차세대 초고속 데이터통신 라이파이(Li-Fi)는 LED 400~800㎔ 가시광선 대역을 활용한 무선통신기술로, 기존 와이파이보다 100배 빠른 최대 224Gbps를 제공한다. 또 사용할 수 있는 주파수 할당 제약이 없고, 전파 혼신 문제도 적다.
그러나 누구나 접근이 가능해 보안에 상대적으로 취약하다.
KAIST 신소재공학과 조힘찬 교수팀이 한국표준과학연구원(KRISS) 임경근 박사와 공동연구로 협력해 라이파이 활용을 위한 ‘온-디바이스 암호화 광통신소자 기술’을 개발했다.
조 교수팀은 독성이 적고 지속가능한 소재인 친환경 양자점을 이용해 고효율 발광 트라이오드 소자를 만들었다.
이 소자는 전기장을 이용해 빛을 발생시키는 장치로, 투과 전극에 존재하는 아주 작은 구멍인 ‘핀홀’ 영역에 전기장이 집중되고 전극 너머로 투과되기 때문에 두 가지 입력 데이터를 동시 처리할 수 있다.
연구팀은 이 원리를 이용해 ‘온-디바이스 암호화 광송신 소자’ 기술을 개발했다.
이 기술의 핵심은 기기 자체에서 정보를 빛으로 바꾸면서 동시에 암호화까지 하는 것으로, 별도 장비 없이도 보안이 강화된 데이터 전송이 가능하다.
전기를 얼마나 효율적으로 빛으로 변환하는지를 나타내는 지표인 외부양자효율(EQE)은 상용화 기준이 약 20% 수준이다.
연구팀이 개발된 소자는 EQE가 17.4%를 기록했고, 휘도는 스마트폰 OLED 화면의 최대 밝기인 2000nit의 10배 이상인 2만 9000nit를 구현했다.
또 연구팀은 이 소자가 어떻게 정보를 빛으로 바꾸는지를 더 정확히 이해하기 위해 ‘과도 전계 발광 분석’을 사용했다.
이를 통해 수백 나노초 동안 전압을 순간적으로 인가했을 때 소자에서 발생하는 발광 특성을 분석, 단일 소자 내에서 구현되는 이중채널 광변조의 작동 메커니즘을 규명했다.
조 교수는 “이번 연구는 기존 광통신 소자의 한계를 뛰어넘어 송신속도를 높이면서도 보안능력을 향상할 수 있는 새로운 통신 플랫폼을 제시한 것”이라며 “추가 장비 없이 보안을 강화하면서 암호화와 송신을 동시에 구현해 향후 보안이 중요한 다양한 분야에서 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 신승민 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 30일 국제학술지 `어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.
(논문명: High-Efficiency Quantum Dot Permeable electrode Light-Emitting Triodes for Visible-Light Communications and On-Device Data Encryption /DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202503189)
