‘그래핀+자체 개발 메타물질’ 결합…광소자 개발 가능성 열려

자연에 존재하는 2차원 물질인 그래핀과 국내 연구진이 개발한 인공적인 2차원 메타물질이 결합하면 빛의 투과도를 효과적으로 제어할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 연구 결과에 따라 향후 광메모리 등 다양한 그래핀 광소자에 대한 개발이 활성화 될 것으로 기대된다.


 


그래핀(Graphene)은 벌집모양의 탄소 원자 배열이 2차원 평면에 펼쳐져 있는 얇은 막 구조. 전류를 구리보다 100배 많이, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열전도성이 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강해 꿈의 신소재라 불리는 물질이며, 메타물질(Metamaterials)은 자연계에 없는 존재하지 않는 성질을 가지는 인공적인 물질을 지칭한다. 또, 광소자(Optical Devices)는 빛의 생성, 검출, 변조 및 제어 등을 할 수 있는 소자이다.


 


KAIST 민범기 교수와 이승훈 학생(박사과정), ETRI 최무한 박사 및 김튼튼 박사가 주도하고, 이승섭 교수, 최성율 교수, ETRI 최춘기 박사, 미국 UC버클리대 샹장(Xiang Zhang) 교수 등이 참여한 이번 연구 결과는 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’ 의 자매지로서 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nature Materials’ 최신 온라인 판(9월 30일자)에 게재됐다.


 



 


그래핀 메타물질의 제작도. 실리콘 웨이퍼 위에 유연한 고분자 박막을 코팅하고
그 위에 차례로 전극, 벌집모양 메타물질, 그리고 그래핀을 증착하여 얇고 유연한 그래핀 메타물질을 제작하였다.
ⓒ 민범기 교수팀



그래핀은 여러 우수한 물리적 특성으로 인해 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견한 이래, 지금까지 전 세계 연구자들이 주목하는 ‘꿈의 신소재’로 불리고 있다.



특히 그래핀은 고유의 전자구조로 인해 근적외선과 가시광선의 약 2.3%의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 투명전극으로 응용될 수 있다. 투명전극은 LCD, OLED 등 평판 디스플레이, 스마트폰 등에 사용되는 터치스크린이나 태양전지 개발에 매우 중요한 전자부품 중 하나이다.


 


지금까지 전 세계 연구자들은 그래핀의 전기적 특성을 극대화해 반도체와 투명전극 등을 개발하고자 노력해왔지만 그래핀이 특성 중 하나인 광학적 투과도를 전기적인 방법으로 제어하는데 한계가 있었다. 또, 데이터를 빛으로 주고받을 때 광변조의 폭도 좁아 광변조기나 광소자로 응용되기에 제약이 있어 연구자들의 큰 주목을 받지 못했다.


 


민범기 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 파장의 백만분의 1인 얇은 두께(0.34 나노미터)의 그래핀과 메타물질을 결합시킴으로서 빛의 투과도를 효과적으로 제어했고, 이는 그래핀만 사용했을 때보다 수십 배 이상 광변조의 폭을 높일 수 있음을 확인했다.


 



 


그래핀 메타물질의 개념도(왼쪽)와 제작된 소자의 현미경 사진(오른쪽).
금으로 만든 메타물질에 강하게 집속된 빛이 그래핀과 효과적으로 상호작용하는 개념도(왼쪽).
제작된 그래핀 메타물질의 현미경 사진(오른쪽). 
ⓒ 민범기 교수팀




특히 민 교수팀이 개발한 ‘그래핀 메타물질’은 매우 얇고 잘 휘어지는 고분자 기판 안에 그래핀과 메타물질(금으로 된 벌집모양의 인공원자) 및 전극이 집적화되어 전기를 이용해 빛의 투과도를 제어할 수 있다.


 


또한 투과되는 빛의 세기와 위상을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 이력현상을 이용해 빛의 투과도를 기억해 그래핀 광메모리 소자로 응용 될 수 있음도 실험적으로 증명됐다.


 


한편, 민 교수팀은 지난해 자연계에 존재하지 않는 굴절률 높은 메타물질을 제작해 ‘네이처’에 발표한 바 있다. 이번 연구는 이들이 만든 메타물질의 특성을 그래핀과 접목해 광학적 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 검증했다는 점에서 그 의미를 찾을 수 있다.


 


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 밝혔다.


 


 


 


윤수영 사이언스올 편집위원