고려대 박홍규 교수 “개발된 나노레이저, 모서리 상태 고유특성 잘 보여줘”


엣지 레이저 비해 5배 작고, 소모 전력은 80배 이상 작아



최근 고려대학교 박홍규 교수 연구팀이 동작조건이 까다롭고 소형화에도 한계가 있는 가장자리(edge, 엣지) 상태 대신 모서리(corner, 코너) 상태 위상을 이용해 더 안정적이고 우수한 광원으로 쓰일 수 있는 나노레이저 개념을 제시해 광소자 상용화를 앞당길 실마리가 될 것으로 기대된다. 고려대 박홍규 교수을 통해 이번 연구에 대해 보다 자세히 들어본다.





▲ 고려대학교 박홍규 교수




연구를 시작한 계기나 배경은?

우리 연구실은 리더연구사업(창의연구과제)을 진행하면서 나노레이저를 중심으로 한 다양한 나노광소자들을 연구하고 있다. 최근 광학 분야에서 가장 큰 이슈는 응집물질 물리학에서 유래한 위상적 상태를 이용해 빛을 마음대로 조절할 수 있는 새로운 방법을 찾는 것이다.

특히 광학적 위상절연체라는 독특한 나노구조에서 대칭성으로 보호되는 가장자리 상태에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는데, 가장자리 상태는 구조적 결함을 극복할 수 있지만 레이저 소자의 크기가 매우 크다는 단점이 있다. 이 때문에 레이저의 크기를 줄이고 작은 공간 안에 레이저 빛을 강하게 속박시키기 위해서 가장자리 상태가 아닌 다른 형태의 위상 상태를 연구할 필요가 있었다.

연구 과정이 궁금하다.

우선 2차원 SSH(Su-Schrieffer-Heeger) 모델에 기반해 사각 격자의 나노구조를 이론적으로 분석했다. 이를 모서리 상태들이 결합하면 새로운 위상 상태로 변한다는 것을 예측했다. 실험적으로 확인하기 위해 InGaAsP 다중양자우물 광이득 물질이 있는 반도체 기판에 2차원 광결정 나노패턴을 제작했다.

광펌핑을 통해 독특한 모양의 4개 레이저 모드를 구현했고, 이들이 이론적으로 예측한 모서리 상태임을 규명했다. 구조적 결함이 있어도 레이저가 안정적으로 동작함을 이론과 실험을 통해 체계적으로 확인했다.

연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었는지? 만약 있었다면, 이를 어떻게 극복(해결)했는지 들려 달라.

광펌핑을 통해 방출되는 4개의 레이저 모드들은 서로 매우 인접해 있어서 각 레이저의 파장이 수 nm 정도 밖에 차이가 나지 않는다. 이 레이저들을 구별하기 위해 초분광 이미징 방법을 새롭게 개발하여 활용했다. 각각의 레이저의 모양과 특성을 정확히 측정함으로써, 레이저가 모서리 상태임을 확실히 규명할 수 있었다.



▲ 고려대학교 박홍규 교수 연구팀


이번 성과가 기존 레이저와 차별화되는 점은 무엇인가?

모서리 위상 상태를 이용한 나노레이저라는 점이 기존의 레이저와 매우 다르다. 기존의 위상 레이저들은 영하 270도의 저온에서만 동작하거나 위상 상태의 고유 특성을 엄밀히 보여주지 못했던 반면, 이번 연구에서 개발한 나노레이저는 상온에서 동작하고 모서리 상태의 고유 특성을 잘 보여주고 있다.

4개의 모서리 상태 레이저는 각각 독특한 레이저 모양을 가지면서도 구조적 결함이 있더라도 레이저 특성이 안정적으로 유지된다. 이러한 위상적 특성의 결과로서, 모서리 상태 레이저는 가장자리 상태 레이저에 비해 그 크기는 5배 이상 작고, 소모 전력은 최대 80배 이상 더 작음을 확인했다.

실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

전기로 동작하는 나노레이저는 실용적인 초소형 광원으로써, 문턱 값이 낮고 발열 문제가 없어 그 효용성이 매우 크다. 하지만 나노레이저는 작은 크기 때문에 전기를 주입하기 위한 전극을 위치시키기가 상당히 어렵다.

전극이 레이저 주변에 있을 경우 광학적 손실을 야기하므로 레이저의 성능이 떨어지기 때문이다. 구조적 결함에도 안정적인 레이저 성능을 보이는 이번 연구 결과를 이용하면 이러한 문제점을 해결하여 전기로 동작하는 나노레이저를 쉽게 구현할 수 있으리라 기대한다. 또한 앞으로 나노레이저의 실용화를 위해 전기로 동작하는 모서리 상태 레이저를 개발하고자 한다.




원문 출처: 산업종합저널(http://industryjournal.co.kr/news/219874)