투명한 그래핀을 통해 주입된 전기로 작동하는 나노레이저 개발

[산업일보]
투명한 그래핀으로 전기를 주입해 레이저 빛을 발생시키는 나노레이저가 순수 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라 어떠한 광소자도 전기로 쉽게 움직일 수 있어 광컴퓨터 개발에 한걸음 다가서게 됐다.

이번 연구는 고려대 박홍규 교수(36세), 김윤호 박사생(28세), 중앙대 권순홍 교수(34세) 및 한양대 박원일 교수(38세)가 공동으로 진행됐으며, 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행됐고, 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처’의 자매지인 ‘Nature Communications’지 최신호(10월 9일자)에 발표됐다. (논문명: Graphene-contact electrically driven microdisk lasers)

국내 토종 연구자들이 주축이 돼 일궈낸 값진 성과물인 이번 연구는 참여연구자 전원이 40세를 넘지 않는 신진 연구자들이라는 점에서 의미가 크다. 또한 연구성과는 그 중요성을 인정받아 4주 만에 출판이 결정됐다. 보통 심사과정이 4-5개월씩 걸리는 점을 감안하면 매우 이례적인 일이다.

빛을 발생시키고 전달하는 레이저나 LED와 같은 광소자는 나노기술과 융합되면서 크기가 작아지고 휴대도 편리하게 됐다. 또한 불필요한 열은 줄이고 주입되는 에너지도 빛에너지로 효율적으로 전환될 수 있게 됐다.

광소자가 실생활에 응용되기 위해서는 주입되는 에너지의 형태가 반드시 전기에너지여야 한다. 그러나 나노레이저의 경우, 크기가 너무 작아서 전기를 주입하는 부분(전극)을 작은 공간 속에 만드는 것이 매우 어렵다. 게다가 전극은 전기가 잘 통해야 하기 때문에 일반적으로 금속으로 만드는데, 금속을 나노레이저 가까이에 놓으면 레이저 빛이 금속전극에 의해 흡수되거나 산란돼 레이저 빛의 발생 자체가 어려워진다.

따라서 대부분의 나노레이저는 전기에너지가 아닌, 또 다른 레이저를 이용해 에너지를 주입하는 광펌핑(optical pumping) 방법으로 레이저 빛을 발생시키고 있다. 그러나 이것은 단순히 실험실 차원의 결과로서, 실생활에서 나노레이저로 활용하기에는 어려움이 있었다.



이에 박홍규 교수 연구팀은 전기가 잘 흐르면서, 빛을 잘 투과시키고, 휴지처럼 부드러워 자유자재로 변형되는 그래핀을 이용해 전기를 주입해 레이저 빛을 발생시키는 새로운 나노레이저 개발에 성공했다.

박 교수팀은 금속전극이 갖는 문제점을 해결하기 위해 금속전극보다 전기저항이 적으면서 휴지처럼 유연한 그래핀을 선택했다. 또한 그래핀은 두께가 매우 얇기 때문에 빛이 잘 투과되어 그래핀을 레이저 가까이에 놓더라도 빛을 흡수하거나 산란하는 현상이 거의 없어 레이저의 특성에 크게 영향을 미치지 않는다.

연구팀은 우선 직경 5마이크로미터(100만 분의 1미터)의 반도체로 된 마이크로디스크 공진기를 반도체 공정방법으로 제작했다. 공진기 위에 그래핀을 전체적으로 덮고 전기를 넣으면, 빛은 둥근 모양의 마이크로디스크 내부를 빙빙 돌면서 빠져나가지 못하고 레이저 빛을 발생시킨다. 연구팀이 개발한 나노레이저는 300마이크로암페어(㎂)의 미세한 전류로도 레이저를 발생시킬 수 있는데, 이것은 기존의 복잡하고 까다로운 추가 공정이 필요한 방식의 전류량과 거의 같은 수준이지만, 공정단계는 절반가량 감소됐다.

또한 연구팀은 직경 500나노미터(10억분의 1미터)의 매우 작은 기둥 위에 그래핀 전극을 올리고, 이 전극으로 전류를 주입해 나노기둥 LED를 구동하는데도 성공하였다. 이 결과는 모든 광소자들을 크기와 구조에 관계없이 쉽고 간편하게 전기로 움직일 수 있음을 보여준다.

제작 공정을 단순화한 새로운 나노레이저 개발로 전기로 움직이는 나노레이저 실용화와 대량 생산이 가능해졌다.

그래핀으로 전극을 만드는 이번 연구성과로 나노구조체에 전기를 보내는 방법이 매우 쉽고 단순해졌다. 특히 전극의 위치와 모양을 별도로 디자인할 필요 없이 기존의 방식대로 레이저 구조를 만든 후, 그 위에 전체적으로 그래핀을 덮기만 하면 된다.

연구팀이 만든 나노레이저를 이용해 기존 컴퓨터보다 빠른 정보처리능력을 나타내는 광컴퓨터를 현실화할 수 있을 것으로 기대된다.

박홍규 교수는 “그동안 전기로 움직이는 나노레이저는 제작할 때 복잡한 공정을 피할 수 없었다. 그러나 우리 연구팀이 개발한 그래핀을 이용한 나노레이저는 복잡한 공정을 절반 가량 줄여 나노레이저의 대량 생산을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 머지않은 미래에 광컴퓨터를 상용화할 수 있는 핵심기술이 될 것으로 전망한다”고 연구의의를 밝혔다.