▲ (좌측부터) 박형렬 UNIST 교수, 안영환 아주대학교 교수, 서박염(SHARMA SOBHAGYAM) UNIST 연구원

구부리면 성능이 떨어진다는 기존 전자·광소자의 한계를 뒤집는 초박막 유연 광 변환 소자가 개발됐다.

UNIST 물리학과 박형렬·남궁선 교수팀은 아주대 물리학과 안영환 연구팀과 함께 굽힘에 따라 광학 신호 세기를 조절할 수 있는 유연 광 변환 소자를 개발했다고 17일 밝혔다.

이번에 개발된 소자는 입사된 빛의 파장을 절반으로 줄여 방출하는 광 변환 소자다. 기존 광 변환 기술은 두꺼운 매질을 이용해 빛을 조절하는 방식이어서 소형화에 한계가 있었다.

연구팀은 초박막 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 활용해 문제 해결에 나섰다. 특히 소자 구조에 20나노미터 크기의 미세 틈을 형성해 빛을 집중시키는 구조를 구현했다.

이 소자는 유연 기판 위에 금속 박막과 이황화몰리브덴을 차례로 쌓은 형태다. 안쪽으로 구부리면 미세 틈이 좁아지면서 빛의 전기장이 강하게 집중되고, 이에 따라 광신호가 크게 증폭되는 원리다.

실험 결과 800나노미터 빛을 400나노미터 제2고조파 신호로 변환했으며, 약 1.2% 압축 변형을 가했을 때 광신호가 기존보다 약 3배 증가했다. 연구팀은 실제 나노 틈 영역 기준으로는 광신호 증강 효과가 약 8,000배 이상에 달한다고 설명했다.

또 반복 굽힘 실험에서도 190회 이상 사용 후 신호의 95% 이상을 유지해 내구성 역시 확인됐다.

제1저자인 서박염 연구원은 “나노 틈 구조가 빛을 효과적으로 집중시켜 강한 광신호를 만들어낸다”고 설명했다.

박형렬 교수는 “이번 기술은 유연 광소자와 웨어러블 센서 개발에 활용될 수 있다”며 “초박막 물질의 변형 기반 물성 변화를 연구하는 도구로도 활용 가능성이 크다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Science Advances에 지난 8일 온라인 게재됐다.