■ 연구실 개요
“양자 광반도체 연구실(Quantum and Nanobio Photonics Laboratory)”에서는 고체 상태에서 빛과 물질 사이의 상호작용 (Light-Matter Interaction) 제어를 통해 양자 광학적인 물리 현상을 연구하는 ‘저차원 반도체 기반의 양자 및 나노 포토닉스 (Quantum and Nano Photonics)’를 핵심 주제로 하고 있으며, 첨단 반도체 물질과 나노 포토닉스 구조를 접목한 (i) 신개념 양자 광원 개발 및 양자 포토닉스 연구, (ii) 차세대 포토닉스 소자 및 시스템, 그리고 (iii) 초고해상도 이미징 및 광제어 기술 분야의 연구 개발에 집중하고 있다.
이를 통해 ▲고체 상태에서 양자 광학적인 물리 현상 연구 및 양자 광원 개발, ▲신물질⦁구조 개발 및 발광 메커니즘 연구, ▲신개념 나노/마이크로 광소자 및 시스템, ▲회절한계를 넘는 초해상도 광제어 기술 개발에 이르기까지 기초에서 응용에 이르는 연구가 가능하며, 포토닉스 기반의 양자 정보통신, 차세대 초소형/고해상도 디스플레이, 나노-바이오 이미징/센싱 분야 등에 활용될 수 있다.
■ 연구실 소개 포스터
■ 핵심 연구 주제
1. Quantum and Non-Hermitian Photonics: 저차원 반도체 기반의 양자 포토닉스 및 Non-Hermitian 포토닉스
고품질 반도체 성장과 나노공정 기술의 발달에 힘입어 반도체에서 양자 광학적인 현상을 실험적으로 관측할 수 있게 되면서, 상온에서 작동하고 전기로 쉽게 구동되며 초소형으로 소자화까지 가능한 ‘저차원 반도체 기반의 양자 포토닉스’ 시대가 열리고 있다. 일반적으로 반도체, 금속, 유전체 그리고 이들의 복합체로 구성된 다양한 나노 구조와 빛과의 상호 작용을 연구하는 분야를 '나노 포토닉스'라고 하는데, 본 연구실에서는 이를 이용한 나노 공진기 구조에 단일 원자와 같은 독특한 에너지 구조를 갖는 반도체 양자 구조를 효과적으로 결합하여 고체 상태에서 양자화된 빛을 생성하고 제어할 수 있는 ‘양자 포토닉스’ 연구를 수행하고 있다. 최근에는 반도체 엑시톤과 빛과의 강한 상호작용에 의해 형성되는 상온 폴라리톤을 기반으로 하여, 기존 상식과 다른 특이한 광학적 현상을 가능하게 하는 ‘Non-Hermitian 포토닉스’ 분야도 독자적으로 개척하고 있다.
2. Emerging Semiconductor Materials and Nano Photonics: 반도체 신물질 및 신개념 나노 광소자
다양한 반도체 물질(예: III-V족/II-VI족 화합물 반도체, Ge-on-Si, Graphene, 2차원 TMDC 물질 등)을 기반으로 양자점/양자선/양자우물과 같은 저차원 반도체 구조를 제작하고 이를 첨단 나노 포토닉스 기술과 접목하여 새로운 개념의 양자 광원들을 개발하고 있으며, 나아가 빛과 물질 사이의 상호작용 제어를 통해 양자정보통신, 신개념 나노 광원, 초고해상도 이미징, 초감도 센싱 등 분야에 활용할 수 있는 핵심 기반 연구를 진행하고 있다. 또한, 기존의 조명과 디스플레이 방식을 대체할 수 있는 고효율 친환경 광소자 및 마이크로 디스플레이를 만들기 위한 차세대 광반도체 연구도 활발히 진행되고 있다.
3. Nano Optics and Photonics for Nano & Bio Applications: 초해상도 영상화 및 광제어 기술 연구
광결정, 메타 물질, 표면 플라즈몬과 같은 나노 포토닉스 기술과 나노 및 바이오 광기술을 상호 보완적으로 결합하여 기존의 광학적 분해능 및 감도의 한계를 극복한 높은 해상도와 새로운 기능성을 갖는 ‘초고해상도 영상화 및 초정밀 광제어 원천 기술을 연구하고 있다.
■ 연구실 특성 및 졸업 후 진로
본 연구실에는 반도체 물질 성장에서부터 나노 공정, 각종 시뮬레이션, 구조-전기-광특성 분석, 광반도체 소자 제작에 이르기까지 일련의 체계적인 연구가 가능하도록 국제적 수준의 전문적인 연구 장비들을 자체적으로 보유하고 있어, 원하는 반도체 양자 및 나노 구조 시료를 직접 제작하여 다양한 물성을 체계적으로 분석할 뿐만 아니라 소자 및 시스템까지 제작하여 응용할 수 있으므로 직접 다양한 경험을 할 수 있다. 미국 UC 버클리, 예일대, 프랑스 CNRS 등 국제적 연구 그룹을 포함한 외부 연구실들과 공동 연구를 수행하고 있으므로 폭넓은 연구 감각을 익힐 수 있다. 본 연구실은 나노-바이오-포토닉스 국가지정 연구실로 지정된 바 있으며, 2011년부터 KAIST LED 연구센터를 개소하여 운영하고 있다.
본 연구실에서 다루는 반도체와 광학 분야는 활용범위가 매우 넓기 때문에 학계, 연구소, 산업계 등 다양한 진로 선택이 가능하며, 메모리 반도체, 디스플레이, 자동차, 스마트 조명 등 산업 전반에 관련된 연구 분야로 산업계의 투자가 적극적이다. 특히 양자 포토닉스 분야는 새로운 학문 분야를 만들어가는 연구 분야로 대학과 연구소로의 진로가 용이하다. 참고로, 본 연구실 졸업생/연구원 출신들은 국내외 대학 교수 4명, 정부출연연구소 연구원 6명, 대기업 (삼성, LG, SK) 연구원 15명, 박사후 연구원 2명 등 학계, 연구소, 산업계에서 활발히 연구 활동을 지속하고 있다.
■ 저널 표지 선정 논문
