디스플레이, LED, 레이저, 태양전지, 광센서 등의 광소자는 복잡한 것처럼 보이지만 핵심 구동 원리는 소재 내부에서 전기적인 신호와 광신호가 상호 변환되는 과정입니다. LED를 예로 들면 전극이 주입하는 전류가 층층이 쌓여있는 헤테로 박막 소재들을 통과하여 PN-junction에 도달하면 전자와 양공이 합쳐지면서 빛이 방출되는 것을 생각해볼 수 있습니다. 이러한 개별 과정들이 대폭 향상되거나 완전히 새로운 특성을 갖는 매커니즘으로 대체될 때 혁신적인 광소자가 개발되게 됩니다. 저희 연구실은 우수하고 독특한 광특성을 보여주고 있는 저차원 나노 소재를 주목하고, 전자의 거동을 단계별로 실시간으로 관찰할 수 있는 초고속 레이저 분석 방법으로 미래 광소자 구동 원리가 될 새로운 빛-물질 상호작용 매커니즘을 탐색하고 있습니다.

그래핀을 포함한 원자 두께의 2차원 나노 소재에서 3차원 소재에 볼 수 없는 매우 우수한 물리적인 특성들이 보고 되고 있습니다. Transition Metal Dichalcogenides는 원자 3층으로 구성된 반도체 박막으로 분리될 수 있는데, 일반적인 반도체 박막과 비교했을 때 100배 이상 우수한 빛의 흡수/방출 특성과 10 배 이상 뛰어난 전자-양공쌍 저장 특성을 갖고 있으며 편광에 따라 ‘0’과 ‘1’ 정보를 빛으로 기록할 수 있습니다. 더 나아가 전자-양공쌍이 고온 초전도체와 같이 액화질소 온도 이상에서 저항 없이 흐를 수 있다는 놀라운 예측이 있습니다. 이는 전자가 원자 크기 정도로 얇은 두께의 반도체에 갇혀 있을 때 나타나는 양자 현상 기인한 것으로 아직 연구 초기 단계지만 근본 메커니즘을 이해하고 광소자에 응용하면 정보/통신, 에너지, 생명/환경 관련 산업에 매우 큰 파급이 있을 것으로 기대됩니다.

저희 연구실은 기계적 박리법과 고분자 기반 건식 적층법을 통해 다양한 2차원 나노소재와 인공 헤테로 구조를 제작합니다. 합성된 2차원 나노소재와 달리 결정 품질이 초고순도 수준으로 매우 높을 뿐 아니라 원자수준 두께에서 결정 구조를 정확히 제어할 수 있어 양자 현상을 연구하는데 최상의 소재를 얻을 수 있습니다. 원자두께 2차원 나노소재는 반데르발스 결합으로 적층되어 있으므로 적층각도가 자유롭고 Lattice mismatch 제약이 없어 공유결합으로 이루어진 소재로는 만들 수 없는 새로운 인공 헤테로 2차원 소재를 만들 수 있습니다. 뿐만 아니라 나노 팹 공정을 통해 LED, 레이저, 태양전지, 광센서, Field effect transistor 등을 제작하여 실제 소자의 형태에서 소재의 우수한 광특성이 어떻게 발현하고 제어될 수 있는지 확인하고 있습니다.

광특성 메커니즘을 이해하기 위해서는 소재 내부에 전자가 빛과 상호작용을 하며 전하와 에너지를 전달하는 과정을 실험적으로 관찰해야 합니다. 하지만 소재 내부의 원자는 ~ 1000 펨토초 (10-15 초) 주기로 진동을 하고, 전자는 심지어 ~ 10 펨토초 수준에서 상상할 수 없을 정도로 빠르게 운동 상태를 바꿉니다. 이 때문에 단순한 측정으로는 광소자에서 전기신호와 광신호가 변환되는 과정을 확인하기란 매우 어려운 문제입니다. 저희 연구실에서는 초고속 레이저 분석 기법이라는 강력한 실험 방법으로 전자의 거동을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 펨토초 수준의 초고속 레이저 펄스를 이용해 원자의 진동은 물론 전자의 흐름을 순간순간 포착할 수 있습니다. 뿐만 아니라 레이저 파장을 적외선, 가시광선, 자외선까지 자유롭게 제어할 수 있어 최적화된 파장을 바탕으로 빛과 상호작용할 때 소재에 축적되거나 빠져나가는 전하와 에너지를 정확히 분석할 수 있습니다.