[스마트경제=복현명 기자] 김명기 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수, 구종민 성균관대 신소재공학과 교수로 이뤄진 연구팀이 금속성 이차원 신소재 물질인 맥신(MXene) 기반의 플라즈몬 현상을 활용해 통신 파장 영역대에서 세계 최고 수준의 비선형 신호를 관측하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 해당 분야의 세계 최고 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF=29.4)에 3월 26일 온라인 게재됐다.
인공적으로 합성된 이차원 신물질인 맥신은 최근 그 독특한 물리적, 화학적 특성으로 큰 관심을 받고 있다.
이 소재는 뛰어난 전도성과 함께 우수한 기계적 강도와 유연성을 자랑하며 넓은 표면적을 통해 탁월한 촉매 활성도 보여준다.
특히 맥신은 화학적 조성과 구조를 조절할 수 있는 능력이 뛰어나 다양한 화학적, 물리적 특성을 맞춤 설정할 수 있는 장점을 제공한다.
이러한 특성 덕분에 맥신은 에너지 저장, 센서, 전자기기, 환경 공학, 바이오메디컬 분야에서 차세대 소재로써 큰 기대를 모으고 있다.
맥신의 물리-화학적 특이성은 광통신에 사용되는 높은 주파수 대역의 전자기파에서 우수한 비선형적 광학 특성을 제공할 것으로 예측돼 왔다.
이는 인공지능(AI), 머신러닝(ML)와 같은 고속 데이터 전송과 효율적인 신호 처리를 요구하는 차세대 통신 소자 개발에 핵심적인 요구사항이기에 맥신과 같은 이차원 신소재는 이러한 문제를 해결할 수 있는 주요 소재로 크게 주목받고 있다.
그러나 맥신의 매우 얇은 물리적 특성은 외부 빛과의 낮은 상호작용을 초래해 그 고유의 높은 광학 비선형성을 직접적으로 관찰하는 데 큰 도전이 돼 왔다.
이에 본 연구팀은 공동으로 맥신 기반의 플라즈몬 나노안테나를 활용해 고주파 적외선(SWIR; short-wave infrared) 빛을 5nm 두께의 초박막 맥신 안에 강하게 집속시키는 데 성공했으며 이를 통해 맥신의 초거대 광학 비선형성을 직접적으로 관측하는 데 성공했다.
이는 맥신에서 발생하는 플라즈몬 효과를 극대화할 수 있는 음향 맥신 플라즈몬(acoustic MXene plasmons)을 세계 최초로 구현함으로써 가능했다.
이번 연구에서는 5nm 두께의 맥신이 통신 주파수대역인 1.56µm 파장에서 1.37 × 10−2mW−1의 비선형 흡수계수를 보였으며 이 수치는 다른 이차원 소재에서 관측된 최곳값과 비교해 약 1000배 이상 높은 것으로 나타났다.
김명기 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수는 “이번 연구를 통해 맥신이 광통신 소자의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대 핵심 광학 소재로서의 가능성을 확인할 수 있었으며 이러한 맥신과 같은 혁신적인 신소재는 초고속, 대용량, 고효율을 필요로 하는 차세대 통신 기술의 발전을 이끌 핵심 요소가 될 것”이라며 “앞으로 맥신은 광통신 분야 뿐만 아니라 광센서, 태양전지, 광차폐 등 다양한 광학 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”라고 말했다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
