맥신(MXene)에서 초거대 광학비선형성 관측 성공
김명기 교수팀 연구 결과, 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 게재

▲ (왼쪽에서) 박창훈 박사(제1저자), 박누리(제1저자), 김명기 교수(교신저자), 구종민 교수(교신저자/성균관대)

KU-KIST 융합대학원 김명기 교수, 성균관대 신소재공학과 구종민 교수로 이루어진 연구팀은 금속성 이차원 신소재 물질인 맥신(MXene) 기반의 플라즈몬 현상을 활용해 통신 파장 영역대에서 세계 최고 수준의 비선형 신호를 관측하는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 해당 분야의 세계 최고 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF=29.4)에 3월 26일 온라인 게재됐다.
- 논문명 : Ultrahigh nonlinear responses from MXene plasmons in the short-wave infrared range
- 논문 URL : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202309189

인공적으로 합성된 이차원 신물질인 맥신은 최근 그 독특한 물리적 및 화학적 특성으로 큰 관심을 받고 있다. 이 소재는 뛰어난 전도성과 함께 우수한 기계적 강도와 유연성을 자랑하며, 넓은 표면적을 통해 탁월한 촉매 활성도 보여준다. 특히 맥신은 화학적 조성과 구조를 조절할 수 있는 능력이 뛰어나 다양한 화학적 및 물리적 특성을 맞춤 설정할 수 있는 장점을 제공한다. 이러한 특성 덕분에 맥신은 에너지 저장, 센서, 전자기기, 환경 공학, 바이오메디컬 분야에서 차세대 소재로써 큰 기대를 모으고 있다.

맥신의 물리-화학적 특이성은 광통신에 사용되는 높은 주파수 대역의 전자기파에서 우수한 비선형적 광학 특성을 제공할 것으로 예측되어 왔다. 이는 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML)와 같은 고속 데이터 전송과 효율적인 신호 처리를 요구하는 차세대 통신 소자 개발에 핵심적인 요구사항이기에, 맥신과 같은 이차원 신소재는 이러한 문제를 해결할 수 있는 주요 소재로 크게 주목받고 있다.

그러나 맥신의 매우 얇은 물리적 특성은 외부 빛과의 낮은 상호작용을 초래하여 그 고유의 높은 광학 비선형성을 직접적으로 관찰하는 데 큰 도전이 되어왔다.

이에 본 연구팀은 공동으로 맥신 기반의 플라즈몬 나노안테나를 활용하여 고주파 적외선(SWIR; short-wave infrared) 빛을 5nm 두께의 초박막 맥신 안에 강하게 집속시키는 데 성공했으며, 이를 통해 맥신의 초거대 광학 비선형성을 직접적으로 관측하는 데 성공했다. 이는 맥신에서 발생하는 플라즈몬 효과를 극대화할 수 있는 음향 맥신 플라즈몬(acoustic MXene plasmons)을 세계 최초로 구현함으로써 가능했다. 이번 연구에서는 5nm 두께의 맥신이 통신 주파수대역인 1.56µm 파장에서 1.37 × 10−2mW−1의 비선형 흡수계수를 보였으며, 이 수치는 다른 이차원 소재에서 관측된 최곳값과 비교하여 약 1,000배 이상 높은 것으로 나타났다.

김명기 KU-KIST 융합대학원 교수는 “이번 연구를 통해 맥신이 광통신 소자의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대 핵심 광학 소재로서의 가능성을 확인할 수 있었으며, 이러한 맥신과 같은 혁신적인 신소재는 초고속, 대용량, 고효율을 필요로 하는 차세대 통신 기술의 발전을 이끌 핵심 요소가 될 것”이라며 “앞으로 맥신은 광통신 분야 뿐만 아니라, 광센서, 태양전지, 광차폐 등 다양한 광학 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.”라고 말했다.

<그림 1>

(왼쪽) 맥신 플라즈몬을 활용한 초거대 광학 비선형 신호 발생의 도식 

(오른쪽) 제작된 맥신의 투과 전자 현미경 사진

<그림 2>

(왼쪽) 맥신 플라즈몬 나노안테나를 통해 통신 파장에서 맥신 내로 높은 광 접속을 보여주는 시뮬레이션 결과 (오른쪽) 제작된 맥신 플라즈몬 나노 안테나의 전자주사현미경 사진

<그림 3>

(왼쪽) 단파장 적외전(SWIR) 영역에서 맥신과 다른 이차원 물질들의 비선형 흡수계수 비교 (오른쪽) Z-scan 방법을 통해 통신 파장에서 맥신의 비선형 흡수 특성을 측정한 결과