세상에서 가장 얇은 두께 ‘그래핀 레이저’ 나올까


난양공대 한국인 연구팀 "3년 안에 개발하는 게 목표"

수백 나노미터 크기의 구조체를 일정한 간격으로 제작한 후 그래핀을 그 위에 올렸다. 그래핀과 구조체 계면에서 약 100테슬라에 해당하는 자기장이 구현된다. [사진=난양공대]

[아이뉴스24 정종오 기자] 세상에서 가장 얇은 두께의 그래핀 레이저가 가능할까. 그래핀 레이저가 제작되면 인공지능(AI)을 넘어 광(光)컴퓨터 구현에 한 발짝 다가설 수 있다.

스마트폰의 모션 인식 센서와 안면인식 기술 등 기존에 레이저를 이용하는 분야에서도 그래핀 레이저를 활용하는 새로운 기술 개발이 가능할 것으로 보고 있다.

싱가포르 난양공대(Nanyang Technological University) 한국인 연구팀이 원자 하나 두께의 얇은 물질인 그래핀(Graphene)에서 지구보다 200만 배 강한 자기장효과를 관측하는 것에 성공했다.

기존 연구로는 구현이 힘들었던 수준의 강력한 자기장효과를 그래핀에서 만들어 낼 수 있다는 점을 확인하면서 세상에서 가장 얇은 두께의 그래핀 레이저를 제작할 수 있는 길이 열렸다.

그래핀을 ‘꿈의 신소재’로 부른다. 그래핀은 탄소원자로 만들어진, 원자 크기의 벌집 형태 구조를 가졌다. ‘꿈의 신소재’로 인정받고는 있는데 실용적 측면에서는 한계를 보여 왔다. 이번 연구를 통해 그래핀을 광집적회로를 포함해 다양한 분야에 활용할 가능성이 제시됐다.

남동욱 싱가포르 난양공대 전기전자공학과 교수 연구팀은 최근 “그래핀을 수백 나노 크기의 구조체에 올려놓음으로써 약 100테슬라(1테슬라는 지구 자기장의 2만 배) 크기의 자기장효과를 구현했다”고 설명했다. 연구 결과(논문명: Pseudo-magnetic field-induced slow carrier dynamics in periodically strained graphene)는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 실렸다.

100테슬라는 현재 연구용 초전도 자석(약 10테슬라)에 비해 10배 높고 특히 그래핀 레이저를 구현할 수 있는 수준의 자기장 크기다. 이번 연구에는 남동욱 교수를 비롯해 강동호 박사 후 연구원(제1저자)을 비롯해 김영민, 정용덕 연구원 등 한국인 과학자가 참여했다.

그래핀은 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나 다양한 분야에서 기존 기술을 대체할 수 있는 꿈의 신소재로 불린다. 전기 전자 분야 소재로서는 뚜렷한 활용도를 보여주지 못했다. 이는 일반 실리콘 반도체 등과 달리 밴드갭(띠틈, Band gap)이 없다는 단점 때문이었다.

띠틈은 물질 내부에 전자가 존재할 수 없는 에너지 대역을 의미한다. 티틈이 없으면 전기가 잘 통하는 도체이고 티틈이 너무 넓으면 전기가 잘 통하지 않는 부도체다. 실리콘 반도체는 이 틈이 적당히 떨어져 있어 외부 에너지를 조절해 전기 흐름을 조절할 수 있다. 전자와 광전소자로 널리 활용되는 이유이다.

반면 그래핀은 탄소만으로 구성된 단일 원자 소재로 티틈이 없다. 전자, 광전소자 구현에 활용하기 어려운 한계가 있었다. 특히, 여러 측면에서 활용이 가능한 레이저 구현을 위해서는 수백 나노미터에서 수 마이크로미터의 빛의 파장 대역을 만족하는 띠틈이 필요하다. 이 때문에 그래핀 레이저는 그래핀이 발견된 이래로 구현된 적이 없다.

연구팀은 그래핀에 매우 강력한 자기장을 걸었을 때 그래핀이 띠틈과 같은 역할을 하는 특이한 에너지 준위(란다우 준위)를 가지는 것에 주목했다. 강력한 자기장을 활용하면 기존 실리콘 반도체와 같은 띠틈을 생성할 수 있다는 점 때문이다. 란다우 준위를 활용한 그래핀 레이저를 구현하기 위해서는 최소 100테슬라에서 수백 테슬라 크기의 매우 큰 세기의 자기장이 필요하다. 이는 현재 연구용 초전도 자석(약 10테슬라)으로는 도달할 수 없는 수준이다.

나노구조체 위에 그래핀이 균일하게 올라가 있고 '가짜 자기장(화살표)'을 표시했다(a). '가짜' 자기장을 만들면 띠틈이 생기는데 '콘'의 동그라미 사이가 띠틈이다(b). 실제로 만든 나노구조체 위에 그래핀이 올라가 있다(c). AFM(Atomic Force Microscopy)라는 장비로 나노구조체의 정확한 모습을 실험으로 측정했는데 자기장의 크기를 파악할 수 있다(d). [사진=난양공대]

연구팀은 그래핀에 매우 강한 응력(물체가 밖으로부터 가해지는 힘에 저항해 본래 모양을 그대로 지키려는 힘)을 가했을 때 기존의 연구용 초전도 자석보다 수 배 이상 강한 세기의 자기장효과가 발생한다는 사실에 착안했다. 수백 나노미터 크기의 구조체를 일정한 간격으로 제작한 후 그래핀을 그 위에 올려놓았을 때 그래핀과 구조체의 계면에서 약 100테슬라에 해당하는 자기장효과를 관측하는 것에 성공했다.

그래핀에 외부 장기장을 가해주면 띠틈이 생긴다. 이번 난양공대 연구팀은 자기장을 외부에서 전혀 가해주지 않아도 엄청나게 큰 띠틈을 만들 수 있는 방법을 개발한 것이다. 이른바 '가짜' 자기장을 가해서 그래핀에 띠틈을 열어보자는 연구가 전 세계적으로 이어지고 있는데 이번에 발견한 셈이다.

세상에서 가장 얇은 두께의 그래핀 레이저를 제작할 수 있는 길을 연 것이다. 연구팀은 그래핀을 올려놓는 구조체의 크기를 변화시킴으로써 자기장의 세기를 마음대로 조절할 수 있다고 설명했다.

그래핀 레이저를 제작하기 위해서는 수백 테슬라 크기의 매우 강한 자기장효과가 최소 수십 마이크로미터 이상의 영역에서 구현돼야 한다. 이번 발견은 기존 연구 대비 백만 배 이상의 넓은 영역(수 밀리미터 크기)에 100테슬라 이상의 큰 자기장효과를 가하는 것을 가능하게 했다. 그래핀 레이저를 실제로 제작할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다.

빛을 이용한 광(光) 집적회로(프로세서)와 이를 기반으로 한 광컴퓨터 개발을 비롯해 기존의 레이저를 이용하는 첨단 기술이 이번 발견으로 발전할 것으로 기대된다. 전기 대신 빛을 신호 수단으로 이용하는 광집적회로는 현재 반도체 한계를 극복할 수 있는 대안으로 꼽힌다. 미세화 한계와 발열 등으로 집적도를 높이는 데 한계를 드러내는 상황을 돌파하고 인공지능(AI) 기술 고도화 등을 가능하게 할 것으로 기대된다.

스마트폰의 모션인식 센서와 안면인식 기술 등 기존에 레이저를 이용하는 분야에서도 그래핀 레이저를 활용하는 새로운 기술 개발이 가능할 것으로 보고 있다.

강동호 난양공대 전자전기공학과 박사 후 연구원은 “우리가 개발한 기술은 초전도 자석과 같은 외부 장치 없이도 기존 초전도 자석보다 10배 이상 강한 세기의 자기장효과를 그래핀에서 구현할 수 있다”며 “이를 통해 광컴퓨터 개발에 활용할 수 있는 세상에서 가장 얇은 두께의 그래핀 레이저를 제작할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

남동욱 교수는 “후속 연구로 그래핀 레이저를 만드는 것에 집중할 것”이라며 “이번 연구는 불가능해 보였던 그래핀 레이저를 만드는 쉬운 방법을 실험적으로 보여준 것”이라고 설명했다.

이어 남 교수는 “그래핀 레이저를 만들어 그래핀 기반 광집적회로(빛으로 통신하는 반도체 칩) 기술을 완성해 다양한 응용기술(AI 칩 등)에 사용할 수 있는 방향으로 현재 연구를 진행 중”이라며 “그래핀 레이저의 실현은 3년 정도를 보고 있다”고 덧붙였다.

한편 싱가포르 난양공대는 2021년 영국의 대학평가기관(QS, Quacquarelli Symonds) 순위 기준 세계 대학순위 12위(아시아 3위)를 자랑하는 세계 수준의 연구중심대학이다. 특히 전자과 (Electrical & Electronic Engineering, EEE)는 난양공대의 단과대학 중 가장 큰 규모를 자랑한다.

/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)







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