원하는 곳에 레이저로 그래핀을 바로 합성

- 통신용 레이저를 이용해 광학소자 내의 원하는 부분에 그래핀을 직접 합성
- 높은 광학적 비선형성을 갖는 나노소재인 그래핀을 응용하여 실용적인 펨토초의 초고속 펄스 레이저 구현

 

 

 

고성능의 전자 소재로 알려진 그래핀 (graphene)은 다양한 소재로도 많이 연구 되면서 응용 분야를 넓혀 가고 있다. 흑연을 박리하면 손쉽게 제작할 수 있는 그래핀의 품질과 형상을 제어하기 위해 합성 그래핀을 개발하려는 노력이 활발하지만, 이 경우에도 실제 사용되는 기판위로 옮기는 전사 공정에서 품질이 떨어지고 손상이 발생해 연구에 걸림돌이 되어 왔다. 국내 연구진이 통신용 레이저를 이용해 광소자내에 원하는 위치에 그래핀을 바로 합성하는 기술을 개발했다. 초고속 데이터 송신에 쓰이는 광학소자 및 초소형 전자 소자 등의 발전을 앞당길 것으로 보인다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 “통신용으로 사용되는 레이저를 이용하여, 광소자 내 원하는 위치에 그래핀을 직접 합성하고 이를 기반으로 광학적 비선형 소자를 구현”하는데 성공했다고 밝혔다.

 

연구팀은 탄소가 함유된 니켈 층을 가열하게 되면, 탄소가 니켈 층 밖으로 확산되어 나오면서 석출됨과 동시에 그래핀이 형성되는 현상에 대해 지속적인 연구를 해 오고 있었다. 이번 연구에서는 그래핀이 생성 될 광섬유의 끝면에 니켈을 증착하고, 형성 된 니켈 층만을 국부적으로 가열하기위해 광학소자에서 일반적으로 쓰이는 통신용 레이저를 사용했다. 연구팀은 광섬유 기반의 광학소자에서 광 데이터의 제어에 사용 되는 통신용 레이저를 광섬유 끝면에 코팅된 니켈 층에 쬐었다. 이렇게하면 니켈 층 내에 불순물로 포함 되어 있던 탄소 성분이 광섬유와 니켈 층 사이에 석출되면서 그래핀이 합성 되는 것이다.

 

연구팀이 개발한 그래핀 합성법은 (1) 전사의 과정이 필요 없이 고품질 그래핀 기반의 소자를 제작하는 것이 가능하고, (2) 특별한 진공 환경이나 합성에 필요한 높은 온도, 또는 추가적인 레이저와 같은 외부 에너지원이 불필요 하며, (3) 그래핀을 구성하는 성분인 탄소 원자를 외부에서 별도로 공급하지 않고 금속에 포함된 불순물을 이용 할 수 있고, (4) 최종 합성 하고자 하는 그래핀의 미세 모양과 위치에 대한 제어가 가능하다. 또한 (5) 미세 가열 영역 이외의 다른 모든 부분이 상온을 유지하여 추후 플렉서블 기판에 적용이 가능한 장점이 있다.

 

이러한 통신용 레이저의 사용은, 광학소자에서 기존에 사용되고 있던 레이저를 합성용으로 출력을 높게 손쉽게 전환하여 사용 한 후, 다시 통신용으로 전환이 가능해 원래 레이저를 그대로 사용할 수 있다는 면에서 추가 장비와 공정 등의 도입 비용이 들지 않아 효과적이다. 또한 증착된 니켈 층은 용도에 따라 형성된 그래핀 층과 함께 비선형거울 (nonlinear mirror)로 사용 될 수도 있으며, 그래핀 층만이 요구되는 환경에서는 간단한 금속 에칭을 통하여 니켈 층을 제거한 후 순수한 그래핀 층을 얻을 수도 있어 다양한 곳에 응용이 가능하다. 또한, 연구팀은 각각 출력이 다른 두 개의 레이저 빔을 동시에 증착 된 니켈 층에 쬐여주어, 높은 출력의 레이저는 그래핀 합성을 유도하고, 낮은 출력의 레이저는 그래핀 합성에 대한 실시간 모니터링을 수행 할 수 있도록 광학 실험 장치를 구성하기도 하였다.   

 

광학 소자의 표면에 합성된 그래핀에 대해서는, 그래핀의 합성에 있어서 가장 기본적으로 사용되는 라만 분석과 더불어, 전자 현미경을 통한 미세 이미지 관찰, 원자간 결합력 검사를 통한 생성 결합의 정량적 분석 및 원자힘 현미경 등을 통해 그 성분을 분석한 결과 그래핀이 성공적으로 합성되었음을 증명할 수 있었다.

 

연구진이 합성한 그래핀은, 그래핀이 갖는 높은 광학적 비선형성인 ‘포화흡수 (saturable absorption)’라는 특성을 이용하여, 일반 연속파 (continuous wave; CW) 레이저를 극초단파인 펨토초 (femtosecond) 레이저로 변환하는데 사용 되었다. 이러한 펨토초 레이저의 구현은, 단순한 그래핀의 소자 응용을 뛰어 넘어, 미세한 영역에서 실제로 그래핀이 합성이 되었고, 그 합성된 그래핀이 레이저와 올바르게 상호작용 하고 있음을 보인 것다.

 

연구진이 개발한 그래핀 합성 방법은, 향후 초고속 대용량 데이터를 다루는 광학소자 뿐 아니라, 복잡한 디자인의 그래핀을 요구하는 초소형 전자소자, 그리고 이들 간의 집적된 혼성 소자의 고효율화에 획기적인 발전을 가져오리라 기대 된다.

 

제1저자인 KIST Pulak C. Debnath 학생연구원은 “높은 광학적 비선형성을 갖는 그래핀이 광학소자 내에 직접적으로 합성 된 것이 보고된 것은 처음이다”며, “앞으로의 초고속 초대용량 데이터 전송/저장/처리에서 실리콘 기술이 갖는 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로서 집적화 포토닉스 기술을 구현하고 현실화 하는데 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 Advanced Optical Materials 최신호에 “In Situ Synthesis of Graphenen with Telecommunication Lasers for Nonlinear Optical Devices” (DOI: 10.1002/adom.20150104)라는 제목으로 게재되었다.