한국원자력연구원(원장 하재주·이하 원자력연)이 2차원 물질인 그래핀을 3차원화 해 테라헤르츠파를 비롯한 모든 빛 에너지의 광변조 성능을 높이는 기술을 개발했다. 차세대 고성능 통신용 광변조 소자 개발을 위한 원천기술로 활용될 전망이다.
원자력연은 백인형 양자광학연구부 초고속방사선연구실 박사팀이 이상민 KAIST 물리학과 교수팀과 단층 그래핀을 3차원 소자로 제작, 빛의 흡수와 투과를 효율적으로 제어할 수 있는 광변조 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자가 벌집 형태로 결합돼 한 층을 구성하는 2차원 물질이다. 가전자대(밸런스 밴드)와 전도대(컨덕션 밴드)가 한 점에서 만나, 모든 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 하지만 외부 빛을 2.3%만 흡수해 광변조 소자로 활용하기 어려웠다. 광변조 소자는 강한 빛은 투과시키고, 약한 빛은 흡수하는 성질을 이용한 소자다. 빛이 충분히 흡수되지 않으면 인접한 소자에 영향을 미쳐 성능이 떨어진다.
그동안 그래핀을 3차원 구조로 적층해 흡수율을 증가시키는 연구를 했지만 효과는 크지 않았다. 오히려 적층된 그래핀이 결정성을 띠게 되면서 전도성이 떨어졌다. 구조가 왜곡돼 전자 이동도 제한된다.
연구팀은 작은 그래핀 조각을 모아 그래핀 층을 만들면 결정성이 사라진다는 점에 착안했다. 수만 개 100마이크로미터(㎛) 크기 조각으로 그래핀 층을 제작·적층했다.
이렇게 만들어진 3차원 그래핀은 광변조 성능이 극대화 된다. 8개 층으로 3차원 구조를 만들 경우 기존 2차원 소재 대비 광변조 성능이 70%나 올라간다.
'꿈의 주파수 대역'으로 불리는 테라헤르츠파(광자와 전자파의 성질을 모두 가지는 빛)에서도 높은 성능을 발휘한다. 그동안 테라헤르츠파를 이용한 광변조 연구는 거의 이뤄지지 않았다.
연구팀은 그래핀 층수를 높일수록 테라헤르츠파 광변조 효율이 높아지는 것을 확인했다. 광자와 그래핀 속 자유전자가 초고속 상호작용하면서 월등한 성능을 보였다.
연구팀은 앞으로 3차원 그래핀에 다른 소재를 더해 광변조 성능, 활용도를 높이는 연구를 진행한다. 이들 기술은 차세대 고성능 광변조 소자 상용화를 앞당기는데 쓰인다.
정영욱 원자력연 초고속방사선연구실장은 “연구는 그래핀을 대상으로 진행됐지만, 다양한 2차원 물질에도 적용할 수 있어 활용도가 높다”면서 “차세대 광통신, 반도체 소자 개발 원천기술로 쓰여 신산업 창출도 가능할 것으로 기대하고 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
