"머리카락보다 가는 레이저 칩 위에"…수직형 나노 레이저 공정 개발

보도기사

나노레이저(AI 생성 이미지)

머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있는 새로운 제작 기술이 제시됐습니다.

KAIST 기계공학과 김지태 교수팀이 POSTECH 노준석 교수팀과의 공동 연구를 통해, 반도체 칩 위에 고효율 수직형 나노 레이저를 고밀도로 구현할 수 있는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했습니다.

기존 반도체 제조 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데는 유리하지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자의 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어렵다는 한계가 있었습니다.

또 대부분의 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간을 많이 차지하고, 빛이 아래로 새어 나가 효율이 떨어지는 문제가 있었습니다.

페로브스카이트 나노 레이저 3차원 프린팅

연구팀은 이러한 한계를 넘기 위해 빛을 효율적으로 만들어내는 차세대 반도체 소재인 페로브스카이트를 수직으로 쌓아 올리는 3D 프린팅 방식을 도입했습니다.

전압을 이용해 눈에 보이지 않을 만큼 작은 잉크 방울을 정밀하게 제어하는 초미세 전기유체 3차원 프린팅 기술을 적용해, 원하는 위치에 머리카락보다 훨씬 가는 기둥 형태의 나노 구조물을 수직으로 직접 인쇄했습니다.

이 방식은 재료를 깎아내는 복잡한 후처리 공정 없이도 나노 구조를 수직으로 구현할 수 있다는 점이 특징입니다.

특히 프린팅 과정에 결정 성장 제어 기술을 결합해 표면을 매우 매끄럽게 만들면서, 빛 손실을 줄이고 레이저 효율을 크게 높였습니다.

연구팀은 이렇게 제작한 수직형 나노 레이저가 안정적으로 작동하며, 구조물의 높이를 조절해 레이저가 내는 빛의 색을 정밀하게 바꿀 수 있음을 확인했습니다.

이를 활용해 육안으로는 식별하기 어렵지만 특정 장비로만 확인 가능한 레이저 보안 패턴도 구현해 위조 방지 기술로의 활용 가능성도 제시했습니다.

김지태 교수는 "이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 한다"며, "초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술의 상용화를 앞당길 것"이라고 말했습니다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지, ACS Nano에 지난 해 12월 6일 자 온라인 판으로실렸습니다.

TJB 대전방송

(사진=KAIST)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr