KAIST, 1000배 넘게 응축된 빛 관측

머니투데이

대전=허재구 기자

카이스트(KAIST)는 장민석 전기및전자공학부 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 1000배 넘게 응축돼 가둬진 중적외선 파동의 이미지를 세계 최초로 얻어내 초미시 영역에서 전자기파의 거동을 관측했다고 2일 밝혔다.

연구팀은 수 나노미터 크기의 도파로에 초고도로 응축된 '그래핀 플라즈몬'을 이용했다. '그래핀 플라즈몬'이란 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말한다.

그래핀-유전체-금속판 구조에서는 그래핀의 전하들이 금속판에 영상 전하를 만들게 되고 빛의 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 힘을 받아 진동하게 되면 금속에 있는 영상 전하들도 잇따라 진동하게 된다. 이러한 새로운 형태의 집단적인 전자 진동 모드를 '어쿠스틱 그래핀 플라즈몬(AGP)이라고 한다.

(사진 좌-상) AGP의 중첩 패턴이 보이는 그래핀 면의 가장자리. (사진 우-상) 그래핀의 가장자리를 확장한 이미지. 초록색 선은 시뮬레이션과 비교하는 데이터를 나타낸다. (사잔 하) 근접장 현미경에서 얻은 근접장 신호./자료제공=KAIST

'AGP'는 광학적 파동을 수 나노미터 정도의 얇은 구조에 응집해 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약하다. 이 때문에 지금까지 직접적인 광학적 검출 방법으로는 그 존재를 밝혀내지 못했으며 원거리장 적외선 분광학이나 광전류 매핑과 같은 간접적인 방법으로 AGP의 존재를 보일 수밖에 없었다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 장교수 연구팀은 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했다. 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접 검출해 중적외선이 1000배 넘게 응축된 현상을 시각화했다.

해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학의 전자 및 컴퓨터 공학부의 오상현 교수팀이 제작했고 그래핀은 성균관대학교 IBS 나노구조물리연구단 이영희 연구단장팀이 합성했다.

공동연구팀은 고도로 반듯한 나노 도파로와 순도 높은 대면적 그래핀을 활용, 플라즈몬이 보다 긴 거리를 전파할 수 있는 환경을 조성해 AGP 에너지의 대부분이 그래핀 아래에 있는 유전체층에 집중된 상황에서도 AGP를 검출할 수 있었다.

장민석 교수는 "이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 희망을 보여줬다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'의 2월19일자에 게재됐다.