건국대 김학성 박사 공동연구팀, 차세대 그래핀 가시광원 첫 개발

2015-06-17 16:08
  • 국내 연구진이 세상에서 가장 얇은 차세대 그래핀 가시광원을 개발했다. 왼쪽 사진은 전압에 의해 빛이 발생한 그래핀 소자 개념도, 오른쪽 사진은 그래핀에서 발생한 빛이 기판 하단에 ...

    국내 연구진이 세상에서 가장 얇은 차세대 그래핀 가시광원을 개발했다. 왼쪽 사진은 전압에 의해 빛이 발생한 그래핀 소자 개념도, 오른쪽 사진은 그래핀에서 발생한 빛이 기판 하단에 반사된 빛과 간섭협상을 일으킨 개념도이다

서울--(뉴스와이어) 2015년 06월 17일 -- 건국대 연구팀이 참여한 국내 연구진이 원자 한층 두께의 그래핀을 이용하여 고효율 가시광 발광소자를 세계 최초로 개발했다.

건국대는 물리학부 김학성 박사과정생(지도교수 이상욱)이 제1저자로 참여한 국내 공동연구팀은 다양한 색 구현이 가능한 차세대 그래핀 가시광원을 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 1저자로 건국대 김학성(박사과정), 서강대 조유진(석사과정), 서울대 류지훈씨(박사과정)가 연구를 수행했으며 교신저자로는 한국표준과학연구원 배명호 박사, 서울대 박윤 교수, 서울대 김영덕 박사(現 컬럼비아 대학)가 참여했다.

연구결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology-IF:33.265) 6월 16일(화) 온라인판에 게재됐으며, 국내외 연구팀(건국대-이상욱 교수, 서강대-정현식 교수, 세종대-천승현 교수, 서울대-박철환 교수 등)의 긴밀한 협력 연구로 이뤄졌다. * 논문명 : Bright visible light emission from graphene

꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 높은 전도도와 열전도율, 신축성과 투명성을 가지고 있기 때문에 차세대 발광소자로 개발하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

공동연구팀은 전구의 필라멘트처럼 그래핀을 공중을 띄우는 방법을 이용하여 세상에서 가장 얇은 원자 한 층 두께의 (0.3 나노미터) 그래핀 자체가 스스로 빛을 낼 수 있다는 것을 확인했다.

기본적으로 물체에 전압을 인가하여 전자를 이동시킬 때, 전자의 에너지는 빛에너지 또는 열에너지로 변환되는데, 그래핀에선 전환된 열에너지가 다시 전자들을 뜨겁게 하여 빛을 만들어 낸다.

종전까지는 그래핀을 기판 위에 올려놓고 전류를 흘려보냈기 때문에 대부분의 전자에너지는 기판의 열에너지로 전도되어 빠져나가게 되어, 효율적으로 그래핀 내부의 전자의 온도를 높일 수 없었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 공중에 떠 있는 수 마이크로미터(㎛) 사이즈의 그래핀을 제작하고, 수 볼트의 전압을 가한 결과, 내부 전자의 온도가 3,000 켈빈(K)*까지 높아져 매우 밝은 가시광선을 방출한다는 것을 실험적으로 증명했다. * 켈빈(Kelvin) : 0 K = -273 ℃ , 3,000 K = 2727 ℃ , 태양의 표면온도 6,000 K

또 그래핀과 기판과의 거리를 조절하면 눈으로 볼 수 있는 다양한 색 구현이 가능하다는 것도 밝혀냈다. 이는 그래핀에서 방출된 빛이 기판바닥으로부터 반사되어 나온 간섭효과*에 의해 기인한 것이다.

* 간섭효과 : 빛이나 소리의 파동이 둘 이상 포개져서 힘이 강해지거나 약해지는 효과

기판으로부터 1,000 나노미터(nm) 정도로 띄워진 그래핀에 수 볼트의 전압을 인가하면 노랑색 파장의 빛이 방출되며, 900 nm 이하 수준으로 띄워진 그래핀에서는 붉은색 파장의 빛이 방출된다.

김학성 박사는 “흥미롭게도 그래핀의 특이 물성에 의해 떠있는 그래핀에 수 볼트의 전압을 인가하면 그래핀 내부 전자의 온도는 태양표면 온도의 절반 수준인 약 3,000 켈빈(K)에 이르게 되어 매우 밝은 빛의 관측이 가능하다”고 말했다.

그는 “그래핀을 다른 물질과 결합하여 발광소자로서의 가능성을 제시한 사례는 있으나 그래핀 자체가 밝고 다양한 빛을 구현할 수 있음을 밝힌 것은 처음”이라며 “변형에 유연하고 경제성이 뛰어난 그래핀의 성질을 적절히 이용하면 투명 플랙서블 디스플레이 및 광컴퓨터의 개발이 가능하다”고 말했다.

웹사이트: http://www.konkuk.ac.kr

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