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반도체에 빛을 쪼이면 마이너스 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나간 빈자리인 정공이 짝을 이루며 결합하는데, 이를 과학계에서는 ‘엑시톤’이라고 부른다. 특히 두 장의 반도체를 포갰을 때 전자와 정공이 서로 다른 층에 나뉘어 머무는 ‘층간 엑시톤’은 보통의 엑시톤보다 수명이 수십 배나 길다.
층간 엑시톤은 이런 장점 때문에 세대 초저전력 광소자나 양자 컴퓨터의 핵심 열쇠로 꼽힌다. 다만 기존의 2차원 반도체는 구조적 특성상 특정 각도에서만 불빛을 내거나 진동 방향(편광)을 바꿀 수 없어 실제 적용하기는 어려웠다.
연구팀은 결정 방향에 따라 빛의 성질이 바뀌는 비등방성 반도체 소재인 이황화레늄과 이셀렌화레늄에 주목했다. 두 장의 반도체를 겹쳐 쌓으면서 회전 각도(비틀림각)를 1도부터 88도까지 미세하게 틀어주자 새로운 무늬(모아레 무늬)가 만들어졌다. 연구팀은 이 무늬를 활용해 어떤 회전 각도에서도 적외선 영역의 층간 엑시톤 빛을 안정적으로 발생시키는 데에 성공했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다. 김정용 교수는 “원자 두께의 얇은 반도체를 서로 비틀어주는 것만으로 적외선 빛의 파장과 진동 방향을 동시에 조절하는 기술을 세계 최초로 구현했다”며 “향후 자율주행차 라이다 센서, 야간 감시 장비, 생체 센서 분야에서 원천기술로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
