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기초硏, 광자 속도 조절 메타물질 구현

2018-05-15기사 편집 2018-05-15 17:47:55

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첨부사진1연구진이 개발한 빛의 속도 조절이 가능한 소자와 구조도 이번 연구에서 연구진이 개발한 소자(아래)는 이온겔, 그래핀, 연구진이 개발한 빛의 속도 조절이 가능한 소자와 구조도. 그래핀에 전압을 걸어주지 않을 경우 전자기 유도 투과 현상이 발생한다. 오른쪽 하단 빨간색 그래프가 전압을 걸어주지 않을 경우에 해당한다. 그래핀에 전압을 걸어주면 메타물질의 공진이 약화되면서 빛의 속도가 조절될 수 있다. 마찬가지로 오른쪽 하단 파란색 그래프에 전자기 유도 투과 현상이 일어나지 않음을 볼 수 있다.
세상에서 가장 빠른 속도를 가진 물질은 빛이다. 정보를 전달하는데 빛보다 더 유용한 물질은 없다. 그러나 빛은 야생마처럼 빠르긴 하지만 제어가 어렵다. 빛보다 느린 전자가 아직 통신에 이용되는 이유다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 김튼튼 연구교수팀은 빛의 속도를 느리게 만들었다가 다시 빠르게 만드는 소자를 만들었다고 15일 밝혔다.

현재 사용하는 광통신에서는 빛의 속도가 너무 빨라 감당하기 어렵고 작은 구조에 집적이 잘 되지 않는다. 이 때문에 빛을 전기신호로 바꿔 사용한다. 이 때 신호를 처리하는 전자소자의 한계와 발열 문제 때문에 정보처리 속도가 느려지고 병목 현상이 나타난다. 전력도 많이 든다.

김튼튼 연구교수는 "자동차(빛)가 고속도로(광섬유)에서 달리던 속도로 도심(빛→전기)으로 들어왔고, 신호등(소자, 회로 등)을 통해 분배하고 통제해야 하는데, 속도가 빠르면 제어에 어려움이 생긴다. 브레이크를 밟아 속도를 늦춰줘야 하는 상황처럼 빛도 느려져야 처리가 용이하다"고 설명했다.

연구진은 자연계에 존재하지 않는 메타물질을 설계해 소자를 제작했다. 물질의 굴절률을 급격히 변화시키자 빛의 속도가 느려졌다. 이렇게 만들어진 소자는 수십 마이크로미터의 매우 얇은 두께에도 불구하고 상온에서도 작동하며 강한 세기의 제어빛이 없어도 전자기 유도 투과와 유사한 현상이 나타난다.

느려진 빛을 다시 빠르게 제어할 수 있는 방법도 구현했다. 연구진은 그래핀을 메타물질과 이온젤 사이에 껴 넣고 전압을 걸자 물질의 굴절률이 변화하는 것을 확인했다. 그래핀에 걸어주는 전압의 세기가 커질수록 메타물질의 특성이 약화되며 급격히 변했던 물질의 굴절률이 완만해지고, 빛의 속도가 다시 빨라지는 것이다. 한 번 제작되면 정해진 속도만큼만 빛을 느리게 할 수 있었던 기존 메타물질과 비교하면 훨씬 능동적이고 효과적으로 빛의 속도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

KAIST 기계공학과 민범기 교수 연구진과 공동으로 진행한 이번 연구는 느려진 빛을 능동적으로 제어해 차세대 광통신 소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

김튼튼 연구교수는 "이번 연구는 차세대 초고속, 대용량 통신 뿐 아니라 이미징 및 분광 기술에도 적용될 수 있어 큰 잠재시장을 갖고 있다"며 "효과적으로 빛의 속도를 제어할 수 있어 낮은 에너지로도 구동되는 소자 개발 혹은 능동형 초고속 광 아날로그 디지털 변환기 등과 같은 광통신 발전 기술에 응용될 것으로 기대된다"고 말했다.

이용민 기자



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