서울대학교(총장 유홍림) 재료공학부 이관형 교수 연구팀은 전기적으로 구속된 중성 엑시톤(exciton)의 전계발광을 2차원 물질 기반의 발광 트랜지스터에서 구현했으며, 이를 통해 2차원 물질 기반 발광소자 중 가장 높은 8.2 %의 외부 양자 효율을 달성했다고 16일 밝혔다.

연구팀에 따르면 2차원 반도체 물질인 전이금속 칼코겐화합물은 원자단위의 두께로 인해 광학의 기본 입자인 엑시톤의 결합 에너지가 매우 크며, 다양한 엑시톤 복합체 형성과 벌크 물질에서 볼 수 없는 다양한 광학 현상들을 가능하게 한다.

반면에 발광 효율을 높이기 위해 홀과 전자를 효율적으로 주입하고 균형을 맞추려 전기적 도핑을 증가시키는 경우, 오히려 비방사성으로 발광하는 충전된 엑시톤의 형성이 늘어나면서 효율이 감소한다.

이를 해결하기 위해 이관형 교수 연구팀은 반데르발스 이종 구조를 활용한 2차원 반도체 중 하나인 WSe2 기반 발광 트랜지스터에서 전기적으로 구속된 중성 엑시톤의 전계발광이라는 새로운 발광 매커니즘을 보고했다.

연구팀은 실리콘 및 그래핀 게이트로 구성된 더블 게이트 구조를 사용하여 WSe2 채널 및 그래핀 전극을 국부적으로 전계, 도핑함으로써 전자와 홀을 효율적으로 주입하고, 동시에 도핑에 사용된 강한 전기장으로 인해 WSe2 내의 1차원 영역에 중성 엑시톤을 구속시키며, 충전된 엑시톤은 제거했다.

따라서 주입된 전자와 홀의 균형을 맞춤과 동시에 방사성으로 발광 되는 중성 엑시톤이 비율을 증가시켜 강한 전계발광을 이루었으며, 상온에서 8.2%의 높은 외부 양자 효율을 달성했다고 연구팀은 밝혔다.

이번 연구결과에 대해 이관형 교수팀은 “2차원 발광 트랜지스터의 외부 양자 효율을 향상시키고 엑시톤 복합체 형성을 조절할 수 있는 새로운 접근 방식을 제시함으로써, 차세대 광학 및 광전사 소자의 활용 가능성을 높이는 연구가 될 것이다.”라고 전했다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 반데르발스 물질 선도연구센터의 지원을 받아 수행됐으며, 해당 연구결과는 재료과학 분야 학술지‘Advanced Materials(상위 10% IF=11.9)’ 게재와 함께 연구의 우수성을 인정받아 Inside cover에도 선정됐다.

베타뉴스 강규수 기자 (health@betanews.net)
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