광 손실 30분의 1, 전력 소모 1,000분의 1로 줄인 브릴루앙 레이저… 분자과학·정밀분석 분야 혁신 기대

KAIST(총장 이광형) 연구진이 세계 최초로 초저잡음 중적외선 브릴루앙 레이저를 초소형 반도체 칩 상에서 구현하는 데 성공했다. 이 획기적인 기술은 중적외선 영역에서 정밀한 분자 분석과 화학 반응 제어를 가능하게 하며, 기존 대비 30배 낮은 광 손실과 1,000배 이상 낮아진 전력 소모라는 놀라운 성과를 입증했다.

브릴루앙 레이저(Brillouin laser)는 물질 내에서 빛과 음파의 상호작용을 통해 생성되는 매우 안정적이고 잡음이 적은 레이저 광원이다. 지금까지는 가시광선이나 근적외선 대역에서만 이 기술이 구현되어 왔으며, 중적외선 영역에서는 기술적 제약으로 실현이 어려웠다.

중적외선 대역은 분자 간의 상호작용이 강해 물질의 정밀 분석에 매우 유용하지만, 빛을 강하게 흡수하는 특성 탓에 광소자 구현이 어려웠다. 일반적으로 사용되는 산화규소 유리는 중적외선 영역에서 높은 광 손실을 보이기 때문에 적합하지 않았다.

KAIST 중심의 국제 공동연구, 고성능 광소자 개발 성공

이한석 KAIST 물리학과 교수 연구팀은 호주국립대학교 최덕용 교수, 예일대학교 피터 라키치 교수, 한국원자력연구원 고광훈 박사, 닝보대학교 롱핑 왕 교수 등과의 국제 공동연구를 통해 기술의 한계를 돌파했다. 연구팀은 중적외선에서 뛰어난 투과도를 지닌 칼코겐화합물 유리를 가공해 초고품질 광공진기를 개발하고, 표면 분자 흡착에 의한 광 손실을 정량 분석 및 억제함으로써 기존 세계기록 대비 광 손실을 30분의 1 수준으로 줄이는 데 성공했다.

이러한 초고성능 광소자를 기반으로, 브릴루앙 레이저의 최소 동작 전력을 1,000배 이상 줄이는 데에도 성공했으며, 마침내 중적외선 파장에서 해당 기술을 세계 최초로 구현할 수 있었다.

고순도 중적외선 광원, 정밀 과학 분석의 새 지평 열어

기존의 중적외선 레이저 기술인 광파라메트릭 레이저(optical parametric oscillator laser)나 양자폭포레이저(quantum cascade laser)는 약 1메가헤르츠(MHz) 수준의 주파수 선폭을 가지며, 분석 정밀도에는 한계가 있었다. 그러나 이번에 개발된 브릴루앙 레이저는 이보다 만분의 일 수준으로 좁은 선폭을 가진 고순도 중적외선 광원을 생성할 수 있어, 분자 스펙트럼 분석 및 화학 반응 제어 등의 분야에서 획기적인 정밀도를 제공한다.

연구진은 이번 기술이 중적외선 파장의 소형 저잡음 레이저 개발을 통해 분자 과학의 응용 범위를 넓히고, 보다 세밀한 분석 및 정밀 제어가 가능하게 될 것이라고 밝혔다.

KAIST 이한석 교수는 “이번에 개발된 레이저 소자를 칩 크기의 양자폭포레이저 및 중적외선 광검출기와 결합하면, 지금까지 대형 장비에 의존하던 화학, 생물학, 재료학 분야의 중적외선 측정 시스템을 획기적으로 소형화할 수 있다”고 전망했다.

공동 교신저자인 호주국립대 최덕용 교수도 “칼코겐화합물 유리가 중적외선 영역에서 매우 뛰어난 광학 특성을 지녔지만 가공이 어려워 활용이 제한되었는데, 이번 연구를 통해 실질적인 광소자 구현이 가능해졌다는 데 큰 의미가 있다”고 강조했다.

이번 연구는 KAIST 물리학과 고기영 박사과정 학생과 석대원 박사과정 학생(현재 박사후연구원)이 공동 제1저자로 참여했으며, 2025년 3월 19일 국제학술지 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』에 “A mid-infrared Brillouin laser using ultra-high-Q on-chip resonators”라는 제목으로 게재되었다. (DOI: 10.1038/s41467-025-58010-2)

이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 정보통신기획평가원(IITP), 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었다. 정부와 민간의 지속적인 투자, 그리고 학제 간 국제 공동연구의 결과물이 융합된 성과라는 점에서도 이번 개발은 학술적, 산업적 의미가 크다.

KAIST는 이번 성과를 바탕으로 미래 정보통신, 의료, 환경, 국방 등 다양한 산업 분야에 적용 가능한 고성능 중적외선 광소자 기술의 상용화를 위한 후속 연구를 이어갈 예정이다.

#KAIST #중적외선레이저 #브릴루앙레이저 #광소자기술 #초저잡음레이저 #칩레이저 #국제공동연구 #과학기술혁신 #칼코겐유리 #네이쳐커뮤니케이션스