자율주행차가 주변 물체를 인식하는 센서나 인체의 미세한 신호를 감지하는 생체 센서 등에 활용할 수 있는 적외선 제어 기술이 개발됐다. 원자 수준으로 얇은 반도체 두 장을 겹쳐 비트는 방식으로 빛의 파장과 진동 방향을 동시에 조절하는 기술이다.

성균관대는 에너지과학과 김정용 교수 연구팀이 전북대 노희석 교수와 공동으로 이 같은 연구 성과를 거뒀다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 게재됐다.

이번 기술은 적외선 빛의 성질을 정밀하게 조절할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 적외선은 사람의 눈에는 보이지 않지만 물체와의 거리를 측정하거나 인체의 신호를 감지하는 데 활용된다. 빛의 파장과 진동 방향을 제어하면 다양한 용도에 맞는 광학 소자를 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

연구팀은 종이처럼 얇은 2차원 반도체 두 장을 겹친 뒤 서로 다른 방향으로 회전시키는 방법을 사용했다. 두 반도체가 겹치면서 만들어지는 새로운 원자 배열을 이용해 적외선 빛의 성질을 바꾸는 원리다.

일반적으로 반도체에 빛을 비추면 전자와 전자가 빠져나간 빈자리인 '정공'이 짝을 이루는 현상이 나타난다. 이를 '엑시톤'이라고 한다. 두 반도체 사이에서 형성되는 '층간 엑시톤'은 빛을 내는 상태가 비교적 오래 유지돼 차세대 광학 소자에 활용할 수 있다.

기존 2차원 반도체는 빛을 발생시키거나 진동 방향을 조절할 수 있는 조건이 제한적이었다. 연구팀은 이황화레늄과 이셀렌화레늄이라는 반도체를 겹쳐 회전 각도를 1~88도로 바꾸면서 다양한 각도에서 적외선 빛을 발생시키는 데 성공했다.

반도체를 비트는 각도와 쌓는 층수를 조절하자 빛의 에너지를 약 100밀리전자볼트(meV) 범위에서 변화시킬 수 있었다. 적외선 빛의 파장을 조절할 수 있다는 의미다. 반도체를 여러 겹 쌓았을 때는 빛의 밝기도 최대 10배 이상 강해졌다.

연구팀은 빛이 진동하는 방향인 '편광'도 조절할 수 있음을 확인했다. 하나의 반도체 구조에서 빛의 파장과 진동 방향을 동시에 제어할 수 있게 된 것이다.

김 교수는 "원자 두께의 얇은 반도체를 서로 비틀어주는 것만으로 적외선 빛의 파장과 진동 방향을 동시에 조절하는 기술을 세계 최초로 구현했다"며 "자율주행차의 라이다, 야간 감시 장비, 생체 센서 등 첨단 산업 전반에 핵심 원천기술로 활발히 응용될 것"이라고 말했다.

kjh7@news1.kr