[사이언스] 빛의 색깔과 편광 서로 제어된다... 양자선 광원 개발

육각연필 구조에서 색깔과 편광이 다른 양자선 형성, 색깔과 편광 동시 제어

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2019/12/23 [15:23]

[사이언스] 빛의 색깔과 편광 서로 제어된다... 양자선 광원 개발

육각연필 구조에서 색깔과 편광이 다른 양자선 형성, 색깔과 편광 동시 제어

특허뉴스 선우정 기자 | 입력 : 2019/12/23 [15:23]

▲ 육각형 막대 구조의 모서리 방향을 따라 자발적으로 형성된 양자선 수직 배열 광원의 색깔과 편광 상태 모식도 / 초록색으로 표시된 첫 번째 양자선 그룹은 막대에 평행한 편광상태를 보이며, 적색으로 표시된 두 번째 양자선 그룹은 막대에 수직한 편광상태를 보인다. 파란색으로 표시된 막대의 면은 非편광상태를 보인다. (단, 그림에 사용된 색은 설명을 위한 것으로 실제 발광 색과는 차이가 있음)  © 특허뉴스

 

마이크로 디스플레이나 홀로그램, 정밀측량, 의료기기 등 광범위한 분야에서 광원으로 쓰일 수 있는 색깔과 편광이 서로 얽힌 새로운 소형 광원구조가 나왔다.

 

한국연구재단은 KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 가느다란 육각연필 형태의 구조 안에서 다색-다편광 특성을 갖는 양자선 수직배열 광원 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

 

여러 색깔과 편광을 동시에 상호 제어할 수 있는 고효율 소형 광원은 하나의 요소만으로도 두 가지 물리량을 동시에 제어 할 수 있어 마이크로 디스플레이와 홀로그램, 정밀측량, 의료기기 등에 광범위하게 활용될 수 있다.

 

▲ 양자선 수직 배열 광원에서 발생하는 빛의 색깔과 편광 상호 간의 제어성 / 색깔을 조절하면 선형 편광률이 바뀌게 되고, 반대로 편광을 제어하면 색깔이 바뀌는 독특한 광학적 특성을 보인다  © 특허뉴스

 

반도체 양자선 구조는 물질의 조성이나 두께 변화를 통해 색을 조절할 수 있는데다 나노 단위에서 발생하는 효과를 이용해 편광 방향을 조절할 수 있어 효율적인 소형 광원으로 꼽힌다.

기존에도 단순한 형태의 양자선은 있었지만 나노 단위의 정밀한 제어가 어려워 색깔과 편광을 동시에 조절할 수 있고 수직으로 정렬된 양자선 배열을 구현하기는 어려웠다.

 

연구팀은 육각연필을 닮은 반도체 기반의 육각형 마이크로 막대 구조를 활용하여 복잡한 양자선 정렬 문제를 해결했다.

머리카락 보다 얇은 육각형 막대 구조를 먼저 형성시킨 후 이 구조를 기본 틀로 활용하여 얇은 층의 물질을 성장하면 막대 구조의 모서리 방향을 따라 1차원 구조인 양자선들이 자발적으로 배열되도록 한 것이다.

 

그 결과 육각연필 구조의 길이 방향으로 만들어진 양자선은 청색으로 축 방향과 나란한 편광을 지니는 반면, 연필대와 연필심의 기울어진 부분과 만나는 단면에 형성된 양자선은 녹색을 띠며 축 방향에 수직한 편광을 갖는다.

 

이러한 구조로 인해 색깔을 제어하면서 편광을 바꿀 수 있고 이와 반대로 편광을 제어해도 색깔을 바꿀 수 있다. 기존에는 색깔을 제어하려면 셀로판지 같은 컬러필터를 이용했고, 편광을 제어하기 위해서는 편광판을 이용해야 했다.

 

육각연필 구조의 양자선 구조를 이용해 서로 다른 색깔과 서로 방향이 교차하는 편광을 얻은 이 연구결과는 기존 LCD 패널과 다르게 컬러필터 없이도 액정의 편광 특성을 이용해서 색깔을 선택할 수 있고, 반대로 컬러필터만으로도 편광 특성까지 제어할 수 있어, 초소형 기능성 광원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

최성한 박사와 송현규 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구의 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)’1211일 게재되었다.

    

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