▲ 그래핀 합성 모식도. 광섬유 끝에 증착된 다결정 니켈 층에 연속파의 통신용 레이저를 조사하여, 니켈 층 내에 함유된 탄소 원자들의 확산을 유도하고 니켈/광섬유 경계면에서 그래핀이 형성하도록 하며, 최종적으로 니켈 층을 에칭하여 제거함으로써 순수한 그래핀이 광섬유 위에 구현 될 수 있게 한다. .

통신용 레이저를 이용해 광학소자 내 원하는 부분에 그래핀을 직접 합성하는 기술이 개발돼 초고속 데이터 송신에 쓰이는 광학소자 및 초소형 전자 소자 등의 발전을 앞당길 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀이 통신용으로 사용되는 레이저를 이용해, 광소자 내 원하는 위치에 그래핀을 직접 합성하고 이를 기반으로 광학적 비선형 소자를 구현하는데 성공했다고 11일 밝혔다.

그래핀은 흑연을 박리하면 손쉽게 제작할 수 있지만 실제 사용되는 기판위로 옮기는 전사 공정에서 품질이 떨어지고 손상이 발생해 연구에 걸림돌이 되어 왔다.

연구팀은 탄소가 함유된 니켈 층을 가열하게 되면, 탄소가 니켈 층 밖으로 확산되어 나오면서 석출됨과 동시에 그래핀이 형성되는 현상에 대해 지속적인 연구를 해 오고 있었다. 이번 연구에서는 그래핀이 생성 될 광섬유의 끝면에 니켈을 증착하고, 형성 된 니켈 층만을 국부적으로 가열하기위해 광학소자에서 일반적으로 쓰이는 통신용 레이저를 사용했다.

연구팀은 광섬유 기반의 광학소자에서 광 데이터의 제어에 사용 되는 통신용 레이저를 광섬유 끝면에 코팅된 니켈 층에 쬐었다. 이를 통해 니켈 층 내에 불순물로 포함 되어 있던 탄소 성분이 광섬유와 니켈 층 사이에 석출되면서 그래핀을 합성한 것이다.

통신용 레이저는 출력을 높게 손쉽게 전환해 사용 한 후, 다시 통신용으로 전환이 가능해 원래 레이저를 그대로 사용할 수 있다는 면에서 추가 장비와 공정 등의 도입 비용이 들지 않아 효과적이다. 또한 특별한 진공 환경이나 합성에 필요한 높은 온도, 또는 추가적인 레이저와 같은 외부 에너지원이 불필요하고 그래핀을 구성하는 성분인 탄소 원자를 외부에서 별도로 공급하지 않고 금속에 포함된 불순물을 이용할 수 있다.

연구진이 개발한 그래핀 합성 방법은, 향후 초고속 대용량 데이터를 다루는 광학소자 뿐 아니라, 복잡한 디자인의 그래핀을 요구하는 초소형 전자소자, 그리고 이들 간의 집적된 혼성 소자의 고효율화에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대되고 있다.

제1저자인 KIST Pulak C. Debnath 학생연구원은 “높은 광학적 비선형성을 갖는 그래핀이 광학소자 내에 직접적으로 합성 된 것이 보고된 것은 처음”이라며, “앞으로의 초고속 초대용량 데이터 전송/저장/처리에서 실리콘 기술이 갖는 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로서 집적화 포토닉스 기술을 구현하고 현실화 하는데 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 Advanced Optical Materials 최신호에 게재됐다.