인하대 남동욱 교수.
광컴퓨터는 컴퓨터 연산제어장치 내 정보 전달을 빛으로 하는 컴퓨터로 전기 신호로 정보를 전달하는 기존 방식에 비해 데이터 처리 속도를 획기적으로 끌어올릴 수 있는 차세대 컴퓨터로 주목받고 있다. 특히 복잡한 기능을 처리하기 위해 다수의 소자를 하나의 칩 안에 동시에 구현한 집적회로를 이용하면 광컴퓨터를 초소형화 할 수 있고 대량생산이 가능해진다. 오늘날 집적회로로 스마트폰, 노트북 등 휴대 가능한 최고 성능의 기기 개발이 가능해진 것이다.
지난 수년간 세계 각국에서는 집적회로에 쉽게 접목 가능한 게르마늄 기반 광소자 개발에 많은 투자를 해왔지만 게르마늄은 빛의 방출 효율이 극히 낮아 고효율의 광컴퓨터용 광소자로 개발이 불가능하다 여겨졌다.
이에 남동욱 교수는 게르마늄 나노선을 마치 고무줄처럼 늘려 빛의 방출 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 원천 기술을 개발했다. 또한 이처럼 늘어난 게르마늄 나노선을 높은 반사율을 갖고 있는 나노구조 거울에 결합해 게르마늄에서 방출된 빛을 반사시켜 나노선 내에 강하게 가둬 기존 연구에 비해 10배 이상 강한 빛이 방출될 수 있음을 밝혔다.
이처럼 나노선의 길이를 늘려 빛을 방출하는 기술을 이용하면 기존 방식의 게르마늄 기반 광소자에 비해 수백배 이상 낮은 최소 전류로 구동 가능한 광소자의 개발이 가능해 지며 이는 저전력으로 구동 가능한 광컴퓨터 구현에 한발짝 다가섰다는 의미가 있다.
또한 광컴퓨터는 여러 파장의 빛을 통해 한꺼번에 많은 정보를 전송해야 하므로 빛의 파장을 손쉽게 조절할 수 있는 기술이 요구돼왔는데 이번 연구로 게르마늄 나노선이 늘어나는 정도를 자유자재 조절할 수 있는 기술을 개발해 다양한 파장의 빛을 내는 초소형 광소자들로 빛의 파장 조절을 가능케 했다.
남동욱 교수 연구팀의 광컴퓨터 구현의 핵심 기술 개발 내용을 담은 연구 논문 `Direct bandgap light emission from strained germanium nanowires coupled with high-Q nanophotonic cavities(고품질 나노 광공진기와 결합된 팽창변형된 게르마늄 나노선에서의 직접천이 빛 방출)`는 나노 분야 최고 권위지 나노 레터스(Nano Letters) 온라인 판에 2월 23일 게재됐다.
남동욱 교수는 “광컴퓨터 실현에 가장 난관이었던 집적회로에 쉽게 접목 가능한 광소자 개발 가능성을 제시한 의미 있는 연구 결과”라고 말했다.
이번 연구는 남동욱 인하대 교수와 미국 스탠퍼드대 전자공학과 연구팀이 공동으로 주도한 연구로 한국연구재단 신진연구자 지원사업, 미래유망융합기술 파이오니어사업의 지원을 받아 수행했다.
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