2차원 물질인 그래핀을 3차원 구조로 만들면 고유한 물성을 잃어버린다는 학계의 정설을 깨뜨리는 결과가 국내 연구진에 의해 처음 발견됐다. 한국원자력연구원(원장 하재주) 백인형 박사(양자광학연구부 초고속방사선연구실 선임연구원, 사진)와 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이상민 교수 공동연구팀은 한 개 층 단면 구조인 그래핀을 여러 겹 쌓아 3차원형태 소자로 제작해 테라헤르츠파 투과율을 효율적으로 제어할 수 있는 자체 광변조 기술을 개발하는데 성공했다고 지난 5월 15일 밝혔다. 이번 연구결과는 차세대 통신용 소자 개발연구를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다. 자료 : 한국원자력연구원
그래핀은 탄소원자가 벌집형태로 결합되어 한 층을 구성하는 2차원 물질이다. 전자 이동성과 강도, 열전도성이 뛰어날 뿐 아니라 원자 한 층만이 생성하는 전자들의 고유한 에너지밴드 구조로 인해 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있어 광변조 소자분야에서 각광받아 왔다. 그러나 입사된 빛의 2.3%만 흡수하는 특성 때문에 단순 그래핀의 광변조 능력에 한계가 있었다. 그래핀의 광변조 능력을 향상시키기 위해서는 빛의 흡수율을 더 증가시켜야 한다. 이런 이유로 여러 층의 그래핀을 사용하기 위해 그래핀 적층연구가 세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 그러나 2차원 물질인 그래핀을 여러 층으로 쌓아 3차원으로 만들면, 그래핀 본래의 특성이 사라지는 점이 난제로 남아있었다. 대표적인 예가 흑연이다. 흑연은 연필심의 주원료로 잘 알려져 있지만, 여러 층의 그래핀이 자연 상에서 결합해 3차원 형태로 존재하는 물질이다. 흑연의 경우, 적층과정에서 인접한 층 사이의 일정한 결정성에 의해 그래핀 고유의 에너지밴드 구조가 왜곡되어 광변조 능력을 상실하게 된다.
기존 3차원 그래핀 물질 대비,
광변조 효과 훨씬 뛰어나
연구진은 작은 그래핀 조각들로 이루어진 그래핀을 적층시키면, 층간 결정성이 사라질 수 있다는 점에 착안해 3차원 그래핀 광변조 소자를 제작하는데 성공했다. 100마이크로미터 크기의 서로 다른 결정성을 갖는 수만 개의 그래핀 조각으로 이루어진 25밀리미터 크기의 그래핀을 합성하고, 이를 적층시켜 그래핀 고유의 에너지밴드를 유지하는 3차원 소자를 제작했다. 연구진은 또 제작된 소자가 강력한 테라헤르츠파는 투과시키고, 약한 테라헤르츠파는 흡수하는 광제어 능력이 획기적으로 강화된 것을 확인했다.
연구진이 한국원자력 연구원에서 개발한 강력한 초고속 테라헤르츠파를 그래핀 물질에 조사해 광변조 효율을 측정한 결과, 개발된 3차원 그래핀 소자에서 그래핀의 층수를 증가시킬수록 테라헤르츠파의 광변조 효율이 증대되는 것을 확인했다. 또한, 광자와 그래핀 자유전자 간의 초고속 상호작용에 의한 것임을 이론적으로 규명하고, 기존의 3차원 그래핀 물질과 비교했을 때 월등한 광변조 효과가 있음을 밝혀냈다.
이번 연구는 2차원 물질 분야에서 국제적으로 저명한 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 반도체소자 개발에 폭넓게 활용할 수 있는 원천기술로 신산업 창출이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
[그림 1]퀼트와 같이 서로 다른 결정방향의 그래핀 결정이 모여 있는 구조의 그래핀 제작과 적층에 성공했다. 이를 통해 강력한 테라헤르츠파는 투과시키고, 약한 테라헤르츠파는 흡수하는 광 제어 능력이 획기적으로 강화됐다.
[그림 2]기존의 흑연과 유사한 두 겹, 네 겹 층의 그래핀 소자들과 새로 개발된 동일 층의 그래핀 소자들의 비선형 광변조효율을 단층 그래핀과 비교한 그래프. 가로축은 입사된 테라헤르츠파 빛의 세기이며, 세로축은 투과율을 나타낸다.
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