진공기술과 첨단과학 진공기술과 첨단과학 진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September 16 발광 기술의 발전 빛은 인류를 포함한 생명체에게 매우 중요한 요소로 태 양에서 오는 빛은 식물의 광합성과 인류가 낮 동안 다양 한 생활 활동들을 가능케 한다. 수동적으로 태양의 빛만 을 이용하던 원시 시대에는 우연히 번개에 맞아 불에 활 활 타고 있던 나무가 태양 이외의 최초의 인공 빛이 였으 며 불의 최초 발견 이후 불을 다룰 수 있게 된 인류는 모 닥불과 횃불을 발명하여 취사와 보온 그리고 맹수의 공격 으로부터 안전할 수 있었다. 이후 기름 및 가스를 이용한 이동형 횃불 및 등잔불의 등장은 인류에게 어두운 밤에도 낮과 같이 다양한 활동을 가능케 하였다. 19 세기까지 불 은 인류에게 주된 인공 광원으로 그 쓰임새는 조명의 기 능성이 나날이 중요해졌다. 하지만 등잔불 이나 가스등은 원료를 태워야 하는 소모적 특성과 화재의 위험성을 항상 가지고 있었 이를 대체 할 새로운 광원의 개발이 필요 해 졌다. 인류가 빛을 이용함에 있어 혁명적인 사건 중 하나는 백열 전구 (incandescent lamp)의 발명이라 할 수 있다. 백열 전구는 기름이나 가스를 사용하지 않고 전기를 이 용하여 열선을 가열해 빛을 내는 인류 최초의 전기로 동 작하는 발광 소자이며 불을 대체할 새로운 광원 이였다. 대중들에게 백열 전구의 발명가로 에디슨 (T. Edison) 이 잘 알려져 있지만 백열 전구의 역사를 자세히 살펴 보 면 에디슨 이전에 여러 발명가들이 존재 함을 알 수 있다 [1]. 1802년 H. Davy는 플래티넘 (Platinum) 막대에 전 류를 흘려 인위적으로 빛을 만들 수 있음을 보였으나 발 세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자 https://doi.org/10.5757/vacmac.4.3.16 김영덕 The World’s Thinnest Graphene Light Source Young Duck Kim Graphene has emerged as a promising material for optoelectronic applications including as ultrafast and broadband photodetector, optical modulator, and nonlinear photonic devices. Graphene based devices have shown the feasibility of ultrafast signal processing for required for photonic integrated circuits. However, on-chip monolithic nanoscale light source has remained challenges. Graphene’s high current density, thermal stability, low heat capacity and non-equilibrium of electron and lattice temperature properties suggest that graphene as promising thermal light source. Early efforts showed infrared thermal radiation from substrate supported graphene device, with temperature limited due to significant cooling to substrate. The recent demonstration of bright visible light emission from suspended graphene achieve temperature up to ~3000 K and increase efficiency by reducing the heat dissipation and electron scattering. The world’s thinnest graphene light source provides a promising path for on-chip light source for optical communication and next-generation display module. <저자 약력> 김영덕 박사는 2012년 서울대학교에서 물리학 박사학위를 받았으며, 이후 컬럼비아 대학에서 박사후연구원으로 그래핀을 포함 한 2차원 물질들의 양자 수송 측정과 초고속 차세대 발광 소자에 관한 연구를 수행하였다. 2017년부터 경희대학교 물리학과 교 수로 재직중이다. ([email protected])
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세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자 - kvs.or.kr · 한 2차원 물질들의 양자 수송 측정과 초고속 차세대 발광 소자에 관한 연구를 수행하였다.
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진공기술과 첨단과학
진공기술과 첨단과학
진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September16
발광 기술의 발전
빛은 인류를 포함한 생명체에게 매우 중요한 요소로 태
양에서 오는 빛은 식물의 광합성과 인류가 낮 동안 다양
한 생활 활동들을 가능케 한다. 수동적으로 태양의 빛만
을 이용하던 원시 시대에는 우연히 번개에 맞아 불에 활
활 타고 있던 나무가 태양 이외의 최초의 인공 빛이 였으
며 불의 최초 발견 이후 불을 다룰 수 있게 된 인류는 모
닥불과 횃불을 발명하여 취사와 보온 그리고 맹수의 공격
으로부터 안전할 수 있었다. 이후 기름 및 가스를 이용한
이동형 횃불 및 등잔불의 등장은 인류에게 어두운 밤에도
낮과 같이 다양한 활동을 가능케 하였다. 19 세기까지 불
은 인류에게 주된 인공 광원으로 그 쓰임새는 조명의 기
능성이 나날이 중요해졌다. 하지만 등잔불 이나 가스등은
원료를 태워야 하는 소모적 특성과 화재의 위험성을 항상
가지고 있었 이를 대체 할 새로운 광원의 개발이 필요 해
졌다.
인류가 빛을 이용함에 있어 혁명적인 사건 중 하나는
백열 전구 (incandescent lamp)의 발명이라 할 수 있다.
백열 전구는 기름이나 가스를 사용하지 않고 전기를 이
용하여 열선을 가열해 빛을 내는 인류 최초의 전기로 동
작하는 발광 소자이며 불을 대체할 새로운 광원 이였다.
대중들에게 백열 전구의 발명가로 에디슨 (T. Edison)
이 잘 알려져 있지만 백열 전구의 역사를 자세히 살펴 보
면 에디슨 이전에 여러 발명가들이 존재 함을 알 수 있다
[1]. 1802년 H. Davy는 플래티넘 (Platinum) 막대에 전
류를 흘려 인위적으로 빛을 만들 수 있음을 보였으나 발
세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자https://doi.org/10.5757/vacmac.4.3.16
김영덕
The World’s Thinnest Graphene Light Source
Young Duck Kim
Graphene has emerged as a promis ing mater ia l fo r
optoelectronic applications including as ultrafast and broadband
photodetector, optical modulator, and nonlinear photonic devices.
Graphene based devices have shown the feasibility of ultrafast
signal processing for required for photonic integrated circuits.
However, on-chip monolithic nanoscale light source has remained
challenges. Graphene’s high current density, thermal stability,
low heat capacity and non-equilibrium of electron and lattice
temperature properties suggest that graphene as promising thermal
light source. Early efforts showed infrared thermal radiation from
substrate supported graphene device, with temperature limited
due to significant cooling to substrate. The recent demonstration
of bright visible light emission from suspended graphene achieve
temperature up to ~3000 K and increase efficiency by reducing
the heat dissipation and electron scattering. The world’s thinnest
graphene light source provides a promising path for on-chip light
source for optical communication and next-generation display
module.
<저자 약력>
김영덕 박사는 2012년 서울대학교에서 물리학 박사학위를 받았으며, 이후 컬럼비아 대학에서 박사후연구원으로 그래핀을 포함
한 2차원 물질들의 양자 수송 측정과 초고속 차세대 발광 소자에 관한 연구를 수행하였다. 2017년부터 경희대학교 물리학과 교
[Fig. 2] a) Schematic of graphene field-effect transistor on substrate
with high bias. b) Imaged temperature map of bilayer
graphene field-effect transistor with -20V and maximum
temperature about 95℃. c) Spatial images of the integrated
emission with wavelength up to 2000 nm from the graphene
sample biased with -30V and gate voltage varied [17, 18].
[Fig. 1] a) Band structure of graphene with linear dispersion relation
and schematic of Pauli blocking. Chip-integrated tens GHz
graphene based b) photodetector and c) optical modulator.
d) Graphene based integrated photonic circuits [10-12].
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세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자
부 에너지 여기 (excitation)에 의해 그래핀 전자의 온도
가 격자 온도 또는 어쿠스틱 포논 (acoustic phonon) 온
도보다 높아지는 온도 불일치의 특성을 가지고 있다 [16].
일반적으로 백열 발광은 플랑크의 흑체 복사 법칙을 따르
며 발광 특성은 백열 발광 필라멘트의 전자의 온도에 의
해 결정되기 때문에 그래핀에서 전자와 격자 온도의 불일
치는 격자 온도의 높이지 않고 30~50% 이상 더 높은 전
자의 온도를 유지 할 수 있어 매우 효율적인 백열 발광이
가능하다. 과거 그래핀을 이용한 백열 발광에 대한 연구
는 그림 2a와 같이 대부분 기판 위에 제작된 소자들을 기
반으로 행해졌었다. 과거의 연구들은 기판 위에 제작된
그래핀에 전류를 흘려 줄-히팅 (Joule heating)에 의해
그래핀의 온도를 높여 발광 특성을 관측하는 방식으로 행
해졌으나 대부분 1000 K에 해당하는 적외선 영역에서의
한정된 발광 특성이 관측되었으며 발광 효율은 10-4 % 로
매우 낮았다 [17, 18]. 그래핀에서의 독특한 에너지 전달
특성에 의해 격자의 온도보다 높은 전자의 온도를 유지
할 수 있음에도 불구 하고 매우 낮은 백열 발광 효율은 기
판을 통한 주된 열 방출 효과와 기판의 결합 및 거친 표면
에 의한 그래핀의 전자 산란에 의한다는 사실이 밝혀졌
다. 이는 그래핀을 포함한 2차원 물질에서 공통적으로 나
타나는 현상으로 기판에 의한 전자 수송의 산란 및 소자
의 성능 저하 현상으로 나타나며 이를 개선 하기 위해 여
러 방법 등이 제안되고 있다 [19, 20].
자가 현수 된 그래핀 가시광 발광 소자
기판에 의한 그래핀의 주된 전자 산란과 기판으로 빠
져나가는 열의 손실을 최소화 하기 위한 대표적 방법으
로 그래핀을 자가 현수 (suspended) 시키는 구조가 제안
되었다 [21, 22]. 먼저 기판 위에 제작된 그래핀의 경우
기판에 의한 주된 산란 효과로 인해 전하 이동도와 전기
장 하에서의 전자의 에너지 증가가 제한 되지만 자가 현
수 구조의 그래핀의 경우 전하 이동도가 비약적으로 향상
됨이 [21] 실험적으로 증명 되었으며 이 구조는 그래핀 본
연의 물리적 특성 분석에 최적화된 구조로 알려지게 되었
다. 또한 자가 현수 된 그래핀의 구조는 기판을 통한 열의
손실을 최소화 할 수 있어 높은 전기장 및 고온에서의 그
래핀 고유의 열 및 전기적 특성 분석을 [22] 가능케 한다.
이후 그림 3a와 같은 자가 현수 된 그래핀 구조에서 고
효율의 백열 발광 소자에 관한 연구가 행해졌으며 2-7 V
의 작은 전압 인가에 의해 그림 3b 에서 보듯이 가시광
영역에서 발광 특성이 관측되었다 [23]. 발광 특성 분석
에 의하면 그래핀의 전자의 온도는 ~3000 K까지 달하며
격자의 온도 보다 20~30% 높다는 사실이 확인 되었다.
가시광 영역에서의 발광 특성을 살펴보면 대부분 백열 발
광이 자가 현수 된 그래핀의 가운데 부분에서 관측되었으
며 그래핀이 3000 K에 도달 할 만큼의 고온임에도 불구
하고 금속 전극이 녹지 않는 것을 확인 할 수 있다. 이는
상온에서의 매우 높은 그래핀의 열전도도가 온도가 높아
짐에 따라 급격히 줄어들면서 그래핀을 통한 수평적 열
전도가 감소되어 [22] 효율적으로 매우 높은 열을 그래핀
의 가운데 부분에만 가두는 것을 가능케 한다. 자가 현수
된 그래핀 구조에서 효율적인 열의 구속이 가능하기 때문
에 백열 발광의 효율은 기판 위에 제작된 그래핀에 비해
1,000배 정도 향상되며 마이크론 미터 사이즈의 그래핀
을 맨눈으로 관측할 수 있을 만큼 매우 밝은 가시광의 발
광이 가능함이 알려졌다.
자가 현수 된 그래핀에서의 매우 밝은 가시광 영역에
서의 스펙트럼을 살펴 보면 그림 3c와 같다. 일반적인 흑
[Fig. 3] a) SEM image of suspended graphene (top) and schematic
of visible light emission under high bias. b) Optical image of
suspended graphene with various bias voltage. c) Thermal
radiation spectrum of suspended graphene with trench
depth of 1 um and estimated electron temperature with
various bias voltage [23].
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체 복사에 의한 백열 발광과 달리 가시광선 영역에서 여
러 스펙트럼 픽들이 관측되는데 이는 발광 물질인 그래
핀과 기판 사이의 간섭 효과에 의해 나타나며 기판과 그
래핀의 거리를 조절 함으로써 간섭 효과를 달리 함으로
써 발광 특성을 조절 할 수 있다. 또한 강한 빛-물질 상
호 작용에 의해 다양한 광공진기 (optical cavity) 구조를
형성 함으로써 특정 파장 영역에서 발광 특성이 향상된
다양한 색상의 그래핀 기반의 발광 소자의 개발이 가능하
다. 원자 한 층으로 이루어진 그래핀 기반의 발광 소자의
구현은 공식적으로 기네스 북 (Guinness World Record)
에 세상에서 가장 얇은 발광 소자로 등재되기도 하였다
[24].
결론
그래핀 기반의 신광원 개발은 나노 스케일에서의 고성
능 발광 소자의 개발을 가능케 하며 그래핀 기반의 초정
밀 차세대 디스플레이와 더불어 초고속 광 정보 처리를
위해 필수적인 광소자의 대부분을 그래핀으로 실현 가능
함을 의미 한다. 앞으로 그래핀 발광 소자의 초고속 직접
변조 기술과 대면적 소자 제작 기술의 개발에 의해 그래
핀 기반의 초고속 광직접회로의 개발과 차세대 2차원 반
도체와 그래핀의 이종 접합 구조를 기반으로 고효율 다기
능 소자의 개발이 가능할 것이다. 에디슨이 탄화된 대나
무 필라멘트를 이용하여 백열 전구 조명 산업을 창출 했
듯이 그래핀 및 2차원 물질 기반의 차세대 발광 소자는
양자 광컴퓨터 개발과 같은 4차 산업 혁명에 중요 기술로
작용할 것이다.
[1] T.P. Hughes, American Genesis (University of Chicago Press, 2004). [2] K.S. Novoselov, D. Jiang, T. Booth, V.V. Khotkevich, S.M. Morozov, and
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Grigorieva, S.V. Dubonos, and A.A. Firsov, Nature 438, 197 (2005). [4] Y. Zhang, Y.W. Tan, H.L. Stormer, and P. Kim, Nature 438, 201 (2005). [5] C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008). [6] K.S. Novoselov, V.I. Fal ko, L. Colombo, P.R. Gellert, M.G. Schwab, and
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(2009). [8] A.K. Geim and I.V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013). [9] F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A.C. Ferrari, Nat Photon 4, 611
(2010).[10] Q. Bao and K.P. Loh, ACS Nano 6, 3677 (2012).[11] X. Gan, R.-J. Shiue, Y. Gao, I. Meric, T.F. Heinz, K. Shepard, J. Hone, S.
Assefa, and D. Englund, Nat Photon 7, 883 (2013).[12] C.T. Phare, Y.-H. Daniel Lee, J. Cardenas, and M. Lipson, Nat Photon 9,
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[20] X. Cui, G.-H. Lee, Y.D. Kim, G. Arefe, P.Y. Huang, C.-H. Lee, D.A. Chenet, X. Zhang, L. Wang, F. Ye, F. Pizzocchero, B.S. Jessen, K. Watanabe, T. Taniguchi, D.A. Muller, T. Low, P. Kim, and J. Hone, Nat Nano 10, 534 (2015).
[21] K.I. Bolotin, K.J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, and H.L. Stormer, Solid State Communications 146, 351 (2008).
[22] V.E. Dorgan, A. Behnam, H.J. Conley, K.I. Bolotin, and E. Pop, Nano Lett. 13, 4581 (2013).
[23] Y.D. Kim, H. Kim, Y. Cho, J.H. Ryoo, C.-H. Park, P. Kim, Y.S. Kim, S. Lee, Y. Li, S.-N. Park, Y. Shim Yoo, D. Yoon, V.E. Dorgan, E. Pop, T.F. Heinz, J. Hone, S.-H. Chun, H. Cheong, S.W. Lee, M.-H. Bae, and Y.D. Park, Nat Nano 10, 676 (2015).
[24] http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/399438-thinnest-light-source, Guinness World Record; Thinnest light source.