아주대학교는 1일 염동일 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 단층 그래핀 두 장을 뒤틀어 포개었을 때 큰 폭 향상된 비선형 광신호가 발생함을 규명했다고 밝혔다.

관련 내용은 ‘두 겹 그래핀에서 뒤틀림 각도 조절을 통한 향상된 삼차조화파 발생(Enhanced third-harmonic generation by manipulating the twist angle of bilayer graphene)’이라는 제목의 논문으로 광학 분야 국제 학술지 <빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications)> 1월 21일 자 온라인판에 게재됐다.

한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행한 이번 연구에는 아주대 대학원의 하성주(박사과정), 박남훈(박사졸업) 씨가 제1저자로 참여했다. 또 아주대 이재현 신소재공학과 교수, 유영동 화학과 교수, 박지용 물리학과 교수, 안광준 대학원 에너지시스템학과 교수와 서울시립대학교 정재일 교수(물리학과)도 함께 했다.

단일 탄소 원자층으로 이뤄진 대표적 2차원 물질인 그래핀(graphene)은 높은 전도성과 투명성뿐 아니라 유연성까지 갖추고 있어 차세대 전기소자 및 광학소자의 기반이 되는 미래 소재로 주목받아 왔다.

이러한 단층 그래핀 위에 또 다른 단층 그래핀을 비스듬하게 겹쳐 쌓으면, 원래의 주기보다 매우 큰 주기로 형성하는 초격자 무늬인 무아레 무늬 (Moire pattern)에 의한 초격자(superlattice) 구조가 나타나게 되는데, 이때 뒤틀림 각도에 따라 저항이 아예 사라지는 초전도체나 전기가 전혀 통하지 않는 절연체 등 기존 단층 그래핀에서 볼 수 없었던 독특한 물리현상이 관측되면서 최근 크게 화제가 됐다.

염동일 교수 연구팀은 강한 세기의 빛이 뒤틀린 두 겹 그래핀에 입사할 때 발생하는 비선형 광학 현상에 주목했다. 특히 두 겹 그래핀의 무아레 초격자 구조에 의하여 전자 상태밀도의 반 호프 특이점(van Hove singularity)이 형성되는데, 특이점 사이의 에너지 간극이 입사하는 빛 에너지의 세 배가 될 때 크게 향상된 삼차조화파가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 나아가 전기적인 제어를 통해 단층 그래핀 대비 최대 60배까지 향상된 비선형 광 파장 변환 신호를 얻는 성과도 냈다.

염동일 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 적층 각도가 2차원 물질의 비선형 광 특성을 제어하고 향상하는 새로운 변수가 될 수 있음을 최초로 밝혀냈다”며 “앞으로 2차원 물질의 비선형 광특성을 활용한 초고속 광신호 처리나 양자기술 분야의 광원으로 응용하는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

[ 경기신문 = 노해리 기자 ]