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‘빛 회전방향’ 신호로 쓰는 차세대 통신소자 개발

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‘빛 회전방향’ 신호로 쓰는 차세대 통신소자 개발

2019.02.19 14:33
KIST 연구진이 거울대칭 분자와 고분자 반도체를 녹인 용약을 코팅해 박막을 형성하는 공정을 통해 원편광을 감지하는 미래형 반도체 소자를 제작하고 있다. -사진 제공 KIST
KIST 연구진이 거울대칭 분자와 고분자 반도체를 녹인 용약을 코팅해 박막을 형성하는 공정을 통해 원편광을 감지하는 미래형 반도체 소자를 제작하고 있다. -사진 제공 KIST

국내 연구팀이  ‘회전하며 뻗어가는 빛’을 이용해 정보를 전달하고 인지하는 새로운 정보통신용 미래 반도체 소자를 개발했다.


김나연 한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 연구원과 임정아 선임연구원, 김지훈 동국대 연구교수, 주병권 고려대 교수팀은 빛이 나선형으로 회전하며 앞으로 나아가는 ‘원편광’ 특성을 정보통신에 이용할 수 있도록, 빛의 회전 방향을 감지하는 반도체 소자를 개발했다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 1월 28일자에 발표됐다.

 

흔히 빛은 직진한다고 알려져 있지만, 양자역학적 성질에 의해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 직진하는 원편광 특성이 있다. 멀리서 보면 나선형으로 나아가는데, 회전 방향에 따라 전자의 양자역학적 정보를 전달할 수 있어 차세대 계산, 통신 소자로 주목 받고 있다.

 

원편광 특성을 통신에 이용하려면 이를 감지하는 소자 개발이 필수다. 주로 물질 가운데 마치 좌우 장갑처럼 분자 구조는 같지만 거울 대칭의 구조를 갖는 물질을 이용하는데, 실제로 전기가 통하는 박막소자로 만들기가 까다롭다는 단점이 있었다.

 

연구팀은 좌우 거울대칭을 띠는 분자가 포함된 용액을 기판 위에 코팅해 원편광을 효과적으로 감지하는 소자를 만들었다. 반도체와 거울대칭 분자의 혼합 용액을 기판 위에 한 번 코팅하고 가열해 박막 위에서 자발적으로 고분자가 결정을 이루게 했다. 또 내부에 반도체 특성을 가지는 고분자 반도체 층을 만들었다. 여기에 전극을 붙이자 원편광을 구분해 감지할 수 있는 다이오드가 완성됐다. 

 

연구팀은 이 소자의 구동 원리도 밝혔다. 원편광을 받으면 빛의 회전 방향에 따라 거울대칭 분자가 흡수하는 양이 달라진다. 이에 따라 고분자 반도체 층으로 전자가 각기 다른 양으로 이동하는데, 이 성질을 통해 편광의 방향을 구분하게 된다.

 

이번 연구는 원편광을 간단한 구조의 소자로 감지할 수 있고 제작도 간편한 게 특징이다. 연구팀은 차세대 암호화소자나 광통신, 바이오센서 등에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

임 선임연구원은 “원편광 감응 반도체 박막을 손쉽게 제작할 수 있는 새로운 길을 제시했다”며 “앞으로 원편광 응용 기술 상용화에 중요한 계기가 될 것”이라고 말했다.

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