미사일 추적 광센서 기반 기술 '어쿠스틱 그래핀 플라즈몬' 최초 관측 성공

레이저(빛)를 쪼여 그래핀과 금 사이에 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬이 생성되는 개념도. KAIST 제공

국내 연구팀이 미사일 추적용 광센서와 인체 측정용 적외선 센서에 사용되는 광전소자 성능을 획기적으로 끌어올릴 기반 기술을 개발했다. 

장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST), 기초과학연구원(IBS), 미국 미네소타대 등과 5~10μm(마이크로미터·1μm는 100만 분의 1m)의 중적외선 대역에서 처음으로 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬(AGP)을 관측하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 

플라즈몬은 물질 내부에 있는 자유전자가 빛과 결합한 전자기파를 말한다. 그래핀에서 자유전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 그래핀 플라즈몬은 10여 년 전 처음 발견됐다. 그래핀에 유전체와 금속판을 결합하면 전자가 집단으로 진동하면서 이동하는 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬이 생긴다는 사실도 확인됐다. 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬은 빛과 상호작용이 뛰어나 광 집속도가 높다는 사실은 이론적으로 알려져 있었지만, 지금까지 한 번도 직접 관측되지 않았다.  

연구진은 산란형주사근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 이를 처음으로 촬영하는 데 성공했다. 그래핀 합성은 이영희 성균관대 IBS 나노구조물리연구단장팀이, 그래핀-유전체-금속판 구조체는 오상현 미네소타대 전자및컴퓨터공학부 교수와 이인호 한국과학기술연구원(KIST) 선임연구원이 맡았다. 

논문의 공동 제1 저자인 이 선임연구원은 “어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 이용하면 이론적으로는 10배 이상, 실제 실험에서는 2배 이상 빛이 더 많이 집속된다는 사실을 확인했다”고 설명했다.

실제로 연구진이 유전체로는 산화알루미늄(Al₂O₃)을, 금속판으로는 금을 선택해 그래핀에 결합한 뒤 그래핀에서 나타나는 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 측정한 결과 산화알루미늄의 두께가 18nm일 때는 빛의 파장이 8.7μm에서 40배로 응축됐고, 두께를 8nm로 줄이면 빛의 파장이 156nm에서 파장이 56배로 더 많이 응축됐다.

 
이 선임연구원은 “그래핀처럼 2차원 물질은 두께가 1nm보다 작아 빛과 상호작용하기 어려운데, 플라즈몬을 이용하면 빛과 상호작용을 통해 광 집속도를 높여 광전소자로 활용할 수 있다”며 “이번 연구는 미사일 추적이나 인체 적외선 센서 등 실제 활용도가 높은 중적외선 대역에서 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 처음 관측했다는 점에서도 의미가 있다”고 말했다. 

장 교수는 “향후 물질과 빛 사이의 강한 상호작용이 필요한 상황에서 어쿠스틱 그래픽 플라즈몬을 이용한 연구가 더욱 활발해질 것”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 2월 19일자에 게재됐다. 

[이현경 기자 uneasy75@donga.com]