[논문]세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자

김영덕

doi:10.5757/vacmac.4.3.16

세상에서 가장 얇은 그래핀 발광 소자
The World's Thinnest Graphene Light Source 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.4 no.3, 2017년, pp.16 - 20

김영덕 (경희대학교 물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene has emerged as a promising material for 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.

AI 본문요약
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문제 정의

그래핀으로 대표되는 2차원 물질은 나노 미터 스케일과 우수한 광학적, 전기적 특성을 가지고 있어 차세대 광산업의 신물질로 큰 기대를 모으고 있다. 지금부터 그래핀 기반의 광전자 소자 및 발광 소자에 대하여 살펴보도록 하겠다.

가설 설정

[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℃.
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].

성능/효과

기판에 의한 그래핀의 주된 전자 산란과 기판으로 빠져나가는 열의 손실을 최소화 하기 위한 대표적 방법으로 그래핀을 자가 현수 (suspended) 시키는 구조가 제안되었다 [21, 22]. 먼저 기판 위에 제작된 그래핀의 경우 기판에 의한 주된 산란 효과로 인해 전하 이동도와 전기장 하에서의 전자의 에너지 증가가 제한 되지만 자가 현수 구조의 그래핀의 경우 전하 이동도가 비약적으로 향상됨이 [21] 실험적으로 증명 되었으며 이 구조는 그래핀 본연의 물리적 특성 분석에 최적화된 구조로 알려지게 되었다. 또한 자가 현수 된 그래핀의 구조는 기판을 통한 열의 손실을 최소화 할 수 있어 높은 전기장 및 고온에서의 그래핀 고유의 열 및 전기적 특성 분석을 [22] 가능케 한다.
이후 그림 3a와 같은 자가 현수 된 그래핀 구조에서 고효율의 백열 발광 소자에 관한 연구가 행해졌으며 2-7 V의 작은 전압 인가에 의해 그림 3b 에서 보듯이 가시광 영역에서 발광 특성이 관측되었다 [23]. 발광 특성 분석에 의하면 그래핀의 전자의 온도는 ~3000 K까지 달하며 격자의 온도 보다 20~30% 높다는 사실이 확인 되었다. 가시광 영역에서의 발광 특성을 살펴보면 대부분 백열 발광이 자가 현수 된 그래핀의 가운데 부분에서 관측되었으며 그래핀이 3000 K에 도달 할 만큼의 고온임에도 불구하고 금속 전극이 녹지 않는 것을 확인 할 수 있다.
이는 상온에서의 매우 높은 그래핀의 열전도도가 온도가 높아짐에 따라 급격히 줄어들면서 그래핀을 통한 수평적 열전도가 감소되어 [22] 효율적으로 매우 높은 열을 그래핀의 가운데 부분에만 가두는 것을 가능케 한다. 자가 현수된 그래핀 구조에서 효율적인 열의 구속이 가능하기 때문에 백열 발광의 효율은 기판 위에 제작된 그래핀에 비해 1,000배 정도 향상되며 마이크론 미터 사이즈의 그래핀을 맨눈으로 관측할 수 있을 만큼 매우 밝은 가시광의 발광이 가능함이 알려졌다.

후속연구

그래핀 기반의 신광원 개발은 나노 스케일에서의 고성능 발광 소자의 개발을 가능케 하며 그래핀 기반의 초정밀 차세대 디스플레이와 더불어 초고속 광 정보 처리를 위해 필수적인 광소자의 대부분을 그래핀으로 실현 가능함을 의미 한다. 앞으로 그래핀 발광 소자의 초고속 직접 변조 기술과 대면적 소자 제작 기술의 개발에 의해 그래핀 기반의 초고속 광직접회로의 개발과 차세대 2차원 반도체와 그래핀의 이종 접합 구조를 기반으로 고효율 다기능 소자의 개발이 가능할 것이다. 에디슨이 탄화된 대나무 필라멘트를 이용하여 백열 전구 조명 산업을 창출 했듯이 그래핀 및 2차원 물질 기반의 차세대 발광 소자는 양자 광컴퓨터 개발과 같은 4차 산업 혁명에 중요 기술로 작용할 것이다.
앞으로 빅 데이터 (Big data), 사물 인터넷 (Internet of Things), 증강 현실 기술로 대표되는 4차 산업혁명 시대에 신광원 및 태양전지, 광센서 등과 같은 광산업이 기술적 근간을 이룰 것이다. 차세대 디스플레이로 각광 받고 있는 투명하며 휘어지는 디스플레이는 가상 현실 및 증강 현실 기술에 필수적으로 적용될 것이며 이를 위한 신물질 연구가 활발히 진행중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백열 전구는 이전의 광원들과 어떤 차별점을 가지고 있는가?	인류가 빛을 이용함에 있어 혁명적인 사건 중 하나는 백열 전구 (incandescent lamp)의 발명이라 할 수 있다. 백열 전구는 기름이나 가스를 사용하지 않고 전기를 이용하여 열선을 가열해 빛을 내는 인류 최초의 전기로 동작하는 발광 소자이며 불을 대체할 새로운 광원 이였다. 대중들에게 백열 전구의 발명가로 에디슨 (T.
	에디슨보다 먼저 이루어진 백열 전구 발명에 대해 설명하시오	Edison)이 잘 알려져 있지만 백열 전구의 역사를 자세히 살펴 보면 에디슨 이전에 여러 발명가들이 존재 함을 알 수 있다[1]. 1802년 H. Davy는 플래티넘 (Platinum) 막대에 전류를 흘려 인위적으로 빛을 만들 수 있음을 보였으나 발광 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 도움으로 비약적으로 향상된 진공 기술을 바탕으로 탄소 막대 (carbon rod)에 전류를 흘려 안정적이고 밝은 빛을 낼 수 있음을 보임으로써 백열 전구의 상용화를 앞당겼다. 비슷한 시기, 에디슨은 면사, 나무 조각, 종이 등의 다양한 재료들을 탄화 (carbonized) 시켜 안정적이고 밝은 백열 전구 필라멘트 구현 하고자 노력하였다.
	그래핀은 어떤 성질을 지녔는가?	그래핀은 2차원 전자계에서 나타나는 독특한 양자 역학적 특성들을 [3,4] 관측할 수 있는 신물질로 기초 물리학적으로 중요할 뿐만 아니라 매우 우수한 물리적 특성을 바탕으로 하는 응용 소자의 개발을 가능케 하여 산업 전반에 큰 파급 효과를 가지고 있다. 예를 들면, 그래핀은 세계에서 가장 얇은 물질이지만 강철보다 강하며 [5], 구리보다 200배 이상의 전류를 통할 수 있고, 매우 높은 녹는점을 가지고 있으며, 화학적으로 매우 안정적인 물질이다 [6]. 또한 화학적 증착 방법을 이용하여 대면적 그래핀 성장 기술이 발달하면서 [7] 그래핀의 대량 생산 및 산업적으로 이용 가능성이 높아 졌다.

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http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/399438-thinnest-light-source, Guinness World Record; Thinnest light source.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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