[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김상식 교수 연구팀이 광반도체 소자의 집적도를 100배 이상 높일 수 있는 새로운 광 결합 메커니즘을 발견했다고 19일 밝혔다.

라이다(LiDAR) 및 양자 센서·컴퓨터와 같은 복잡한 광학 시스템을 하나의 작은 칩으로 만들어 줄 수 있어 세계적으로 많은 연구와 투자가 이뤄지고 있는 차세대 반도체 기술이 집적 광학 반도체(이하 광반도체) 기술이다.

기존의 반도체 기술에서 5나노, 2나노 등의 단위로 얼마나 작게 만드느냐가 관건이었는데, 광반도체 소자에서 집적도를 높이는 것은 성능, 가격, 에너지 효율 등을 결정짓는 핵심적인 기술이라 말할 수 있다. 

빛이 개발된 메타물질 기반 광반도체의 도파로(빛이 지나가는 길) 배열에서 혼선 없이 전파되는 것을 묘사한 일러스트 [자료=한국과학기술원] 2023.06.19 biggerthanseoul@newspim.com

하나의 칩당 구성할 수 있는 소자 수의 정도를 집적도(集積度)라고 한다. 집적도가 높을수록 많은 연산을 할 수 있고 공정 단가 또한 낮춰준다.

다만 광반도체 소자의 집적도를 높이기는 매우 어려운데, 이는 빛의 파동성으로 인해 근접한 소자 사이에서 광자 간에 혼선(crosstalk)이 발생하기 때문이다. 

기존 연구에서는 특정 편광에서만 빛의 혼선을 줄여줄 수 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 새로운 광 결합(coupling) 메커니즘을 발견해 기존에는 불가능이라 여겨졌던 편광 조건에서도 집적도를 높이는 방법을 개발했다. 

이번 연구는 국제학술지 '라이트: 사이언스 앤 애플리케이션(Light: Science & Applications)'에 6월 2일자로 게재됐다.

김상식 교수는 "이번 연구가 흥미로운 점은 기존에는 오히려 빛의 혼선을 크게 해줄 거라고 여겨졌던 누설파(leaky wave, 빛이 옆으로 잘 퍼지는 특성을 가짐)를 통해 역설적으로 혼선을 없애준 점"이라며 "이번 연구에서 밝혀진 누설파를 이용한 광 결합 방법을 응용한다면 더욱 작고 노이즈가 적은 다양한 광반도체 소자를 개발할 수 있을 것"이라고 말했다

biggerthanseoul@newspim.com