세상에서가장얇은그래핀발광소자 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. 발광기술의발전빛은인류를포함한생명체에게매우중요한요소로태양에서오는빛은식물의광합성과인류가낮동안다양 한생활활동들을가능케한다. 수동적으로태양의빛만을이용하던원시시대에는우연히번개에맞아불에활활타고있던나무가태양이외의최초의인공빛이였으며불의최초발견이후불을다룰수있게된인류는모닥불과횃불을발명하여취사와보온그리고맹수의공격으로부터안전할수있었다. 이후기름및가스를이용한이동형횃불및등잔불의등장은인류에게어두운밤에도낮과같이다양한활동을가능케하였다. 19 세기까지불은인류에게주된인공광원으로그쓰임새는조명의기능성이나날이중요해졌다. 하지만등잔불이나가스등은원료를태워야하는소모적특성과화재의위험성을항상가지고있었이를대체할새로운광원의개발이필요해졌다. 인류가빛을이용함에있어혁명적인사건중하나는백열전구 (incandescent lamp) 의발명이라할수있다. 백열전구는기름이나가스를사용하지않고전기를이용하여열선을가열해빛을내는인류최초의전기로동작하는발광소자이며불을대체할새로운광원이였다. 대중들에게백열전구의발명가로에디슨 (T. Edison) 이잘알려져있지만백열전구의역사를자세히살펴보면에디슨이전에여러발명가들이존재함을알수있다 [1]. 1802년 H. Davy는플래티넘 (Platinum) 막대에전류를흘려인위적으로빛을만들수있음을보였으나발 < 저자약력 > 김영덕박사는 2012 년서울대학교에서물리학박사학위를받았으며, 이후컬럼비아대학에서박사후연구원으로그래핀을포함한 2 차원물질들의양자수송측정과초고속차세대발광소자에관한연구를수행하였다. 2017 년부터경희대학교물리학과교수로재직중이다. (ydk@khu.ac.kr) 16
세상에서가장얇은그래핀발광소자 광수명이짧고가스등 (gas lamp) 에비해밝기가약해수십년동안백열발광기술은큰주목을받지못했다. 이후 1878년 J. Swan은진공기술자 C. Stearn의도움으로비약적으로향상된진공기술을바탕으로탄소막대 (carbon rod) 에전류를흘려안정적이고밝은빛을낼수있음을보임으로써백열전구의상용화를앞당겼다. 비슷한시기, 에디슨은면사, 나무조각, 종이등의다양한재료들을탄화 (carbonized) 시켜안정적이고밝은백열전구필라멘트구현하고자노력하였다. 마침내 1,000 회를넘는실험끝에탄화대나무필라멘트 (carbonized bamboo filament) 에전류를흘려 1,200 시간이상밝은빛을유지하는데성공한다. 에디슨은백열전구를최초로발명한사람은아니지만 J. Swan의특허권을사들여최초로상업성과실용성을갖춘백열전구와전체전기시스템산업을창출함으로써대중들에게백열전구의발명가로잘알려지게된다. 에디슨이후백열전구는지속적으로개량되어탄화된필라멘트는높은녹는점을가진텅스텐으로교체되었으며유리전구안에비활성기체와브로민 (Br) 또는아이오딘 (I) 같은할로겐원소를넣어텅스텐필라멘트의증발을억제하여필라멘트의수명과밝기를획기적으로증가시킨할로겐램프가상용화되었다. 이후에는유리관속에채워진특수가스에고압의전압을인가하여방전시킴으로써빛을내는형광등이발명되어할로겐램프와더불어최근까지널리사용되고있다. 형광등은할로겐램프보다수명이길고에너지소비가적지만인이나수은과같은인체해로운물질들이들어있어전세계적으로생산량을점차줄이고있는추세이다. 최근에는질화갈륨 (GaN) 반도체, 유기화합물, 양자점 (quantum dot) 과같은신물질의발견과전자 (electron) 와정공 (hole) 이발광층에서재결하면서빛을방출하는발광다이오드 (light emitting diode) 현상이알려지면서기존의광원보다수명이길고높은광효율을가진발광소자의개발이가능해졌다. 현재반도체기반의발광다이오드 (LED) 와유기화합물에서전계발광 (electroluminescence) 현상을이용한유기발광다이오드 (OLED) 는다양한색상을구현할수있어친환경조명뿐만아니라디스플레이산업의핵심기술로적용되고있다. 앞으로빅데이터 (Big data), 사물인터넷 (Internet of Things), 증강현실기술로대표되는 4차산업혁명시 대에신광원및태양전지, 광센서등과같은광산업이기술적근간을이룰것이다. 차세대디스플레이로각광받고있는투명하며휘어지는디스플레이는가상현실및증강현실기술에필수적으로적용될것이며이를위한신물질연구가활발히진행중이다. 또한빅데이터정보초연결망구축을실현하기위해서는초고속대용량정보통신및초소형광직접회로를기반으로하는광컴퓨터의개발이필수적이다. 따라서 4차산업혁명시대의광산업을위해새로운나노광전자소자기술과함께신물질에대한연구가필수적이다. 그래핀으로대표되는 2차원물질은나노미터스케일과우수한광학적, 전기적특성을가지고있어차세대광산업의신물질로큰기대를모으고있다. 지금부터그래핀기반의광전자소자및발광소자에대하여살펴보도록하겠다. 그래핀 2004년맨체스터대학의 A. Geim과 K. Novoselov 는 3차원의흑연 (graphite) 으로부터테이프를이용한기계적박리방법을이용하여탄소원자단층인그래핀 (graphene) 의분리가가능함을보였다 [2]. 그래핀은탄소원자한층으로이루어진물질로다양한 2차원의물리적특성들을가지고있다. 그래핀은 2차원전자계에서나타나는독특한양자역학적특성들을 [3,4] 관측할수있는신물질로기초물리학적으로중요할뿐만아니라매우우수한물리적특성을바탕으로하는응용소자의개발을가능케하여산업전반에큰파급효과를가지고있다. 예를들면, 그래핀은세계에서가장얇은물질이지만강철보다강하며 [5], 구리보다 200배이상의전류를통할수있고, 매우높은녹는점을가지고있으며, 화학적으로매우안정적인물질이다 [6]. 또한화학적증착방법을이용하여대면적그래핀성장기술이발달하면서 [7] 그래핀의대량생산및산업적으로이용가능성이높아졌다. 그래핀에관한연구는그중요성이인정되어A. Geim과 K. Novoselov 교수가 2010년노벨물리학상을수상하였다. 그래핀에대한폭발적인연구는이후다양한 2차원절연체, 반도체, 초전도체등의발견으로 [8] 이어져그래핀과함께이종접합구조를이루며다양한기능성응용소자의개발이진행중이다. 진공기술과첨단과학 17
[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]. 그래핀기반광전자소자 그래핀의밴드구조를살펴보면그림 1a와같이제로밴드갭 (zero band gap) 과선형분산관계 (linear dispersion relation) 의특성을가지고있어게이트전압에의해페르미준위 (Fermi level) 를지금까지알려진어떠한반도체물질보다광대역폭으로조절할수있다. 그래핀에흡수되는빛의파장은여기된 (excited) 전하들의에너지준위와페르미준위에의해결정되며이를파울리차단 (Pauli blocking) 이라한다. 그래핀에서파울리차단효과와광대역의페르미준위조절은빛흡수파장을광범위하게조절할수있어자외선에서가시광선그리고적외선파장에이르는넓은영역에서작동하는광대역파장의광전자소자의개발을가능케한다. 또한그래핀의원자수준의얇은두께에의해흡수율이 2.3% 로한정되지만강한빛-물질상호작용 (light-matter interaction) 효과에의해특정파장에서의흡수율을대폭향상시킬수있어고효율태양전지, 광센서및광변조기등의개발을가능케한다 [9, 10]. 더욱이그래핀은매우높은전하이동도 (charge carrier mobility) 와광도파관과의강한빛-물질상호작용으로나노미터스케일의초고속광통신소자의개발을가능케한다. 그림 1의 b-d와같은최근의연구결과들은수십 GHz의속도를가진그래핀광센서 [11] 및광변조 [12] 소자를실리콘광직접회로에구현가능성을보이며차세대나노포토닉스 (photonics) 의핵심물질로큰관심을모으고있다. 광직접소자의실용화를위해서는광센서, 광변조기의개발과더불어대면적집적가능한초고속발광소자및레이저의개발이매우중요하다. 현재화홥물반도체 (compound semiconductor) 기반의발광소자의경우 [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]. 실리콘광도파관에직접성장이어렵고가격이비싸차세대나노미터스케일의초고속발광소자의개발이반드시필요한상황이다. 그래핀기반의고성능광센서및광변조기의성공적인연구이후그래핀을바탕으로하는발광소자의개발은초고속광정보처리에필요한대부분의광소자들을그래핀만으로실현가능함을의미하기때문에그래핀기반의발광소자에관한연구는그래핀발견이후지금까지계속되고있다. 그래핀기반발광소자그래핀기반의발광소자구현을위해서는그래핀의전기적특성의이해가필요하다. 앞에서언급했듯이그래핀은밴드갭이없으며반금속성의특성과함께그래핀 p-n 접합에서나타나는 Klein 터널링 [13] 현상에의해일반적인 LED의경우와같이반도체의 p-n 접합에서의발광기작을그래핀에서구현하기어렵다. 하지만그래핀은매우강한기계적강도와, 화학적안정성, 매우높은전류밀도 (~10 8 A/cm 2 ) [14] 와녹는점 (~ 5000 K) [15] 과같은매우우수한물리적특성들을가지고있어백열발광필라멘트물질로의가능성을가지고있다. 또한그래핀내부에서의독특한에너지전달특성에의하면외 18
세상에서가장얇은그래핀발광소자 다. 이는그래핀을포함한 2차원물질에서공통적으로나타나는현상으로기판에의한전자수송의산란및소자의성능저하현상으로나타나며이를개선하기위해여러방법등이제안되고있다 [19, 20]. 자가현수된그래핀가시광발광소자 [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]. 부에너지여기 (excitation) 에의해그래핀전자의온도가격자온도또는어쿠스틱포논 (acoustic phonon) 온도보다높아지는온도불일치의특성을가지고있다 [16]. 일반적으로백열발광은플랑크의흑체복사법칙을따르며발광특성은백열발광필라멘트의전자의온도에의해결정되기때문에그래핀에서전자와격자온도의불일치는격자온도의높이지않고 30~50% 이상더높은전자의온도를유지할수있어매우효율적인백열발광이가능하다. 과거그래핀을이용한백열발광에대한연구는그림 2a와같이대부분기판위에제작된소자들을기반으로행해졌었다. 과거의연구들은기판위에제작된그래핀에전류를흘려줄-히팅 (Joule heating) 에의해그래핀의온도를높여발광특성을관측하는방식으로행해졌으나대부분 1000 K에해당하는적외선영역에서의한정된발광특성이관측되었으며발광효율은 10-4 % 로매우낮았다 [17, 18]. 그래핀에서의독특한에너지전달특성에의해격자의온도보다높은전자의온도를유지할수있음에도불구하고매우낮은백열발광효율은기판을통한주된열방출효과와기판의결합및거친표면에의한그래핀의전자산란에의한다는사실이밝혀졌 기판에의한그래핀의주된전자산란과기판으로빠져나가는열의손실을최소화하기위한대표적방법으로그래핀을자가현수 (suspended) 시키는구조가제안되었다 [21, 22]. 먼저기판위에제작된그래핀의경우기판에의한주된산란효과로인해전하이동도와전기장하에서의전자의에너지증가가제한되지만자가현수구조의그래핀의경우전하이동도가비약적으로향상됨이 [21] 실험적으로증명되었으며이구조는그래핀본연의물리적특성분석에최적화된구조로알려지게되었다. 또한자가현수된그래핀의구조는기판을통한열의손실을최소화할수있어높은전기장및고온에서의그래핀고유의열및전기적특성분석을 [22] 가능케한다. 이후그림 3a와같은자가현수된그래핀구조에서고효율의백열발광소자에관한연구가행해졌으며 2-7 V 의작은전압인가에의해그림 3b 에서보듯이가시광영역에서발광특성이관측되었다 [23]. 발광특성분석에의하면그래핀의전자의온도는 ~3000 K까지달하며격자의온도보다 20~30% 높다는사실이확인되었다. 가시광영역에서의발광특성을살펴보면대부분백열발광이자가현수된그래핀의가운데부분에서관측되었으며그래핀이 3000 K에도달할만큼의고온임에도불구하고금속전극이녹지않는것을확인할수있다. 이는상온에서의매우높은그래핀의열전도도가온도가높아짐에따라급격히줄어들면서그래핀을통한수평적열전도가감소되어 [22] 효율적으로매우높은열을그래핀의가운데부분에만가두는것을가능케한다. 자가현수된그래핀구조에서효율적인열의구속이가능하기때문에백열발광의효율은기판위에제작된그래핀에비해 1,000배정도향상되며마이크론미터사이즈의그래핀을맨눈으로관측할수있을만큼매우밝은가시광의발광이가능함이알려졌다. 자가현수된그래핀에서의매우밝은가시광영역에서의스펙트럼을살펴보면그림 3c와같다. 일반적인흑 진공기술과첨단과학 19
체복사에의한백열발광과달리가시광선영역에서여러스펙트럼픽들이관측되는데이는발광물질인그래핀과기판사이의간섭효과에의해나타나며기판과그래핀의거리를조절함으로써간섭효과를달리함으로써발광특성을조절할수있다. 또한강한빛-물질상호작용에의해다양한광공진기 (optical cavity) 구조를형성함으로써특정파장영역에서발광특성이향상된다양한색상의그래핀기반의발광소자의개발이가능하다. 원자한층으로이루어진그래핀기반의발광소자의구현은공식적으로기네스북 (Guinness World Record) 에세상에서가장얇은발광소자로등재되기도하였다 [24]. 결론그래핀기반의신광원개발은나노스케일에서의고성능발광소자의개발을가능케하며그래핀기반의초정밀차세대디스플레이와더불어초고속광정보처리를위해필수적인광소자의대부분을그래핀으로실현가능함을의미한다. 앞으로그래핀발광소자의초고속직접변조기술과대면적소자제작기술의개발에의해그래핀기반의초고속광직접회로의개발과차세대 2차원반도체와그래핀의이종접합구조를기반으로고효율다기능소자의개발이가능할것이다. 에디슨이탄화된대나무필라멘트를이용하여백열전구조명산업을창출했듯이그래핀및 2차원물질기반의차세대발광소자는양자광컴퓨터개발과같은 4차산업혁명에중요기술로작용할것이다. References [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 A.K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. a. 102, 10451. 4 p (2005). [3] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. 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 K. Kim, Nature 490, 192 (2012). [7] K. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Lee, J. Kim, and K. Kim, Nature 457, 706 (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, 511 (2015). [13] A.F. Young and P. Kim, Nat Phys 5, 222 (2009). [14] R. Murali, Y. Yang, K. Brenner, T. Beck, and J.D. Meindl, Appl. Phys. Lett. 94, 243114 (2009). [15] K.V. Zakharchenko, A. Fasolino, J.H. Los, and M.I. Katsnelson, Journal of Physics: Condensed Matter 23, 202202 (2011). [16] T. Low, V. Perebeinos, R. Kim, M. Freitag, and P. Avouris, Phys. Rev. B 86, 045413 (2012). [17] M. Freitag, H.-Y. Chiu, M. Steiner, V. Perebeinos, and P. Avouris, Nat Nano 5, 497 (2010). [18] M.-H. Bae, Z.-Y. Ong, D. Estrada, and E. Pop, Nano Lett. 10, 4787 (2010). [19] L. Wang, I. Meric, P.Y. Huang, Q. Gao, Y. Gao, H. Tran, T. Taniguchi, K. Watanabe, L.M. Campos, D.A. Muller, J. Guo, P. Kim, J. Hone, K.L. Shepard, and C.R. Dean, Science 342, 614 (2013). [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. 20