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세계 최초로 구현된 유기 레이저 다이오드

<KISTI의 과학향기> 제3408호

일본 규슈 대학(Kyushu University)과 ISIC(Information Technologies and Nanotechnologies)의 연구진은 유기 반도체를 기반으로 하는 레이저 다이오드가 실제로 구현 가능하다는 것을 입증했다. 이 레이저 다이오드는 바이오센서, 디스플레이, 건강관리, 광통신 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
 
오랫동안 발광 소자 분야에서 성배로 여겨지던 유기 레이저 다이오드는 갈륨비소와 질화갈륨과 같은 무기 반도체 대신에 탄소 기반의 유기 물질을 사용해서 빛을 방출한다.
 
유기 레이저 다이오드는 전기를 가할 때 유기 분자의 얇은 층이 발광하는 유기 발광 다이오드와 몇 가지 측면에서 유사하다. 유기 발광 다이오드는 쉽게 변경 가능한 생동감 있는 색상으로 스마트폰 디스플레이로 인기가 있다.
 
유기 레이저 다이오드는 매우 순수한 빛을 생성하지만, 유기 발광 다이오드에 비해서 더 큰 전류가 필요하다. 이런 극단적인 조건 때문에 레이저를 발생하기 전에 장치가 파괴될 가능성이 높다.
 
레이저 발생에서 중요한 단계는 많은 양의 전류를 유기 층에 주입해서 밀도 반전(population inversion)이라고 불리는 상태를 달성하는 것이다. 그러나 많은 유기 물질은 전기 저항이 높기 때문에 가열 전에 충분한 전하를 확보하기가 어렵다. 또한 고전류에서 작동하는 대부분의 유기 물질과 장치들은 효율이 낮기 때문에 필요한 전류량이 훨씬 더 많아진다.
 
이러한 어려움을 극복하기 위해서, 이번 연구진은 대량의 전기를 주입할 때 전기 저항이 적고 손실량이 적은 고효율의 유기 발광 재료(BSBCz)를 사용했다. 그러나 이런 물질만으로 충분하지 않았다. 그래서 유기 박막에 전기를 주입하는데 사용되는 전극 상부에 절연물질 격자 구조를 만들었다. 분산형 피드백 구조(distributed feedback structure)라고 불리는 이러한 그리드(grid)는 레이저 발생에 필요한 광학 효과를 만들어내는 것으로 알려져 있다.
 
이러한 그리드를 최적화함으로써 원하는 광학적 특성을 얻었고 유기 박막에서 레이저를 발사하는데 필요한 전기량을 최소화할 수 있었다.
 
현재, 이번 연구진은 유기 레이저 다이오드의 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하고 있다. 향후에 이번 기술을 접목한 유기 레이저 다이오드가 상용화되기를 기대해 본다. 이 연구결과는 저널 Applied Physics Express에 “Indication of current-injection lasing from an organic semiconductor” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab1b90).

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