[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자가 개발됐다.

한국여구재단은 광주과학기술원 송영민 교수와 호주 멜버른대 김세정 교수 공동연구팀이 능동물질을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자를 개발했다고 21일 밝혔다. 

능동물질은 외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질을 말한다. 광 변조 소자는 전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 소자다.

대면적,배열 구조가 가능한 Tamm 플라즈몬 구조의 디자인 및 특성 구성도 [자료=한국연구재단] 2024.01.21 biggerthanseoul@newspim.com

최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광 변조 소자의 발전이 가속화되고 있다. 

다만 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation) 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하다. 더구나 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계도 발견됐다.

이같은 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성을 낮추는 것으로 알려진다.

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 성공했다. 

연구팀은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한곳에 모아 강한 흡수 현상이 나타날 수 있게 하는 탐(Tamm) 플라즈몬 구조를 소자에 적용했다. 그 결과 99% 이상의 반사율 변조를 나타낸다는 것을 밝혀냈다.

능동물질로 쓰인 전도성 고분자는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였다.

저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리와 광학적 뉴로모픽 소자 활용도 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 4일 온라인 게재됐다.

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