‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀(graphene)이 차세대 광대역 통신의 주역으로 등장할 가능성이 점쳐지고 있다.
그래핀은 탄소가 벌집처럼 육각형 그물 모양으로 배열된 층이 쌓여진 구조를 말한다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체 실리콘보다 전자이동성이 100배 이상 빠르며, 대부분의 빛을 통과시키고 신축성도 매우 뛰어난 장점을 가지고 있다.
이런 특성으로 인해 그래핀은 그동안 ‘꿈의 나노물질’로 불려왔다.
유럽 집행위원회(European Commission)의 가장 큰 연구 계획 가운데 하나인 그래핀 플래그십(Graphene Flagship) 프로젝트 연구원들은 최근 그래핀 기반 광 집적 소자가 차세대 광통신을 위한 특별한 솔루션을 제공한다고 발표했다.
이들 연구팀은 그래핀의 속성이 낮은 전력으로 초광대역 통신을 가능케 함으로써 광통신을 통한 데이터 전송 방식을 근본적으로 변화시킬 수 있다는 사실을 보여주었다.
이 같은 특성은 그래핀 집적 장치(graphene-integrated devices)를 5G와 사물인터넷(IoT) 및 4차 산업혁명(Industry 4.0) 진화에 필요한 핵심 구성요소로 만들 수 있다.
해당 연구 결과는 재료과학 전문지 ‘네이처 리뷰스 머티어리얼스’(

“그래핀 포토닉스, 판도 뒤바꿀 여러 장점 지녀”

그래핀 플래그십 파트너인 독일 노키아 벨 연구소 송수신기 연구부장인 볼프강 템플(Wolfgang Templ) 박사는 “기존의 반도체 기술이 물리적 한계에 다다르면 완전히 새로운 기술을 탐구해야 한다”고 말하며 “그래핀이 기존의 반도체 기반 부품기술의 성능을 뛰어넘어 광통신과 무선통신의 핵심 구성요소로서 탁월한 성능을 보이고 있다”고 덧붙였다.
노키아 IP 및 광네트워크 기술 멤버인 파올라 갈리(Paola Galli) 연구원은 “그래핀 포토닉스는 판도를 뒤바꿀 여러 장점들을 제공한다”며 “현재의 기술을 뛰어넘어 미래의 요구 용량에 대처할 수 있는 새로운 재료들을 탐색할 필요가 있다”고 동의했다.
그래핀 플래그십은 미래의 그래핀 기반 통합 포토닉스의 비전을 제시하고, 전력 소비와 제조가능성 및 웨이퍼-규모로 집적을 증진할 수 있는 전략을 제시했다.
그래핀 플래그십은 또 이번 논문 출간을 통해 그래핀 기반 포토닉스 장치들에 대한 로드맵을 제시했다.

“정보통신 기술 관점, 파괴적으로 바꿀 것”

그래핀 플래그십 파트너인 이탈리아 전국 대학간 통신 컨소시엄(CNIT)의 마르코 로마뇰리(Romagnoli) 박사는 “포토닉스 회로에 집적된 그래핀은 매우 높은 전송률로 광섬유 링크를 작동시킬 수 있다”며 “또한 저렴한 가격으로 확장 및 축소가 가능한 기술”이라고 밝혔다.
또다른 그래핀 플래그십 파트너인 에릭슨 연구소 안토니오 데리코(Antonio D’Errico) 박사는 포토닉스 그래핀이 정보통신 기술의 관점을 파괴적으로 바꿀 잠재력이 있다고 말했다.
그는 “’네이처 리뷰스 머티어리얼스’에 게재된 논문은 새로운 특성이 많은 광 네트워크가 어떻게 가능한지를 설명해준다”며 “이 정보가 통신에 관심있는 전 세계 모든 사람에게 유용하다는 점을 말할 수 있어 기쁘다”고 덧붙였다.

“장기간 산학 협력 시너지 효과로 큰 성과”

그래핀 플래그십의 핵심은 참여한 연구진 간의 협력이다.  유럽 5개국의 기업과 연구센터로 구성된 이 산학 파트너십에는 CNIT와 에릭슨, 나노전자와 디지털 기술분야의 IMEC(벨기에), 노키아, 노키아 벨, 나노 제조 전문업체인 AMO(독일), 포토닉스를 연구하는 ICFO(스페인), 영국 케임브리지대 연구진이 참여하고 있다.
로마뇰리 박사는 “그래핀 플래그십의 산업 및 학술 파트너들은 일반적인 EU 프로젝트보다 더욱 오랫 동안 함께 작업하는 독특한 생태계를 지니고 있다”며 “오랜 기간 동안의 시너지 효과가 학술면이나 혁신에서 전례 없는 결과를 내고 있다”고 평가했다.
노키아 벨 연구소의 템플 박사는 “산학 간의 협력은 완전히 새로운 요소기술을 탐색하는 작업의 핵심”이라며, “이 단계에서의 연구는 현저한 위험을 내포하고 있기 때문에 산학 연구자들이 기본적인 문제를 해결하기 위해 가장 밝고 희망적인 마음가짐으로 참여하는 것이 중요하다”고 말했다.
이를 통해 미래 시스템의 가능성에 대한 연구 상의 의문점들에 대해 전망을 제시할 수 있다는 게 템플 박사의 의견이다.
그는 “상호 정보교환 덕분에 우리는 기술을 성숙시키고 그래핀 기반 구성부품의 미래 산업화와 대량생산에 따른 모든 요구사항들을 고려할 수 있었다”고 밝혔다.
카리 헬트(Kari Hjelt) 그래핀 플래그십 혁신책임자는 “이번 사례는 통신에서 최첨단으로 응용되는 그래핀 기술의 힘을 보여준다”고 말하며 “재료 개발에서 부품과 시스템 수준의 통합으로 옮겨갈 때 이미 그래핀 플래그십의 성과를 보기 시작했다”고 밝혔다.

“초당 1테라비트 넘는 초고속 전송 가능”

그래핀 포토닉스는 현재의 최첨단 기술을 뛰어넘어 성능과 제조에서 이점을 제공한다. 연구팀은 그래핀이 포토닉 장비 제조의 차세대 진화를 위한 모든 요구사항에 부합하는 변조와 탐지 및 스위칭 성능을 보장할 수 있다고 말한다.
템플 박사는 “우리는 광 채널 한 개에 초당 1테라비트를 훨씬 넘는 초고속 비트전송이 가능한 고집적 광 송수신기 개발을 목표로 하고 있다. 이 목표 시스템은 더 높은 유연성 및 조정가능성과 함께 기본적으로 복잡성과 에너지 분산 및 형태 요소를 더욱 낮춤으로써 반도체 기반의 이전 제품들과 차별화될 것”이라고 설명했다.
그래핀 플래스십의 전자 및 포토닉스 통합 부문 책임자인 AMO GmbH의 다니엘 노이마이어(Daniel Neumaier) 박사는 “광통신 링크는 모든 노드에서 높은 전송속도가 요구되는 5G에서 중요성이 점점 커질 것이다. 실리콘 플랫폼에 통합된 그래핀 기반 광학 부품은 성능은 향상되고 생산비는 절감돼 5G시대의 핵심 구성요소가 될 것으로 예상된다”고 밝혔다.

1조

그래핀 플래그십의 과학기술 책임자(STO)인 케임브리지대 안드레아 페라리(Andrea C. Ferrari) 교수는 “이번 논문은 지속적으로 증가하는 미래 통신시스템 데이터 전송속도의 예측 가능한 요구사항을 그래핀과 실리콘-기반 포토닉스가 충족시킬 수 있는 이유를 명확히 제시한다”라며 “사물인터넷과 5G시대의 도래는 그래핀의 탁월한 잠재력을 입증할 수 있는 특별한 기회를 제공한다”고 말했다.
그래핀 플래그십은 10억 유로(1조3000억원)의 예산으로 운영되는, 유럽연합에서 가장 큰 협동연구 계획이다.
유럽 150개 파트너가 참여하는 이 이니셔티브는 그래핀과 관련자료를 학술연구실에서 응용 현장에 적용해 유럽 사회의 경제성장을 촉진하고 앞으로 10년 동안 새로운 일자리 창출을 목표로 하고 있다.