[대학저널 임지연 기자] 국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’ 그래핀에서 나타나는 새로운 광학현상을 규명했다. 이에 2차원 물질 기반의 초고속 광신호 처리나 양자 통신, 양자 센싱 등 양자기술 분야에 활용할 수 있을 전망이다.

아주대학교(총장 박형주) 염동일 교수(물리학) 연구팀이 단층 그래핀 2장을 뒤틀어 포갰을 때 큰 폭 향상된 비선형 광신호가 발생함을 규명했다.

1일 염 교수연구팀에 따르면 단일 탄소 원자층으로 이뤄진 대표적 2차원 물질인 그래핀은 높은 전도성과 투명성 뿐 아니라 유연성까지 갖춰 차세대 전기소자와 광학소자의 기반이 되는 미래 소재로 주목받아 왔다.

단층 그래핀 위에 또 다른 단층 그래핀을 비스하게 겹쳐 쌓으면 무아레 무늬(Moire pattern)에 의한 초격자 구조가 나타나게 되는데, 이 때 뒤틀림 각도에 따라 저항이 아예 사라지는 초전도체나 전기가 전혀 통하지 않는 절연체 등 기존 단층 그래핀에서 볼 수 없었던 독특한 물리현상이 관측된다.

염 교수연구팀은 강한 세기의 빛이 뒤틀린 두 겹 그래핀에 입사할 때 발생하는 비선형 광학 현상에 주목했다. 특히 두 겹 그래핀의 무아레 초격자 구조에 의해 전자 상태 밀도의 반 호프 특이점이 형성되는데, 특이점 사이의 에너지 간극이 입사하는 빛에너지의 3배가 될 때 크게 향상된 삼차조화파가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 나아가 전기적인 제어를 통해 단층 그래핀 대비 최대 60배까지 향상된 비선형 광 파장 변환 신호를 얻었다.

염 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 적층 각도가 2차원 물질의 비선형 광 특성을 제어하고 향상시키는 새로운 변수가 될 수 있음을 최초로 밝혀냈다”며 “앞으로 2차원 물질의 비선형 광특성을 활용한 초고속 광신호 처리나 양자기술 분야의 광원으로 응용하는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.

연구 내용은 ‘두 겹 그래핀에서 뒤틀림 각도 조절을 통한 향상된 삼차조화파 발생’이라는 제목으로 광학분야 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’ 1월 21일자 온라인판에 게재됐다.

연구에는 아주대 대학원 하성주(박사과정)·박남훈(박사졸업)씨가 제1저자로 참여했고, 아주대 이재현 신소재공학과 교수, 유영동 화학과 교수, 박지용 물리학과 교수, 안광준 대학원 에너지시스템학과 교수와 서울시립대 정재일 물리학과 교수도 참여했다.

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