"나노기술 한계 극복"..UNIST, 고효율 광학소자 개발

김대식 교수팀, 서울대·강원대 공동연구 수행
금속 미세 틈 기반 고효율 광학 소자 개발
반도체 초미세 소자 제조 등에도 응용 가능

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 물리학과의 김대식 특훈교수팀이 0 나노미터(nm, 10-9m)부터 시작하는 초미세 틈 구조 제작 공정을 개발했다고 15일 밝혔다. 사진은 바다데브 다스 연구원, 윤형석 연구원, 김대식 교수 (왼쪽부터 차례대로) 2021.04.15. (사진=UNIST 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스]구미현 기자 = 국내 연구진이 금속의 미세한 틈을 이용해 고효율 광학소자를 개발하는데 성공했다. 나노공정 기술의 한계를 극복했다는 평가다.

UNIST(울산과학기술원)는 물리학과의 김대식 특훈교수팀이 0나노미터(10-9m)부터 시작하는 초미세 틈 구조 제작 공정을 개발했다고 15일 밝혔다.

이 '제로 갭 구조'를 잘 휘어지는 기판에 만들면 안테나 등에 쓸 수 있는 초고효율 광학 능동소자로 작동한다.

연구진이 개발한 제로 갭 구조는 얇은 금속 층으로 이뤄져있다. 기판위에 두 금속 층을 서로 인접하게 쌓을(증착) 경우 경계면에서만 초미세 균열이 생기는 원리를 이용했다.

같은 금속 물질을 서로 다른 조건에서 기판 위에 쌓았기 때문에 이 같은 현상이 발생한다. 기판을 휘게 해 당기는 힘(장력)을 가하면 0 나노미터에 가까운 틈새가 생기지만 장력을 제거하면 두 금속 층이 연결된 상태가 된다.

이처럼 열고 닫을 수 있는 제로 갭(틈) 구조는 전자기파(빛) 투과도가 1에 가까운 '온(on)'과 10-5 정도인 '오프(off)' 상태를 오가는 능동 광학 소자로 쓸 수 있다.

틈이 열려 있을 땐 축전 효과에 의해 틈 내부에 전기장이 강하게 증폭돼 전자기파가 높은 비율로 투과하지만, 틈이 일부만 닫히더라도 축전 기능이 사라져 투과도가 급격히 낮아지기 때문이다. 스위칭의 효율을 나타내는 on/off 비율은 무려 105에 달하며, on/off 전환을 무려 1만번 이상 반복한 이후에도 성능을 그대로 유지했다.

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 물리학과의 김대식 특훈교수팀이 0 나노미터(nm, 10-9m)부터 시작하는 초미세 틈 구조 제작 공정을 개발했다고 15일 밝혔다. 0나노미터 광학소자 특성을 분석한 연구그림. 2021.04.15. (사진=UNIST 제공) photo@newsis.com

김대식 특훈교수는 “틈 구조를 이용한 광학소자는 확실한 ‘단락’(on-off)이 존재하는 전기 회로 개념이 적용돼 스위칭 효율이 높다”며 “복잡한 나노 공정이 필요하지 않기 때문에 실제 소자로 즉각 활용하기에도 수월하다”고 설명했다.

공동연구원인 강원대학교 물리학과 정지윤 교수는 "마이크로파 및 테라헤르츠 파뿐만 아니라 중·근적외선 영역에서도 매우 효율적인 전자기파 단락이 가능하다"며 "5G 및 6G 통신에 활용되는 마이크로파와 테라헤르츠파 제어를 위한 차세대 능동 소자로 활용 가능성이 높다"고 전망했다.

한편 0 나노미터 광학소자 제작 기술은 반도체 소자 제작에도 쓰일 수 있다. 삼성, 인텔, TSMC 등의 반도체 기업의 소자 집적화 기술이 한계에 이른 상황에서 이를 극복할 차세대 기술로 응용 가능하다.

이번 연구는 광학소자 분야의 세계적인 저널 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈' (Advanced Optical Materials)에 3월 24일자로 공개됐다.

한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 UNIST와 서울대, 강원대학교의 공동 연구로 수행됐다.

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