릴랜드대 연구팀과 공동으로 빛과 물질사이의 상호작용을 실시간으로 제어하며 관찰하는 신개념 나노현미경을 개발했다고 13일 밝혔다. 그림은 플렉시톤 광방출 실험모식도(왼쪽)와 에너지 구조도. 2019.07.12. (사진=울산과학기술원 제공). [email protected].

연구진은 엑시톤 준입자를 만드는 '단일 양자 광원'과 플라즈몬을 발생시키는 '금속 탐침'을 이용해 플렉시톤 상태를 만들고 정확히 분석했다. 특히 상온에서 동적인 플렉시톤 상태를 분석한 것은 이번 연구가 처음이다
 
플렉시톤을 생성하기 위해 연구진은 자체 제작한 원자힘현미경를 '플라즈모닉 나노 광학 공진기'로 변형했다.
 
이 장치는 기판이 금(Au)으로 이뤄져 있으며, 나노 광학 안테나 역할을 하는 금(Au) 탐침이 장착돼 있다. 이 탐침은 나노미터(nm·1 nm는 10억 분의 1 m) 단위로 간격 제어가 가능하며, 내부에는 단일양자점(CdSe/ZnS)이 위치한다.
 
단일양자점에 빛을 쪼여 엑시톤을 만들고, 금(Au) 기판과 탐침의 상호작용으로 플라즈몬이 발생하게 설계한 것이다.
 
연구진은 플라즈모닉 나노 광학 공진기를 이용해 상온에서 엑시톤과 플라즈몬의 강한 결합을 유도했다. 그 결과, 플렉시톤 상태가 나타났으며 실시간으로 발광특성을 관찰할 수 있었다.
 
또 단일양자점에서 나오는 빛의 파장이 서로 다른 두 에너지 상태로 갈라졌는데, 이는 향후 새로운 광전자 소자로서 활용할 수 있음을 보여주는 부분이다.
 
박경덕 교수는 “이번에 개발한 분석 장비는 빛과 물질 간 상호작용을 강한 결합 영역으로 유도하고 능동적으로 제어할 수 있다”며 "플렉시톤을 생성하고 제어하는 플랫폼을 소자로 응용할 경우, 양자컴퓨터와 정보소자는 물론 초고휘도, 초소형, 초고속으로 파장 제어가 가능한 신개념 디스플레이로 폭넓게 응용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
 
한편, 이번 연구는 미국과학진흥협회에서 발행하는 '사이언스 어드밴시스'지에 7월 12일자로(현지시각) 게재됐다.


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