물리학과 이재광 교수 연구팀은 삼성디스플레이와의 협력연구를 통해 양자점 양자효율 감소 비밀을 규명하였다. 최근 양자점 디스플레이가 각광 받고 있다. 단일 물질이 아닌 코어-쉘 구조 양자점이 이용되고 있다.코어-쉘 구조 양자점은 다른 디스플레이 구조에 비해, 빛의 밝기와 양자효율이 매우 뛰어나기 때문이다. 하지만 특정 시간이 경과하면, 코어-쉘 구조 양자점의 양자효율이 급격하게 줄어드는 현상이 큰 문제점으로 알려져왔다.양자효율 감소에 대한 다양한 가설들이 보고되었지만, 이론과 실험이 협력하여 원자수준에서 메커니즘을 규명한 연구는 거의 없었다. 연구팀은 electron spin resonance (ESR) 계산과 실험을 통해 코어-쉘 구조 양자점 표면의 sulfur vacancy가 양자효율 감소의 핵심적인 인자임을 규명하였다. 특히 ESR g-factor 및 전자구조 계산과 in-situ ESR 실험을 통해 표면에 sulfur vacancy가 생성되면 이를 기점으로 다양한 결함들이 양자점 안쪽으로 도미노처럼 쉽게 형성됨을 규명하였다. 특히 이를 통해 코어-쉘 구조의 전자구조가 양자점에 최적인 Type-I에서 Type-II로 변형되어 급격하게 양자효율이 감소됨을 규명하였다 [그림]. 이재광 교수는 “이번 연구는 코어-쉘 양자점 양자효율 감소에 대한 메커니즘을 원자수준에서 밝혀낸 연구성과로, 향후 코어-쉘 양자점 양자효율 최적화에 핵심자료가 될 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 논문은 부산대 물리학과 진영록 석박통합 대학원생이 제1저자, 이재광 교수와 삼성디스플레이 연구팀이 공동교신저자로 수행해, ‘Defect-Cascades-Induced Photodegradation in InP/ZnSe/ZnS Quantum Dots’이라는 제목으로 2025년 기준 JCR 7.17% IF 14.1인 국제학술지 Advanced Science 11월3일에 게재됐다. 논문: https://doi.org/10.1002/advs.202515691해당 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 나노및소재기술개발 사업과 삼성디스플레이의 지원을 받았다.【왼쪽부터 진영록 대학원생, 이재광 교수】【표면 sulfur vacancy 유무에 따른 결함 생성 메커니즘 규명】【결함 생성 도미노 현상으로 Type-II로의 변화】

부산대는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 「차세대 양자과학기술 핵심 기초원천연구」 사업에 단독 선정(과제책임자 옥종목·물리학과 교수)돼, 초전도 소재·측정·이론을 아우르는 융합 연구를 통해 국내 양자소재 연구 거점으로 도약할 계획이다.이번 과제는 전기가 흐를 때 에너지 손실이 없는 초전도체 중에서도, 차세대 양자컴퓨터의 핵심 기반으로 주목받는 3차원 ‘위상초전도체’를 개발하는 것을 목표로 한다. 위상초전도체는 물질 내부에 특이한 양자 상태(마요라나 상태)가 나타나 정보 손실에 강하고 잡음에 잘 견디는 특성을 가진다. 이 때문에 미래 양자컴퓨터의 안정성과 성능을 획기적으로 높일 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.연구팀은 이번 과제를 통해 올해부터 2029년까지 5년간 국비 45억 원, 시비 2억 원 등 총 47억 원을 투입, △고품질 위상초전도 소재 개발 및 성능 향상 △극저온·고자장 환경에서의 위상초전도 특성 측정 기술 확보 △다양한 측정 기법을 통한 위상초전도 현상 검증 등을 추진할 계획이다. 또한 연구 성과를 바탕으로 부산·울산·경남 지역을 국내 양자소재 연구 거점으로 육성하고, 지역 제조업 및 첨단산업과의 연계도 강화할 방침이다.이번 과제는 부산대 물리학과 옥종목, 박성균, 황춘규 교수를 비롯해, UNIST 물리학과 오윤석 교수, KAIST 물리학과 조길영 교수, 창원대 반도체물리학과 서순범 교수, 그리고 한국표준과학연구원 장동진 박사, 함웅돈 박사 등이 참여한다. 다양한 전문성을 갖춘 연구진이 협력함으로써, 고순도 단결정 성장부터 이론 모델 계산, 극저온 물성 측정, 위상초전도 특성 검증에 이르는 전 주기를 아우르는 융합 연구가 전망된다.연구책임자인 옥종목 교수는 “이번 과제는 세계적으로도 도전적인 연구 분야로, 성공한다면 부산을 넘어 대한민국이 양자소재 연구를 선도하는 중요한 전환점이 될 것”이라며 “앞으로 다가올 양자 시대(the quantum era)를 준비하는 데 기여하겠다”고 말했다.*사진: 9월 29일 열린 차세대 양자과학기술 핵심 기초원천연구 사업 킥오프 행사 모습.

반데르발스 계면에서 가역적 광전도 거동 최초 밝혀부산대, 1조분의 1초 만에 변하는 전류 음→양 전환 메커니즘 규명- 물리학과 김지희 교수팀, 게이트 전극 없이 미세 전압만으로 초고속·가역적 광전도 신호 전환 제어 - 차세대 AI·양자연산 핵심 기술 부상 전망□ 부산대학교 연구진이 켜고 끄는 전류의 흐름을 넘어, 전류 응답의 부호(음성→양성)를 1조분의 1초 단위에서 전환하는 현상을 최초로 밝혀냈다. 이번 성과는 차세대 초고속 AI 연산, 양자정보 소자와 같은 미래 핵심기술 분야 응용이 가능할 전망이다. □ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 2차원 반도체-금속 반데르발스 계면*에서 빛이 유도한 전기장이 순간적으로 반전되며 광전도 신호가 가역적으로 전환되는 메커니즘을 처음 규명하여 세계적 권위의 국제 학술지 『사이언스 어드밴시스(Science Advnaces)』 9월 12일자에 게재되었다고 25일 밝혔다. ○ 기존 연구에서는 2차원 반도체-금속 계면의 내부 전기장이 정적이라 가정됐기 때문에 광전도 신호의 초고속·정밀 제어가 불가능했다. 또한 광전도 전환을 제어하려면 게이트 전극, 분극 소자, 가스 압력 조절 등 복잡한 외부 환경 변수 조정이 필요했고, 응답 속도 또한 나노초(10억분의 1초)에서 마이크로초(100만분의 1초) 수준에 머물러, 초고속·초저전력 소자 구현에 제한이 있었다. □ 연구팀은 이러한 한계점을 해결하기 위해 초고속 광전류 분광법(Ultrafast photocurrent spectroscopy)을 활용해, MoTe2/Pt 쇼트키 접합 계면에서 광여기(光勵起, 빛에 의해 들뜬 상태)된 전하가 계면 전기장을 동적으로 반전시킴으로써 음성 광전도(negative photoconductivity, NPC)에서 양성 광전도(positive photoconductivity, PPC)로의 가역적 전환이 피코초(1조분의 1초) 단위에서 일어남을 시간 영역에서 직접 관측했다. ○ 특히, 연구팀은 이번 현상을 기반으로 전압-프로그래머블 NPC/PPC 광검출기 구조를 제안 및 구현해, 수 mV 수준의 미세 전압만으로 전환 시점을 피코초 수준에서 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했다. 이 소자는 게이트 전극이나 외부 추가 모듈 없이도 음·양 광전도 모드를 선택적으로 구동할 수 있어, 기존 광검출기의 구조적 복잡성과 전력 소모 한계를 극복했다. □ 김지희 부산대 교수는 “이번 연구는 금속-2차원 소재 계면에서 빛-계면 상호작용을 통해 전류 응답을 피코초 단위에서 가역적으로 제어할 수 있음을 보여준 최초의 사례”라며 “향후에는 펨토초 시간 규모에 도달하는 것을 목표로 연구를 이어가고 있으며, 이는 기존 전자소자의 속도 및 전력 한계를 뛰어넘어, 차세대 포토닉 집적회로(PIC), 초고속 광통신, 초고속 이미징, 뉴로모픽 연산, 양자정보 소자 개발에 새로운 가능성 제공할 것”이라고 설명했다. - 논문 제목: Ultrafast reversible photoconductivity in 2D MoTe₂/Pt van der Waals heterostructure (2차원 MoTe₂/Pt 반데르 발스 계면에서 구현된 초고속 가역 광전도도 전환) - 논문 링크: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady1321 ※ 용어 설명* 반데르발스 계면(Van der Waals interface): 서로 다른 물질(특히 2차원 물질)이 공유결합 없이 반데르발스 힘(분자 사이에 작용하는 약한 인력)으로 붙어 형성된 경계면. (그림1) 초고속 광전류 분광법을 통한 음성 광전도(negative photoconductivity)에서 양성 광전도(positive photoconductivity)로의 가역적 전환이 피코초 단위에서 발생 (그림2) 전압-프로그래머블 NPC/PPC 광검출기 구조를 제안 및 구현해, 수 mV 수준의 미세 전압만으로 전환 시점을 피코초 수준에서 정밀하게 제어

머리카락 1만분의 1 크기 다이오드 구현…빛도 전류도 잡았다수 나노미터 접촉 면적에서 전류 제어·광응답 성능 구현차세대 나노 전자·광소자 핵심 원천 기술 확보- 부산대·성균관대·인하대 공동연구 “핀 끝 수준의 접촉 면적에서도 안정적 정류 및 광응답 관측” - 전도성 원자힘 현미경 탐침 이용…원자 수준 분석 위한 새로운 접근법 제시□ 국내 연구진이 머리카락 두께의 1만분의 1 수준에 불과한 초소형 나노 다이오드(전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 전자 소자)를 구현하고, 우수한 정류(整流) 특성과 광응답 성능을 실현하는 데 성공하며 차세대 나노 전자기기와 광전 소자 개발에 중요한 돌파구를 마련했다. □ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 인하대와의 공동연구로, 전도성 원자힘 현미경(Conductive atomic force microscopy)*의 탐침(PtSi 팁)을 활용해, 접촉 면적이 6.82 nm²수준인 나노 쇼트키 다이오드(nano-Schottky diode)를 구현했다고 5일 밝혔다. □ 전자기기의 두뇌 역할을 하는 반도체 소자 중 ‘쇼트키 다이오드(Schottky diode)’는 금속과 반도체 사이의 경계면에서 전류를 일방향으로 흐르게 해주는 중요한 구조다. 그러나 이 구조를 더 작게 만들수록 전류 흐름이 왜곡되거나 원하는 특성이 사라지는 문제가 있었다. ○ 연구팀은 초평탄 금 전극 위에 놓인 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 CAFM 탐침을 마치 핀처럼 사용하여 직접 맞닿아 금속-반도체 접촉을 형성하는 구조로(그림1), 기존 다이오드보다 훨씬 좁은 공간에서도 정밀한 전류 제어에 성공했다. ○ MoS₂의 두께에 따른 전류-전압 특성 변화를 체계적으로 분석했고, 기존 대면적 접촉 기반 다이오드에 비해 현저히 높은 정류비**를 확인했다. 이는 공핍 영역***을 극도로 축소해 줌으로써 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있었기 때문이다. ○ 또 해당 나노 다이오드는 전류 제어 소자뿐 아니라, 빛을 감지하는 광다이오드로서의 역할도 성공적으로 수행했다. 연구팀은 MoS₂의 두께 및 빛의 파장, 조사 위치에 따른 단락전류, 개방전압, 광전하 이동 양상 등을 실험적으로 분석해, 광전 효과가 극도로 작은 접촉 면적에서도 명확하게 발현됨을 실증했다. 이는 나노 구조에서도 내부 전위 장벽이 충분히 형성된다는 사실을 입증하는 결과다. □ 교신저자인 김지희 부산대 교수는 “접촉 면적을 수 나노미터 수준까지 줄이면 전하 흐름의 정밀 제어가 어려울 것이라는 기존의 통념과 달리, 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성이 구현됨을 입증했다”며 “전자 소자의 물리적 성능을 원자 단위에서 측정·제어할 수 있는 새로운 기술적 기반을 제시한 것”이라고 설명했다. - 이어 “이러한 결과는 초소형 접촉과 소자 두께 조절을 통한 정류 특성, 광반응, 전하 이동 등을 체계적으로 분석한 사례로서, 향후 나노미터 수준의 통신 장치, 후각 센서를 포함한 헬스 모니터링 시스템, AI 기반 초소형 이미지 센서 및 뉴로모픽 소자 설계 등 다양한 차세대 응용 기술 개발에 중요한 기반을 제공할 것”이라고 강조했다. □ 이번 연구는 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 『스몰(Small)』 8월 14일자에 게재됐다. - 논문 제목: Ultimate Scaling of the Metal-MoS2 Interface Achieving High Performance Nanoscale Schottky Diodes via Conductive Atomic Force Microscopy (전도성 원자힘 현미경을 통한 금-MoS₂ 인터페이스의 궁극적 스케일링: 고성능 나노스케일 쇼트키 다이오드 구현) - 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202411380 □ 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)이 추진하는 중견연구자지원사업과 글로벌 선도연구센터(IRC) 과제 연구비 지원으로 수행됐다. ※ 용어 설명* 전도성 원자힘 현미경(Conductive atomic force microscopy, CAFM): 전도성 팁을 이용해 시료 표면의 전류 흐름을 나노미터 수준에서 측정하는 AFM 기법이다. 일반적인 AFM의 표면 형상 측정 기능에 더해, 전기적 특성(전류, 저항, 전도도 분포 등)을 동시에 맵핑할 수 있어 나노소재의 전기적 분석에 유용하다.** 정류비(Rectification ratio): 다이오드에서 전류가 정방향으로 흐를 때와 역방향으로 흐를 때의 전류 비율을 나타낸다. 높은 정류비는 다이오드가 전류를 한 방향으로만 흐르게 하여 정류 특성이 뛰어남을 의미한다. 일반적으로 정류비가 높을수록 다이오드의 효율적인 전류 제어가 가능하며, 이는 전자 소자의 성능 향상에 중요한 요소이다. *** 공핍 영역(depletion region): 금속과 N형 반도체가 접합되면, 다수 운반체인 정공과 전자가 서로 반대 방향으로 확산된다. 이 과정에서 접합면 근처에 자유전하가 없는 영역이 형성되는데, 이 영역을 공핍 영역이라 부른다. 이 영역은 내부 전기장을 생성하여 다이오드의 특성을 결정짓는 핵심 구조의 역할을 한다. (그림1) 전도성 원자힘 현미경을 활용한 나노 쇼트키 다이오드의 구현. 접촉 면적과 MoS₂ 두께에 따른 밴드 정렬의 비교. (그림2) CAFM 기반 표면 및 전류 맵핑을 통한 MoS₂ 나노 쇼트키 다이오드 구현 결과.

광자 하나로 전하 두 쌍 생성…차세대 태양전지 돌파구 열다!단일층 2차원 반도체서 ‘전하 증폭 양자 한계치’ 구현- 부산대·성균관대·충북대 공동연구 “같은 양의 빛으로 에너지 생성 두 배 실현 가능성 제시” - 핫캐리어 탄도 확산이 양자효율 200% 증폭의 핵심…태양전지 성능 획기적 향상 기대 □ 국내 연구진이 기존 태양전지 효율의 한계를 뛰어넘을 수 있는 핵심 물리현상을 실험과 이론으로 동시에 입증하며, 차세대 고효율 태양전지 및 양자 광전 소자 기술 개발의 중요한 기반을 제시했다. □ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 충북대 연구팀과의 공동연구로, 단일층 2차원 반도체인 ‘이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)’에서 이론적 한계치인 최대 전하 증폭(carrier multiplication) 효율을 실험적으로 구현하고 물리적 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 29일 밝혔다 (그림1). □ 전하 증폭은 하나의 광자에 의해 2개 이상의 전자-정공 쌍이 생성되는 현상으로, 태양전지의 이론적 효율 한계인 쇼클리-퀘이서 한계(약33%)를 극복할 수 있는 물리적 해법으로 주목받아 왔다. 하지만 대부분의 물질에서는 흡수된 에너지가 매우 짧은 시간 안에 열로 소실되기 때문에 실제 구현이 어려웠다. □ 이번 연구에서는 펨토초(1조분의 1초) 수준의 초고속 시간·공간 분해 측정 기술을 활용해, MoSe₂단일층에서 빛에 의해 생성된 핫캐리어1)들이 격자나 결함과의 충돌 없이 수 마이크로미터 거리까지 빠르게 이동하는 탄도 확산(ballistic diffusion)2)현상을 실시간으로 관측했다(그림2). 이러한 에너지 손실 없는 전하 확산은 전하 증폭이 가능한 최적 조건을 제공하며, 광자 하나가 전하 두 쌍을 생성하는 양자 효율3) 200% 증폭을 달성했음을 실험적으로 입증했다. □ 또한, 연구팀은 밀도범함수 이론4) 기반의 전자 구조 계산을 통해, MoSe₂ 단일층에서 전하 증폭이 발생할 수 있는 구조적 조건을 이론적으로 규명했다. ○ MoSe₂ 단일층 밴드갭의 두 배 되는 이 특정한 에너지 영역에서 밴드 네스팅5)과 밸리 대칭성6)라는 특정 조건을 갖춤으로써, 전하를 증폭할 수 있는 유리한 조건을 형성했다. □ 김지희 부산대 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체가 다른 차원 구조보다 전하 증폭 효율이 더 높을 것이라는 이론적 한계치 예상을 최초로 실험적으로 입증했다”며 “2차원 소재의 구조적·전자적 특성이 전하 증폭 효율 향상의 핵심이라는 사실을 정량적 실험과 이론 계산을 통해 동시에 증명한 것”이라고 설명했다. - 이어 “이러한 결과는 2차원 반도체가 고효율 에너지 변환의 핵심 소재가 될 수 있음을 명확히 제시했으며, 향후 차세대 태양전지, 양자 광전 소자, 초고속 센서 및 양자 정보처리 기술 등 다양한 응용 기술 개발에 중요한 기반을 제공할 것”이라고 강조했다. □ 이번 연구는 재료공학 분야의 저명한 국제 학술지 『머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)』 7월 1일자에 게재됐다. - 논문 제목: Hot carrier diffusion-assisted ideal carrier multiplication in monolayer MoSe2 (핫캐리어 확산 기반 단일층 MoSe2의 이상적 캐리어 증폭) - 논문 링크: https://doi.org/10.1039/D5MH00230C 1)핫캐리어(hot carrier): 빛을 흡수한 직후 매우 높은 운동 에너지를 가진 전자나 정공. 캐리어는 전자 또는 정공으로 전기를 운반하는 입자를 일컫는다. 2)탄도 확산(ballistic diffusion): 전자가 격자 결함이나 다른 전자, 포논과 충돌하지 않고 외부 간섭 없이 짧은 거리나 시간 동안 빠르게 이동하는 현상. 일반적인 물질에서는 전자가 산란되기 때문에 드물게 관측됨.3)양자 효율: 광자 1개가 들어왔을 때, 그로 인해 몇 개의 전기 신호(전자-정공 쌍)가 만들어졌는지를 나타내는 비율이다. 참고로, 여기서의 200%는 ‘양자 효율’이고, 앞서 언급한 쇼클리-퀘이서 한계의 33%는 ‘에너지 변환 효율’로, 직접적인 비교 대상은 아니다. 200% 양자 효율은 광자 1개로 전하 2개가 생성된다는 의미이고, 33%는 태양광 에너지 중 얼마나 많은 비율(100%를 넘을 수 없다)이 실제 전기로 변했는가를 뜻한다. 4)밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT): 전자의 밀도 분포를 기반으로 물질의 전자 구조를 계산하는 양자역학적 이론. 5)밴드 네스팅(Band Nesting): 에너지 띠 구조에서 서로 평행하게 겹치는 부분이 존재하는 현상. 6)밸리 대칭성(Valley Symmetry): 2차원 반도체의 전자 구조에서 서로 다른 위치(밸리)들이 대칭적으로 존재하는 특성 (그림1) 단일층 MoSe2에서의 빛에 의해 생성된 전자가 캐리어증폭을 통해 100% 증폭 효율을 달성하며, 전하 생성률 200% (양자효율기준)를 구현한 결과 (그림2) 단일층 MoSe2에서의 전하 증폭 메커니즘: 초고속 빛 흡수-탄도확산-전하증폭의 3단계 과정