▲ 한국과학기술연구원 광전소재연구단 송용원 박사팀이 결함유발 전사과정없이 광소자 표면에서 3차원 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다. 그림은 해당 기술의 대표이미지.

국내 연구진이 결함없이도 광소자표면에서 3차원 그래핀을 균일하게 합성하는 기술을 개발해 꿈의 광컴퓨터 시대를 한 단계 앞당겼다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 송용원 박사팀이 한국기계연구원(KIMM, 원장 박상진) 최지연 박사팀과 결함유발 전사과정없이 광소자 표면에서 3차원 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

또 대상 물체의 표면에서 합성된 그래핀과 광신호에 사용되는 레이저의 성공적인 상호작용이 증명돼 광학적 기능을 극대화한 광소자개발과 집적화에도 큰 진전이 기대되고 있다.

탄소원자들이 육각형 격자구조를 이루는 그래핀은 높은 물리·전기·광학적 특성으로 꿈의 소재로 불린다. 특히 광학적 비선형성이 뛰어나 펨토초(1000조분의 1초)수준의 매우 빠른 레이저 펄스 광원형성, 광변조기, 초고석 광스위치 제작에 효과적이다.

그래핀은 일반적으로 구리나 니켈 등 금속 촉매 표면에서 합성해, 코팅과 에칭 등을 포함하는 전사과정을 거쳐 기재의 표면으로 옮겨진다. 그러나 불순물 유입, 구조붕괴 등으로 소자성능에 악영향을 미치거나 2차원 평면구조 탓에 광소자의 복잡 미세한 형상에 맞춰 균일하게 코팅하기가 어려웠다.

KIST연구진은 금속 촉매 대신 세라믹 촉매를 사용, 촉매 표면은 뿐만아니라 가까운 범위 내 있는 물체 표면에서도 3차원 그래핀이 균일하게 합성된다는 사실을 알게됐다.

촉매에서 분해된 전물질(주로 메탄)이 탄소 원자를 생성하는 과정에서 탄소원자가 근접한 광소자 표면에 안착해 그래핀이 형성되고 복잡한 형상의 광소자 표면 구조를 그대로 따라가며 순차적으로 균일한 그래핀이 합성된다는 것을 발견한 것이다.

KIST 연구진은 이렇게 개발한 3차원 그래핀 합성 공정의 광소자 응용 효과를 검증하기 위해 광섬유로 실험을 했다. 이때 코어 진행 레이저는 두꺼운 클래드 층에 둘러싸여 밖으로 나오지 못하는데, 클래드 층을 조금씩 제거해 나가면 코어 내 레이저가 점차 주위 환경에 반응하게 된다. 이 범위에 그래핀이 있으면 광신호가 제어되는 레이저-그래핀 상호작용이 일어나는 것이다.

연구진은 클래드 한쪽 면에 펨토초 레이저로 마이크로미터 단위의 초미세 우물 구조를 만들고, 우물 입구의 세라믹 촉매 표면에서 시작된 3차원 그래핀 합성이 우물 바닥 면까지 매우 균일하게 이어지며 기대했던 수준의 레이저-그래핀 간 상호작용이 구현됨을 확인했다.

송용원 KIST 박사는 “3차원 그래핀의 도입으로 기존 광소자에서 불가능했던 광학적 특성의 구현이 가능해졌다”라며 “미래의 광컴퓨팅뿐만 아니라 전자소자와 광소자의 융합을 통해 더 실감이 나는 메타버스와 인공지능 등 첨단기술에서도 세계시장을 선도하는 중요한 역할을 담당할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

한편, 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재됐다.