포스텍(POSTECH)은 박경덕 물리학과 교수·통합과정 이형우 씨 연구팀이 나노 플라즈모닉 광도파로를 이용해 광통신 개발 핵심인 고순도 극성반도체입자를 생성하고 입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
반도체 물질에 빛을 쏴주면 '엑시톤(Exciton)'이 생성된다. 엑시톤은 전자와 양공이 결합된 입자이며 전기적으로는 중성 상태다. 엑시톤에 전자 하나가 더 결합되면 극성반도체입자가 된다. 두 입자 모두 차세대 광통신 소자와 태양 전지에 활용되지만 특히 극성반도체입자는 전기장으로 제어 가능하고 쉽게 결합이 풀려 실질적인 소자 응용에 유리하다.
연구팀은 극성반도체입자를 생성하기 위해 폭이 약 200㎚ '나노 플라즈모닉 광도파로'를 사용했다. 플라즈모닉 광도파로는 빛을 자유전자의 공명 현상인 플라즈몬 형태로 바꿔 파장보다 작은 공간에 강하게 가둔 뒤 원하는 곳으로 이동시키는 구조다. 광도파로 위에 이차원 반도체물질을 전사하면 광도파로의 홈을 따라 이차원 반도체가 늘어지게 되는데, 이때 빛을 쏘아주면 반도체 내 생성된 엑시톤은 깔때기에 물을 부은 것처럼 광도파로 중심에 모이게 된다.
이와 동시에 광도파로의 플라즈몬은 높은 에너지를 갖고 있어 광도파로 금속에 있는 전자를 반도체로 이동시키고, 이때 이동한 많은 양의 전자가 엑시톤과 함께 광도파로 중심으로 모이게 돼 극성반도체입자가 생성되는 것이다.
연구팀은 또 적응광학과 나노광학을 결합한 공간 빛 제어 기술을 이용, 극성반도체입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했다. 이 기술을 이용해 플라즈모닉 광도파로 내 원하는 위치에 플라즈몬을 만들고 극성반도체입자가 생성되는 위치 역시 제어할 수 있었다.
이번 연구는 전기가 아닌 빛에 의해 진행됐다는 점에서 의미가 있다. 빛이 이동하는 길을 통해 광학소자 개발에 대한 해답을 찾은 것으로 평가된다. 또 엑시톤과 극성반도체입자 같은 입자를 연구하는 '엑시토닉스'와 플라즈몬을 탐구하는 '플라즈모닉스' 등 다양한 분야를 결합했다는 점도 주목할만하다.
이번 연구성과는 극성반도체입자 기반 광학소자를 효율적으로 제어하고 고효율 에너지 광변환 소자를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다. 논문의 제1 저자인 이형우 씨는 “극성반도체입자를 나노공간에서 생성·제어하는 새로운 물리적 개념을 정립했다”며 “반도체입자 기반 원거리 정보통신 연구를 구상하고 있다”고 말했다.
연구에 사용된 플라즈모닉 광도파로 제작에는 주혁 삼성전자 부사장팀, 샘플 사전분석은 이홍석 전북대 교수팀과 안상민 교수팀, 시료 제작에는 김기강 성균관대 교수팀이 참여했으며 구연정·강민구·주희태 포스텍 물리학과 통합과정이 측정 연구를 함께 수행했다.
한편 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 삼성미래기술육성재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제학술지 '네이쳐 커뮤니케이션즈'에 실렸다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
