빛 파장 변환 매커니즘 발견...더 밝고 다양한 빛 생성한다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 더 밝고 다양한 빛을 높은 효율로 생성 가능한 빛 파장 변환 메커니즘을 발견했다. 이를 통해 광통신 분야를 비롯한 양자컴퓨팅, 비선형 광현미경 분석 등 광학기술의 발전 가능성을 제시했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 이재동 신물질과학전공 교수 연구팀과 김현민 바이오융합연구부 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐이 지닌 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 ‘이중공명 합 주파수 생성’ 방법을 발견했다고 8일 밝혔다.

이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐의 이중 공명 광학 합 주파수 생성 모식도.<자료=대구경북과학기술원>

다양한 빛의 생성과 변환기술은 근현대의 산업과학기술부터 광통신, 광의료, 광에너지 등 미래첨단분야까지 활용되고 있다. 빛에너지는 진동하는 다양한 주파수를 갖고 있으며, 빛의 원리를 이용해 반도체 물질이 가진 주파수를 활용한 연구들이 진행되고 있다.

반도체는 전기전도율을 조절 가능한 물질로 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대를 사이에 두고, 전자가 존재하는 가전자대와 전자가 조금만 존재하면서 자유롭게 움직이는 에너지대인 전도대가 연속적인 에너지밴드로 이뤄져 있다.

에너지밴드 내에 특정 주파수의 빛인 광펄스가 입사되면 에너지의 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명(共鳴)이 일어난다. 이 때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성된다. 이러한 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행됐지만 대체로 효율이 낮게 나타났다.

연구팀은 이차원 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 다수의 공명 주파수를 갖는 특성에 주목했다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개의 광펄스를 같은 출력으로 조절해 2개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했다. 또 색 변환과 함께 극대화된 고출력의 광펄스가 방출된다는 점도 알아냈다.

연구를 적용하면 단일공명을 활용한 기존 방식 대비 2개의 공명을 이용해 빛의 파장이 20배 이상 증폭할 수 있다.

이재동 신물질과학전공 교수는 “빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다”고 말했다.

연구 결과는 나노 과학·기술 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 지난 5월 18일자 온라인판에 게재됐다.