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[국내] 그래핀 주입 전기로 작동하는 나노레이저 개발, 어떤 광소자도 전기로 쉽게 움직이는 가능성 열어
2012-12-13



박홍규 교수 연구팀은 그래핀을 이용한 전기주입 방법으로 레이저 빛을 발생시키는 새로운 나노레이저를 개발했다. 박 교수팀은 금속 전극이 갖는 문제점을 해결하고자, 금속 전극보다 전기 저항이 적으면서 휴지처럼 유연한 그래핀을 선택했다. 또한, 그래핀은 두께가 매우 얇기에 빛이 잘
투과돼 그래핀을 레이저 가까이 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란하는 현상이 거의 없어 레이저 특성에 크게 영향을 미치지 않는다.
연구팀은 직경 500㎛(10억 분의 1m)의 매우 작은기둥 위에그래핀 전극을올리고, 이전극으로 전류를주입해 나노 기둥 LED를 구동하는 데도 성공했다.
이 결과는 모든 광소자를 크기와 구조에 관계없이 쉽고간편하게전기로움직일수있음을보여준다.제작 공정을 단순화한 새로운 나노레이저 개발로전기로 움직이는 나노레이저 실용화와 대량 생산이가능해졌다. 또한, 그래핀으로 전극을 만드는 이번연구 성과로 나노 구조체에 전기를 보내는 방법이매우 쉽고 단순해졌다. 특히, 전극의 위치와 모양을별도로 디자인할 필요 없이 기존 방식대로 레이저구조를 만든 후, 그 위에 전체적으로 그래핀을 덮기만 하면 된다. 연구팀이 만든 나노레이저를 이용해기존 컴퓨터보다 빠른 정보 처리 능력을 나타내는광컴퓨터를 현실화할 것으로 보인다.
박홍규 교수는 "그동안 전기로 움직이는 나노레이저는 제작할 때 복잡한 공정을 피할 수 없었다"며 "우리 연구팀이 개발한 그래핀을 이용한 나노레이저는 복잡한 공정을 절반가량 줄여 나노레이저의대량 생산을 기대할 뿐만 아니라, 머지않은 미래에 광컴퓨터를상용화할 수 있는 핵심 기술이될 것으로 전망한다"고 연구 의의를 밝혔다.

 전기로 움직이는 나노레이저실용화
극미세 나노 광소자는 낮은 전력 소모, 빠른 변조 속도 그리고높은 집적도 등 장점이 많아 현재 다양한 나노 광소자를 구현하기 위한 연구가 활발하다. 이들 나노 광소자를 실용화하려면전기 구동이 필수지만, 전류를 주입하는 전극을작은 나노 구조 안에 만들기는 매우 어렵다. 특히,나노레이저는 전극과 같은 금속 구조에 의해 광손실이 크기에 전기 구동 나노레이저를 구현하는것은 기술적으로 상당히 힘들었다. 레이저 빛이금속 전극에서 흡수되고 산란되므로, 이를 피하려면 매우 복잡한 공정 과정이 필요했기 때문이다.
따라서 현재 대부분의 나노레이저는 전기 구동이아닌 광 펌핑(Optical Pumping)을 통해 레이저
빛을 발생시킨다.
박홍규 교수팀은 세계 최초로 그래핀을 이용해,이러한 문제점을 해결하고 전기 구동 나노레이저
구현에 성공했다. 그래핀은 기존 금속 전극보다 전기 전도도가 우수하고 물리적으로 유연하다. 또한,두께가 매우 얇기에 빛이 잘 투과할 수 있어 투명전극으로 응용할 수 있다. 이러한 그래핀을 마이크로디스크 공진기에 결합함으로써 공진기 내부에 있는 InGaAsP 반도체 물질에 전류를 효과적으로 주입할 수 있고, 그 결과 이 반도체 물질에서 발생되는 1.5㎛ 파장의 빛은 마이크로디스크 공진기 내부에 갇혀서 레이저 빛으로 증폭된다.
연구팀은 직경 5㎛의 마이크로디스크 공진기를 반도체 공정 방법을 이용해 제작했다. 마이크로
디스크 공진기 가장 자리에 절연체 링 구조물을 만들고, 그 위에전체적으로 그래핀을 덮기만 하
면 전기 구동 나노레이저가 완성된다. 금속 전극과 다르게 그래핀은 공진기 가까이에 위치하더라도 광 손실이 크지 않아 전기 구동 레이저를 쉽게 제작할 수 있다. 제작된 레이저의 문턱 전류는00㎂로 상당히 작은데, 이는 기존 나노레이저의 문턱 전류와 비슷한 수치다. 복잡하고 까다로운 추가 공정 과정을거치지 않았음에도 기존의 복잡한 방식으로 제작된레이저들에 비해 광학적인 성능이 뒤처지지 않음을 보여준다.
그래핀을 이용해 광소자를 전기적으로 작동시키는 이 기술은 특별한 제약 없이 다양한 광소자에 응용할 수 있다. 연구팀은 직경 500㎚에 불과한 나노기둥 위에 그래핀 전극을 올리고 전류를 주입해 나노 LED 또한 성공적으로 구현했다. 더욱 작은 나노 구조의 전기 구동 실험에 성공함으로써, 높은 집적도의 광 회로를 쉽고 간편하게 제작하고 실용화하는 것이 가능해졌다.
연구팀이 개발한 나노레이저를 이용하면 전자가아닌 빛을 정보 신호로 이용하는 광컴퓨터 또한 가까운 미래에 개발할 것으로 기대한다. 광컴퓨터는기존 컴퓨터에 비해 훨씬 작은 공간에서 보다 빠른정보 처리 능력을 보일 수 있는 궁극적인 컴퓨터다.
그래핀 투명 전극을 나노레이저에 최초로 활용한이번 연구 결과를 통해 나노레이저의 실용화 및 대량 생산의 가능성을 열었고, 광컴퓨터와 같은 미래기술 개발에 새로운 패러다임을 제시했다.

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