여종석 교수팀, 기존 광소자의 한계를 뛰어넘어 칩 위에 응용 가능한 나노 광검출기 구현

‘나노산맥’ 구조를 이용하여 전자소자 수준의 극소 영역에서 다양한 파장의 미약한 광신호를 검출

공과대학 글로벌융합공학부 여종석 교수팀은 빛과 전자간의 강한 상호작용에 기반한 플라즈모닉 나노 구조를 이용하여 광대역 파장의 빛을 작은 소비 전력으로 측정할 수 있는 민감한 나노 광검출기를 구현하였다. 미래 광집적회로에 응용 가능한 새로운 방향을 제시한 이번 연구는 특히 여종석 교수팀의 김정현 연구원(IT융합공학과 석사과정)이 주저자로 참여하였으며 세계적인 나노기술 분야 학술지인 <Nano Letters(IF=12.94)>에 “Enhanced Detection of Broadband Incoherent Light with Nanoridge Plasmonics”라는 제목으로 2015년 3월 10일에 발표 되었다.

스마트폰 사용을 비롯하여 우리의 일상과 사회 전반에서 소비되는 엄청난 정보량의 효율적 처리를 위해서는 매우 빠른 속도의 통신이 요구된다. 3차원 디스플레이 기술을 포함, 다양한 미래기술들은 이러한 요구 조건들을 더욱 까다롭게 만들고 있다. 모든 물질을 통틀어 가장 빠른 속도를 가진 빛은 통신 분야에서 가장 유망한 매개체로 현재도 활발히 이용되고 있으며, 광회선을 이용한 장거리 광통신이 그 대표적인 예이다. 최근 과학자들은 장거리뿐만 아니라 단거리, 심지어 손톱보다 작은 집적회로에서 빛으로 통신하는 기술을 개발 중이다. 현재는 전자 소자와 소자 사이를 금속선으로 연결하여 신호를 전달하기 때문에 이 부분에서 신호가 상당히 지연되지만, 미래에는 빛이 이 금속선을 대체할 것으로 기대되고 있다. 

빛으로 전자 소자를 연결한다는 개념의 광 인터커넥트(interconnect)에서 중요한 요소기술은 크게 두 가지이다. 하나는 빛의 회절 한계를 극복하여 빛을 그 파장보다 작은 영역에 압축하고, 전자소자와 호환될 수 있는 크기의 광소자를 개발하는 것이며, 다른 하나는 매우 간단하고 효율적인 방법으로 전기신호와 다양한 광신호를 빠르게 상호 변환하는 것이다. 전자들의 동시다발적인 진동을 일컫는 플라즈몬(plasmon)은 광 인터커넥트의 해결과제들을 풀 수 있는 중요한 개념이다. 플라즈몬 고유의 성질로 인해 매우 짧은 시간 내에 금속 내의 자유전자들이 빛을 흡수하여 전자들의 움직임, 즉 플라즈몬을 형성하며, 나노 영역에 빛을 집속하고 빛의 세기를 증폭시킬 수 있기 때문이다.

미래 광집적회로에서 쓰일 수 있는 기술로써 여종석 교수팀은 플라즈모닉 나노 구조를 이용한 나노 광검출기를 구현하였다. 이 광검출기는 금(gold)을 집속 이온 빔(Focused Ion Beam)을 이용하여 산맥의 모양처럼 깎아서 만들었기 때문에 나노 산맥 광검출기라 이름 붙여졌고, 매우 미약한 광신호를 산맥 구조를 이용하여 플라즈몬 형태로 변환한 후 최종적으로 전기신호를 변화시켜 빛을 검출하는 역할을 한다. 나노 산맥 광검출기는 산맥모양의 단면이 100 나노미터 내외로써(사람 머리카락 두께의 약 1/1000에 해당) 전자소자의 크기에 근접하며, 산맥구조가 넓은 대역의 빛을 효과적으로 흡수하기 때문에 다양한 파장의 빛을 검출할 수 있다.

여종석 교수는 “기존의 반도체 물질을 사용하는 광검출기와는 달리, 나노 산맥 광검출기는 빛을 집속시키는 금속 나노 구조를 이용하여 빛을 검출하므로 다양한 파장의 빛뿐만 아니라 매우 약한 빛을 작은 소비전력으로 검출할 수 있다”며 “전자소자와 재료와 크기 면에서 호환이 가능하고, 높은 반응도를 가지기 때문에 광 인터커넥트를 실현할 중요 기술이다”라고 연구 의의를 밝혔다.

현재 여종석 교수 연구팀은 나노기술 기반의 IT-바이오-에너지 융합연구를 수행하고 있으며, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 ‘IT명품인재양성’ 사업의 지원으로 수행되었다.