"'탐 플라즈몬' 구조 적용… 기존 소자의 낮은 변조율 등 해결"
전기적으로 제어 가능한 탐 플라즈몬 공진기 모식도 및 전도성 고분자 구조. (GIST 제공)/뉴스1
(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 우리 연구진이 1볼트(V) 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자를 개발됐다.
19일 한국연구재단에 따르면 송영민 광주과학기술원(GIST) 교수와 김세정 호주 멜버른대 교수 공동연구팀은 능동물질(외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질)을 활용해 1V 이하 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광변조 소자를 개발했다.
이번 연구 성과는 지난 4일 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인에도 게재됐다.
최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광변조 소자 발전이 가속화하고 있다. '광변조'란 빛을 이용해 정보를 전달할 때 빛의 세기나 파동 주기를 정보에 따라 바꾸는 것을 말한다.
그러나 현재 능동물질을 이용한 광변조 기술은 재료 특성이 제한적이어서 높은 동작 전압을 필요로 하는 데다, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하려면 마이크로미터(㎛, 1㎛=100만분의1) 및 나노미터(㎚, 1㎚=10억분의1m) 규모의 구조체가 있어야 한다는 점이 한계점으로 꼽히고 있다. 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고 제작·구동의 효율성을 저해하기 때문이다.
이와 관련 연구팀은 '광변조 소자의 효율을 높이기 위해선 저전압에서도 광변조가 가능한 새로운 구조·재료가 필요하다'는 데 착안, 단순한 구조 설계로 빛과 능동물질 간의 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다.
송영민 GIST 교수
연구팀은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 뒤 빛을 한곳에 모아 강한 흡수현상이 나타날 수 있게 하는 '탐 플라즈몬' 구조를 새로 개발한 소자에 적용했고, 이를 통해 99% 이상 반사율 변조가 가능하다는 걸 입증해냈다.
'탐 플라즈몬'이란 반복적으로 코팅된 유전체층과 흡수층이 결합한 형태에서 강한 흡수를 발생시키는 현상을 말한다.
송 교수 등 연구팀의 이번 연구에서 능동물질로 사용한 전도성 고분자는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였다고 한다.
이는 1V 수준의 저전압으로도 빛을 제어할 수 있단 뜻이어서 향후 광학메모리와 광학적 뉴로모픽 소자로도 활용할 수 있을 것이란 게 연구팀의 설명이다.
송 교수는 "기존 광변조 소자의 낮은 변조율 문제와 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발했다"며 "향후 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화해 인-포토닉 컴퓨팅 분야로 확장할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업 지원에 따라 수행됐다.
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뉴스원 김태진 기자
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