광통신을 위한 사용 설명서→정보 더 빠르고 효율적으로

[아이뉴스24 정종오 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 차세대 광통신 소재인 ‘바륨 타이타네이트’ 안에서 빛이 어떻게 움직이고 얼마나 흡수되는지 정밀하게 알아냈다. 복잡한 내부 구조에 가려져 있던 소재의 특성을 파악해 정보를 더 빠르고 효율적으로 전달하는 광통신 부품을 설계할 기반을 마련했다.

KAIST(총장 배충식) 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공대(Caltech) 해리 앳워터(Harry A. Atwater) 교수 연구팀, 한국표준과학연구원(KRISS), 미국 제이에이 울람(J.A. Woollam)과 공동으로 바륨 타이타네이트(BTO)의 굴절률과 빛의 흡수 특성을 자외선부터 원적외선까지 폭넓은 파장 영역에서 정밀하게 규명했다고 8일 발표했다.

바륨 타이타네이트는 전기를 가하면 빛이 통과하는 특성이 달라지는 소재다. ‘전기광학 효과’가 뛰어나 전기 신호를 빛에 실어 보내는 부품인 ‘광변조기’ 등에 활용할 차세대 소재로 주목받고 있다.

좋은 광통신 부품을 만들려면 소재 안에서 빛이 어떻게 진행하고 얼마나 약해지는지 알아야 한다. ‘굴절률’과 ‘소멸계수’가 중요하다. 바륨 타이타네이트 안에는 방향이 서로 다른 작은 결정 영역인 ‘도메인(domain)’이 섞여 있다. 나뭇결 방향이 다른 조각들을 이어 붙인 판처럼 영역마다 방향이 달라 빛에 반응하는 방식도 다르다. 이 반응들이 뒤섞여 소재 본래의 특성을 정확히 알아내기 어려웠다.

연구팀은 빛이 소재를 통과하거나 반사될 때 진동 방향이 어떻게 바뀌는지 측정하는 ‘뮬러 행렬 분광 타원법’을 활용했다. 도메인 방향이 비교적 일정한 두 종류의 단결정 시료를 분석했다. 여러 방향의 반응이 섞이는 영향을 줄이고 소재 고유의 특성을 알아냈다.

빛은 파장에 따라 소재에 다르게 반응한다. 연구팀은 자외선부터 원적외선에 해당하는 193나노미터(㎚)~40마이크로미터(㎛) 영역을 세 구간으로 나눴다. 각 구간의 특성에 맞게 분석했다. 이를 통해 빛의 파장과 결정 방향에 따른 굴절률과 흡수 특성을 정밀하게 도출했다. ‘빛 사용 설명서’를 마련한 셈이다.

장민석 교수는 “이번 연구는 오랫동안 베일에 싸여 있던 바륨 타이타네이트의 빛 반응 특성을 밝혀 소재의 ‘빛 사용 설명서’를 마련한 것”이라며 “이를 바탕으로 빛의 손실을 줄이고 정보를 빠르게 전달하는 광통신 부품과 정밀한 양자 광소자 개발에 이바지할 것으로 기대한다”고 말했다.