진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September16

발광 기술의 발전

빛은 인류를 포함한 생명체에게 매우 중요한 요소로 태

양에서 오는 빛은 식물의 광합성과 인류가 낮 동안 다양

한 생활 활동들을 가능케 한다. 수동적으로 태양의 빛만

을 이용하던 원시 시대에는 우연히 번개에 맞아 불에 활

활 타고 있던 나무가 태양 이외의 최초의 인공 빛이 였으

며 불의 최초 발견 이후 불을 다룰 수 있게 된 인류는 모

닥불과 횃불을 발명하여 취사와 보온 그리고 맹수의 공격

으로부터 안전할 수 있었다. 이후 기름 및 가스를 이용한

이동형 횃불 및 등잔불의 등장은 인류에게 어두운 밤에도

낮과 같이 다양한 활동을 가능케 하였다. 19 세기까지 불

은 인류에게 주된 인공 광원으로 그 쓰임새는 조명의 기

능성이 나날이 중요해졌다. 하지만 등잔불 이나 가스등은

원료를 태워야 하는 소모적 특성과 화재의 위험성을 항상

가지고 있었 이를 대체 할 새로운 광원의 개발이 필요 해

졌다.

인류가 빛을 이용함에 있어 혁명적인 사건 중 하나는

백열 전구 (incandescent lamp)의 발명이라 할 수 있다.

백열 전구는 기름이나 가스를 사용하지 않고 전기를 이

용하여 열선을 가열해 빛을 내는 인류 최초의 전기로 동

작하는 발광 소자이며 불을 대체할 새로운 광원 이였다.

대중들에게 백열 전구의 발명가로 에디슨 (T. Edison)

이 잘 알려져 있지만 백열 전구의 역사를 자세히 살펴 보

면 에디슨 이전에 여러 발명가들이 존재 함을 알 수 있다

[1]. 1802년 H. Davy는 플래티넘 (Platinum) 막대에 전

류를 흘려 인위적으로 빛을 만들 수 있음을 보였으나 발

세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자https://doi.org/10.5757/vacmac.4.3.16

김영덕

The World’s Thinnest Graphene Light Source

Young Duck Kim

Graphene has emerged as a promis ing mater ia l fo r

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.

<저자 약력>

김영덕 박사는 2012년 서울대학교에서 물리학 박사학위를 받았으며, 이후 컬럼비아 대학에서 박사후연구원으로 그래핀을 포함

한 2차원 물질들의 양자 수송 측정과 초고속 차세대 발광 소자에 관한 연구를 수행하였다. 2017년부터 경희대학교 물리학과 교

수로 재직중이다. (ydk@khu.ac.kr)

진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학

17진공기술과 첨단과학

세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자

광 수명이 짧고 가스등 (gas lamp)에 비해 밝기가 약해

수십년 동안 백열 발광 기술은 큰 주목을 받지 못했다.

이후 1878년 J. Swan은 진공 기술자 C. Stearn의 도움

으로 비약적으로 향상된 진공 기술을 바탕으로 탄소 막

대 (carbon rod)에 전류를 흘려 안정적이고 밝은 빛을 낼

수 있음을 보임으로써 백열 전구의 상용화를 앞당겼다.

비슷한 시기, 에디슨은 면사, 나무 조각, 종이 등의 다양

한 재료들을 탄화 (carbonized) 시켜 안정적이고 밝은 백

열 전구 필라멘트 구현 하고자 노력하였다. 마침내 1,000

회를 넘는 실험 끝에 탄화 대나무 필라멘트 (carbonized

bamboo filament)에 전류를 흘려 1,200 시간 이상 밝

은 빛을 유지하는 데 성공한다. 에디슨은 백열 전구를 최

초로 발명한 사람은 아니지만 J. Swan의 특허권을 사들

여 최초로 상업성과 실용성을 갖춘 백열 전구와 전체 전

기 시스템 산업을 창출함으로써 대중들에게 백열 전구의

발명가로 잘 알려지게 된다. 에디슨 이후 백열 전구는 지

속적으로 개량되어 탄화된 필라멘트는 높은 녹는점을 가

진 텅스텐으로 교체 되었으며 유리 전구 안에 비활성 기

체와 브로민 (Br) 또는 아이오딘 (I) 같은 할로겐 원소를

넣어 텅스텐 필라멘트의 증발을 억제하여 필라멘트의 수

명과 밝기를 획기적으로 증가 시킨 할로겐 램프가 상용

화 되었다. 이후에는 유리관 속에 채워진 특수 가스에 고

압의 전압을 인가하여 방전 시킴으로써 빛을 내는 형광등

이 발명되어 할로겐 램프와 더불어 최근까지 널리 사용되

고 있다. 형광등은 할로겐 램프보다 수명이 길고 에너지

소비가 적지만 인이나 수은과 같은 인체 해로운 물질들이

들어 있어 전세계적으로 생산량을 점차 줄이고 있는 추

세이다. 최근에는 질화갈륨 (GaN) 반도체, 유기 화합물,

양자점 (quantum dot)과 같은 신 물질의 발견과 전자

(electron)와 정공 (hole)이 발광 층에서 재결하면서 빛을

방출하는 발광 다이오드 (light emitting diode) 현상이

알려지면서 기존의 광원 보다 수명이 길고 높은 광 효율

을 가진 발광 소자의 개발이 가능해 졌다. 현재 반도체 기

반의 발광 다이오드 (LED)와 유기화합물에서 전계 발광

(electroluminescence) 현상을 이용한 유기 발광 다이오

드 (OLED)는 다양한 색상을 구현할 수 있어 친환경 조명

뿐만 아니라 디스플레이 산업의 핵심 기술로 적용되고 있

다.

앞으로 빅 데이터 (Big data), 사물 인터넷 (Internet

of Things), 증강 현실 기술로 대표되는 4차 산업혁명 시

대에 신광원 및 태양전지, 광센서 등과 같은 광산업이 기

술적 근간을 이룰 것이다. 차세대 디스플레이로 각광 받

고 있는 투명하며 휘어지는 디스플레이는 가상 현실 및

증강 현실 기술에 필수적으로 적용될 것이며 이를 위한

신물질 연구가 활발히 진행중이다. 또한 빅데이터 정보

초연결망 구축을 실현하기 위해서는 초고속 대용량 정보

통신 및 초소형 광직접회로를 기반으로 하는 광컴퓨터의

개발이 필수적이다. 따라서 4차 산업 혁명 시대의 광산업

을 위해 새로운 나노 광전자 소자 기술과 함께 신물질에

대한 연구가 필수적이다. 그래핀으로 대표되는 2차원 물

질은 나노 미터 스케일과 우수한 광학적, 전기적 특성을

가지고 있어 차세대 광산업의 신물질로 큰 기대를 모으고

있다. 지금부터 그래핀 기반의 광전자 소자 및 발광 소자

에 대하여 살펴보도록 하겠다.

그래핀

2004년 맨체스터 대학의 A. Geim과 K. Novoselov

는 3차원의 흑연 (graphite)으로부터 테이프를 이용한

기계적 박리 방법을 이용하여 탄소 원자 단층인 그래핀

(graphene)의 분리가 가능함을 보였다 [2]. 그래핀은 탄

소 원자 한 층으로 이루어진 물질로 다양한 2차원의 물리

적 특성들을 가지고 있다. 그래핀은 2차원 전자계에서 나

타나는 독특한 양자 역학적 특성들을 [3,4] 관측할 수 있

는 신물질로 기초 물리학적으로 중요할 뿐만 아니라 매우

우수한 물리적 특성을 바탕으로 하는 응용 소자의 개발을

가능케 하여 산업 전반에 큰 파급 효과를 가지고 있다. 예

를 들면, 그래핀은 세계에서 가장 얇은 물질이지만 강철

보다 강하며 [5], 구리보다 200배 이상의 전류를 통할 수

있고, 매우 높은 녹는점을 가지고 있으며, 화학적으로 매

우 안정적인 물질이다 [6]. 또한 화학적 증착 방법을 이용

하여 대면적 그래핀 성장 기술이 발달하면서 [7] 그래핀

의 대량 생산 및 산업적으로 이용 가능성이 높아 졌다. 그

래핀에 관한 연구는 그 중요성이 인정되어A. Geim과 K.

Novoselov 교수가 2010년 노벨 물리학상을 수상하였다.

그래핀에 대한 폭발적인 연구는 이후 다양한 2차원 절연

체, 반도체, 초전도체등의 발견으로 [8] 이어져 그래핀과

함께 이종 접합 구조를 이루며 다양한 기능성 응용 소자

의 개발이 진행 중이다.

진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September18

그래핀 기반 광전자 소자

그래핀의 밴드 구조를 살펴보면 그림 1a와 같이 제

로 밴드갭 (zero band gap)과 선형 분산 관계 (linear

dispersion relation)의 특성을 가지고 있어 게이트 전압

에 의해 페르미 준위 (Fermi level)를 지금까지 알려진 어

떠한 반도체 물질 보다 광대역폭으로 조절할 수 있다. 그

래핀에 흡수되는 빛의 파장은 여기된 (excited) 전하들

의 에너지 준위와 페르미 준위에 의해 결정되며 이를 파

울리 차단 (Pauli blocking) 이라 한다. 그래핀에서 파울

리 차단 효과와 광대역의 페르미 준위 조절은 빛 흡수 파

장을 광범위하게 조절 할 수 있어 자외선에서 가시광선

그리고 적외선 파장에 이르는 넓은 영역에서 작동 하는

광대역 파장의 광전자 소자의 개발을 가능케 한다. 또한

그래핀의 원자 수준의 얇은 두께에 의해 흡수율이 2.3%

로 한정 되지만 강한 빛-물질 상호 작용 (light-matter

interaction)효과에 의해 특정 파장에서의 흡수율을 대

폭 향상 시킬 수 있어 고효율 태양전지, 광센서 및 광변조

기 등의 개발을 가능케 한다 [9, 10]. 더욱이 그래핀은 매

우 높은 전하 이동도 (charge carrier mobility)와 광도

파관과의 강한 빛-물질 상호작용으로 나노 미터 스케일

의 초고속 광 통신 소자의 개발을 가능케 한다. 그림 1의

b-d와 같은 최근의 연구 결과들은 수십 GHz의 속도를

가진 그래핀 광센서 [11] 및 광변조 [12] 소자를 실리콘 광

직접 회로에 구현 가능성을 보이며 차세대 나노 포토닉스

(photonics)의 핵심 물질로 큰 관심을 모으고 있다.

광직접 소자의 실용화를 위해서는 광센서, 광변조기

의 개발과 더불어 대면적 집적 가능한 초고속 발광 소자

및 레이저의 개발이 매우 중요하다. 현재 화홥물 반도체

(compound semiconductor) 기반의 발광 소자의 경우

실리콘 광 도파관에 직접 성장이 어렵고 가격이 비싸 차

세대 나노 미터 스케일의 초고속 발광 소자의 개발이 반

드시 필요한 상황이다. 그래핀 기반의 고성능 광센서 및

광변조기의 성공적인 연구 이후 그래핀을 바탕으로 하는

발광 소자의 개발은 초고속 광 정보 처리에 필요한 대부

분의 광소자들을 그래핀만으로 실현 가능함을 의미 하기

때문에 그래핀 기반의 발광 소자에 관한 연구는 그래핀

발견 이후 지금까지 계속되고 있다.

그래핀 기반 발광 소자

그래핀 기반의 발광 소자 구현을 위해서는 그래핀의 전

기적 특성의 이해가 필요하다. 앞에서 언급했듯이 그래

핀은 밴드갭이 없으며 반금속성의 특성과 함께 그래핀

p-n 접합에서 나타나는 Klein 터널링 [13] 현상에 의해

일반적인 LED의 경우와 같이 반도체의 p-n 접합에서의

발광 기작을 그래핀에서 구현하기 어렵다. 하지만 그래핀

은 매우 강한 기계적 강도와, 화학적 안정성, 매우 높은

전류 밀도 (~108 A/cm2) [14] 와 녹는점 (~ 5000 K) [15]

과 같은 매우 우수한 물리적 특성들을 가지고 있어 백열

발광 필라멘트 물질로의 가능성을 가지고 있다. 또한 그

래핀 내부에서의 독특한 에너지 전달 특성에 의하면 외

[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].

[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].

진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학

19진공기술과 첨단과학

세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자

부 에너지 여기 (excitation)에 의해 그래핀 전자의 온도

가 격자 온도 또는 어쿠스틱 포논 (acoustic phonon) 온

도보다 높아지는 온도 불일치의 특성을 가지고 있다 [16].

일반적으로 백열 발광은 플랑크의 흑체 복사 법칙을 따르

며 발광 특성은 백열 발광 필라멘트의 전자의 온도에 의

해 결정되기 때문에 그래핀에서 전자와 격자 온도의 불일

치는 격자 온도의 높이지 않고 30~50% 이상 더 높은 전

자의 온도를 유지 할 수 있어 매우 효율적인 백열 발광이

가능하다. 과거 그래핀을 이용한 백열 발광에 대한 연구

는 그림 2a와 같이 대부분 기판 위에 제작된 소자들을 기

반으로 행해졌었다. 과거의 연구들은 기판 위에 제작된

그래핀에 전류를 흘려 줄-히팅 (Joule heating)에 의해

그래핀의 온도를 높여 발광 특성을 관측하는 방식으로 행

해졌으나 대부분 1000 K에 해당하는 적외선 영역에서의

한정된 발광 특성이 관측되었으며 발광 효율은 10-4 % 로

매우 낮았다 [17, 18]. 그래핀에서의 독특한 에너지 전달

특성에 의해 격자의 온도보다 높은 전자의 온도를 유지

할 수 있음에도 불구 하고 매우 낮은 백열 발광 효율은 기

판을 통한 주된 열 방출 효과와 기판의 결합 및 거친 표면

에 의한 그래핀의 전자 산란에 의한다는 사실이 밝혀졌

다. 이는 그래핀을 포함한 2차원 물질에서 공통적으로 나

타나는 현상으로 기판에 의한 전자 수송의 산란 및 소자

의 성능 저하 현상으로 나타나며 이를 개선 하기 위해 여

러 방법 등이 제안되고 있다 [19, 20].

자가 현수 된 그래핀 가시광 발광 소자

기판에 의한 그래핀의 주된 전자 산란과 기판으로 빠

져나가는 열의 손실을 최소화 하기 위한 대표적 방법으

로 그래핀을 자가 현수 (suspended) 시키는 구조가 제안

되었다 [21, 22]. 먼저 기판 위에 제작된 그래핀의 경우

기판에 의한 주된 산란 효과로 인해 전하 이동도와 전기

장 하에서의 전자의 에너지 증가가 제한 되지만 자가 현

수 구조의 그래핀의 경우 전하 이동도가 비약적으로 향상

됨이 [21] 실험적으로 증명 되었으며 이 구조는 그래핀 본

연의 물리적 특성 분석에 최적화된 구조로 알려지게 되었

다. 또한 자가 현수 된 그래핀의 구조는 기판을 통한 열의

손실을 최소화 할 수 있어 높은 전기장 및 고온에서의 그

래핀 고유의 열 및 전기적 특성 분석을 [22] 가능케 한다.

이후 그림 3a와 같은 자가 현수 된 그래핀 구조에서 고

효율의 백열 발광 소자에 관한 연구가 행해졌으며 2-7 V

의 작은 전압 인가에 의해 그림 3b 에서 보듯이 가시광

영역에서 발광 특성이 관측되었다 [23]. 발광 특성 분석

에 의하면 그래핀의 전자의 온도는 ~3000 K까지 달하며

격자의 온도 보다 20~30% 높다는 사실이 확인 되었다.

가시광 영역에서의 발광 특성을 살펴보면 대부분 백열 발

광이 자가 현수 된 그래핀의 가운데 부분에서 관측되었으

며 그래핀이 3000 K에 도달 할 만큼의 고온임에도 불구

하고 금속 전극이 녹지 않는 것을 확인 할 수 있다. 이는

상온에서의 매우 높은 그래핀의 열전도도가 온도가 높아

짐에 따라 급격히 줄어들면서 그래핀을 통한 수평적 열

전도가 감소되어 [22] 효율적으로 매우 높은 열을 그래핀

의 가운데 부분에만 가두는 것을 가능케 한다. 자가 현수

된 그래핀 구조에서 효율적인 열의 구속이 가능하기 때문

에 백열 발광의 효율은 기판 위에 제작된 그래핀에 비해

1,000배 정도 향상되며 마이크론 미터 사이즈의 그래핀

을 맨눈으로 관측할 수 있을 만큼 매우 밝은 가시광의 발

광이 가능함이 알려졌다.

자가 현수 된 그래핀에서의 매우 밝은 가시광 영역에

서의 스펙트럼을 살펴 보면 그림 3c와 같다. 일반적인 흑

[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].

진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학

체 복사에 의한 백열 발광과 달리 가시광선 영역에서 여

러 스펙트럼 픽들이 관측되는데 이는 발광 물질인 그래

핀과 기판 사이의 간섭 효과에 의해 나타나며 기판과 그

래핀의 거리를 조절 함으로써 간섭 효과를 달리 함으로

써 발광 특성을 조절 할 수 있다. 또한 강한 빛-물질 상

호 작용에 의해 다양한 광공진기 (optical cavity) 구조를

형성 함으로써 특정 파장 영역에서 발광 특성이 향상된

다양한 색상의 그래핀 기반의 발광 소자의 개발이 가능하

다. 원자 한 층으로 이루어진 그래핀 기반의 발광 소자의

구현은 공식적으로 기네스 북 (Guinness World Record)

에 세상에서 가장 얇은 발광 소자로 등재되기도 하였다

[24].

결론

그래핀 기반의 신광원 개발은 나노 스케일에서의 고성

능 발광 소자의 개발을 가능케 하며 그래핀 기반의 초정

밀 차세대 디스플레이와 더불어 초고속 광 정보 처리를

위해 필수적인 광소자의 대부분을 그래핀으로 실현 가능

함을 의미 한다. 앞으로 그래핀 발광 소자의 초고속 직접

변조 기술과 대면적 소자 제작 기술의 개발에 의해 그래

핀 기반의 초고속 광직접회로의 개발과 차세대 2차원 반

도체와 그래핀의 이종 접합 구조를 기반으로 고효율 다기

능 소자의 개발이 가능할 것이다. 에디슨이 탄화된 대나

무 필라멘트를 이용하여 백열 전구 조명 산업을 창출 했

듯이 그래핀 및 2차원 물질 기반의 차세대 발광 소자는

양자 광컴퓨터 개발과 같은 4차 산업 혁명에 중요 기술로

작용할 것이다.

[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.

│References│

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 09 September20