[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech) 해리 앳워터 교수 연구팀, 한국표준과학연구원(KRISS), 미국 제이에이 울람(J.A. Woollam)과 공동으로 차세대 광통신 소재인 바륨 타이타네이트(BTO)의 굴절률과 빛 흡수 특성을 자외선부터 원적외선까지 넓은 파장 영역에서 정밀하게 밝혀냈다고 8일 밝혔다.

바륨 타이타네이트는 전기를 가하면 빛이 통과하는 특성이 달라지는 전기광학 효과가 뛰어나 전기 신호를 빛에 실어 보내는 광변조기 등 차세대 광통신 부품 소재로 주목받고 있다. 다만 소재 내부에 방향이 서로 다른 미세 결정 영역인 도메인이 섞여 있어, 여러 방향의 빛 반응이 뒤섞이면서 소재 고유의 광학 특성을 정확히 측정하기 어려웠다.

연구팀은 빛이 소재를 통과하거나 반사될 때 진동 방향이 어떻게 바뀌는지 측정하는 뮬러 행렬 분광 타원법을 활용해 이 문제를 해결했다. 도메인 방향이 비교적 일정한 단결정 시료 두 종류를 분석해 여러 방향의 반응이 섞이는 영향을 줄였으며, 193나노미터부터 40마이크로미터에 이르는 영역을 세 구간으로 나눠 각 구간 특성에 맞게 분석해 빛의 파장과 결정 방향에 따른 굴절률과 흡수 특성을 도출했다.

연구팀은 또 소재를 통과한 빛의 양을 별도로 측정하는 방법을 결합해 2~10마이크로미터 영역에서 소멸계수를 10의 -5승 수준까지 정량화했다. 이는 빛을 전달하거나 가두는 부품에서 흡수에 따른 손실을 예측하는 데 필요한 정보다. 연구팀은 각 도메인의 방향과 비율을 반영해 여러 도메인이 섞인 결정 전체가 빛에 어떻게 반응하는지 계산하는 방법도 함께 제시했다.

이번에 확보한 광학 데이터는 광통신용 광변조기뿐 아니라 새로운 파장의 빛을 만드는 소자, 빛으로 양자 정보를 다루는 회로 등의 설계에 활용될 수 있다. 장민석 교수는 "이번 연구는 오랫동안 베일에 싸여 있던 바륨 타이타네이트의 빛 반응 특성을 밝혀 소재의 빛 사용 설명서를 마련한 것"이라며 "이를 바탕으로 빛의 손실을 줄이고 정보를 빠르게 전달하는 광통신 부품과 정밀한 양자 광소자 개발에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 전기및전자공학부 강지원 박사과정생과 제이에이 울람의 니나 홍 박사가 공동 제1저자로, 장민석 교수와 해리 앳워터 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ACS 포토닉스(ACS Photonics)에 지난달 20일 온라인 게재됐다. 연구는 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원의 국제공동연구사업, 교육부·한국연구재단의 기초연구사업·박사과정생연구장려금지원사업·중견연구자지원사업, 과학기술정보통신부(과기부)의 미래디스플레이전략연구실지원사업, 미국 공군과학연구소(AFOSR) 등의 지원을 받아 수행됐다.

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