매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자가 개발됐다. 한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 송영민 교수와 호주 멜버른대학교 김세정 교수 공동연구팀이 외부 전압에 광학 특성이 변하는 능동 물질을 활용해 1볼트(V) 이하 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자를 개발했다고 19일 밝혔다.
광 변조는 빛을 이용해 정보를 전달할 때 빛의 세기나 파동 주기를 정보에 따라 바꾸는 것이다.
능동 물질을 이용한 광변조 기술은 제한된 재료 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모 구조체가 필요하다는 한계가 있다. 이런 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작과 구동의 효율성을 저해한다.
공동연구팀은 저전압 동작에서 광변조를 가능하게 하는 효율적인 새 구조와 재료가 필요하다고 보고, 단순한 구조 설계로 능동 물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자를 개발했다.
능동 물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한곳에 모아 강한 흡수 현상이 나타날 수 있게 하는 '탐(Tamm) 플라스몬' 구조를 소자에 적용, 99% 이상의 반사율 변조가 나타나는 것을 확인했다. 능동 물질로 쓰인 전도성 고분자(전기가 통하는 유기물 고분자)는 탐 플라스몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압에는 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 변조 특성을 보였다.
연구팀은 저전압으로 빛을 제어하면 광학 메모리와 광학적 뉴로모픽 소자 활용도 가능할 것으로 예상한다.
송영민 교수는 "기존 광 변조 소자의 낮은 변조율과 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발한 것"이라며 "앞으로 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화해 인-포토닉(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것"이라고 말했다. 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 4일 온라인 게재됐다.