IBS, 빛 속도 조절하는 그래핀·메타물질 기반 소자 개발

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국내 공동연구진이 인공 원자로 만든 메타물질, 그래핀을 이용해 빛 속도를 제어하는 소자를 만들었다. 빛 신호 처리를 쉽게 해서 차세대 광통신 분야 정보 처리 속도를 높이는 기반을 마련했다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 김튼튼 나노구조물리 연구단 연구교수팀이 민범기 KAIST 기계공학과 교수팀과 함께 빛 속도를 느리거나 빠르게 조절할 수 있는 소자를 개발했다고 15일 밝혔다.

IBS, KAIST 공동 연구진이 개발한 그래핀-메타물질 소자 샘플
<IBS, KAIST 공동 연구진이 개발한 그래핀-메타물질 소자 샘플>

빛은 세상에서 가장 빠른 물질이다. 정보 전달에 유용하지만 속도가 너무 빨라서 활용이 쉽지 않다. 빛을 전기 신호로 전환해서 활용하는 가운데 소자의 신호 처리 속도 한계와 발열로 병목 현상이 발생한다. 전력비용도 늘어난다.

연구팀은 빛 속도 자체를 느리게 하는 방법으로 문제를 해결했다. 물리 현상인 전자기유도투과현상(EIT)이 문제 해결 열쇠다. EIT는 빛을 흡수하는 물질이 특정 조건에서 빛을 투과시키는 현상이다. 이 현상이 일어날 때 물질 내 굴절률이 급격히 변화하면서 빛 속도도 함께 감소한다.

빛 파장보다 작은 인공 원자로 만든 메타물질과 그래핀을 접합, 빛 속도 제어 소자를 제작했다. 뚫린 고리형 구조와 막대 구조로 된 메타물질을 만들고 위치를 조절, EIT를 구현했다. 메타물질은 서로 공진해서 굴절률을 변화시킨다. 이 결과로 빛 속도를 헤르츠파 영역에서 3.1피코초로 감소시킬 수 있다.

그래핀은 감소한 빛 속도를 다시 높이는 역할을 한다. 전압을 전달, 메타물질 공진을 상쇄시킨다.

김튼튼 IBS 나노구조물리 연구단 연구교수
<김튼튼 IBS 나노구조물리 연구단 연구교수>

연구팀은 이 소자를 다양한 광통신 분야에 적용할 수 있다고 설명했다. 앞으로 중요도가 커지는 테라헤르츠 주파수 빛(테라파)에도 대응한다.

김튼튼 교수는 “능동형 초고속 광 아날로그 디지털 변환기와 같은 광통신 발전 기술에 소자를 응용할 수 있다”면서 “테라파를 이용하도록 제작, 차세대 통신과 이미징 및 분광 기술 적용이 가능하다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com

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