빛 속도 조절하는 메타물질 구현…차세대 광통신 소자 개발 앞당겨

메타물질 구조도/사진=IBS

세상에서 가장 빠른 속도를 가진 물질 ‘빛’은 정보 전달에 유용하게 쓰인다. 현재 빛을 정보로 처리하려면 빛을 전기신호로 전환하는 과정을 거친다. 이 때 신호를 처리하는 전자소자의 한계와 발열 문제 때문에 정보처리 속도가 느려지고 병목 현상이 나타난다. 이에 따른 전력비용도 많이 발생한다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 김튼튼 연구교수팀과 카이스트(KAIST) 기계공학과 민범기 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀이 메타물질과 그래핀을 접합해 빛의 속도를 느리게 만들었다가 다시 빠르게 만드는 소자를 개발했다고 15일 밝혔다.


메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 작은 인공원자로 구성된 물질, 그래핀은 탄소원자 1개의 두께로 이뤄진 벌집형태의 구조를 가진 소재를 말한다.

이번 연구는 느려진 빛을 능동적으로 제어해 차세대 광통신 소자 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

그래핀-메타물질 소자(샘플)/사진=IBS

빛의 속도를 느리게 하는 건 운전 시 브레이크를 밟는 것과 비슷하다. 빛이 전기신호로 바뀔 때 전자소자의 신호처리 속도 한계 때문에 빛의 속도가 느려져야만 원활한 정보처리가 가능하다.

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

메타물질을 이용한 전자기 유도 투과 현상/사진=IBS

연구진은 물리적 현상인 ‘전자기 유도 투과’를 중심으로 이번 연구를 설계했다. 전자기 유도 투과란 강한 빛(A)을 물질에 쏴 물질의 굴절률 상태가 변할 때, 다른 빛인 제어빛을 같은 방향으로 쏘아주면 그 빛(A)이 물질에 흡수돼버리는 바람에 투과할 수 없던 빛이 오히려 물질을 바로 통과해버리는 것이다. 이때 물질의 굴절 변화율이 커지면서 빛의 속도가 느려지는 원리다.


그러나 일반적으로 전자기 유도투과 현상은 극저온 환경과 강한 세기의 제어빛, 그리고 복잡한 실험환경이 필요했다.

연구진은 전자기 유도 투과 현상을 구현하고자 메타물질을 설계해 소자를 제작했다. 인공원자로 이뤄진 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현할 수 있다. 연구진은 금으로 만들어진 뚫린 고리형 구조와 막대구조의 인공 원자를 고분자 형태의 기판에 두 층으로 나누어 메타물질을 설계했다. 두 구조 사이의 위치를 조절해 물질의 굴절률을 급격히 변화시키자 빛의 속도가 느려졌다.

그래핀에 걸어주는 전압에 따라 느려지는 빛의 속도(그래프)/사진=IBS

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.

김튼튼 IBS 나노구조물리 연구단 연구교수/사진=IBS

연구진이 구현한 소자는 메타물질로 빛의 속도를 느리게 만들었다가 느려진 빛을 그래핀으로 빠르게 바꿀 수 있다. 한 번 제작되면 정해진 속도만큼만 빛을 느리게 할 수 있었던 기존 메타물질과 비교하면 훨씬 능동적이고 효과적으로 빛의 속도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

김튼튼 연구교수는 “이번 연구는 빛의 속도를 능동적으로 조절할 수 있음을 실험으로 보인 것”이라고 말했다.

또 “우리가 구현한 소자에는 테라헤르츠 주파수를 갖는 빛(테라파)를 이용하도록 제작됐다”며 “테라파는 차세대 초고속, 대용량 통신 뿐 아니라 이미징 및 분광 기술에도 적용될 수 있어 큰 잠재시장을 갖고 있다”고 덧붙였다.