전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 천 배 넘게 응축되어 가둬진 중적외선 파동의 이미지를 얻어내는 데에 성공했다. 이는 세계 최초로 초미시 영역에서 전자기파의 거동을 관측했다는 의의를 가진다. 이번 연구 결과는 지난 2월 19일 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재되었다.

어쿠스틱 그래핀 플라즈몬

    플라즈몬이란 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 뜻하며, 이번 연구에서 다루는 주요 현상인 그래핀 플라즈몬은 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말한다. 최근 이 플라즈몬을 그래핀과 금속판 사이의 얇은 유전체에 가두어 새로운 모드를 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 그래핀-유전체-금속판 형태의 구조에서는 그래핀 내의 전하들이 금속판에 영상 전하(Image Charge)를 만들게 되고, 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 진동하게 되면 금속에 있는 영상 전하들도 잇따라 진동하게 된다. 영상 전하란 원래의 전하에 대응하는 가상의 전하가 금속판에 거울상의 형태로 생기는 것을 말한다. 이러한 새로운 형태의 집단적인 전자 진동 모드를 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬(Acoustic Graphene Plasmon; AGP)이라 한다.

산란형 주사 근접장 광학현미경

    하지만 AGP는 광학적 파동을 수 나노미터 정도의 얇은 구조에 응집시키는 것이기 때문에, 외부에서 관측할 수 있는 전자기장의 세기가 매우 약하다. 따라서 직접적인 광학적 검출 방식으로 존재를 확인하는 대신 광전류 매핑, 원거리장 적외선 분광학 등의 간접적인 방법으로 AGP의 존재를 추측할 수밖에 없었다. 이러한 한계점을 극복하여 관측에 성공해낸 것이 이번 연구의 핵심이다.

    장 교수팀은 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출하는 데에 성공했다. 도파로는 파동을 유도하여 진행되게 하는 평판형 구조체로서 AGP가 통과하는 길을 구성한다. 이는 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론에 따른 것으로, 중적외선이 천 배 넘게 응축된 현상을 시각화할 수 있었다. 연구팀은 AGP 에너지의 대부분이 그래핀 아래의 유전체층에 집중된 상황에서도 AGP를 성공적으로 검출했는데, 검출 당시 미네소타 대학의 전자및컴퓨터공학부의 오상현 교수팀이 만든 고도로 반듯한 나노 도파로와 성균관대학교의 기초과학연구원 나노물리연구단 소속 이영희 연구팀이 합성한 순도 높은 대면적 그래핀을 사용해 플라즈몬이 보다 긴 거리를 전파할 수 있는 환경이 조성, 응축된 빛을 관찰할 수 있었다.

기존 광학 장치의 한계점 돌파

    중적외선 영역의 전자기파는 다른 분자들이 가지고 있는 진동 주파수와 다수 일치하는 주파수를 가지고 있어 이들의 성질을 연구하는 데에 중요한 역할을 한다. AGP는 초고도로 응축된 전자기파를 이용해 분자와 빛의 상호작용을 크게 늘릴 수 있으며, 이는 기존 여러 개의 분자로 진행되었던 연구를 단 한 개의 분자만으로도 작동하게 만드는 단일분자 검출 기술을 가능하게 한다. 예를 들어 높은 화학적 가치를 지닌 유기 분자들의 경우 기존의 방식대로라면 다량을 이용한 중적외선 흡수 분광학 방식을 사용하겠지만, AGP를 사용한다면 하나의 분자만으로도 데이터를 얻을 수 있는 것이다.

    일반적인 그래핀 플라즈몬 기반 광학 장치는 그래핀의 높은 에너지 흡수율 때문에 고도의 성능을 보일 수 없다는 한계점이 있었다. 그러나 AGP의 전자기장은 대부분이 그래핀에 흡수되지 않고 유전체층에 존재하기 때문에 에너지 손실을 줄일 수 있다. 이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 가능성을 보여준다. 장 교수는 “앞으로 강한 물질-빛 상호작용이 필요한 다른 상황에서도 AGP를 이용한 연구가 활발해지길 기대한다”고 밝혔다.