한양대 정문석 교수팀, 세계 최초로 고효율 '다크 엑시톤'의 비발광성 문제 풀어 … 상온·대면적 광자 방출 성공

한양대학교는 물리학과 정문석 교수 연구팀이 세계 최초로 자기장과 같은 외부 자극 없이 상온에서 다크 엑시톤(dark exciton)을 대면적으로 발광시키는 새로운 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

이 기술은 양자 정보 과학과 광전자 공학 분야에서 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 이번 연구에는 포항공과대학교 박경덕 교수 연구팀이 함께했다.

엑시톤은 전자와 홀 사이의 결합으로 형성된 준입자로, 빛을 방출하는 특성이 있다. 다크 엑시톤(dark exciton)은 광전자 소자에서 활용되는 브라이트 엑시톤(bright exciton)보다 강한 결합 에너지와 더 긴 수명을 지니고 있어 양자 정보 저장과 스핀트로닉스와 같은 응용 분야에서 높은 잠재력을 가진다. 그러나 일반적으로 빛을 방출하지 않는 특성을 보여 광전자 소자에서의 활용이 어려웠다.

그동안 다크 엑시톤의 발광을 구현하기 어려웠던 이유는 낮은 광효율, 짧은 수명, 상온에서의 불안정성 때문이었다. 특히 기존 기술은 저온이나 강한 자기장 환경에서만 다크 엑시톤 발광이 가능해 실용화에 큰 한계가 있었다.

연구팀은 2차원 반도체의 국소적 스트레인과 금속 표면 플라스몬을 활용해 상온에서 대면적으로 높은 효율의 다크 엑시톤 발광을 구현했다. 상온에서의 대면적 관측은 양자 정보 처리와 저장 기술의 발전에 기여하고, 차세대 광전자 소자의 성능을 크게 향상할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 다크 엑시톤의 실용적 활용 가능성을 열어준 중요한 이정표로 평가된다. 이 기술은 광발광 소자, 스핀트로닉스, 태양광 발전 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다.

연구팀이 제안한 방법은 간단하고 경제적이며 신속하게 진행할 수 있어 상용화 가능성을 높였다.

정 교수는 "이번 연구는 다크 엑시톤의 실용화를 위한 중요한 전환점이 될 것"이라며 "지속적인 연구를 통해 이 기술이 다양한 산업에 이바지할 수 있도록 힘쓰겠다"고 말했다.

이번 연구 결과는 독일의 저명 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 지난달 28일자로 게재됐다. 정 교수와 박 교수가 교신저자, 한양대 물리학과 정현 연구교수가 제1저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한양대 혁신연구센터와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.