"반도체 위에 '나노 레이저' 고밀도 배치…형태 설계 자유자재"

나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있는 새로운 제작 기술이 개발됐다. 나노 레이저는 머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리할 수 있게 한다. 거대 인공지능(AI) 운용을 위한 초고속 광컴퓨팅, 양자 암호 통신 등 첨단산업에서 나노 레이저는 차세대 반도체 핵심 소자로도 주목받는다.

반도체 칩 위 '나노 레이저' 작업 이미지(AI 생성). KAIST 제공

KAIST는 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 POSTECH 노준석 교수 연구팀과 공동으로 초고밀도 광집적회로의 핵심 소자인 '수직형 나노 레이저'를 만들 수 있는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

기존 반도체 제조 방식인 리소그래피 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데 효과적이다. 하지만 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자의 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어려운 제약이 있다.

또 기존 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간을 많이 차지하는 데다 빛이 아래로 새어 나가 효율이 떨어지는 문제를 보인다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빛을 효율적으로 만들어낼 차세대 반도체 소재 '페로브스카이트'를 수직으로 쌓아 올리는 새로운 3D 프린팅 방식을 개발했다. 이는 전압을 이용해 극소량의 잉크 방울(아토리터)을 정밀하게 제어하는 '초미세 전기유체 3D 프린팅' 기술이다.

이 기술을 이용해 공동연구팀은 재료를 깎아내는 복잡한 공정 없이 원하는 위치에서 머리카락보다 훨씬 가는 기둥 모양의 나노 구조물을 수직으로 직접 인쇄하는 데 성공했다. 무엇보다 인쇄된 페로브스카이트 나노 구조물의 표면은 매우 매끄러워 레이저 효율이 크게 높아졌다.

(왼쪽부터) 김지태 KAIST 교수, 스치 후 박사(제1저자, AI 기반 지능형 설계-제조 통합 연구단, KAIST-포항공대), 노준석 포항공대 교수. KAIST 제공

공동연구팀은 프린팅 과정에 기체상 결정화 제어기술을 결합해 결정이 하나로 정렬된 고품질 구조를 구현했다. 이 결과 빛의 손실을 최소화하면서 안정적으로 작동하는 '고효율 수직형 나노 레이저'를 구현할 수 있었다고 강조했다.

또 나노 구조물의 높이를 조절해 레이저가 내는 빛의 색을 정밀하게 바꿀 수 있는 것을 입증했다. 이를 활용하면 육안으로는 보이지 않고 특수 장비로만 확인할 수 있는 레이저 보안 패턴 제작이 가능해 위조 방지 기술로서의 상용화 가능성도 크다는 게 공동연구팀의 설명이다.

김 교수는 "이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술의 상용화를 앞당기는 데도 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr