[박경덕 교수] 바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선

바비넷 원리와 표면격자공명을 활용한 2차원 반도체 발광효율 개선

(좌) 2차원 반도체의 대면적 발광효율 증강 모식도

(우) 바비넷 원리와 표면격자공명 현상을 설명한 그림

차세대 전자소재로 주목받는 2차원 반도체는 두께가 불과 수 원자층이기 때문에 유연하면서도 뛰어난 전기적·광학적 특성을 가진다. 이 때문에 TSMC 등 글로벌기업들이 반도체칩 양산을 위한 차세대소재로 이미 상용화 연구를 진행하고 있다. 하지만 단위부피당 발광효율이 매우 높은 것에 비하여, 수 원자층 두께에서 발생하는 빛의 절대적인 세기는 여전히 낮기 때문에 디스플레이 소재로의 활용을 위해서는 발광효율 향상이 반드시 필요하다.

박경덕 교수 연구팀은 바비넷 원리(Babinet's principle)와 표면격자공명(surface lattice resonance; SLR)이 발생하는 대면적 금 나노광학안테나 구조를 설계 및 제작하고, 이 위에 2차원반도체를 결합하여 발광효율을 1,600배 증강시키는 소자를 구현하는데 성공했다.

기존의 금속 구조 안테나를 이용한 2차원 반도체 밝기 증강 기술은 두 가지 핵심 문제가 있었다. 첫째, 금속과 반도체의 접촉면에서 에너지 손실이 크다는 점. 둘째, 국소적인 영역의 밝기만 증강되어 대면적 디스플레이 응용에는 적합하지 않다는 점. 연구팀은 이를 해결하기 위해 바비넷 원리를 적용하여 속이 빈 금속 안테나 구조를 설계하였다. 이를 통해 금속과 반도체의 접촉면을 최소화하고 높은 밝기 증강을 유도할 수 있었다.

뿐만 아니라, 금속 안테나를 평면상에 특정 주기로 배열하면 표면격자공명 현상을 유도할 수 있다. 표면격자공명은 단순히 여러 개별 안테나 효과의 합이 아니라, 멀리 떨어진 안테나끼리 서로 연결되어 공명현상을 일으켜 더욱 증폭된 빛을 만들어 낼 수 있다. 이는 마치 여러 명이 동시에 트램펄린 위에서 리듬을 맞춰 점프할 때 한순간에 더 높은 도약이 가능해지는 것과 같은 원리로 설명할 수 있다. 이 효과를 이용하여 기존보다 적은 영역의 전원만으로 더 넓은 면적을 밝힐 수 있으며 발광 휘도도 기존보다 1600배나 증강할 수 있다.

논문의 제1저자인 POSTECH 구연정씨는 "이번 연구는 2차원반도체가 직면한 발광소재로써의 한계를 극복하고, 차세대 디스플레이와 광반도체 기술 상용화에 중요한 돌파구를 제시할 수 있을 것"이라고 전했다.

이 연구는 광학분야 국제학술지 Light: Science & Applications에 최근 게재됐으며, 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다.

논문명: High momentum two-dimensional propagation of emitted photoluminescence coupled with surface lattice resonance

발표일: 2025년 6월 20일

링크: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01873-3