울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 김대식 특훈교수 연구팀이 0㎚(나노미터·10억분의 1ｍ)부터 시작하는 초미세 틈(제로 갭·zero gap) 구조의 광학 소자 제조 공정을 개발했다고 15일 밝혔다.

제로 갭 구조를 잘 휘어지는 기판에 만들면 안테나 등에 쓸 수 있는 초고효율 광학 능동 소자로 작동한다.

연구팀에 따르면 나노 공정(회로 폭을 100㎚ 이하로 줄여 반도체 등을 만드는 공정)은 고성능 반도체 칩 개발 등 초정밀 산업을 위한 핵심 기술이다.

그러나 공정 단위가 0에 가까워질수록 기술 개발 속도 또한 더뎌지고 있다.

연구팀은 더는 초미세 구조로 줄여나가기가 쉽지 않다면 0부터 구조를 쌓아나가는 것이 합리적이라는 발상에 착안해 제로 갭 구조 제작 공정을 개발했다.

제로 갭 구조는 얇은 금속층으로 이뤄져 있는데, 연구팀은 기판 위에 두 금속층을 서로 인접하게 쌓을 경우 경계면에서만 초미세 균열이 생기는 원리를 이용했다.

같은 금속 물질을 서로 다른 조건에서 기판 위에 쌓았기 때문에 이 같은 현상이 발생한다.

기판을 휘게 해 당기는 힘(장력)을 가하면 0㎚에 가까운 틈새가 생기지만 장력을 제거하면 두 금속층이 연결된 상태가 된다.

제로 갭 구조는 전자기파(빛) 투과도가 1에 가까운 '온'(on)과 10만분의 1 정도인 '오프'(off) 상태를 오가는 능동 광학 소자로 쓸 수 있다.

틈이 열려 있을 땐 축전 효과(틈을 사이에 둔 금속층이 마치 전극처럼 작용해 그 사이에서 전하가 쌓이는 현상)에 의해 틈 내부에 전기장이 강하게 증폭돼 전자기파가 높은 비율로 투과하지만, 틈이 일부만 닫히더라도 축전 기능이 사라져 투과도가 급격히 낮아지기 때문이다.

온, 오프 전환을 1만 번 이상 반복한 이후에도 성능을 그대로 유지했다고 연구팀은 설명했다.

김대식 교수는 "틈 구조를 이용한 광학소자는 확실한 '단락'(온, 오프)이 존재하는 전기 회로 개념이 적용돼 스위칭 효율이 높다"며 "복잡한 나노 공정이 필요하지 않기 때문에 실제 소자로 즉각 활용하기에도 수월하다"고 말했다.

공동연구원인 강원대 물리학과 정지윤 교수는 "5G 및 6G 통신에 활용하는 마이크로파와 테라헤르츠파 제어를 위한 차세대 능동 소자로 활용할 가능성이 높다"며 "중·근적외선 영역에서도 매우 효율적인 전자기파 단락이 가능하다"고 말했다.

이번 연구는 광학 소자 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼스'(Advanced Optical Materials)에 3월 24일 자로 공개됐다.

한국연구재단(NRF) 지원을 받아 UNIST와 서울대, 강원대가 공동 연구했다.