아주대학교(총장 김동연) 염동일 교수(에너지시스템학과, 물리학과) 연구팀이 세계 최초로 전기적 조절이 가능한 그래핀-광섬유 소자를 개발했다. 이번에 개발된 소자는 외부 전기 신호로서 광섬유를 따라 진행하는 빛의 흡수율을 조절할 수 있다.

그래핀은 탄소원자가 벌집 모양으로 결합된 단일 원자층으로 높은 전도성과 투명성 그리고 유연성까지 갖추고 있어 반도체, 디스플레이, 태양전지 등 차세대 전기소자, 광전소자 그리고 광학소자를 만들 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 주목받고 있다.

하지만 단일층 그래핀의 경우 빛 흡수율이 2.3%정도 밖에 되지 않아 고효율의 광반응 성능을 가진 광소자 및 광전소자를 만드는 데 어려움이 있었다.

염 교수 연구팀은 기술적 한계로 결합이 어렵던 그래핀 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor·FET)와 광섬유를 결합해 세계 최초로 그래핀-광섬유 광전소자를 개발했다. 또한 이 광전소자를 통해 전기적으로 제어 가능한 극초단 광섬유 레이저를 만드는 데도 성공했다. 전계효과트랜지스터는 반도체 내의 전기전도과정에 한 극성(polarity)의 전자만 관여하는 반도체소자 또는 단극성 트랜지스터라고 한다.

연구팀이 개발한 광전소자는 빛이 광섬유를 따라 진행하면서 발생하는 감쇄파(에바네센트파, evanescent wave)와 그래핀이 상호작용하면서 빛의 흡수율을 최대 90%까지 조절할 수 있는 성능을 가진 고효율의 소자다.

염 교수는 “이번에 개발한 그래핀-광섬유 광전소자는 최근 산업용 정밀 레이저 가공이나 레이저무기 등을 구현하는 데 쓰이는 광섬유 레이저에 직접 응용이 가능하다. 향후 고효율의 그래핀 기반의 광전자소자나 광학소자를 구현하는 데에도 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.

한편 이번 연구결과는 '전기적 신호로 능동 조절 가능한 전광섬유(All-fiber) 그래핀 소자 (Active control of all-fibre graphene devices with electrical gating)'의 제목으로 세계적 수준의 과학저널인 네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications, 최근 5년간 IF=11.023) 2015년 4월호에 게재됐다.

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