표면 플라스몬 광전류 변환 소자 구현

빛의 빠른 속도를 이용한 광소자 개발의 큰 난제로 여겨져 온 ‘광전자소자의 나노급 크기 구현’ 문제를 풀 수 있는 연구 성과가 발표되어 눈길을 모으고 있다.

미국 하버드대 화학∙물리학과 박홍근 교수와 우리대학 신소재공학과 조문호 교수 공동연구팀은 국제과학학술협력재단, 미 공군 과학연구실, 삼성전자 등의 지원으로 ‘근접장 영역에서 집적화된 단일 표면 플라스몬-반도체 나노와이어 광전소자’에 대한 연구 성과를 세계적 과학저널인 <네이처 피직스(Nature Physics)> 온라인판에 5월 24일(현지시간) 발표했다.

‘빛’을 정보 전달과 처리의 매개체로 사용하는 광소자(光素子)는 ‘전자’를 이용하는 전자소자에 비해 응답처리 속도가 빠르고 효율적으로 정보를 전달할 수 있는 장점을 지녔지만, 빛의 회절(回折)현상 때문에 그 크기를 나노미터 수준으로 집적할 수 없는 한계를 지니고 있었다.

공동연구팀은 이번 연구에서 반도체 나노와이어 트랜지스터(nanowire transistor)를 통하여 표면 플라스몬(plasmon)의 광 신호를 근접장(near field) 영역에서 전기적 신호로 고효율 변환이 가능한 소자를 구현했다. 이와 함께 단일 광자(光子)에서 발생되는 단일 표면 플라스몬 역시 전기적 신호로 고효율 변환이 가능하다는 사실도 규명했다.

이 같은 연구 성과는 나노미터 크기에서 플라스몬과 같은 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 고체 광전자 소자 개발의 가능성을 제시함으로써 나노 집적 광전자 소자, 양자 컴퓨터 등의 미래형 소자 기술 개발의 물꼬를 튼 것으로 평가받고 있다.

조문호 교수는 “이번 연구성과는 소형화가 어려운 것으로 알려졌던 광소자를 나노미터급으로 개발할 수 있다는 근거를 제시했다는 점에서 학계에서 좋은 평가를 받고 있다”고 밝혔다.

※ 회절(回折, diffraction) : 빛과 같은 파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상. 입자가 아닌 파동에서만 나타나는 성질이다. 담장 너머에 있는 사람을 볼 수는 없지만 그가 말하는 소리를 들을 수 있는 것이나, 라디오의 AM방송이 FM방송보다 수신율이 높은 것도 바로 이 같은 회절 현상 때문이다.

※ 플라스몬(plasmon) : 금속 내 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 의미한다. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 부분적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라고 부르기도 한다.