한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 통신용 레이저를 이용해 광소자 내 원하는 위치에 그래핀을 직접 합성하고 이를 기반으로 광학적 비선형 소자를 구현하는데 성공했다고 11일 밝혔다.
고성능 전자소자인 그래핀은 다양한 소재로 연구되면서 응용 분야를 확대하고 있다. 흑연을 박리하면 손쉽게 제작할 수 있는 그래핀 품질과 형상을 제어하기 위해 합성 그래핀 개발 노력이 활발하지만 실제 사용하는 기판위로 옮기는 전사 공정에서 품질이 떨어지고 손상이 발생한다.
연구팀은 탄소를 함유한 니켈층을 가열하면 탄소가 니켈층 밖으로 나오면서 석출되고 동시에 그래핀이 형성되는 현상을 연구해왔다. 이번 연구에서 그래핀을 생성할 광섬유 끝면에 니켈을 증착하고 형성한 니켈층만을 국부적으로 가열하기 위해 광학소자에 쓰는 통신용 레이저를 사용했다. 통신용 레이저를 광섬유 끝에 코팅된 니켈층에 쬐면 니켈층 내 불순물로 포함돼 있던 탄소 성분이 광섬유와 니켈층 사이에 석출되면서 그래핀이 만들어졌다.
이 그래핀 합성법은 전사 과정 없이 고품질 그래핀 기반 소자를 제작할 수 있고, 특별한 진공 환경이나 합성에 필요한 높은 온도 또는 추가 레이저 등의 외부 에너지원이 불필요하다. 또 그래핀 구성 성분인 탄소 원자를 외부에서 공급받는 대신 금속에 포함된 불순물을 이용하고, 최종 합성할 그래핀 미세 모양과 위치도 제어할 수 있다. 미세 가열 영역 이외의 다른 모든 부분이 상온을 유지해 추후 플렉시블 기판에 적용할 수 있는 것도 장점이다.
통신용 레이저는 기존 광학소자에 사용하던 레이저를 합성용으로 출력을 높여 사용하고, 다시 통신용으로 전환할 수 있다. 추가 장비와 공정 등 도입 비용이 들지 않아 효과적이다.
연구팀은 “높은 광학적 비선형성을 갖는 그래핀을 광학소자 내에 직접 합성한 것은 처음”이라며 “앞으로 초고속 초대용량 데이터 전송·저장·처리에서 실리콘 기술의 한계를 극복하기 위한 차세대 기술인 집적화 포토닉스 기술 구현에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
