매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자가 개발됐습니다.
한국연구재단은 송영민 교수(광주과학기술원)와 김세정 교수(멜버른대학교) 공동연구팀이 능동물질[1]을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자[2]를 개발했다고 밝혔는데요.
최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광 변조 소자의 발전이 가속화되고 있습니다. 그러나 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation)[3] 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있었습니다. 이러한 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성을 저해합니다.
이에 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 성공했습니다. 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[4]구조를 소자에 적용했고, 그 결과 99% 이상의 반사율 변조를 나타냄을 입증했습니다.
능동물질로 쓰인 전도성 고분자[5]는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였습니다. 저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리[6]와 광학적 뉴로모픽 소자[7] 활용도 가능할 것으로 예상되고 있습니다.
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(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것”이라고 밝혔습니다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일(목) 온라인 게재됐습니다.
논문명 : Sub-1-Volt Electrically Programmable Optical Modulator Based on Active Tamm Plasmon
#용어설명
[1] 능동물질: 외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질
[2] 광 변조 소자: 전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 소자
[3] 광변조(optical modulation) : 빛을 이용해 정보를 전달할 때 빛의 세기나 파동의 주기를 정보에 따라 바꾸는 일
[4] 탐(Tamm) 플라즈몬: 반복적으로 코팅된 유전체층과 흡수층이 결합된 형태의 강한 흡수를 발생시키는 현상
[5] 전도성 고분자: 전기가 통하는 유기물 고분자. 본 연구에서는 PEDOT:PSS를 칭함
[6] 광학메모리: 빛을 이용해 정보의 저장 및 판독이 가능한 소자
[7] 뉴로모픽 소자: 기존의 디지털 트랜지스터와 달리 뉴런-시냅스의 신경생물학적인 작동방식을 모사한 소자
