국내 연구진이 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 이용한 전기 나노레이저 개발에 성공했다.

교육과학기술부는 박홍규 고려대 물리학과 교수(사진) 연구팀이 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 크기의 극미세 광소자에 그래핀을 입혀 전기로 작동하는 나노레이저를 개발했다고 23일 발표했다.

빛을 발생시키고 전달하는 레이저와 같은 광소자는 나노기술을 이용해 효율적인 제품으로 개발 중이지만 전기를 주입하는 전극을 작은 공간에 넣는 게 과제였다. 전기가 잘 통하도록 전극을 금속으로 만들면 나노레이저의 빛을 금속 전극이 흡수하거나 산란하는 문제도 발생했다.

연구팀은 금속 전극이 갖는 문제를 해결하기 위해 전기저항이 적으면서 휴지처럼 유연한 그래핀을 선택했다. 그래핀은 두께가 얇고 빛이 잘 투과돼 레이저 가까이 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란시키지 않아서다. 연구팀은 직경 5마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ)의 반도체로 된 레이저 구동기(공진기)를 반도체 공정으로 제작한 뒤 그 위에 그래핀을 덮고 전기를 주입했다. 그 결과 빛이 둥근 모양의 공진기 내부를 빙빙 돌면서 빠져나가지 않은 채 레이저를 발생시켰다. 300마이크로암페어(㎂)의 미세한 전류로도 레이저를 발생시킬 수 있고 직경 500나노미터의 매우 작은 기둥 위에 그래핀 전극을 올리고 전류를 주입해 나노기둥 LED(발광다이오드)를 구동하는 데도 성공했다고 연구팀을 설명했다.

박홍규 교수는 “그래핀을 이용한 나노레이저는 기존 복잡한 제조공정을 절반으로 줄일 수 있어 대량 생산이 용이한 게 장점”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 과학전문지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최신호에 실렸다.

■ 그래핀

흑연의 표면층을 한 겹만 떼어내 만들 수 있으며 탄소원자들이 육각형 벌집구조로 이뤄진 물질이다. 강도가 강철의 200배, 전류 이동은 구리의 100배로 뛰어난 성능을 갖춰 꿈의 소재로 불린다. 전도성과 전하이동도가 높아 △터치스크린 △투명전도전극 △고속전자소자 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.


김태훈 기자 taehun@hankyung.com