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NEW 염동일 교수팀, 꿈의 신소재 ‘그래핀’의 새로운 광특성 규명
- 2026-07-07
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아주대 염동일 교수팀이 차세대 광 정보 처리 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 그래핀에서 매우 강력한 비선형 광학 특성을 발견하고, 이를 전기적으로 정밀하게 제어할 수 있음을 입증해 냈다. 이번 연구 결과는 ‘빛’으로 데이터를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 기반 기술로써, 향후 AI 데이터센터와 미래 광 컴퓨팅 기술 등의 성능 혁신에 활용될 것으로 기대된다.
물리학과 염동일 교수 연구팀은 그래핀 내에서 기존에 보고된 수준을 뛰어넘는 매우 강한 비선형 광 현상을 관측하고, 이를 전기적 도핑을 통해 자유롭게 조절할 수 있음을 확인했다고 밝혔다.
해당 연구는 ‘준축퇴 사광파 혼합을 통한 디랙 페르미온의 비선형 위상 결맞음 소실 동역학 제어(Manipulating Nonlinear Dephasing Dynamics of Dirac Fermions in Nearly Degenerate Four-Wave Mixing)’라는 제목으로 광학 및 포토닉스 분야의 저명 국제 학술지 <PhotoniX>에 6월 온라인 게재됐다. 한국표준과학연구원과 DGIST 연구진이 함께 참여했다.
그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 2차원 신소재로, 뛰어난 전기적·광학적 특성 덕분에 광소자와 차세대 반도체 등의 분야에서 활발히 연구되고 있다. 그래핀 내부 전자의 이동속도는 기존에 널리 활용되고 있는 구리보다 100배 이상 빨라 초고속 소자 구현에 유리하다. 그래핀은 또한 얇고 투명하면서도 기계적 강도가 매우 우수하다.
그러나 그래핀의 실제 산업 적용을 위해서는 여전히 여러 기술적 한계를 해소해야 하는 상황이다. 특히 단 원자층 두께를 가지는 그래핀에서 빛의 선형 흡수가 2.3%에 지나지 않아, 광소자로의 응용에 어려움이 있다. 흡수율이 낮으면 빛의 세기 변조나 검출에 한계가 있기 때문이다.
이에 아주대 연구진은 그래핀의 비선형 광 특성인 ‘사광파 혼합 현상(Four-Wave Mixing, FWM)’에 주목했다. ‘비선형 광 특성’이란 빛이 매질에 입사할 때 매질에서 유도되는 편극(Polarization)의 크기가 빛의 전기장 세기에 선형적으로 비례하지 않고 제곱이나 세제곱 등 고차항에 비례하여 발생하는 현상을 말한다. 특히 준축퇴(Nearly Degenerate, ND) 조건에서 그래핀 고유의 밴드구조로 인해 매우 강한 비선형 광특성이 발현될 것으로 예상되나 지금까지 이와 관련된 연구는 보고된 바가 없었다.
연구진은 그래핀 내에서 발생하는 ‘준축퇴 사광파 혼합(Nearly Degenerate Four-Wave Mixing, NDFWM)’ 현상에 주목, 기존에 보고된 수준을 뛰어넘는 매우 강한 비선형 광 응답 특성을 확인했다. 분석 결과, 그래핀의 3차 비선형 감수율은 광통신에 사용되는 C-밴드 파장 영역에서 10-13 m2 V-2수준에 도달하는 것으로 밝혀졌다. 이는 기존 고성능 비선형 광소재와 비교해 1000배 이상 높은 값으로, 매우 적은 에너지만으로도 강력한 비선형 광신호 변환 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
나아가 연구진은 전기적 도핑을 통해 단원자층 그래핀에서 비선형 광신호의 켜짐과 꺼짐을 나타내는 온·오프 대비(On-Off Contrast)가 최대 23dB(99.5%)에 달한다는 것을 확인했다. 이러한 특성은 빛을 능동적으로 제어하는 기술이 필수적인 광통신 및 광센싱 분야뿐 아니라, AI 데이터 센터에서 전기 신호 대신 광신호로 정보를 전달하고 연산을 수행할 수 있는 기반 기술의 혁신을 가져올 수 있다.
이번 연구의 또 다른 중요한 성과는 준축퇴 사광파 혼합 현상을 통해 그래핀 내부 전자의 초고속 동역학 특성을 새롭게 관측했다는 점이다. 연구진은 낮은 광세기 조건에서 비선형 광응답이 특정 전기적 상태에서 공명(resonance) 특성을 나타낸다는 사실을 발견했다. 이는 빛에 의해 여기된 전자들이 얼마나 오랫동안 양자적 상태를 유지하는지를 의미하는 ‘결맞음 시간(decoherence time)’과 밀접한 관련이 있다.
연구진은 양자 마스터 방정식 기반의 이론 분석을 통해 이러한 현상이 그래핀 내 디랙(Dirac) 전자의 결맞음 특성에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈다. 또한 광여기된 전자의 결맞음 시간이 최대 70펨토초(fs, 1조분의1초의 1000분의1)에 이른다는 것을 확인했다. 이는 일반적으로 매우 강한 레이저가 필요한 고조파 생성(high-harmonic generation) 방식으로는 측정하기 어려운 영역으로, 그래핀의 초고속 양자 동역학을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것으로 평가된다.
이번 연구는 그래핀의 비선형 광학 현상을 이용해 초고속 전자 움직임을 정밀하게 관측할 수 있는 새로운 플랫폼을 제공함과 동시에 ▲미래 광통신 네트워크 ▲광 기반 인공지능(AI) 연산 ▲초고속 정보 처리 기술 개발 등에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.
염동일 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 비선형 광응답이 효율적인 광신호 변환뿐 아니라 전자의 초고속 양자 동역학을 탐구하는 강력한 도구가 될 수 있음을 확인했다”라며 “향후 초저전력 광소자와 초고속 광정보 처리 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.
이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 후속사업, 중견연구자 지원사업 및 정보통신기획평가원 양자암호통신 전송기술 고도화 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
* 위 이미지 설명 - 그래핀 전기 소자에서 발생하는 사광파 혼합 반응 모식도