매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자가 개발됐다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 광주과학기술원 송영민 교수와 멜버른대학교 김세정 교수 공동연구팀이 능동물질을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자를 개발했다고 19일 밝혔다.
재단에 따르면 능동물질이란 외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질이며, 광 변조 소자는 전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 소자를 뜻한다.
최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광 변조 소자의 발전이 가속화되고 있다. 그러나 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation) 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있었다. 광변조란 빛을 이용해 정보를 전달할 때 빛의 세기나 파동의 주기를 정보에 따라 바꾸는 일이다.
이러한 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성을 저해한다.
이에 공동연구팀은 광 변조 소자의 효율을 높이기 위해서는 저전압 동작에서 광변조를 가능하게 하는 새로운 구조와 재료가 필요하다는 데 착안, 단순한 구조 설계로 능동물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다.
먼저 연구진은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한곳에 모아 강한 흡수 현상이 나타날 수 있게 하는 탐(Tamm) 플라즈몬 구조를 소자에 적용했고, 그 결과 99% 이상의 반사율 변조를 나타냄을 입증했다. 탐 플라즈몬은 반복적으로 코팅된 유전체층과 흡수층이 결합된 형태의 강한 흡수를 발생시키는 현상이다.
능동물질로 쓰인 전도성 고분자는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였다.
저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리와 광학적 뉴로모픽 소자 활용도 가능할 것으로 예상되고 있다. 뉴로모픽 소자란 기존의 디지털 트랜지스터와 달리 뉴런-시냅스의 신경생물학적인 작동방식을 모사한 소자다.
송영민 교수는 “기존 광 변조 소자의 낮은 변조율 문제와 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발한 것”이라며, “향후 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화해 인-포토닉(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일 온라인 게재됐다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
