[Technical News] 광공진기, 표준반도체 기술 이용해 초소형화 성공

[산업일보]
각종 스마트 기기의 보급과 다양한 인터넷 서비스의 이용으로 인해 데이터 사용량이 급격히 증가하고 있다. 대용량의 데이터가 데이터센터에서 처리돼야 하고, 이로 인해 데이터 센터의 면적과 데이터센터에서 소모되는 에너지가 증가하고 있다.

이에 국내 연구진이 표준 반도체 기술을 사용해 금속-유체-실리콘 기반 초소형 광공진기를 최초로 구현해 화제가 되고 있다.

이번 연구에서 개발한 금속-유체-실리콘 기반 나노플라즈모닉 공진기인 plasmofluidic disk resonator(PDR)은 1 마이크로미터 이하의 반지름을 갖는 실리콘 디스크와 30 나노미터 폭을 갖는 채널을 사이에 두고 실리콘 디스크를 감싸는 구리로 구성된다. 채널이 유체로 채워지고 빛이 이 채널에 강하게 가두어져 빛과 유체의 강한 상호 작용이 존재한다. 표준 CMOS 기술을 사용해 8 인치 기판 위에 PDR을 포함한 여러 나노플라즈모닉 소자를 제작했다.

대부분의 기존 나노플라즈모닉 소자들에 사용되는 금이나 은 대신에 표준 CMOS 기술에 적합한 구리가 PDR에 사용된다. 또한 PDR에 필요한 30 나노미터 폭의 채널은 일반적인 필름 증착과 습식 식각을 사용해 만들어진다.

채널에 굴절률이 다른 여러 오일을 채우고 PDR이 결합된 나노플라즈모닉 도파로의 투과 스펙트럼을 측정했다. 일반적인 공진기의 특성에서 예측할 수 있듯이, 실리콘 디스크의 반지름이 0.85 마이크로미터부터 1 마이크로미터까지 증가하면 투과 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동함을 관찰했다.

그리고 오일의 굴절률이 1.390부터 1.531까지 증가하면 투과 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동함을 관찰하였다. 굴절률 변화에 대한 투과 스펙트럼 중심 파장의 변화의 비율을 민감도라고 하는데, 반지름 0.9 마이크로미터의 실리콘 디스크를 갖는 PDR의 민감도는 단위 굴절률 변화 당 214 나노미터이다.

이 민감도는 수 마이크로미터의 반지름을 갖는 기존 실리콘 디스크 공진기의 민감도에 비해 두세 배 큰 값이다. 더욱이 빛이 채널에 강하게 가두어지기 때문에 PDR 특성에 실질적으로 영향을 미치는 유체의 부피는 채널의 부피에 가깝다. 따라서 45 아토리터(1000조 분의 1 리터)라는 극소량의 유체만으로도 PDR 특성에 변화를 줄 수 있는 것이 PDR의 두드러진 특성이다.

이번 연구는 주로 이론적 연구의 대상이었던 나노플라즈모닉 공진기를 표준 CMOS 기술을 사용해 실제 구현하고 실험적으로 연구한 점에서 큰 의미가 있다. 더욱이 세계 최초로 빛과 유체의 강한 상호작용을 기반으로 한 나노플라즈모닉 공진기를 개발했다.

개발된 PDR은 실리콘 광집적회로에 적용되어 광신호의 세기를 바꿔주는 극소형의 소자로 사용될 것으로 기대된다. 또한 PDR은 극소량의 액체를 검출하는 극소형의 센서로 이용될 것으로 기대한다. 마지막으로 채널 주변에 있는 10 나노미터 정도의 지름을 갖는 미세 입자를 붙잡을 수 있는 광집게로 PDR을 활용하는 것을 기대할 수 있다.