국내 공동연구팀이 차세대 광정보처리 핵심 소재로 꼽히는 그래핀(Graphene)의 강력한 비선형 광특성을 규명하고, 이를 전기적으로 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 이번 성과가 광신호를 활용한 초고속 정보처리와 차세대 광통신, 광 기반 인공지능(AI) 연산 기술의 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

아주대는 물리학과 염동일 교수 공동연구팀이 그래핀에서 발생하는 ‘준축퇴 사광파 혼합(Nearly Degenerate Four-Wave Mixing)’ 현상을 분석한 결과, 기존보다 훨씬 강한 비선형 광응답 특성을 확인했다고 6일 밝혔다. 이번 연구에는 한국표준과학연구원과 대구경북과학기술원(DGIST) 연구진도 참여했다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 2차원 신소재로, 전자의 이동 속도가 빠르고 전기적·광학적 특성이 뛰어나 차세대 반도체와 광소자의 핵심 소재로 주목받고 있다. 다만 단원자층 구조 특성상 빛 흡수율이 2.3% 수준에 그쳐 광소자로 활용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 그래핀의 비선형 광학 현상을 이용해 이러한 한계를 극복할 가능성을 제시했다. 분석 결과 그래핀의 3차 비선형 감수율은 광통신에 사용되는 C-밴드 영역에서 기존 고성능 비선형 광소재보다 1000배 이상 높은 수준으로 나타났다. 이는 적은 에너지만으로도 강력한 광신호 변환이 가능해 초저전력 광소자 구현에 활용할 수 있음을 의미한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 또 전기적 도핑을 통해 단원자층 그래핀의 광신호 온·오프 대비를 최대 23데시벨(dB)까지 구현했으며, 그래핀 내부 전자의 결맞음 시간(decoherence time)이 최대 70펨토초(fs)에 이른다는 사실도 확인했다. 이를 통해 그래핀 내부 전자의 초고속 양자 동역학을 관측할 수 있는 새로운 연구 방법을 제시했다고 밝혔다.

연구팀은 이번 성과가 전기 신호 대신 빛으로 정보를 전달하고 연산하는 광컴퓨팅 기술을 비롯해 AI 데이터센터, 초고속 광통신, 광센싱 등 차세대 광정보처리 기술 개발의 기반이 될 것으로 전망했다.

이번 연구 결과는 광학·포토닉스 분야 국제학술지 ‘PhotoniX’에 게재됐다.

염동일 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 비선형 광응답이 효율적인 광신호 변환뿐 아니라 초고속 양자 동역학을 연구하는 강력한 도구가 될 수 있음을 확인했다”며 “초저전력 광소자와 초고속 광정보처리 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.