굽힘으로 빛 신호를 키우는 유연 광 변환소자.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 휘어지면 성능이 저하된다는 기존 상식이 뒤집혔다. 국내 연구진이 구부러지면 더 신호가 강해지는 초박막 광 변환 소자 개발에 성공했기 때문다.

UNIST(울산과학기술원) 물리학과 박형렬·남궁선 교수팀은 아주대 물리학과 안영환 교수팀과 함께 굽힘으로 광학 신호 세기를 조절할 수 있는 유연 광 변환 소자를 개발했다고 17일 밝혔다.

광 변환 기술은 흔히 보이는 레이저나 정밀 광학 장비 등에 이미 쓰이는 기술이지만, 빛을 두꺼운 매질에 통과시켜 조절하는 방식이라 기기 크기를 작게 만들기 어렵다.

이황화몰리브덴과 같은 얇은 2차원 반도체를 이용한 광 변환 소자 개발이 진행되고 있지만 워낙 두께가 얇다 보니, 구부러지거나 잡아당기면 이미 약한 신호가 더 약해진다는 문제가 있었다.

연구팀은 금속 나노슬릿 기반 플라즈모닉 메타표면과 단층 이황화몰리브덴 반도체를 결합, 기계적 변형에 따라 비선형 광응답을 조절할 수 있는 구조를 제작했다.

광 소자 구조에 가는 틈을 만들어 소자의 내구성을 높이고, 구부렸을 때 오히려 변환 신호가 더 강해지도록 고안했다. 안쪽으로 구부리면 틈이 더 좁아지면서 빛의 전기장이 강하게 집중되고, 이황화몰리브덴에서 나오는 광신호가 더 커지는 원리다.

박형렬(왼쪽부터) UNIST 교수, 안영환 아주대학교 교수, 서박염(SHARMA SOBHAGYAM) UNIST 연구원.[UNIST 제공]

실험에서 이 소자는 800나노미터 빛을 400나노미터의 제2고조파 신호로 변환했으며, 안쪽으로 구부려 약 1.2%의 압축 변형을 가하자 변형 전보다 신호가 약 3배 증가했다. 이는 평탄한 금 박막 위 이황화몰리브덴 대비 최대 약 8400배의 국소 증강 효과에 해당한다.

또 반복 굽힘 실험에서도 190회 이상 사용했을 때 95% 이상의 신호를 유지했으며, 분광분석 결과 나노 틈이 없는 소자와 비교해 이황화몰리브덴 반도체 소재 손상이 적었다.

박형렬 교수는 “유연 광소자나 굽힘 상태에 따라 신호가 강해지거나 약해지는 변형을 신호로 읽어내는 센서 개발에 응용될 수 있다”면서 “웨어러블 광센서, 가변형 광변조기, 초소형 주파수 변환 소자 등 차세대 유연 광전자 및 집적 광학 시스템에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 8일 게재됐다.