* 광공진기: 특정 파장의 빛을 오랫동안 가두어 둘 수 있는 소자. 광공진기는 레이저, 변조기, 필터, 센서 등에 활용되며 현재 사용중인 실리콘 기반 소형 광공진기의 반지름은 3~5 마이크론이다.

* 반지름 1 마이크론: 머리카락 두께의 100분의 1에 해당하는 크기.

* 나노플라즈모닉(nanoplasmonic) 도파로: 나노플라즈모닉 도파로는 금속 기반 광도파로이고 빛을 더욱 좁은 영역에 모아서 전송할 수 있는 장점을 지님. 광도파로는 빛을 좁은 영역에 가두어 전송시킬 수 있는 도구로 광섬유가 광도파로의 한 예임.

** 광집적회로(photonic integrated-circuit): 한 기판 위에 변조기, 스위치, 필터와 같은 다양한 광도파로 기반 광소자들을 집적하여 원하는 광신호 처리를 할 수 있게 만든 소자

* 집적도 높은 광집적회로: 현재 사용중인 광공진기에 비해 소자의 크기를 25분의 1로 줄일 수 있음(집적도를 25배 향상)

** 극소량 액체: 현재 사용중인 광공진기에 비해 필요한 액체의 양을 200배 이상 줄일 수 있음.

*** 광집게: 빛에 의해 발생되는 힘을 이용하여 입자를 포획하고 조작할 수 있는 도구.

[붙임] 연구결과 주요내용

1. 연구배경

○ 각종 스마트 기기의 보급과 다양한 인터넷 서비스의 이용으로 인하여 데이터 사용량이 급격히 증가하고 있다. 대용량의 데이터가 데이터센터에서 처리되어야 하고, 이로 인해 데이터 센터의 면적과 데이터센터에서 소모되는 에너지가 증가하고 있다. 에너지 효율적인 작은 면적의 데이터센터 구성을 위하여 실리콘 포토닉스에 기반을 둔 광연결 기술이 데이터센터에 적용되기 직전에 있다. 이를 위하여 인텔이나 IBM과 같은 여러 회사에서 실리콘 포토닉스 기술을 개발해왔고, 실리콘 포토닉스 기술은 성숙 단계에 접어들고 있다.

○ 전자집적회로의 발전에서 목격했던 것처럼, 실리콘 포토닉스의 지속적인 발전을 위해서 실리콘 광집적회로의 집적도를 증가시켜야 한다. 집적도가 높은 광집적회로는 실리콘 광도파로의 크기를 줄임으로써 구현될 수 있다. 하지만 회절한계로 인하여 일정 정도 이하로 실리콘 광도파로의 크기를 줄이는 것이 불가능하다. 이 회절한계를 극복하는 방법으로 금속에 기반을 둔 나노플라즈모닉(nano plasmonic) 도파로와 소자의 사용이 고려되었고, 이와 관련한 연구가 최근 10년간 활발히 진행되고 있다.

○ 나노플라즈모닉 소자를 포함한 집적도가 높은 실리콘 광집적회로의 구현을 위해 표준 CMOS(complementary metal oxide semi conductor) 기술로 구현 가능하며 실리콘 광도파로와의 효율적인 결합이 가능한 나노플라즈모닉 도파로와 소자의 개발이 필요하다. 이 조건을 만족하는 나노플라즈모닉 도파로와 소자를 싱가포르의 IME(Institute of Microelectronics)와 본 연구실에서 개발해오고 있다. 나노플라즈모닉 소자 중에서 나노플라즈모닉 공진기가 가장 핵심적인 요소이다. 도파로에 결합된 나노플라즈모닉 공진기에 대한 많은 이론적인 연구가 진행되어 왔지만, 이에 대한 실험적인 연구는 매우 적다. 또한 나노플라즈모닉 공진기에 의해 작은 영역에 강하게 모인 빛과 유체의 상호작용을 활용하여 공진기의 특성을 동적으로 제어하는 새로운 방법의 개발이 필요하다. 이 경우 유체의 교환이나 액정과 같은 기능성 유체의 활용을 통하여 나노플라즈모닉 공진기의 특성을 효과적으로 제어할 수 있다. 이와 더불어 이런 소자를 광센서나 미세 입자를 제어하는 광집게에 응용할 수 있다. 본 연구에서는 이런 특성을 지닌 나노플라즈모닉 공진기를 실험적으로 연구하였다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서 개발한 금속-유체-실리콘 기반 나노플라즈모닉 공진기인 plasmofluidic disk resonator(PDR)은 1 마이크로미터 이하의 반지름을 갖는 실리콘 디스크와 30 나노미터 폭을 갖는 채널을 사이에 두고 실리콘 디스크를 감싸는 구리로 구성된다. 채널이 유체로 채워지고 빛이 이 채널에 강하게 가두어져 빛과 유체의 강한 상호 작용이 존재한다. 표준 CMOS 기술을 사용하여 8 인치 기판 위에 PDR을 포함한 여러 나노플라즈모닉 소자를 제작하였다. 대부분의 기존 나노플라즈모닉 소자들에 사용되는 금이나 은 대신에 표준 CMOS 기술에 적합한 구리가 PDR에 사용된다. 또한 PDR에 필요한 30 나노미터 폭의 채널은 일반적인 필름 증착과 습식 식각을 사용하여 만들어진다.

○ 채널에 굴절률이 다른 여러 오일을 채우고 PDR이 결합된 나노플라즈모닉 도파로의 투과 스펙트럼을 측정하였다. 일반적인 공진기의 특성에서 예측할 수 있듯이, 실리콘 디스크의 반지름이 0.85 마이크로미터부터 1 마이크로미터까지 증가하면 투과 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동함을 관찰하였다. 그리고 오일의 굴절률이1.390부터 1.531까지 증가하면 투과 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동함을 관찰하였다. 굴절률 변화에 대한 투과 스펙트럼 중심 파장의 변화의 비율을 민감도라고 하는데, 반지름 0.9 마이크로미터의 실리콘 디스크를 갖는 PDR의 민감도는 단위 굴절률 변화 당 214 나노미터이다. 이 민감도는 수 마이크로미터의 반지름을 갖는 기존 실리콘 디스크 공진기의 민감도에 비해 두세 배 큰 값이다. 더욱이 빛이 채널에 강하게 가두어지기 때문에 PDR 특성에 실질적으로 영향을 미치는 유체의 부피는 채널의 부피에 가깝다. 따라서 45 아토리터(1000조 분의 1 리터)라는 극소량의 유체만으로도 PDR 특성에 변화를 줄 수 있는 것이 PDR의 두드러진 특성이다.

○ 유한차분시간영역(finite difference time domain, FDTD) 방법을 사용하여 PDR을 이론적으로 해석하였다. 이론적 해석의 결과가 실험 결과와 상당히 유사함을 확인하였다. 이론적 해석을 바탕으로 나노플라즈모닉 도파로에 결합된 PDR의 특성을 향상시키는 방법을 제시하고 확인하였다. 이와 더불어 액정을 유체로 사용하는 경우 액정의 배향을 조절하여 PDR의 특성을 변화시키는 것을 이론적으로 해석하였다. 이를 통해 PDR이 결합된 나노플라즈모닉 도파로를 극소형의 세기 변조기로 사용할 수 있음을 확인하였다.

3. 기대효과

○ 본 연구는 주로 이론적 연구의 대상이었던 나노플라즈모닉 공진기를 표준 CMOS 기술을 사용하여 실제 구현하고 실험적으로 연구한 점에서 큰 의미가 있다. 더욱이 세계 최초로 빛과 유체의 강한 상호작용을 기반으로 한 나노플라즈모닉 공진기를 개발하였다. 개발된 PDR은 실리콘 광집적회로에 적용되어 광신호의 세기를 바꿔주는 극소형의 소자로 사용될 것으로 기대된다. 또한 PDR은 극소량의 액체를 검출하는 극소형의 센서로 이용될 것으로 기대한다. 마지막으로 채널 주변에 있는 10 나노미터 정도의 지름을 갖는 미세 입자를 붙잡을 수 있는 광집게로 PDR을 활용하는 것을 기대할 수 있다.

4. 논문정보

○ 본 연구는 연구결과는 권위있는 세계적 학술지 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’의 3월 16일자 온라인판에 게재되었다.

○ 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명: Plasmofluidic disk resonators

- 저자 정보: 권민석 교수(교신저자, UNIST), 구본우(제2저자, UNIST), 김용한(제3저자, UNIST)

[붙임] 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

나노플라즈모닉 도파로와 소자에 대한 많은 이론적 연구가 있었으나 구현의 어려움으로 인해 이에 대한 실험적 연구가 매우 적었다. 표준 CMOS 기술을 사용하여 나노플라즈모닉 도파로와 소자를 구현하는 것이 요구되었고, 이런 요구를 만족시키기 위하여 본 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저, 나노플라즈모닉 도파로와 소자를 설계하고, 이것들을 제작하는 공정을 설계하였다. 나노종합기술원의 공정서비스를 활용하여 이 공정을 진행하였다. 이렇게 제작된 나노플라즈모닉 도파로와 소자에 필요한 후속공정을 직접 진행하였다. 제작된 나노플라즈모닉 도파로와 소자의 특성을 측정하고, 측정된 결과를 이론적 해석을 통해 얻은 결과와 비교, 분석하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

나노플라즈모닉 도파로와 소자의 크기가 매우 작으므로 이것들의 특성을 직관적으로 이해하는데 어려움이 있었다. 이것들의 특성을 이해하기 위하여 수치 해석을 사용했지만 수치 해석 결과의 의미를 이해하는 것 또한 쉽지 않았다. 많은 수치 해석을 반복하여 수치 해석의 정확도를 높이고 그 결과에 대한 이해를 높일 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

무엇보다도 표준 CMOS 기술을 사용하여 나노플라즈모닉 도파로와 소자를 구현했다는 것이 큰 성과이다. 그리고 이전에 없었던 빛과 유체의 강한 상호작용을 얻을 수 있는 금속-유체-실리콘 기반 광공진기를 개발했다. 또한 금속-유체-실리콘 기반 광공진기의 유체를 변화시킴으로써 광공진기 특성을 효과적으로 조절할 수 있음을 처음으로 보였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

먼저 본 연구를 진행하면서 발견한 개선 사항들을 반영하여 향상된 성능을 갖는 나노플라즈모닉 도파로와 소자를 개발하고자 한다. 그리고 유체로 액정을 사용하여 전기적으로 제어 가능한 금속-유체-실리콘 기반 광공진기를 개발할 계획이다. 마지막으로 개별적인 나노플라즈모닉 소자의 연구가 아니라, 여러 나노플라즈모닉 소자가 집적된 혹은 나노플라즈모닉 소자와 실리콘 도파로 소자가 함께 집적된 집적도 높은 광집적회로를 개발하고자 한다.

[붙임] 용어설명

1. 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)지

○ 세계적 과학저널 ‘네이처’가 발행하는 온라인 저널.

2. 실리콘 포토닉스(silicon photonics)

○ 실리콘 기반 광도파로와 광소자를 사용하여 빛을 만들고 제어하며 검출하는 기술. 한 기판 위에 광소자들이 집적된 실리콘 광집적회로를 구현하고 활용함. 이런 실리콘 광집적회로는 전자집적회로와 유사함.

3. 광연결(optical interconnect)

○ 소자와 소자 혹은 장비와 장비 사이에 신호를 주고받는 것을 연결이라고 하고, 현재 전기신호를 활용한 전기적 연결이 주로 사용되고 있음. 하지만 정보의 양이 증가하면서 전기적 연결의 한계에 도달하고 있고, 전기신호를 광신호로 대체한 광연결이 필요함. 초고속 인터넷의 근간을 이루는 광통신도 광연결임.

4. 회절한계(diffraction limit)

○ 일반적인 광학 도구를 사용하여 빛을 가둘 때 빛이 가두어진 영역의 최소 면적은 빛의 파장의 반의 제곱보다 크고 이것이 회절한계임.

5. 나노플라즈모닉(nanoplasmonic) 도파로

○ 금속과 유전체를 따라 진행하는 전자기파인 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, SPP)이 존재함. SPP를 바탕으로 회절한계보다 작은 영역에 빛을 가두어 전송할 수 있는 금속 기반 광도파로를 만들 수 있고 이런 광도파로를 나노플라즈모닉 도파로라고 함.

6. 표준 CMOS 기술

○ 실리콘 기반 전자집적회로를 제작하기위해 사용되는 기술. 전자기기에서 볼 수 있는 전자집적회로 혹은 칩은 이 기술을 사용하여 제작됨.

[붙임] 그림 설명