[노준석 교수팀, 프린팅 가능 고효율 발광 제어 메타표면 제작]

사람과의 관계에서 함께하는 공간이 가까울수록 관계는 자연스럽게 더 깊어진다. 공통의 추억이 하나둘 늘어가면서 유대감이 형성되고, 이러한 공간 속에서 관계는 점점 단단해진다. 이는 우리 사회뿐만 아니라 공학 세계에서도 마찬가지다. 최근 메타표면 제작 단계에서 양자점(Quantum Dot)을 사용해 둘이 같은 공간에 존재하도록 해 큰 성과를 낸 흥미로운 연구가 발표됐다.

기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 정민수 · 고병수 · 김재경 씨, 화학공학과 통합과정 정충환 씨 연구팀은 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, 이하 NIL) 공정을 이용해 양자점이 포함된 메타표면을 제작하고, 발광 효율을 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano letters(나노 레터스)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

광학 메타표면을 만드는 공정 중 하나인 NIL은 패턴이 새겨진 스탬프를 사용해 나노미터(nm) 규모의 매우 미세한 패턴을 빠르게 전사하는 공정이다. 이 공정은 전자빔 리소그래피나 다른 공정에 비해 저렴한 비용으로 메타표면을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 기존 공정에서는 사용할 수 없는 물질로 구성된 메타표면을 제작할 수 있다는 장점이 존재한다.

최근 메타표면은 양자점의 편광 및 발광 방향을 제어하기 위해 많이 연구되고 있다. 나노 반도체 입자인 양자점은 발광의 효율이 높고, 특정 파장의 빛을 정확하게 방출할 수 있어 디스플레이(QLED)나 양자 컴퓨팅 등 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 하지만, 기존 공정방식으로는 양자점을 메타표면 안에 포함 시킬 수 없었기 때문에 메타표면과 양자점을 각각 제작해 결합하는 방식으로 연구가 진행되어왔고, 양자점의 발광을 제어하는 데 한계가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 NIL 공정 재료인 이산화티타늄(TiO2)에 양자점을 섞은 다음 메타표면을 만들었다. 메타표면과 양자점을 각각 제작한 후 결합하는 기존과 달리 공정 과정에 양자점을 넣어 양자점으로 구성된 메타표면을 제작하였다.

연구팀이 제작한 메타표면은 기존보다 양자점에서 방출된 광자가 메타표면이 가지는 공진모드(resonance mode)^*1에 결합하는 비율을 높였다. 따라서 기존에 비해 양자점에서 방출된 특정 방향의 빛을 더 효과적으로 제어할 수 있게 된 것이다.

실험 결과, 방출된 광자가 메타표면의 공진모드에 많이 결합할수록 메타표면의 발광 효율이 높아졌으며, 연구팀의 메타표면은 양자점이 단순하게 코팅되었을 때보다 발광 효율이 최대 25배까지 향상됐다.

 

연구를 이끈 노준석 교수는 “발광 제어 메타표면을 사용해 더 선명하고 밝은 디스플레이를 만들고, 정밀하고 민감한 바이오 센싱이 가능해질 것”이라며, “후속 연구를 통해 발광을 더 효과적으로 제어해 나노 광학 센서나 광전자 소자, 양자점 디스플레이 등 분야의 발전을 이끌겠다”라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 POSCO N.EX.T IMPACT 사업, 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00871

1. 공진 모드(resonance mode)
빛이 특정 공간에 오랜 시간 갇혀 있을 수 있는데 이 때 가지는 전기장 분포 및 고유 주파수를 의미한다.