복잡한 반도체 공정 없이 나노 레이저 고밀도 집적
초고속 AI, 양자 보안, AR 핵심 소자 ‘수직형 나노 레이저’ 구현... 위조방지 기술로 활용 가능

[보안뉴스 한세희 기자] 머리카락보다 얇은 공간에서 빛으로 정보를 처리하는 나노 레이저를 반도체 칩 위에 고밀도로 배치할 수 있게 됐다.

나노 레이저는 거대 인공지능(AI)을 위한 초고속 광컴퓨팅이나 양자 암호 통신, 초고해상도 증강현실(AR) 디스플레이 등에 필요한 차세대 반도체 핵심 소자가 될 것으로 기대된다.

KAIST(총장 이광형)는 김지태 기계공학과 교수 연구팀이 노준석 포스텍 교수 연구팀과 함께 초고밀도 광집적회로 핵심 소자인 ‘수직형 나노 레이저’를 만드는 초미세 3차원 프린팅 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

리소그래피 공정은 같은 구조를 대량 생산하는 데는 효과적이지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 소자 형태나 위치를 자유롭게 바꾸기 어렵다. 또 대부분 기존 레이저는 기판 위에 눕혀진 수평 구조로 만들어져 공간을 많이 차지하고, 빛이 아래로 새어 나가 효율이 떨어진다.


▲페로브스카이트 나노 레이저 3차원 프린팅 [출처: KAIST]

연구진은 빛을 효율적으로 만들어내는 차세대 반도체 소재 페로브스카이트를 수직으로 쌓아 올리는 새로운 3D 프린팅 방식을 개발했다. 전압을 이용해 1아토리터 크기의 작은 잉크 방울을 정밀하게 제어하는 초미세 전기유체 3D 프린팅 기술이다. 1 아토리터는 10⁻¹⁸L이다.

이를 바탕으로 재료를 깎아내는 복잡한 공정 없이 원하는 위치에 머리카락보다 훨씬 가는 기둥 모양의 나노 구조물을 수직으로 직접 인쇄하는 데 성공했다.

인쇄된 페로브스카이트 나노 구조물 표면을 매우 매끄럽게 만들어 레이저 효율을 크게 높인 것이 핵심 성과다. 프린팅 과정에 기체상 결정화 제어 기술을 결합, 결정이 거의 하나로 정렬된 고품질 구조를 구현했다.

그 결과 빛 손실이 적고 안정적으로 작동하는 고효율 수직형 나노 레이저를 구현했다.

또 나노 구조물의 높이를 조절해 레이저가 내는 빛의 색을 정밀하게 바꿀 수 있음을 입증했다. 이를 활용해 육안으로 보이지 않고 특수 장비로만 확인할 수 있는 레이저 보안 패턴을 제작했다. 위조 방지 기술로서 상용화가 기대된다.


▲(왼쪽부터) KAIST 스치 후 박사, 김지태 교수, 노준석 포스텍 교수 [출처: KAIST]

김지태 교수는 “이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 한다”며 “초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술 상용화를 앞당길 것”이라고 말했다.

이 연구는 학술지 ‘ACS 나노’(ACS Nano)에 최근 실렸다. 과학기술정보통신부 우수신진연구(RS−2025-00556379), 중견연구자지원사업 (RS-2024-00356928), 이노코어(InnoCORE) AI 기반 지능형 설계-제조 통합 연구단(N10250154) 지원으로 수행됐다.

※ 논문명: Nanoprinting with Crystal Engineering for Perovskite Lasers

[한세희 기자(boan@boannews.com)]

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