광학적 비선형성 연구 통해 흑린 소재 재발견
최근 각종 고기능성 나노 소재와 이를 이용한 광·전자 소자가 발달함에 따라, 이들의 상호 통신에 따른 데이터 전송량 확장에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 예를 들어, 집 한쪽 벽면을 장식할 고해상도 스마트 TV나 원격 의료를 위한 양방향 통신은 상당량의 데이터 전송이 필요하며, 이를 위해 기존의 한정된 통신 인프라에서 벗어나 하드웨어와 소프트웨어 양 측면에서 큰 변혁이 요구되고 있다.
나노 기술의 발달은, 최종 소비자가 직접적으로 다루는 ‘단말기’를 극단적으로 발전시켰지만, 통신 기술 발전에도 크게 기여했다. 특히 전자 소자의 고속, 저전력 구동 및 집적화에 많은 연구력이 투입되어 반도체 기반의 데이터 처리(저장, 연산, 통신 등)에서 거의 이론적 한계에 다다를 정도가 되었다.
그러나 결국 필요한 데이터 통신의 수요는 개별 전자소자의 발전 속도보다 훨씬 빠르게 증가하고 있으며, 이를 해결하는 데에는 전자소자만으로 풀기 어려운 어려움들이 남게 되었다. 따라서 전자소자와는 독립적으로 동작 원리를 가지며 서로 호환성이 보장되는 새로운 개념의 소자 도입이 설득력을 얻고 있고, 그중에서도 탁월한 데이터 처리 속도를 지닌 포토닉스 소자가 긍정적 융합 해법을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.
빠른 처리 특성을 유지하면서 기존의 전자 소자와 호환 가능한 동작 환경(크기, 구동 전압, 전력량 등)에 적응할 수 있는 광학소자 개발에는 역시 나노 소재의 개발 및 그 응용이 필수적이다.
차세대 전자 소자와 광학소자 간 가교 역할에 적합한 ‘흑린’
최근까지 CNT와 그래핀 등 나노카본 소재가 초고속 광학 스위칭으로 연구되었지만, 이들을 기반으로 전자 소자가 제작될 경우 전자적 ON/OFF 변환 특성 등 전자적 동작 특성에 한계를 갖게 된다. 반면에 새롭게 연구되는 흑린(Black Phosphorus) 소재의 경우 전자 소자의 특성을 대폭 향상시키는 한편, 초고속 광학 스위칭의 특성도 함께 보유하고 있어 차세대 전자 소자와 광학소자 간의 가교(Bridging) 역할에 적합한 소재라고 평가되고 있다. 이러한 흑린 소자를 이용, 초고속 펨토초 레이저를 제작하여 보고한 연구도 있었지만, 이번 연구에서는 흑린 기반의 광학 데이터 스위칭을 수십GHz의 속도로 실현했다.
그래핀을 발견한 이후 2차원 소재에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 흑린은 전자이동성이 우수하고 높은 비선형성[광학적 비선형성: 광학 매개체에 가해지는 전기장 또는 자기장의 세기에 따라 광학적 특성이 선형적(1차 비례 관계)으로 변하는 것이 아니라, 비선형적(2차 이상의 관계)으로 규정되는 특성]을 갖고 있어, 차세대 광·전 융합소자 구현의 필수 소재로 주목받고 있다.
국내 연구진은 이러한 흑린의 비선형성에 대한 연구를 바탕으로 초고속 광학스위칭 소자를 개발했다. 초고속 광학스위칭 소자의 경우, 비선형성이 높을수록 가해지는 작은 전자기장의 세기에도 광전소자의 ON 상태와 OFF 상태가 명확해져 우수한 특성을 기대할 수 있다. 광섬유를 이용한 소자에서는 대표적인 비선형성으로 FWM(Four Wave Mixing)을 들 수 있다. FWM은 두 개의 각각 다른 파장의 채널이 비선형성 물질 내에서 상호 작용할 때 채널 두 개가 새로 생성되는 현상을 말한다.
전자소자와 초고속 광학소자의 융합
광통신의 경우, 서로 다른 곳에서 오는 독립적인 데이터를 받을 때 한꺼번에 같은 파장의 데이터를 받을 수 없으므로, 특정한 파장을 가진 레이저에 실린 데이터를 전체적으로 다른 파장으로 복사, 즉 동일한 데이터에 대한 파장 변환을 통해 데이터 묶음들의 충돌을 피할 필요가 생긴다. 이 경우, 원래 데이터가 실린 속도대로 개별 광신호를 하나하나 다른 파장으로 옮겨야 하는데, 이와 같은 동작은 매우 빠른 속도(초고속 데이터가 실린 속도와 동일한 속도 이상)로 이루어져야 원래 데이터의 변형과 왜곡을 막을 수 있다.
일반적으로 광학적 비선형성은 이처럼 빠른 속도의 동작을 충분히 제공할 수 있다. 이번 실험에서는 이러한 광학적 비선형성을 흑린 나노소재에서 확인하고, 이를 응용해 기존의 광학소자보다 높은 전자소자 호환성을 가진 흑린 기반 광학소자를 구현했다. 비선형성 중 특히 FWM이라는 현상을 이용해, 20GHz 속도로 실린 광신호의 특정 파장을 추가적인 두 개의 파장에 그대로 복사하는 데 성공한 것이다. FWM 현상에 대한 개념적 모식도를 그림 1에 나타냈다.
▲ 그림 1. 두 개의 채널이 흑린 소자를 통과할 때 FWM에 의해 두 개의 추가
채널을 생성하며, 기존의 초고속 광신호를 그대로 복사한다.
이러한 특성은 광통신 분야에서 신호의 변형, 복사, 연산 등에 활용되고 있다. 특히, 특정 파장으로 이송되는 광신호를 다른 파장으로 복사하는 과정이 매우 빠르게 이루어져 초고속 신호처리에 적합하며, 흑린과 같이 우수한 비선형성 나노소재를 사용할 경우 최소 공간 내에서 적은 양의 에너지로도 동작이 가능해, 기존의 기술보다 월등한 효율을 보여준다. 연구진은 기존 미터(m)에서 길게는 킬로미터(km) 단위의 특수 광섬유를 요구하던 비선형 광학 소자를, 흑린을 사용한 밀리미터(mm) 단위 소자로 대체하여 흑린의 비선형성을 정량적으로 분석했으며, 20GHz의 변조(Modulation) 속도로 스위칭을 구현했다.
KIST(한국과학기술연구원) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 기존에 전자소자용으로만 연구되던 흑린 활용 기술을 초고속 광학소자용으로 확장했을 뿐 아니라, 빠른 데이터 처리 능력을 가진 광학소자와 집적 전자소자와의 호환 가능성을 높이는 결과를 보여주었다. 이번 연구 결과는 현재 집적화의 한계에 부딪힌 전자소자의 처리 능력을 대폭 향상시킬 대안으로, 광·전 융합소자에 대한 현실적인 접근이라는 평가를 받고 있다.
송용원 박사는 “흑린을 활용하여 제작된 초고속 광학 데이터 스위칭 소자는 20GHz 속도에서 그 성능을 확인했다”며, “개인통신 단말기, 의료 시스템, 센서 네트워크, 엔터테인먼트, 스마트 운송시스템 등 데이터 트래픽(Traffic)에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 현 시점에서 기존의 전자소자와 초고속 광학소자의 융합은 디지털 라이프의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.
이번 연구는, 추후 집적 전자소자와 호환성을 지닌 초고속 광학 소자의 현실화에 한걸음 다가간 것으로 평가되며, 더 높은 효율의 신 나노소재 발굴과 초고속 광학 응용에 있어서 더 많은 발전이 이루어질 것으로 기대된다.
정리: 김희성 기자(npnted@hellot.net)
