꿈의 광컴퓨터 시대 꿈틀…3차원 그래핀 소자 개발

- 광소자 표면에서 직접 3차원 그래핀 균일하게 합성
- 그래핀 한계 극복…초고속 광컴퓨터 구현 청신호

메타버스, 마이데이터, 자율주행, AI, 5G 등의 첨단기술이 일상화되는 초연결 시대 실현에는 전제조건이 있다. 폭증하는 데이터 수요를 감당할 초고속 컴퓨팅 기술이다. 이에 따라 전 세계적으로 고집적화에 한계를 보이는 실리콘 반도체를 대체할 신소자 개발이 한창이다. 전기신호 대신 빛으로 데이터를 처리하는 ‘광소자’가 대표적이다. 현재 광소자 개발에는 나노소재, 그중에서도 특히 광학적 특성이 뛰어난 그래핀 도입 시도가 활발하지만 풀어야 할 숙제가 있다. 원자 한 층 수준의 얇은 그래핀을 형태가 복잡한 3차원 광소자 기판으로 옮기는 과정에서 구조적 손상이 발생해 그래핀 특유의 광신호 제어기능이 약화된다는 것이다.
  한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 송용원 박사팀이 한국기계연구원(KIMM, 원장 박상진) 최지연 박사팀과 함께 그래핀 결정의 결손을 초래하는 전사공정 없이 광소자의 미세구조 표면에서 직접 3차원 그래핀을 균일하게 합성하는 기술을 개발했다고 지난달 8일 밝혔다.
  탄소 원자들이 육각형 격자구조를 이루는 그래핀은 높은 물리·전기·광학적 특성으로 꿈의 소재라 불린다. 특히 광학적 비선형성¹⁾이 뛰어나 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 매우 빠른 레이저 펄스 광원 형성, 빛에 신호를 싣는 광변조기, 초고속 광스위치 등의 제작에 효과적으로 사용할 수 있다.
  그래핀은 일반적으로 구리나 니켈 등의 금속 촉매 표면에서 합성해 코팅과 에칭(etching)²⁾ 등을 포함하는 전사(transfer) 과정을 거쳐 목표 기재의 표면으로 옮겨진다. 그런데 이런 전사 과정에서 발생하는 불순물 유입, 구조 붕괴 등의 그래핀 품질 저하가 최종적인 소자 성능에 악영향을 미친다. 또한 그래핀은 2차원 평면구조라는 특성 탓에 광소자의 복잡하고 미세한 형상에 맞춰 균일하게 코팅하는 데 어려움이 컸다. 이에 따라 기존에는 레이저의 진행통로 한쪽 면에만 그래핀을 밀착시켜 레이저-그래핀 상호작용을 유도하는 연구가 대부분이었다.
  이런 가운데 KIST 연구진은 금속 촉매 대신 세라믹 촉매를 사용하면 촉매 표면뿐만 아니라 가까운 범위 내에 있는 물체의 표면에서도 3차원 그래핀이 균일하게 합성된다는 사실을 알게 됐다. 촉매에서 분해된 전물질(주로 메탄)이 탄소 원자를 생성하는 과정에서 이 탄소 원자가 근접한 광소자의 표면에 안착하며 그래핀이 형성되고, 특히 복잡한 형상의 광소자 표면 구조를 그대로 따라가며 순차적으로 균일한 그래핀이 합성되는 것을 발견한 것이다.
  KIST 연구진은 이렇게 개발한 3차원 그래핀 합성 공정의 광소자 응용 효과를 검증하기 위해 광섬유로 실험을 했다. 광섬유는 원통형 유전체3) 도파관4)으로 코어5)와 클래드6) 층으로 구성돼 있다. 이때 코어로 진행하는 레이저는 상대적으로 두꺼운 클래드 층에 둘러싸여 밖으로 나오지 못하는데, 이 클래드 층을 조금씩 제거해 나가면 코어 내의 레이저가 점차 주위 환경에 반응하게 된다. 이 범위에 그래핀이 있으면 광신호가 제어되는 레이저-그래핀 상호작용이 일어나는 것이다. 이에 따라 연구진은 클래드 한쪽 면에 펨토초 레이저로 마이크로미터 단위의 초미세 우물 구조를 만들고, 우물 입구의 세라믹 촉매 표면에서 시작된 3차원 그래핀 합성이 우물 바닥 면까지 매우 균일하게 이어지며 기대했던 수준의 레이저-그래핀 간 상호작용이 구현됨을 확인했다.
  이번 연구를 주도한 송용원 KIST 박사는 “3차원 그래핀의 도입으로 기존 광소자에서 불가능했던 광학적 특성의 구현이 가능해졌다”라며 “미래의 광컴퓨팅뿐만 아니라 전자소자와 광소자의 융합을 통해 더 실감이 나는 메타버스와 인공지능 등 첨단기술에서도 세계시장을 선도하는 중요한 역할을 담당할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재됐다.

논문명
Conformal Graphene Directly Synthesized on a Femtosecond Laser-Scribed In-Fiber Microstructure for High-Energy Ultrafast Optical Pulses
저 자
(제 1저자) 한국과학기술연구원 시암 우딘 학생연구원, (교신저자) 한국과학기술연구원 송용원 책임연구원

[연구결과 개요]

1. 연구배경

급격하게 증가하는 데이터 수요에 대응하는 기술은 현재 실리콘을 기반으로 하는 전자소자에 의존하고 있다. 그러나 전자소자의 집적화 한계를 극복하기 위해 더 빠르고, 외부 전자기장의 영향이 없으며, 경제적으로 데이터 처리가 가능한 광정보 소자에 관한 연구가 활발하다. 레이저는 광정보 신호 처리 기술의 기본이며, 양자통신, 광컴퓨팅, 인공지능, 메타버스 등의 분야에서 활발히 연구되고 있다. 나노소재에 기반한 광정보 소자는 집적화 측면에서 매우 큰 장점이 있으며, 최소화된 공간에서도 기존 광소자와 대등하거나 우월한 기능성을 발휘하게 된다. 그중에서 그래핀은 높은 광학적 비선형성을 갖고 있어 펨토초의 매우 빠른 레이저 펄스 광원 형성, 광신호를 싣는 집적화 광 변조기 제작, 초고속으로 동작하는 광스위치 등의 제작에 효과적으로 사용될 수 있다. 세계적으로 많은 연구 그룹들이 이러한 그래핀의 광학적 작용성에 대한 논문을 보고 하고 있다. 그러나 그래핀의 2차원 평면구조라는 특성으로 인해 복잡한 단면 또는 평면구조를 갖는 광소자에 효과적으로 적용하는 것은 과제로 남아있다. 레이저가 진행하는 도파로 한쪽 면에만 그래핀을 접근 또는 밀착하여 레이저와 그래핀의 상호작용을 유도하는 연구가 대부분이나 더욱 강한 상호작용을 가지는 기술을 개발할 필요성이 있다.

2. 연구내용

일반적으로 구리 또는 니켈과 같은 금속이 촉매로 사용되어 그 표면에 그래핀이 합성하는데, 이때 그래핀을 사용하기 위해 금속 촉매를 물리적으로 분리하기가 쉽지 않다. 원자 한 겹으로 이루어진 그래핀을 분리하기 위해서는 합성된 그래핀 표면에 폴리머 물질을 코팅하고, 반대편의 금속 촉매를 화학적으로 에칭하여 제거한 후, 폴리머 물질과 그래핀을 함께 들어오려 목적하는 기판 위로 옮기는 “전사(transfer) 공정”을 거친다. 이러한 전사 과정에서 원하지 않는 많은 결함이 그래핀으로 유입되게 되며, 그래핀 결정의 손상이 초래되어 최종적인 소자의 성능에 악영향을 준다. 또한 그래핀 전사 공정은 구조가 복잡한 미세 소자 위로 그 표면의 형상에 맞는 코팅이 불가능하다. 이로 인해 광소자의 경우 소자 내부로 진행하는 레이저와 그 주위에 코팅된 그래핀의 상호작용에 한계가 발생한다.
  연구팀은 금속 촉매 대신 세라믹 촉매를 그래핀 합성에 사용하면 촉매 표면뿐 아니라 mm 범위로 근접한 임의의 기판상에도 그래핀이 3차원으로 합성되는 것을 발견하였다. 촉매에서 분해된 전물질(주로 메탄)은 탄소 원자를 생성하고, 이 탄소 원자가 공간 확산(spatial diffusion) 과정을 통해 근접한 기판상으로 날아가 안착을 하면서 서로 모여 결정화가 진행되어 그래핀이 형성되는데, 이때 광소자의 표면 구조를 그대로 따라가며 균일하게 합성되는 것이다. 이번 연구에서는 이러한 공정을 복잡한 형상의 광소자에 응용하여 그 효용성을 검증하였다.
  그래핀과 레이저의 광학적 비선형 상호작용을 최적화하기 위해서는 긍정적 효과인 비선형성을 극대화하고, 부정적 효과인 산란과 흡수 등의 손실을 극소화하는 소자 설계가 우선적이다. 연구팀은 개념 증명을 위한 실험으로 손쉽게 접근할 수 있는 광섬유를 택했다. 광섬유의 코어 내부로 진행하는 레이저를 그래핀과 상호작용 시키기 위해 클래드 한쪽 면에 마이크로미터의 직경을 가지는 우물 구조를 설계, 레이저를 통해 가공함으로써 레이저의 극히 일부분만을 노출 시켰다. 가공된 표면은 산란에 의한 손실이 없도록 최대한 매끄럽게 처리하였으며 우물 구조 내부로 촉매로부터 생성된 탄소 원자의 진입이 용이하도록 2단계의 구조를 제작하였다. 우물 입구에 위치한 세라믹 촉매 표면으로부터 탄소 원자가 공급되고 결국 우물 바닥 면까지 매우 균일한 그래핀이 합성된 것을 확인하였다. 이렇게 합성된 그래핀이 레이저와 정상적으로 상호작용을 하여 광학적 비선형성을 구현하는 것은 레이저의 모드잠금7) 현상을 구현하여 증명하였다. 그래핀과 레이저의 작용에 의해 초고속 펄스 레이저가 성공적으로 형성되고, 광손실이 최소화되어 고출력 펄스 레이저를 구현할 수 있었다.

[그림 1] 광섬유에 형성된 미세 우물구조 확인과, 그 안쪽 표면을 따라 성장된 그래핀의 품질 확인. 레이저와 상호작용시 산란 손실을 최소화 할수 있는 균일한 품질 구현.

3. 기대효과

광컴퓨팅 뿐 아니라, 최근 첨단 단말기나 원격 서비스 시스템, 보다 높은 품질의 컨텐츠 등은 초고속 데이터 처리의 기술에 의존한다. 전자소자를 능가하는 광정보 제어 소자가 실효성을 가지려면 집적화가 우선 되어야 하며 광기능성이 부여되어야 하는데, 이를 위해서는 뛰어난 광학적 특성을 갖는 나노소재의 융합이 매우 중요하다. 특히, 자유로운 3차원 형상이 가능한 나노소재라면 더 응용 범위가 넓을 것이다. 본 연구로 개발된 3차원 그래핀 직접 합성 공정은 집적화 광소자가 요구하는 기능성에 효과적인 대응이 가능하며 나노소재 기반의 광정보 소자 기술 선도를 견인할 것이다. 궁극적으로는 꿈의 광컴퓨팅 실현에 기여할 것으로 기대한다.