[기계신문] 메타버스, 마이데이터, 자율주행, AI, 5G 등의 첨단기술이 일상화되는 초연결 시대 실현에는 전제조건이 있다. 폭증하는 데이터 수요를 감당할 초고속 컴퓨팅 기술이다.
이에 따라 전 세계적으로 고집적화에 한계를 보이는 실리콘 반도체를 대체할 신소자 개발이 한창이다. 전기신호 대신 빛으로 데이터를 처리하는 ‘광소자’가 대표적이다.
현재 광소자 개발에는 나노소재, 그중에서도 특히 광학적 특성이 뛰어난 그래핀 도입 시도가 활발하지만 풀어야 할 숙제가 있다. 원자 한 층 수준의 얇은 그래핀을 형태가 복잡한 3차원 광소자 기판으로 옮기는 과정에서 구조적 손상이 발생해 그래핀 특유의 광신호 제어기능이 약화된다는 것이다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 송용원 박사팀이 한국기계연구원(KIMM) 최지연 박사팀과 함께 그래핀 결정의 결손을 초래하는 전사공정 없이 광소자의 미세구조 표면에서 직접 3차원 그래핀을 균일하게 합성하는 기술을 개발했다.
또한 실험을 통해 대상 물체의 표면에서 합성된 그래핀과 광신호에 사용되는 레이저의 성공적인 상호작용이 증명되어 광학적 기능을 극대화한 광소자 개발과 집적화에 큰 진전이 기대되고 있다.
탄소 원자들이 육각형 격자구조를 이루는 그래핀은 높은 물리·전기·광학적 특성으로 꿈의 소재라 불린다. 특히 광학적 비선형성이 뛰어나 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 매우 빠른 레이저 펄스 광원 형성, 빛에 신호를 싣는 광변조기, 초고속 광스위치 등의 제작에 효과적으로 사용할 수 있다.
그래핀은 일반적으로 구리나 니켈 등의 금속 촉매 표면에서 합성해 코팅과 에칭(etching) 등을 포함하는 전사(transfer) 과정을 거쳐 목표 기재의 표면으로 옮겨진다. 그런데 이런 전사 과정에서 발생하는 불순물 유입, 구조 붕괴 등의 그래핀 품질 저하가 최종적인 소자 성능에 악영향을 미친다.
또한 그래핀은 2차원 평면구조라는 특성 탓에 광소자의 복잡하고 미세한 형상에 맞춰 균일하게 코팅하는 데 어려움이 컸다. 이에 따라 기존에는 레이저의 진행통로 한쪽 면에만 그래핀을 밀착시켜 레이저-그래핀 상호작용을 유도하는 연구가 대부분이었다.
이런 가운데 KIST 연구팀은 금속 촉매 대신 세라믹 촉매를 사용하면 촉매 표면뿐만 아니라 가까운 범위 내에 있는 물체의 표면에서도 3차원 그래핀이 균일하게 합성된다는 사실을 알게 됐다.
촉매에서 분해된 전물질(주로 메탄)이 탄소 원자를 생성하는 과정에서 이 탄소 원자가 근접한 광소자의 표면에 안착하며 그래핀이 형성되고, 특히 복잡한 형상의 광소자 표면 구조를 그대로 따라가며 순차적으로 균일한 그래핀이 합성되는 것을 발견한 것이다.
연구팀은 이렇게 개발한 3차원 그래핀 합성 공정의 광소자 응용 효과를 검증하기 위해 광섬유로 실험을 했다. 광섬유는 원통형 유전체 도파관으로 코어와 클래드 층으로 구성돼 있다. 이때 코어로 진행하는 레이저는 상대적으로 두꺼운 클래드 층에 둘러싸여 밖으로 나오지 못하는데, 이 클래드 층을 조금씩 제거해 나가면 코어 내의 레이저가 점차 주위 환경에 반응하게 된다.
이 범위에 그래핀이 있으면 광신호가 제어되는 레이저-그래핀 상호작용이 일어나는 것이다. 이에 따라 연구팀은 클래드 한쪽 면에 펨토초 레이저로 마이크로미터 단위의 초미세 우물 구조를 만들고, 우물 입구의 세라믹 촉매 표면에서 시작된 3차원 그래핀 합성이 우물 바닥 면까지 매우 균일하게 이어지며 기대했던 수준의 레이저-그래핀 간 상호작용이 구현됨을 확인했다.
KIST 송용원 박사는 “3차원 그래핀의 도입으로 기존 광소자에서 불가능했던 광학적 특성의 구현이 가능해졌다”며 “미래의 광컴퓨팅뿐만 아니라 전자소자와 광소자의 융합을 통해 더 실감이 나는 메타버스와 인공지능 등 첨단기술에서도 세계시장을 선도하는 중요한 역할을 담당할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제저널 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재되었다.
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