플라즈모닉이란 무엇입니까?

지난 수십 년 동안 전자공학 및 포토닉스 분야는 상당한 발전을 이루었고, 이로 인해 데이터 처리 기술이 엄청나게 발전하여 우리 삶이 크게 개선되었습니다.

플라즈모닉스는 금속-유전체 계면에서 광 신호를 나노 스케일(1미터의 10억분의 1)로 조작하는 기술을 말합니다. 포토닉스 에서 영감을 얻은 플라즈모닉은 거의 원자 수준에서 빛 신호를 전송할 수 있는 금속 나노 구조의 독특한 특성을 이용합니다.

동일한 반도체 칩에 기존 포토닉스와 전자제품을 플라즈모닉스와 통합하면 초고속 컴퓨터 칩과 광통신 장치를 생성하고 초고감도 센서와 현미경을 구동할 수 있는 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.

2007년 Caltech의 Atwater 교수는 플라즈모닉스의 개념을 처음 소개했을 때 이 기술이 초고감도 바이오센싱에 이르기까지 다양한 응용 분야를 창출할 것이라고 예측했습니다

어떤 응용 분야이든 플라즈모닉스는 금속-유전체 경계면에서 전자기장과 자유 전자 사이의 상호 작용을 조작하는 데 의존합니다. 유전체는 전기장을 인가하여 분극될 수 있는 절연체(예: 유리나 공기)입니다. 금속의 전기적, 광학적 특성을 지배하는 자유 전자는 전자기장(즉, 빛)이 존재할 때 진동하여 표면 플라즈몬이라는 현상이 발생합니다. 

표면 플라즈몬 공명이란 무엇입니까?

나노미터 규모에서 자유 전자는 공간의 아주 작은 영역에 갇히므로 진동하는 주파수 범위가 제한됩니다. 이들은 빛과 상호 작용할 때 진동 주파수와 일치하는 빛을 흡수(나머지 빛은 반사)하여 공명 상태에 있음을 의미합니다. 따라서 "표면 플라즈몬 공명"(SPR)이라는 용어가 사용됩니다. SPR은 나노로드, 나노와이어, 나노포토닉스 및 기타 형태의 나노기술에 활용될 수 있습니다.

플라즈모닉의 기술 동인

데이터 중심 사회는 최초의 칩 기반 반도체 이후로 많은 발전을 거쳐 점점 더 작고 빠른 프로세서를 생산하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 장치의 크기가 계속 감소하면서 열 문제와 처리 속도에 따른 제한으로 인해 고유한 과제가 발생했습니다.

대역폭(데이터 전송 용량)이 큰 광 상호 연결은 유망한 솔루션을 제공합니다. 그러나 빛의 회절 한계는 광자 구성 요소의 축소를 제한하는 데 중요한 역할을 합니다. 빛의 파장의 약 절반입니다. 따라서 광자 소자는 일반적으로 전자 소자보다 1~2배 더 큽니다.

표면 플라즈몬의 고유한 특성을 활용하여 전자 장치의 크기 효율성과 포토닉스의 데이터 효율성을 결합하기 위한 상당한 노력이 이루어지고 있습니다.

플라즈모닉스의 과제

저항 손실은 표면 플라즈몬의 전파를 수 밀리미터 이동 후에만 억제하므로 그래핀, 금속 산화물, 질화물과 같은 플라즈몬 나노입자로 구성된 플라즈몬 나노 구조가 연구되고 있습니다.

열은 또 다른 과제를 제시합니다. 이는 플라즈모닉 신호의 전파 길이와 진폭에 영향을 줄 수 있습니다.

전기적 및 광학적 특성의 올바른 조합을 표시하는 금속 나노구조와 기하 구조는 이러한 과제를 해결할 수 있습니다. 이는 구리, 은, 알루미늄, 금 및 기타 재료의 금속 나노구조가 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)의 전파를 허용하기 때문입니다.

SPP는 금속-유전체 인터페이스에서 전파되는 공명 전자 진동입니다. 이는 광전자 응용 분야의 약한 광학 효과를 향상시킬 수 있는 강력한 광물질 상호 작용을 유발합니다.

플라즈모닉 도파관

SPP는 특수한 유형의 광파로 생각할 수 있습니다. 따라서 유전체-금속 계면에서 이러한 파동의 전파를 지원하는 금속 상호 연결은 광 도파관 또는 플라즈모닉 도파관처럼 작동합니다.

SPP는 복합 파형 벡터로 표현됩니다. 이 벡터의 허수부는 SPP 전파 길이에 반비례하고, 실수부는 구속에 비례합니다.

회로 설계에서 표면 플라즈몬의 실제 통합은 전파 길이와 구속 사이의 역관계를 균형 있게 조절하는 데 달려 있습니다. 이상적으로 플라즈모닉 도파관은 최적의 효과를 위해 표면 플라즈몬의 구속과 전파 길이를 모두 극대화합니다.

표면 플라즈몬 폴라리톤의 전파로 인해 자연스럽게 발생하는 소산 손실은 이득 증폭이나 파이버와 같은 광자 소자를 통합하여 상쇄할 수 있으며, 그 결과 하이브리드 플라즈몬 도파관이 생성됩니다.

플라즈몬 도파관은 빛의 회절 한계보다 작은 파장 이하의 모달리티를 나타냅니다. 빛보다 작은 파장에서 SPP의 전파 모달리티가 가능하다는 아이디어는 엄청난 흥분을 불러일으켰으며, 광 주파수에서 나노스케일 정보 처리가 가능한 칩 스케일 장치의 가능성을 열었습니다.

플라즈몬 도파관의 일반적인 유형에는 MIM(Metal-Insulator-Metal), IMI(Insulator-Metal-Insulator), CPP(Channel Plasmon polariton) 및 GPP(Gap Plasmon polariton) 도파관이 있습니다.

메타물질은 구성 물질에서 볼 수 없는 특성을 나타내도록 설계된 복합 재료입니다. 메타물질은 고유한 크기, 모양, 기하 구조 및 방향에서 속성을 도출하여 전자기파를 새롭고 유익한 방식으로 구부리거나, 차단하거나, 흡수하거나, 강화할 수 있습니다. 메타물질은 영향을 미치려는 현상보다 작은 파장에서 반복되는 패턴으로 배열됩니다.

플라즈모닉 메타물질에서 이러한 물질에 고유한 속성을 부여하는 것은 표면 플라즈몬입니다. 특정 조건에서 입사광은 금속-유전체 계면에서 표면 플라즈몬과 결합하여 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)이라고 하는 자체 유지형 전파 전자기파를 형성합니다.

이러한 SPP는 기본 금속 나노입자의 구조에서 속성을 도출합니다. SPP는 입사광보다 짧은 파장에서 조정 가능한 특성을 표시합니다. 플라즈모닉 메타물질의 예로는 주기적 배열의 금 나노입자(나노큐브) 및 은과 금 나노쉘이 있습니다.

플라즈모닉 메타물질은 파장 이하의 규모에서 금속 나노입자의 배열에서 속성을 도출하기 때문에 엔지니어는 분산, 유전율, 투자율 및 굴절률과 같은 속성을 조작하여 다양한 새로운 분야에서 응할 수 있습니다.

음의 굴절률 플라즈모닉 메타물질

빛이 한 매체에서 다른 매체로, 예를 들어 공기에서 물로 이동할 때 표면에 수직인 평면인 법선을 교차하면서 굴절됩니다. 음의 굴절률 재료에서 이러한 굴절은 반대 방향으로 발생하여, 빛의 전자기 에너지가 전파하는 파면의 반대 방향으로 이동하게 됩니다. 

재료의 굴절률은 유전율과 관련이 있고, 유전율은 전자기 전파 길이에 영향을 미치므로, 음의 지수 메타물질은 기존 렌즈, 거울 및 광학 장치의 기능을 넘어서는 조정 가능한 광학적 특성을 제공합니다.

그래디언트 지수 플라즈모닉 메타물질

플라즈모닉 메타물질은 길이 또는 표면에 따라 다양한 굴절률을 나타내도록 구성할 수도 있습니다. 예를 들어, 전자빔 리소그래피를 사용하여 금 나노 표면에 PMMA와 같은 합성 폴리머를 증착하여 제작할 수 있습니다.

그래디언트 지수 플라즈모닉 메타물질은 빛의 기존 광자 대신 표면 플라즈몬 폴라리톤과 상호 작용하는 뤼네부르크(Luneburg) 및 이튼(Eaton) 렌즈를 제작하는 데 사용되었습니다.

3차원 음의 지수 메타물질도 제안되었으며, 자체 조립, 다층 박막 증착 및 집속 이온 빔 밀링을 통해 제작될 가능성이 있습니다.

음의 복사압 메타물질

기존 소재에 빛을 비추면(즉, 양의 굴절률을 표시하면) 양의 복사 압력이 발생하여 소재가 광원에서 밀려납니다. 음의 굴절률 소재에서는 반대 효과가 발생하여 소재가 광원 쪽으로 당겨집니다.

예를 들어, 광원과 레이저 작동 시 에너지 전달 효율과 광 흡수를 높이거나 박막 태양 전지에서 광 흡수를 개선하는 데 적용할 수 있습니다.

하이퍼볼릭 메타물질

하이퍼볼릭 메타 물질은 빛의 이동 방향에 따라 금속이나 유전체로 작동합니다. 이 경우 소재의 분산 관계는 쌍곡면을 형성하여(이론적으로) 무한히 작은 전파 파장이 발생합니다.

하이퍼볼릭 메타 표면은 은과 금 나노구조에서 시연되었습니다. 이러한 구조는 감지 및 이미징을 위한 향상된 기능(음의 굴절, 회절 없음 등)을 보여줍니다. 따라서 이러한 구조는 광 집적 회로 내부의 양자 정보 처리에서 유망한 응용 분야를 제공합니다.

더욱이 쌍곡 초격자는 티타늄 질화물 및 알루미늄 스칸듐 질화물과 같은 호환되는 결정 구조의 조합으로 형성될 수 있습니다. 금 및 은과 달리 이러한 재료는 기존 CMOS 구성 요소와 호환되며 고온에서 열적으로 안정적입니다. 더 높은 광자 밀도(금 또는 은과 비교했을 때)를 나타내므로 효율적인 광 흡수체이기도 합니다.

쌍곡선 메타물질은 고급 감지 기능을 제공하는 평면 렌즈, 회절 없는 이미징, 초고감도 광학 현미경, 나노 공진기 등과 같은 가능성을 열어줍니다.

공명 나노구조

공명 나노구조는 빛-물질 상호작용에 필요한 강도, 전자기 상호작용의 높은 국소화, 산란 및 흡수를 위한 큰 단면을 나타냅니다. 이는 매우 효과적인 슈퍼렌즈, 집광기, 나노공진기 및 파장 이하 가이드 역할을 할 수 있습니다.

플라즈모닉은 금속-유전체 계면에서 나노구조에서 발생하는 광학적 프로세스에 의존합니다. 표면 플라즈몬 폴라리톤은 이러한 계면에서 자유 전자와 광자의 상호 작용으로 인해 발생하는 매우 한정된 전자기파입니다.

SPP의 조정 가능한 속성은 빛-물질 상호 작용의 나노스케일 제어를 허용하여 회절 한계 광자 소자와 차세대 집적 회로를 위한 나노스케일 전자 장치 간의 교량을 형성합니다.

나노미터 스케일에서 광 신호를 생성, 증폭, 처리 및 라우팅하는 것은 통신, 생화학, 에너지 수확 및 감지와 같이 다양한 분야에서 응용할 수 있는 수많은 기회를 제공합니다.

다음은 하이브리드 플라즈모닉-전자-광자 집적 회로의 잠재적 응용 분야의 두드러진 예입니다.

센서 및 바이오센서

국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 지원하는 플라즈몬 물질은 강력한 국소 전자기장 향상으로 이어져 분광학 및 감지 응용 분야를 크게 개선합니다.

예를 들어, 플라즈몬 유도 공명 에너지 전달(PIRET)은 발광 다이오드(LED)의 효율성과 형광 기반 센서의 성능을 개선하는 데 사용될 수 있습니다.

플라즈모닉의 강력한 응용 분야 중 하나는 생물학적 또는 화학적 작용제의 미세한 흔적을 감지하는 센서를 포함합니다. 한 사례에서 연구자들은 플라즈몬 나노물질을 세균독소에 쉽게 결합되는 물질로 코팅했습니다. 이 독소의 존재는 표면 플라즈몬의 주파수와 그에 따라 반사되는 빛의 각도를 변경했습니다. 이 효과는 매우 정밀하게 측정되어 가장 작은 흔적도 감지할 수 있습니다.

플라즈모닉 기술은 감지를 위한 다른 용도로는 바이러스 감염과 박테리아 감염을 구별하는 용도, 배터리 내부 센서를 사용하여 충전 속도와 전력 밀도를 모니터링하는 용도 등이 있습니다.

표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서

SPR 센서는 환경 오염 물질을 감지하는 크로마토그래피 기반 기술을 효과적으로 대체합니다. SPR 감지는 클로로프렌을 감지하는 데 있어 크로마토그래피만큼 정확하면서도 더 빠른 결과를 생성하는 것으로 나타났습니다.

다른 곳에서 광섬유 SPR 기술은 광섬유 끝에서 SPR 센서를 사용하여 빛과 표면 플라즈몬을 결합하는 것을 용이하게 하는 것을 설명합니다. 이를 통해 초고감도 소형 감지 장치가 가능해져 원격 감지 응용 분야에 특히 유용합니다.

그래핀 플라즈모닉

금 나노구조 위에 그래핀을 겹치면 SPR 센서의 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다. 그래핀의 낮은 굴절률은 간섭을 최소화하는 반면, 넓은 표면적은 생체 분자의 포집을 용이하게 합니다.

따라서 그래핀을 통합하면 SPR 센서의 적용 범위가 확장됩니다. 그래핀은 또한 제조 중 고온 어닐링에 대한 SPR 센서의 저항성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

태양광 발전

금, 구리, 은을 포함하는 금 그룹 플라즈모닉 소재는 태양광 발전 및 태양 전지에 사용되었습니다. 전자 및 정공 제공자(hole donor) 역할을 하는 이러한 소재는 IoT 네트워크에서 스마트 센서에 전원을 공급하는 데 중요한 역할을 합니다.

플라즈모닉 나노소재는 또한 LED에서 광 추출을 개선하여 밝기와 효율성을 높이고 저렴하고 유연하며 가벼운 LED 디스플레이를 생산할 수 있습니다.

광 컴퓨팅

광 컴퓨팅은 전자 장치를 광 처리 장치로 교체하여 광 신호의 높은 대역폭을 활용하려고 합니다.

예를 들어, 2014년에 연구자들은 이산화바나듐 플라즈모닉 소재로 제조된 200nm 테라헤르츠 광 스위치를 생산했습니다. 이산화바나듐에는 불투명한 금속상과 투명한 반도체상 사이를 전환하는 능력이 있습니다.

이산화바나듐 나노 입자가 유리 기판에 증착되고 플라즈모닉 광음극으로 작용하는 금 나노 입자로 덮여 있습니다. 그 후, 짧은 레이저 펄스를 적용하여 자유 전자가 금 나노입자에서 이산화바나듐 메타물질로 점프하여 수명이 짧은 상 변화를 생성했습니다.

이산화바나듐 스위치는 기존 실리콘 기반 칩과 호환되며 스펙트럼의 근적외선 및 가시광선 영역에서 작동합니다. 근적외선은 통신 및 광통신에 필수적이며 가시광선은 센서 및 현미경에 필수적입니다.

플라즈모닉 메타물질은 쓰기 중에 디스크의 작은 부분을 가열하여 메모리 저장 용량을 늘리는 디스크의 열 보조 자기 메모리 저장에도 도움이 될 수 있습니다.

현미경 검사

서브파장 플라즈모닉의 명백한 응용 분야는 빛의 회절 한계를 넘어선 현미경 검사에 대한 응용 분야입니다. 이 한계는 기존 현미경(양의 굴절률을 표시)이 빛의 반파장보다 작은 물체를 분해하는 것을 방지합니다.

음의 굴절률 플라즈모닉 소재로 제작된 렌즈는 회절 한계를 우회하여 기존 현미경의 시야를 넘어 공간 정보를 포착할 수 있는 슈퍼렌즈를 만들어낼 수 있으며, 광 스위치, 광 검출기, 변조기 및 지향성 광 방출기에 응용할 수 있습니다. 

반도체 산업은 지난 수십 년 동안 전자 장치를 나노미터 규모로 축소하는 데 엄청난 진전을 이루었습니다. 그러나 신호 지연 문제는 10GHz+ 회로를 추구하는 데 상당한 과제를 안겨줍니다.

광자 소자는 엄청난 대역폭을 제공하지만 회절은 광자 구성 요소의 크기를 제한합니다. 플라즈모닉 나노기술은 마이크로스케일(백만분의 1미터) 광자 세계와 나노스케일(십억분의 1미터) 전자 세계 사이의 가교 역할을 합니다.

플라즈모닉의 미래는 밝아 보이며 연구자들은 그래핀과 같은 새로운 메타물질을 사용할 수 있습니다. 기업이 견고하고 안정적이며 합리적인 가격의 플라즈모닉 장치를 생산할 수 있는 한 플라즈모닉 나노기술은 차세대 10GHz+ 집적 회로 기판에서 필수적인 시너지를 제공하는 핵심이 될 것입니다.

플라즈모닉 소재 시장은 2023년 110억 달러에서 2031년 400억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연간 성장률은 약 15.5%입니다.

플라즈모닉 응용 분야에 대한 자세한 내용은 전용 플라즈모닉 응용 분야 페이지를 방문하십시오.

관련 리소스