한국연구재단, 1V 전압으로도 빛 조절 가능해진다

GIST 송영민 교수, 멜버른대와 공동연구…새 광변조 소자 개발
능동물질과 빛 간 강한 상호작용 유도 소자…국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] 전기적으로 제어 가능한 Tamm 플라즈몬 공진기 모식도 및 전도성 고분자 구조.(사진=광주과학기술원 송영민 교수 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 매우 낮은 전압으로도 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 신소자가 개발됐다.

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 송영민 교수와 멜버른대학교 김세정 교수팀이 능동물질을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 '광 변조 소자'를 개발했다고 19일 밝혔다.

능동물질은 외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질이고, 광 변조 소자는 전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 물질이다.

현재 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation) 기술은 제한된 재료 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어키 위해 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있다.

이런 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고 제작 및 구동의 효율성을 떨어뜨린다.

이번에 공동연구팀은 광 변조 소자의 효율을 높이기 위해 저전압 동작에서 광변조를 가능케 하는 새로운 구조와 재료 발굴에 나서 단순한 구조설계로 능동물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다.

연구진은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한 곳에 모아 강한 흡수현상이 나타날 수 있게 하는 '탐(Tamm) 플라즈몬' 구조를 소자에 적용했고 그 결과 99% 이상의 반사율 변조가 나타남을 확인했다.

능동물질로 쓰인 전도성 고분자는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였다.

연구팀은 저전압으로 빛을 제어할 수 있게 돼 향후 광학메모리와 뉴런-시냅스의 신경생물학적인 작동방식을 모사한 광학적 뉴로모픽 소자로도 활용이 가능할 것으로 예상하고 있다.

한국연구재단이 추진하는 개인연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 4일자로 온라인 게재됐다.(논문명:Sub-1-Volt Electrically Programmable Optical Modulator Based on Active Tamm Plasmon)

송영민 교수는 "기존 광 변조 소자의 낮은 변조율 문제와 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발했다"며 "향후 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화해 인-포토닉(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것"이라고 말했다.

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