최종편집 : 2020.7.31 금 16:47
> 뉴스 > SG/신산업
       
원자력硏, 3차원 그래핀 소자 개발 성공
KAIST와 테라헤르츠파 광변조 소자 개발
2017년 05월 15일 (월) 16:06:54 박기진 기자 kjpark@epnews.co.kr

2차원 물질인 그래핀을 3차원 구조로 만들면 고유한 물성을 잃어버린다는 학계의 정설을 깨뜨리는 결과가 국내 연구진에 의해 발견됐다. 연구결과는 차세대 통신용 소자 개발 연구를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.

한국원자력연구원(원장 하재주) 백인형 박사(양자광학연구부 초고속방사선연구실 선임연구원)와 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 뿐 아니라 원자 한 층 만이 생성하는 전자들의 고유한 에너지밴드 구조로 인해 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있어 광변조 소자 분야에서 각광 받아 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. 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 남아있었다.

대표적인 예가 흑연으로 연필심의 주 원료로 잘 알려진 흑연은 여러 층의 그래핀이 자연 상에서 결합해 3차원 형태로 존재하는 물질이다. 흑연의 경우 적층 과정에서 인접한 층 사이의 일정한 결정성에 의해 그래핀 고유의 에너지밴드 구조가 왜곡되어 광변조 능력을 상실하게 된다.

연구진은 작은 그래핀 조각들로 이뤄진 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 이뤄진 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 원자력연구원에서 개발한 강력한 초고속 테라헤르츠파를 그래핀 물질에 조사해 광변조 효율을 측정한 결과 개발된 3차원 그래핀 소자에서 그래핀의 층수를 증가시킬수록 테라헤르츠파의 광변조 효율이 증대되는 것을 확인했으며 이는 광자와 그래핀 자유전자 간의 초고속 상호작용에 의한 것임을 이론적으로 규명해냈다. 또한 기존의 3차원 그래핀 물질과 비교했을 때 월등한 광변조 효과가 있음을 밝혀냈다.

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.

박기진 기자의 다른기사 보기  
ⓒ 한국전력신문(http://www.epnews.co.kr) 무단전재 및 재배포금지 | 저작권문의  

     
전체기사의견(0)  
 
   * 200자까지 쓰실 수 있습니다. (현재 0 byte/최대 400byte)
   * 욕설등 인신공격성 글은 삭제 합니다. [운영원칙]
전체기사의견(0)
신문사소개기사제보광고문의불편신고개인정보취급방침청소년보호정책이메일무단수집거부
우) 137-060 서울 서초구 방배동 935-12번지 제보 및 문의 02-561-3524 | 팩스 02-522-0130
상호 : (주)한국전력신문사 | 사업자등록번호 : 215-86-22032 | 개인정보책임자 : 신홍주 | 청소년보호책임자 : 신홍주
Copyright 2006 한국전력신문. All rights reserved. mail to webmaster@epnews.co.kr