KAERI‧KAIST 공동연구진 테라헤르츠파 광변조 소자 개발 성공

2차원 물질인 그래핀을 3차원 구조로 만들면 고유한 물성을 잃어버린다는 학계의 정설을 깨뜨리는 결과가 국내 연구진에 의해 발견됐다.

한국원자력연구원(원장 하재주) 양자광학연구부 초고속방사선연구실 백인형 박사와 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이상민 교수 공동연구팀은 한 개 층 단면 구조인 그래핀을 여러 겹 쌓아 3차원 형태 소자로 제작해 테라헤르츠파 투과율을 효율적으로 제어할 수 있는 자체 광변조 기술을 개발하는데 성공했다고 15일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 형태로 결합돼 한 층을 구성하는 2차원 물질이다. 전자이동성과 강도, 열전도성이 뛰어날 뿐만 아니라 원자 한 층 만이 생성하는 전자들의 고유한 에너지밴드 구조로 인해 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있어 광변조 소자 분야에서 각광을 받아 왔다. 하지만 입사된 빛의 2.3%만 흡수하는 특성 때문에 단순 그래핀의 광변조 능력에 한계가 있었다.

그래핀의 광변조 능력을 향상시키기 위해서는 빛의 흡수율을 더 증가시켜야 한다. 여러 층의 그래핀을 사용하기 위해 그래핀 적층 연구가 세계적으로 활발하게 진행돼 왔다. 그러나 2차원 물질인 그래핀을 여러 층으로 쌓아 3차원으로 만들면 그래핀 본연의 특성이 사라지는 점이 난제로 남아 있었다.

연구진은 작은 그래핀 조각들로 이루어진 그래핀을 적층시키면 층간 결정성이 사라질 수 있다는 점에 착안해 3차원 그래핀 광변조 소자를 제작하는데 성공했다.

100 마이크로미터 크기의 서로 다른 결정성을 갖는 수만 개의 그래핀 조각으로 이루어진 25 밀리미터 크기의 그래핀을 합성하고, 이를 적층시켜 그래핀 고유의 에너지밴드를 유지하는 3차원 소자를 제작했다.

이번 연구는 2차원 물질 분야의 국제 저명 학술지인 ‘2D Materials(2D 머티리얼스)’ 4호에 게재됐다.

정영욱 초고속방사선연구실장은 “이번 연구는 그래핀을 대상으로 진행됐지만 다양한 2차원 물질에도 동일한 원리의 적용이 가능하다”며 “차세대 광통신 및 반도체 소자 개발에 폭 넓게 활용할 수 있는 원천기술로 신산업 창출이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.