[대전=충청일보 이한영기자] KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 23일 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 소자를 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
　

이번 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
　

빛은 파동과 입자의 성질을 동시에 갖고 있는데 일반적으로 입자를 광자라 칭하며, 단일광자원은 자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소로 광자가 뭉쳐 나오는 고전적인 광원과 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자다.
　

그 중 반도체 양자점을 이용한 단일광자 방출소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
　

이 단일광자원 소자 제작을 위해 양자점과 빛이 한 곳에서 만나는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이나 양자점이 불규칙적으로 분포되고 위치를 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다.
　

또한 양자점과(10 나노미터) 빛의 파장의 크기(500 나노미터) 차이 때문에 단일광자원의 방출 시간이 매우 느려 대량 생산에 한계가 있어 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
　

연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다.
　

반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성되고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것.
　

특히, 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다.
　

즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과 크기 차이를 극복할 수 있는 것.
　

이로 인해 기존 제작 시의 까다로운 공정이 생략되고, 단일광자원 소자 방출 시간이 20배 정도 단축돼 대량 생산이 가능해진다.
　

연구팀은 이번 연구를 통해 단일광자원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대하고 있다.
　

조 교수는 "이 기술은 높은 공정수율을 갖고 있기 때문에 상용 단일광자원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것이다"고 말했다.
　

한편, 조 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)ㆍ김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 KAIST 신종화ㆍ이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.