2차원 新물질로 손쉽게 광대역의 극초단 레이저 발생시킨다(전영민 센서시스템연구센터장)

2차원 신물질(MXene, 맥신)을 이용한

광대역 극초단 레이저 발생 기술 
초정밀 물질가공, 초고속 광통신 등 첨단 응용분야에 활용 기대 
 

최근 2차원 물질에 대한 연구는 그래핀을 넘어 다양한 형태의 2차원 물질들로 확산되는 경향을 보이고 있다. 지난해 KIST 구종민 박사팀이 美 드렉셀(Drexel) 대학교와의 공동연구를 통해 전자파차폐용으로 개발했던 ‘MXene’(Science, VOL.353, 2016)이라 불리는 2차원 나노물질은 최근 제조된 2차원 물질 중 가장 뛰어난 전자적 특성과 친수성 표면 화학기능기, 고분자 물질과의 혼합 용이성에 기인하여 슈퍼커패시터의 전극 물질, 전자파 차단 소재, 다공성 박막 소재 등 다양한 응용 연구들이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 맥신 소재를 이용하여 극초단 레이저 펄스를 발생시켜 첨단 응용분야에 사용될 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 美 드렉셀(Drexel) 대학교 및 서울시립대 연구진과 공동연구를 통해 새로운 2차원 나노물질인 맥신(MXene)을 이용하여 넓은 대역과 펨토초(femto second, 10-15)대의 극초단 레이저 펄스를 발생시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

<그림 1> (위) 맥신 2차원 물질 기반의 펨토초대 펄스 레이저 시스템 (아래, 좌) 펨토초대 펄스폭을 가지는 레이저의 자기상관법에 의한 펄스폭 측정 (아래, 우) 출력된 펄스 레이저빔의 전기 스펙트럼

1000조 분의 1초의 짧은 펄스 폭을 지니는 펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 짧고 순간적으로 강한 에너지를 전달할 수 있어 초정밀 물질가공, 초정밀 안과수술, 테라헤르츠빔 발생, 초고속 광통신 등 다양한 첨단 응용 분야에 활용될 수 있다. 맥신 2차원 물질은 티타늄과 같은 중금속 원자와 탄소 원자의 이중 원소로 이뤄진 얇은 판 모양의 나노 물질로, 초고속 포화흡수체로 작용하여 빛을 매우 빠른 속도로 스위칭할 수 있어 펨토초대의 짧은 펄스를 만들 수 있다. 또한 기존 2차원 물질과 달리 에너지 갭이 없는 금속성 2차원 물질이기 때문에 근적외선 및 중적외선 영역을 포함하는 매우 넓은 파장 영역대의 레이저 빛을 발생시킬 수 있는데, 본 연구진은 이를 실험적으로 입증하였다. 게다가 맥신 2차원 물질은 표면에 다량의 친수기(*물과 친화성이 강한 원자단)를 가지고 있어 고분자와 혼합이 용이하여 산화에 강한 필름형태의 복합 물질을 제조하기 쉬우며, 혼합 상태에서도 우수한 펄스 레이저 발생 특성을 보였다.

<그림 2> (좌) 중적외선(1875 nm) 펄스 레이저빔이 발생하는 것을 입증하는 광학 스펙트럼 (우) 펌프 파워 변화(194에서 230 mW으로)에 따른 레이저빔의 출력특성(위 곡선에서 아래 곡선)

 

KIST 전영민 센터장은 “최근에 개발된 맥신 2차원 물질은 수퍼커패시터 전극 물질, 전자파 차단 소재, 나노다공성막 등의 응용에 대한 연구가 진행되어 왔으나 레이저 광학분야로의 적용은 전무한 실정이었다.”라고 말하며, “이번 연구를 통해 맥신의 뛰어난 광학 응용 잠재성을 확인하였으며, 후속 연구를 통하여 새로운 차세대 광학소자의 개발 연구를 이어나갈 계획이다.”라고 밝혔다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 권위있는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’(IF : 19.791) 10월 25일자 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정되어 게재되었다.

  * (논문명) Metallic MXene Saturable Absorber for Femtosecond Mode-Locked Lasers
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전영인 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 전영민 박사