1V 이하 전압으로 광 변조 소자를 동작 중인 광주과학기술원(GIST) 연구진. 송영민(왼쪽부터) 교수, 고주환 연구원. [GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자 개발에 성공했다.

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 송영민 교수와 멜버른대학교 김세정 교수 공동연구팀이 능동물질을 활용해 1V(볼트) 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자를 개발했다고 밝혔다.

최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광 변조 소자의 발전이 가속화되고 있다.

하지만 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation) 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있었다.

이러한 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성을 저해한다.

공동연구팀은 광 변조 소자의 효율을 높이기 위해서는 저전압 동작에서 광변조를 가능하게 하는 새로운 구조와 재료가 필요하다는 데 착안, 단순한 구조 설계로 능동물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다.

먼저 연구진은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한곳에 모아 강한 흡수 현상이 나타날 수 있게 하는 탐(Tamm) 플라즈몬 구조를 소자에 적용했고, 그 결과 99% 이상의 반사율 변조를 나타냄을 입증했다.

김세정 멜버른대학교 교수.[멜버른대 제공]

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.

저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리와 광학적 뉴로모픽 소자 활용도 가능할 것으로 예상되고 있다.

송영민 교수는 “기존 광 변조 소자의 낮은 변조율 문제와 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발한 것”이라며 “향후 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화하여 인-포토닉 컴퓨팅 분야로 확장할 계획”이라고 밝혔다.

한국연구재단 개인연구사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일 온라인 게재됐다.