빛은 파동과 입자의 성질을 동시에 갖고 있는데 일반적으로 입자를 광자라 칭한다. 단일광자원은 광자가 뭉쳐 나오는 고전적인 광원과 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자다.
그 중 반도체 양자점을 이용한 단일광자원 소자는 양자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소다. 단일광자 방출소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
이 단일광자원 소자 제작을 위해서는 양자점과 빛이 한 곳에서 만나는 구조를 공간적으로 정확하게 결합시키는 것이 필수적이다. 하지만 양자점이 불규칙적으로 분포되고 위치를 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다.
또 양자점과(10 나노미터) 빛의 파장의 크기(500 나노미터) 차이 때문에 단일광자원의 방출 시간이 매우 느려 대량 생산에 한계가 있었다. 따라서 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성된다. 그리고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것이다.
특히 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다. 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과 크기 차이를 극복할 수 있는 것이다.
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| 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습 (KAIST 제공) |
결과적으로 기존 제작 시의 까다로운 공정이 생략되고, 단일광자원 소자 방출 시간이 20배 정도 단축돼 대량 생산이 가능해진다.
조 교수는 “이 기술은 높은 공정수율을 갖고 있기 때문에 상용 단일광자원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것이다”고 말했다.
조 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)ㆍ김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 KAIST 신종화ㆍ이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했다. 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 이달 13일자 온라인 판에 게재됐다.
dsun@heraldcorp.com
