디지털 라이프의 새로운 장 열 것으로 기대

국내 연구진이 차세대 광·전 융합소자 구현의 필수 소재로 주목받고 있는 흑린(Black Phosphorus)의 비선형성에 대한 연구를 바탕으로 초고속 광학스위칭 소자를 개발했다. 이번 개발로 데이터 트래픽(traffic)에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 현 시점에서 기존의 전자소자와 초고속 광학소자의 융합은 디지털 라이프의 새로운 장을 열 것으로 기대되고 있다.

국내 연구진이 전자이동성이 우수하고 높은 비선형성*을 가져 차세대 광·전 융합소자 구현의 필수 소재로 주목받고 있는 흑린(Black Phosphorus)의 비선형성에 대한 연구를 바탕으로 초고속 광학스위칭 소자**를 개발했다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 기존에 전자소자용으로만 연구되던 흑린 활용 기술을 초고속 광학소자용으로 확장했을 뿐만 아니라, 빠른 데이터 처리 능력을 갖는 광학소자와 집적 전자소자와의 호환 가능성을 높이는 결과를 보여줬다. 이번 연구 결과는 현재 집적화의 한계에 부딪힌 전자소자의 처리 능력을 대폭 향상 시켜줄 대안으로, 광·전 융합소자에 대한 현실적인 접근이란 평가를 받고 있다.

송용원 박사는 “흑린을 활용하여 제작된 초고속 광학 데이터 스위칭 소자는 20GHz 속도상에서 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 밝혔다.

흑린의 광학적 비선형성에 관한 연구는 최근에서야 각광받고 있으며, 이 소재를 이용한 광학스위칭 연구는 사실상 전무한 상태였다. 

이번 연구진이 개발한 흑린 광학소자는 Four Wave Mixing(FWM) 현상***을 이용, 진행되는 광신호를 다른 파장의 2차 채널에 정확히 복사해냈다. 이 과정에서 새롭게 생성되는 채널들은 서로 다른 파장임에도 불구하고, 기존 채널이 갖는 신호 특성을 그대로 보존했다. 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 나노 소재를 사용할 경우 최소 공간 내에서 적은 양의 에너지로도 동작이 가능하여, 기존의 기술보다 월등한 효율을 보여준다. 

연구진은 기존 미터(m)에서 길게는 킬로미터(km) 단위의 특수 광섬유를 요구하던 비선형 광학소자를 흑린을 사용한 밀리미터(mm) 단위의 소자로 대체하여 흑린의 비선형성을 정량적으로 분석했으며, 20GHz의 변조(modulation) 속도로 스위칭을 구현하는 데 성공했다.

논문의 제1저자인 시암 우딘(Siam Uddin) UST 통합과정 학생은 “광·전 분야에서 세계 최초로 효율적인 광학스위칭 소재로서의 흑린을 재발견하였으며, 연구 결과의 상용화를 위한 연구를 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 Scientific Reports에 2월 27일(월)자 온라인 판에 게재되었다. 

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*‌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 규정 되어지는 특성

**‌초고속 광학스위칭 소자 : 비선형성이 높을수록 가해지는 작은 전자기장의 세기에도 광전소자의 on상태와 off상태가 명확해져 소자의 우수한 특성을 기대할 수 있다. 광섬유를 이용한 소자에서는 대표적인 비선형성으로 four wave mixing (FWM)을 들 수 있음

***‌FWM : 두 개의 각각 다른 파장의 채널이 비선형성 물질 내에서 상호작용할 때 새로운 채널 두 개가 새로이 생성되는 현상을 지칭 

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연구 결과 개요

새로운 광학적 비선형 나노 소재인 흑린(Black Phosphorus)을 이용하여 수십 GHz 속도의 초고속 광학스위치 구현

최근 각종 고기능성 나노 소재와 이를 이용한 광·전자 소자의 발달로 인해, 이들의 상호 통신에서 데이터 전송량의 확장에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 

예를 들어, 집 한쪽 벽면을 장식할 고해상도의 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 엔드유저가 직접적으로 다루는 ‘단말기’들을 극단적으로 발전시킨 한편 통신 기술의 발전에도 큰 기여를 했다. 특히 전자 소자의 고속, 저전력 구동 및 집적화에 많은 연구력이 투입되어 반도체 기반의 데이터 처리(저장, 연산, 통신 등)에서 거의 이론적 한계에 다다르게 되었다. 그러나 결국 필요한 데이터 통신의 수요는 개별 전자소자의 발전보다 훨씬 빠른 속도로 증가하고 있으며, 이의 해결을 위해서는 전자소자 단독으로는 풀기 어려운 많은 어려움이 남게 됐다. 따라서 전자소자와는 독립적으로 동작 원리를 가지면서 서로의 호환성이 보장될 새로운 개념의 소자 도입이 설득력을 얻고 있고, 그 중에서 탁월한 데이터 처리 속도를 갖는 포토닉스 소자가 현재 전자소자가 직면한 문제점들의 긍정적 융합 해법이 될 수 있을 것으로 기대된다.

빠른 처리 특성을 유지하면서 기존의 전자소자와 호환 가능한 동작 환경(크기, 구동 전압, 전력량 등)에 적응이 가능한 광학소자의 개발에는 역시 나노 소재의 개발과 이의 응용이 필수적이다. 최근까지 CNT와 그래핀과 같은 나노카본 소재가 초고속 광학 스위칭에 연구되어 왔으나, 이들을 기반으로 전자소자가 제작될 경우 전자적 온오프 변환 특성 등의 전자적 동작 특성에 한계를 갖게 된다. 

반면, 새롭게 연구되는 흑린 소재의 경우 전자 소자의 특성을 대폭 향상시켜주는 한편 초고속 광학 스위칭의 특성도 함께 보유하여 차세대 전자소자와 광학소자 간의 가교 (bridging) 역할에 적합한 소재로 평가된다. 이러한 흑린 소자를 이용하여 초고속 펨토초 레이저를 제작하여 보고한 연구가 최근에 있었지만, 흑린 기반의 광학 데이터 스위칭을 수십 GHz의 속도로 연구한 내용을 본 연구에서 새롭게 보고했다.

광통신에서, 서로 다른 곳에서 보내오는 독립적인 데이터를 받을 경우 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 피해야 한다.  

이러한 경우, 원래 데이터가 실린 속도대로 개별 광신호를 하나하나 다른 파장으로 옮겨야 하는데, 이런 동작은 매우 빠른 속도(초고속 데이터가 실린 속도와 동일한 속도 이상)로 이루어져야 원래 데이터의 변형과 왜곡을 막을 수 있다. 일반적으로 광학적 비선형성은 이런 빠른 속도의 동작을 충분히 제공해 줄 수 있으며, 이러한 광학적 비선형성을 흑린 나노 소재에서 확인하고, 이를 응용하여 기존의 광학소자보다 높은 전자소자 호환성을 갖는 흑린 기반의 광학소자를 구현했다. 비선형성 중, 특히 four-wave-mixing(FWM)이라는 현상을 이용하여 20GHz의 속도로 실린 광신호의 특정 파장을, 추가적인 두 개의 파장에 그대로 복사하는 데 성공했다. <그림 1>에 FWM 현상에 대한 개념적 모식도를 나타냈다.

▲ 그림 1. 두 개의 채널이 흑린 소자를 통과할 때 Four-Wave-Mixing

(FWM)에 의해 두 개의 추가 채널을 생성함에 있어서, 기존의 초고속

광신호를 그대로 복사하는 작동에 대한 모식도

<그림 2>는 광 도파로상에 흑린 소재를 코팅하여 분석한 소재의 특성을 보여준다. 라만 스펙트럼과 X-ray 분석을 통해 코팅 후에도 흑린 소재의 특성 유지가 가능함을 확인했고 코팅된 물리적 제원도 분석했다. 이렇게 제작된 소자를 이용하여 광학 스위칭 실험을 실행했으며, 이의 실험 장치는 <그림 3>에 나타냈다. 또한 그림 3에서는 광학 데이터의 빠르기를 변화하면서 측정한 광학스위치의 동작 특성을 자세히 보여준다.

▲ 그림 2. 광도파로에 코팅된 흑린 소자의 특성 분석 결과

▲ 그림 3. 흑린 기반의 광학스위치를 이용한 초고속 광스위치 실험 장치 및 동작 특성

결과적으로 흑린 나노 소재에 의한 20GHz의 광학 스위칭 실험이 성공적으로 이루어졌으며, 흑린에 의해 스위칭의 효과가 어느 정도인지 정량적으로 측정/계산하여 분석했다. 본 연구는 추후 집적 전자소자와의 호환성을 갖는 초고속 광학소자의 현실화에 한걸음 다가간 것으로 평가되며, 이 분야의 연구 중요성을 고려할 때 더 높은 효율의 신 나노 소재 발굴과 이의 초고속 광학 응용에 대한 많은 발전이 기대된다.  

한국과학기술연구원