그림 a와 같이 꽃무늬 이미지를 빛으로 만들어 무작위로 배열된 나노 안테나에 보낸다. 그림 b와 같이 산란된 플라즈몬 신호를 흰색 실선을 따라 반시계 방향으로 측정했다. 그림 c와 같은 꽃무늬 이미지를 복원했다. © News1

최근 전기신호보다 수백 배 빠른 광신호로 중앙처리장치(CPU)와 같은 전자소자의 속도를 높이는 연구가 활발히 진행되고 있어 주목을 받고 있다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀이 얇은 금속 박막에 나노 안테나들을 무질서하게 배열해 병목현상을 해소하는데 성공했다고 16일 밝혔다.  하지만 이 기술의 상용화를 위해서는 광-전기 정보전환시 생기는 신호 전달의 병목현상 해결이 필수적이다.

이를 통해 기존 나노 안테나보다 40배 넓은 대역폭 확보가 가능해져 40배 빠른 속도를 구현한 CPU 등장이 기대된다.

나노 안테나는 금속 박막에 200나노미터(nm, 1nm=10억 분의 1미터) 직경의 구멍을 뚫어 만든다. 이 곳에 빛을 조사하면 표면 플라즈몬(전기신호)이 생긴다. 표면 플라즈몬은 빛을 아주 작은 영역에서 모아줄 수 있고, 동시에 광 신호를 표면을 따라 전파하는 전기 신호로 변환시켜 전자소자의 신호로 쓰기 적합하다.

기존에는 나노 안테나를 규칙적으로 배열해 플라즈몬을 유도했는데 다량의 안테나가 마치 하나의 안테나처럼 작동하며, 많은 신호들을 동시다발적으로 소화할 수 없다는 문제점이 있었다.

연구팀은 나노 안테나를 무질서하게 배치하는 것으로 해결책을 찾았다. 플라즈몬의 다중산란을 유도해 나노 안테나 사이의 간섭을 줄여 각각의 나노 안테나가 독립된 역할을 수행할 수 있도록 했다.

다수의 나노 안테나가 효과적으로 작동하면 다중입력 다중출력(MIMO)으로 동시에 최대 정보의 전달이 가능하다.

이를 통해 3차원 공간을 움직이는 빛이 2차원 표면의 전기 신호로 바뀔 때 생기는 정보의 손실을 최소화할 수 있다.  

연구팀은 이 기술로 6개의 마이크로프로세서 마이크로프로세서에 플라즈몬 신호를 동시에 전달, 광학적 이미지를 그대로 표면 플라즈몬 신호로 전송하는데 성공했다.

최원식 부연구단장은 “이번 연구를 통해 나노 수준의 마이크로프로세서들 사이를 초고속 광통신으로 연결할 수 있는 새로운 방식을 제시했다”며 “이러한 방식이 앞으로 컴퓨터 속도 개선에 크게 기여하길 기대한다”고 밝혔다.  

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 3월 6일자 온라인판에 게재됐다.


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