과학자들은 티탄산바륨의 광학 특성에 대한 수십 년 된 미스터리를 해결하여 잠재적으로 더 빠른 속도, 저손실 광학 통신을 촉진합니다.

요약:

한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 최근 수십 년 동안 재료과학계를 괴롭혀온 문제, 즉 티탄산바륨 결정이 다양한 파장의 빛과 어떻게 상호작용하는지를 해결했습니다. 처음으로 연구자들은 매우 넓은 스펙트럼 범위에서 이 물질의 고유한 광학 특성을 체계적으로 측정하여 고속, 저손실 광통신 장비 설계를 위한 신뢰할 수 있는 데이터 기반을 제공했습니다.

2026년 11월 13일 사이테크데일리 보도에 따르면 이번 연구는 장민석 한국과학기술원 전기공학부 교수가 주도했으며, 캘리포니아 공과대학(칼텍), 한국표준과학원, 미국 J.A. 울람컴퍼니. 이번 연구 결과는 2026년 10월 20일자 학술지 'ACS Photonics'에 게재됐다.

티탄산바륨(BaTiO₃, BTO라고도 함)은 특수한 전기광학 효과를 지닌 결정 물질입니다. 가장 중요한 특징 중 하나는 외부 전기장의 작용에 따라 굴절률을 변경하는 능력, 즉 재료 내부에서 전파되는 빛의 속도와 방향을 변경하는 능력입니다. 포켈스 효과(Pockels effect)로 알려진 이 현상은 티탄산바륨을 고속 광 변조기를 만드는 데 중요한 후보로 만듭니다.

광변조기는 광통신 시스템의 핵심 부품이다. 그 기능은 빛의 강도, 위상 또는 편광 상태를 제어하여 전기 신호를 광학 신호로 변환하고 디지털 정보를 광학 캐리어에 인코딩하는 것입니다. 데이터센터, 인공지능 컴퓨팅 클러스터, 초고속 인터넷 등에서 전송 대역폭에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 광신호를 빠르고 정확하게 제어할 수 있는 소재의 중요성이 커지고 있습니다.

그러나 티탄산바륨의 전기광학 특성은 오랫동안 연구자들의 관심을 끌었지만 기본 광학 매개변수는 오랫동안 일관되지 않은 측정 결과를 받아왔습니다. 다양한 실험실에서 발표된 굴절률 및 광 흡수 데이터는 매우 다양하므로 엔지니어가 이 물질 내부의 빛 전파를 정확하게 예측하기 어렵고 장치 설계 및 제조 과정에서 시행착오 비용도 증가합니다.

이 문제의 핵심은 티탄산바륨 결정의 내부가 항상 완전히 일관된 구조를 갖지는 않는다는 것입니다.

티탄산바륨 결정에는 도메인이라고 불리는 작은 영역이 많이 포함될 수 있습니다. 이들 영역은 결정학적 방향과 편광 방향이 다르기 때문에 빛에 정확히 동일하게 반응하지 않습니다. 측정 장치가 서로 다른 방향의 여러 영역에서 동시에 신호를 수신할 때 실제로 얻어지는 것은 재료 자체의 가장 기본적인 고유 광학 특성이 아니라 여러 광학 응답의 혼합입니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 상대적으로 결정 방향이 균일한 고품질 단결정 티탄산바륨 샘플 2개를 선택하고, 결정 내부의 구조적 방향을 보다 명확하게 하고 서로 다른 도메인 간의 간섭을 최소화하기 위해 a-cut과 c-cut 절단 방법을 사용했습니다.

연구원들은 Mueller-matrix 분광 타원편측법이라는 고급 측정 기술을 사용했습니다. 이 방법은 빛이 반사되거나 물질을 통과한 후 빛의 편광 상태 변화를 감지하고 물질의 굴절률, 흡수 특성 및 기타 광학 매개변수를 추론할 수 있습니다.

일반적인 광학 측정에 비해 뮬러 매트릭스 방법은 빛의 편광 변화를 보다 완벽하게 분석할 수 있으며, 특히 복잡한 결정 구조와 이방성 특성을 가진 재료를 연구하는 데 적합합니다.

이 연구는 자외선, 가시광선, 근적외선, 중적외선, 원적외선을 포함하여 190나노미터에서 40미크론까지 매우 넓은 파장 범위를 다루고 있습니다. 서로 다른 파장 영역에서 티탄산바륨의 광학적 거동에는 명백한 차이가 있기 때문에 연구팀은 전체 측정 범위를 3개의 스펙트럼 영역으로 나누고 각각 적절한 분석 방법을 사용하여 서로 다른 파장과 결정 방향에서 물질의 굴절률과 흡수 계수를 최종적으로 얻었습니다.

또한 연구원들은 결정 내 다양한 ​​도메인의 방향과 비율을 기반으로 전체 결정의 포괄적인 광학 반응을 계산할 수 있는 일련의 수학적 분석 방법을 확립했습니다. 이는 실제 장치에 사용된 티탄산바륨 결정이 내부에 서로 다른 방향을 가진 여러 영역을 가지고 있더라도 엔지니어가 모델을 통해 전반적인 광학적 동작을 예측할 수 있음을 의미합니다.

또 다른 중요한 돌파구는 연구팀이 거의 투명한 밴드에서 티탄산바륨의 극히 약한 빛 흡수를 성공적으로 측정했다는 것입니다.

광통신 장치에서 광신호가 물질을 통해 전파되면 장거리 전송이나 다중 레벨 장치 연결 시 소량의 흡수라도 축적되어 심각한 신호 손실이 발생할 수 있습니다. 따라서 고효율 광도파로 및 광칩을 설계하려면 재료의 흡수계수를 정확하게 파악하는 것이 중요합니다.

연구원들은 엘립소메트리와 독립적인 투과율 측정을 결합하여 2~10미크론의 파장 범위(약 10⁻⁵까지)에서 티탄산바륨의 소멸 계수를 성공적으로 결정했습니다. 소광계수는 물질이 빛 에너지를 흡수하는 정도를 반영합니다. 값이 낮을수록 빛이 재료 내부로 전파될 때 흡수 손실이 작아집니다.

이 데이터를 통해 엔지니어는 빛이 다양한 크기와 모양의 도파관 구조에서 어떻게 전파되는지, 빛이 재료를 통과할 때 손실되는 에너지의 양을 더 정확하게 예측할 수 있으므로 실제로 장치를 제작하기 전에 보다 안정적인 설계와 시뮬레이션이 가능합니다.

그 중 광통신 변조기는 가장 직접적인 잠재적 응용 분야 중 하나입니다. 미래에는 데이터 센터와 통신 네트워크가 점점 더 많은 양의 데이터 트래픽을 처리해야 하며 전통적인 전자 상호 연결은 점차 전력 소비, 전송 거리 및 대역폭 측면에서 한계에 직면하게 될 것입니다. 광소자를 사용하여 데이터를 전송하고 처리하면 전기 신호 전송으로 인한 에너지 소비와 지연을 어느 정도 줄일 수 있습니다.

강력한 전기 광학 반응을 통해 티탄산 바륨은 더 빠른 응답 시간과 더 낮은 에너지 소비를 갖춘 광학 변조기를 만드는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다. 이 연구에서 제공되는 정확한 광학 매개변수는 설계자가 다양한 구조를 반복적으로 제조 및 테스트하는 비용을 절감하고 관련 장치의 실험실에서 실제 적용까지의 프로세스를 가속화할 수 있습니다.

KAIST 장민석 교수는 이번 연구는 오랫동안 완전히 이해되지 않았던 티탄산바륨의 광학적 반응을 밝혀 이 물질과 빛의 상호 작용을 이해하는 데 신뢰할 수 있는 참고 데이터를 제공했다고 말했습니다. 이번 연구 결과는 저손실, 고속 광통신 소자 개발을 촉진하고, 광신호의 정밀한 제어가 필요한 양자광소자에 대한 기초 지원도 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 자체가 새로운 초고속 인터넷 장비를 개발한 것도 아니고, 네트워크 전송 속도의 향상을 직접적으로 입증한 것도 아니라는 점에 유의해야 합니다. 이는 핵심 재료의 불분명한 기본 광학 매개변수의 장기적인 문제를 해결합니다. 이러한 데이터를 더 빠른 광통신 시스템으로 실제로 변환하려면 후속 장치 설계, 제조 및 성능 검증이 필요합니다.

그러나 광칩과 차세대 광통신 기술에서는 물질 자체의 특성을 정확히 파악하는 것이 공학적 혁신을 이루기 위한 중요한 전제조건인 경우가 많습니다. 이 연구는 티탄산바륨 장치 설계의 장기적인 불확실성을 줄이고 더 빠르고 에너지 효율적인 광 컴퓨팅 및 통신 장치의 향후 개발을 위한 새로운 기반을 제공합니다.