단일광자원 한계, '피라미드'가 풀었다

KAIST 조용훈 교수 연구팀 대량생산 기술 개발 피라미드 나노 구조체 활용, 소자 방출시간 단축

▲ 조용훈 교수

양자광통신과 양자암호기술 구현에 가장 기본적인 구성 요소인 단일광자원 대량 생산기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST 조용훈 교수(물리학과) 연구팀은 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 소자를 대량 생산하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 연구결과에 따라 단일광자원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대된다.

▲ 나노피라미드 구조에 금속필름이 얇게 증착한 뒤, 피라미드 꼭짓점에 있는 반도체 양자점(단일광자원)의 위치에 빛이 강하게 집속돼 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습.

연구팀에 따르면 단일광자원은 고전 전자기학으로는 설명할 수 없는 양자화된 광자 특성을 보여주는 양자광원으로 광자의 시간적 분포가 열광원(광자 뭉침), 레이저(랜덤한 광자 분포)와 달리 하나의 광자만 존재하게 된다.

이를 이용하면 양자광학 뿐 아니라 차세대 양자정보통신 분야에 활용될 수 있다. 또 인공원자로 불리는 반도체 양자점을 이용한 당일광자원은 광안정성과 전기구동의 가능성이 커 상용화에 적합한 소재로 각광받고 있다.

하지만 수 나노미터 크기를 갖는 양자점은 수백 나노미터의 파장을 갖고 있는 빛과 상호작용이 매우 약하다.

빛은 파동과 입자의 성질을 동시에 갖고 있는데, 일반적으로 입자를 '광자'라고 부른다.

단일광자원은 광자가 뭉쳐 나오는 고전적인 광원과 달리 한번에 1개의 광자만 방출하는 소자다.

단일광자원 소자 제작을 위해서는 양자점과 빛이 한 곳에서 만나는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이지만 양자점이 불규칙적으로 분포되고 위치를 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다. 또 양자점(10나노미터)과 빛 파장(500나노미터)의 크기 차이 탓에 단일광자원의 방출시간이 느려 대량 생산에 한계가 있었다. 따라서 긴 공정시간에도 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 그쳤다.

연구팀은 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용해 문제를 해결했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭짓점에 자발적으로 형성되고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속에 모이는 성질 탓에 양자점과 같은 위치에 집속된다.

금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다.

즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과 크기 차이를 극복할 수 있다. 결과적으로 기존의 까다로운 공정이 생략되고, 단일광자원 소자 방출 시간이 20배 정도 단축돼 대량 생산할 수 있는 것이다.

조용훈 교수는 “이 기술은 높은 공정수율을 갖고 있기 때문에 상용 단일광자원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야를 구현하는 중요한 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편 연구결과는 자연과학분야 학술지 '미국국립과학원회보(PNAS)' 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.

이영록 기자 idolnamba2002@