경희대 교수팀, 2차원 무아레 초격자 구조의 새로운 발광현상 최초 발견

[베리타스알파=신승희 기자] TV, 모니터, 휴대폰 등 영상 기기를 사진으로 찍으면 그물 무늬가 보인다. 모기장 같은 규칙적인 패턴이 햇빛에 비쳐도 비슷한 무늬가 생긴다. 일정한 간격의 무늬가 겹치면 어디서든 이런 무늬가 생길 수 있는데, 이를 '무아레(Moire) 현상', 이때 생기는 무늬를 '무아레 무늬'라고 한다. 무아레 현상은 그래핀에서도 발견된다. 그래핀은 한 층의 육각형 벌집 구조를 이루는 탄소 원자로, 2차원 평면구조 형태다. 이 그래핀을 두 층으로 쌓아 비틀면 무아레 무늬가 나타나고, 작은 격자 단위가 모여 새로운 큰 격자 무늬를 만들면서 많은 원자를 포함하는 '초격자(superlattice)' 구조도 이룬다.

경희대 응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 '2차원 무아레 초격자' 구조의 새로운 발광 현상을 최초로 발견했다고 25일 전했다. 연구팀은 2차원 무아레 초격자 구조의 비틀림 각도에 따라 빛 에너지가 더 커지는 '청색편이(blueshift)' 현상과 빛 세기가 매우 커지는 현상 등의 발광 현상을 처음으로 발견하고 그 물리적 메커니즘을 규명했다. 2차원 반도체의 발광 특성을 간단히 조절할 수 있어, 2차원 반도체의 다양한 광전소자 응용을 활성화할 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다.

연구에는 경희대 최석호 교수, 김성 교수가 공동 교신저자로, 고정선 석사과정생, 장찬욱 학술연구교수가 공동 제1저자로 참여했다. 호주국립대(ANU), 뉴욕대 상하이캠퍼스(NYU Shaghai) 등의 연구원과 국제 협업한 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙), 한국연구재단(이사장 이광복)이 추진하는 '중견연구자지원사업'을 통해 수행됐다. 연구 결과는 'Blue-shifted and strongly-enhanced light emission in transition-metal dichalcogenide twisted heterobilayers'라는 제목의 논문으로 네이처가 발행하는 국제 학술지인 'NPJ 2차원 머티리얼스 및 어플리케이션스(NPJ 2D Materials & Applications)'(IF=11.106)에 5월 25일 게재됐다.

2차원 반도체 두 층이 겹쳐 나타나는 무아레 초격자 구조는 발광 특성을 비롯한 여러 광학적 특성을 조절할 수 있는 독특한 수단으로 활용되고 있다. 수 내지 수십 나노미터(nm) 두께의 반도체 물질을 반복적으로 쌓은 초격자 구조는 발광다이오드(LED)를 포함해 고성능 반도체 레이저, 디스플레이 산업 등에 주로 쓰인다.

반도체에서 빛이 발산하기 위해서는 두 종류의 전하 운반자인 '전자'와 '정공'으로 구성된 '엑시톤(exiton)'이 많이 형성돼야 한다. 엑시톤은 같은 층의 전자와 정공으로 구성되는 '단일층 엑시톤(intralayer exiton)', 한 층의 전자와 다른 층의 정공 또는 그 반대로 형성되는 '상호층 엑시톤(interlayer exciton)'으로 구분된다. 연구팀은 두 종류의 엑시톤이 임의의 비틀림 각도에서 결합돼, 새로운 '혼성 엑시톤(hybridized exciton)을 형성하면서 한 층에 비해 빛이 청색편이하고 그 세기가 매우 커지는 것을 확인했다.

연구팀은 이황화몰리브덴(MoS₂)과 이황화텅스텐(WS₂)으로 구성된 무아레 초격자를 제작해 비틀림 각도에 따른 발광 특성을 분석했다. 그 결과 0도 및 60도에서 멀어질수록 한 층에 비해 빛의 에너지가 커지는 청색편이 현상이 발생했고, MoS₂와 WS₂ 개별 층에 비해 80배, 4배 이상 강하게 빛을 낸 것으로 나타났다.