'그래핀+메타물질'로 빛 제어… 광메모리 소자 개발 가능성 열려

[아시아경제 정종오 기자] '그래핀+메타물질'로 빛을 자유자재로 제어해 손톱보다 작은 초소형 광변조기나 광메모리 소자를 개발할 수 있는 가능성이 열렸다.

자연에 존재하는 2차원 물질인 그래핀과 국내 연구진이 자체 개발한 인공적 2차원 메타물질을 결합해 빛의 투과도를 효과적으로 제어할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이에 따라 광메모리 등 다양한 그래핀 광소자에 대한 개발 전망이 밝아졌다.

그래핀은 고유의 전자구조로 인해 근적외선과 가시광선의 약 2.3%의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 투명전극으로 응용된다. 투명전극은 LCD(액정표시장치), OLED(유기발광다이오드) 등 평판 디스플레이, 스마트폰 등에 사용되는 터치스크린이나 태양전지 개발에 매우 중요한 전자부품 중 하나이다.

전 세계 연구자들은 그래핀의 전기적 특성을 극대화해 반도체와 투명전극 등을 개발하고자 노력했다. 반면 그래핀이 지닌 특성 중 하나인 광학적 투과도는 전기적인 방법으로 제어하는데 한계가 있고, 데이터를 빛으로 주고받을 때 광변조의 폭도 좁아 광변조기나 광소자로 응용되기에 제약이 있어 연구자들의 큰 주목을 받지 못했다.

▲그래핀+메타물질 제작도

민범기 교수(39) 연구팀은 파장의 100만분의 1인 얇은 두께(0.34 나노미터)의 그래핀과 메타물질을 결합함으로써 빛의 투과도를 효과적으로 제어해 그래핀만 사용했을 때보다 수십 배 이상 광변조의 폭을 높일 수 있음을 증명해 냈다.

이번에 개발한 '그래핀 메타물질'은 매우 얇고 잘 휘어지는 고분자 기판 안에 그래핀과 메타물질(금으로 된 벌집모양의 인공원자) 및 전극이 집적화돼 전기를 이용해 빛의 투과도를 제어할 수 있다는 점이 특징이다.

또 그래핀 메타물질은 투과되는 빛의 세기와 위상을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 이력현상을 이용해 빛의 투과도를 기억해 그래핀 광메모리 소자로 응용 될 수 있음을 실험적으로 증명했다.

지난해 자연계에 존재하지 않는 굴절률 높은 메타물질을 제작해 '네이처'에 발표했는데 이번 연구는 연구팀이 만든 메타물질의 특성을 그래핀과 접목해 광학적 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 검증했다는 점에서 의미가 크다.

민범기 교수는 "이번 연구는 10억분의 1미터인 나노미터보다 얇은 두께에서 빛을 효과적으로 조절할 수 있어 손톱보다 작은 초소형 광변조기나 광메모리 소자를 개발할 수 있는 가능성을 열었다"고 연구의의를 설명했다.

이번 연구에는 KAIST 민 교수를 비롯해 이승훈 박사생(제1저자, 30세), ETRI 최무한 박사(제1저자, 41세) 및 김튼튼 박사(제1저자, 31세)가 주도하고 이승섭 교수, 최성율 교수, ETRI 최춘기 박사, 미국 UC버클리대 샹장(Xiang Zhang) 교수 등이 참여했다. 연구결과는 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 'Nature Materials' 최신 온라인 판(9월 30일자)에 게재됐다.

정종오 기자 ikokid@