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▲ 1V 이하 전압으로 광 변조 소자를 동작 중인 광주과학기술원(GIST) 연구진. 왼쪽부터 송영민 교수, 고주환 연구원. ⓒ GIST 제공
매우 낮은 전압만으로도 '빛 신호'를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자를 국내 연구진이 개발했다.
한국연구재단(NRF, 이사장 이광복)은 19일 "송영민 광주과학기술원(GIST)교수와 김세정 멜버른대학교 교수 공동연구팀이 능동물질(외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질)을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 '광 변조 소자(전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 소자)를 개발했다"고 밝혔다.
최근 해당 분야 동향은 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 '광 변조 소자'의 발전이 가속화되고 있는 상황이다. 그러나 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation : 빛을 이용해 정보를 전달할 때 빛의 세기나 파동의 주기를 정보에 따라 바꾸는 일) 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있었다.
나아가 이런 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성 저해를 불러왔다.
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▲ 전기적으로 제어 가능한 Tamm 플라즈몬 공진기 모식도 및 전도성 고분자 구조 전도성 고분자와 분산 브래그 반사경 구조를 적층하여 전기적으로 제어 가능한 Tamm 플라스몬 공진기(ECTP)를 설계함 (그림1, 좌). PEDOT:PSS는 낮은 전압 하에서도 금속-절연성 전이가 가능한 물질로 최근 각광을 받고 있음 (그림1, 우). 본 연구는 빛-물질 상호작용을 극대화함과 동시에 전기적으로 광학(공진) 현상을 제어함으로써 효율적인 광변조기로 동작할 수 있음을 보임. ⓒ 광주과학기술원 송영민 교수
이에 공동연구팀은 "광 변조 소자의 효율을 높이기 위해서는 저전압 동작에서 광변조를 가능하게 하는 새로운 구조와 재료가 필요하다는 데 착안"했다면서 "단순한 구조 설계로 능동물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다"고 강조했다.
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. 여기서 '탐(Tamm) 플라즈몬'이란 반복적으로 코팅된 유전체층과 흡수층이 결합된 형태의 강한 흡수를 발생시키는 현상을 말한다.
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▲ 대면적/배열 구조가 가능한 Tamm 플라즈몬 구조의 디자인 및 특성 제작된 ECTP는 분산 브래그 반사경/전도성 고분자/다공성 전극으로 이루어져 있음. 제안된 소자는 완전 반사 상태(mirror state)와 완전 흡수 상태(Tamm plasmon)를 보이며, 이론적으로 99% 에 이르는 높은 변조 정도를 달성할 수 있음 (그림 2, 좌). 또한, 대면적/배열 구조가 가능하고 개별 소자를 전기적으로 제어할 수 있음을 실험적으로 확인함 (그림 2, 우). ⓒ 광주과학기술원 송영민 교수
또한 능동물질로 쓰인 전도성 고분자(전기가 통하는 유기물 고분자로, 이번 연구에서는 PEDOT:PSS를 칭함)는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해 연구진은 저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리(빛을 이용해 정보의 저장 및 판독이 가능한 소자)와 광학적 뉴로모픽 소자(기존의 디지털 트랜지스터와 달리 뉴런-시냅스의 신경생물학적인 작동방식을 모사한 소자) 활용도 가능할 것으로 예상했다.
아울러 연구진은 1V 이하 전압으로 빛을 완벽히 제어하는 스위칭 소자는 XR/AR과 같이 빛을 선택적으로 조절하는 기술에 적용되고, 더 나아가 광학 소자 분야에 새로운 전기적 효율성을 부여할 것으로 기대하고 있다.
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▲ Tamm 플라즈몬의 전기적/광학적 특성을 활용한 광학메모리 및 광학 뉴로모픽 소자 특성 제작된 ECTP 는 3개월의 기간 후에도 광학적 특성을 유지할 수 있으며, 전기화학적 산화/환원 반응 특성에 기인한 반사 이력곡선을 보임. 또한, 반사 이력곡선의 전압 범위를 조정하여 안정적으로 4 가지의 다중 반사 상태를 얻을 수 있음 (그림 3, 좌). 또한, 전기적 입력에 따른 반사율의 부분적 상승/하강 특성을 이용하여 광학적 뉴로모픽 소자로 동작할 수 있음을 보임 (그림 3, 우). ⓒ 광주과학기술원 송영민 교수
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 극대화하여 인-포토닉(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료분야 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)>에 지난 4일 온라인 게재됐다.
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▲ 1V 이하 전압으로 조절 가능한 광 변조 소자를 개발한 광주과학기술원(GIST) 연구진. 오른쪽부터 송영민 교수, 고주환 연구원, 서동현 연구원. ⓒ GIST 제공
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