금속 물질 안에 1000배 응축된 중적외선 빛 세계 첫 구현

카이스트 장민석 교수팀

중적외선의 이미지를 세계 최초로 구현한 카이스트 장민석 교수(오른쪽)와 세르게이 박사. 

카이스트(KAIST) 장민석(전기및 전자공학부) 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 천 배 넘게 응축돼 가둬진 중적외선 빛의 이미지를 세계 최초로 얻어내는데 성공했다. 연구팀은 이를 활용해 초미시 영역에서 전자기파의 거동을 관측했다고 2일 밝혔다.

연구팀은 수 나노미터 크기의 도파로에 초고도로 응축된 ‘그래핀 플라즈몬’을 이용했다. 그래핀 플라즈몬이란 나노 물질 그래핀안의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말한다. 최근 이 플라즈몬들이 빛을 그래핀과 금속판 사이에 있는 아주 얇은 유전체에 가둬 새로운 모드를 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 

‘어쿠스틱’ 그래핀 플라즈몬(AGP)으로 불리는 이 물질은 그러나 광학적 파동을 수 나노미터의 얇은 구조에 응집시키기 때문에 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약하다. 이로인해 지금까지 직접적인 광학적 검출 방법으로는 그 존재를 밝혀내지 못했다.

이러한 한계점을 극복하기 위해, 연구팀은 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했다. 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출했고, 중적외선이 1000배 넘게 응축된 현상을 시각화했다.

해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학의 오상현 교수팀이 제작했으며, 그래핀은 성균관대학교의 IBS 나노구조물리연구단 이영희 연구단장팀이 합성했다.

중적외선은 다양한 분자들이 가지고 있는 진동 주파수와 일치하는 주파수를 가지고 있어 이들의 화학적, 물리적 성질을 연구하는데 중요하다. AGP는 초고도로 응축된 전자기장을 통해 분자와 빛의 상호작용을 크게 높일 수 있어 한 개의 분자만로도 작동하는 검출 기술을 가능하게 한다.

또 그래핀이 아닌 유전체층에 존재하기 때문에 고성능 소자 구현에 유리하다.

장 교수는 “이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 희망을 보여준다”고 의미를 설명했다. 메나브데 세르게이·이인호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 19일자에 게재됐다.

대전=임정재 기자 [e-mail]