이현석 IBS 연구팀, 2차원 반도체와 금속나노선 융합한 '나노광전소자회로' 구현
"나노기술 접목한 광통신, 광회로 분야 확장 계기"···네이처 커뮤니케이션즈 게재 

(가)연구진이 개발한 엑시톤 트랜지스터의 구조. (나)엑시톤-플라즈몬 간의 에너지 상호교환 원리. (다)엑시톤 트랜지스터의 동작원리. <사진=IBS 제공>
(가)연구진이 개발한 엑시톤 트랜지스터의 구조. (나)엑시톤-플라즈몬 간의 에너지 상호교환 원리. (다)엑시톤 트랜지스터의 동작원리. <사진=IBS 제공>
국내 연구진이 빛의 속도로 정보를 전달하는 초고속 광전소자를 개발했다. 

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 나노구조물리 연구단 이현석 연구위원 연구팀이 2차원 반도체 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 은(銀) 나노선을 다리처럼 연결해 복합소자를 만들었다고 28일 밝혔다. 

빅데이터 시대를 맞아 전자소자 대비 100배 이상 빠른 동작이 가능한 '나노포토닉스(nanophotonics)' 기술이 각광받고 있다. 현재 광범위하게 쓰이는 실리콘기반 전자소자는 정보처리 속도로는 늘어나는 데이터를 감당하기 어렵기 때문이다. 

나노포토닉스 기술의 핵심은 빛과 전기의 상호 전환을 이용해 신호를 만드는 광전소자이다. 광전소자의 성능을 실리콘 전자소자 수준 이상으로 높이려면 소자의 크기를 나노미터 수준으로 줄여 집적도를 높여야 한다. 하지만 이 경우 빛이 회전한계에 부딪혀 성능이 현저히 떨어지는 단점이 있다. 

이에 연구팀은 2차원 평면형태의 반도체 물질로 단일층 트랜지스터를 제작, 트랜지스터 위에 은 나노선을 연결해 복합소자를 제작했다. 복합소자는 빛을 엑시톤(exciton)이나 플라즈몬(surface plasmon)으로 자유롭게 전환시켜 회절한계를 극복했다. 

2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤이 만들어지며 그 순간 광자가 방출된다. 이 광자가 지름 200나노미터, 길이 수십 마이크로미터의 은 나노선의 표면 플라즈몬으로 전환돼 나노선을 따라 지나가게 된다. 

플라즈몬 광신호는 건너편 2차원 반도체 소자에 전달돼 다시 엑시톤이 생긴며, 엑시톤은 다시 플라즈몬으로 변환되는 일련의 과정을 반복하게 된다. 정보를 담은 광신호가 전자의 움직임보다 훨씬 빠르게 전달된다는 것이 연구팀의 설명이다.  

연구팀은 엑시톤-플라즈몬 간 상호변환 뿐만 아니라 이종의 2차원 반도체 물질 간 광에너지의 흡수·발광·변환에 의한 파장 변화 및 다중화 메커니즘을 실험으로 규명했다. 

또 은 나노선의 고효율 표면 플라즈몬 도파로 광통신회로에 필요한 엑시톤 트랜지스터, 엑시톤 파장 다중화장치, 고효율 플라즈몬-전기신호 변환기 등 나노광전소자회로 구성의 필수 요소들을 상온에서 구현했다. 

이현석 연구위원은 "주목을 받고 2차원 반도체의 기초물리 특성에 대한 많은 연구가 진행돼 왔으나 응용분야의 경우는 특정 전기소자 및 광전소자 등에 집중됐다"며 "이번 성과를 통해 2차원 신소재의 응용 범위를 나노기술을 접목한 광통신, 광회로 분야로 확장시킬 수 있는 계기가 됐다"고 밝혔다. 

한편 이번 연구 성과는 국제 과학학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 28일자에 실렸다. 

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