Nano+Photonics+Laboratory
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신종화,김도경,이용희 교수, 수학적 공간채움 원리 적용한 신소재 개발
우리 대학 신소재공학과 신종화, 김도경 교수와 물리학과 이용희 교수 공동 연구팀이 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2천 배 이상 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.
유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로, 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다.
진공 상태의 유전상수는 1이고, 자연에 존재하는 물질과 개발된 메타물질을 포함해 가장 큰 광대역 유전상수는 최대 1천600 수준이다.
유전상수가 수천 이하에 머물렀던 이유는 유전상수 향상에 사용됐던 근본 원리에 한계가 있었기 때문이다. 유전상수를 키우기 위해서는 같은 전기장이 가해졌을 때 더 큰 유전분극이 나타나게 만들어야 한다.
이를 위해 기존에는 피뢰침 끝에 강한 전기장이 모이는 개념의 ‘전기장 국소화 원리’가 사용됐다. 피뢰침이 뾰족할수록 끝에 더 강한 전기장이 모여 유전분극이 강해지지만 그 대신 유전분극이 강해지는 공간적 범위가 좁아지게 된다.
결국 이 원리는 강한 유전분극일수록 미치는 영향의 범위는 좁아지는 근원적 한계를 갖는다. 실제로 기존 유전상수를 증대시킨 메타물질에서는 전기장이 강하게 모이는 부분이 매우 좁은 영역에 국한된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입했다. 공간채움 구조란 선으로 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 뜻한다. 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다.
이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다. 또한 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.
연구팀은 이는 마치 여러 개의 시냇물이 만나 큰 강물이 되는 효과와 같다고 설명했다. 즉, 좁은 공간에 증대된 유전분극들이 공간채움 구조를 통해 거대하게 발현되는 효과를 고안했고 실제로 구현함으로써 삼백만 이상의 큰 유전상수를 얻을 수 있었다.
유전상수가 320만이면 이 물질을 활용한 축전기의 전기용량은 진공에 대비해 320만 배 커지고, 전자기파를 흡수하는 비율이나 방출하는 속도 또한 320만 배 커진다.
또한 굴절률이 약 1천 800배(유전상수의 제곱근)가 되기 때문에 이 소재 안에서 빛의 속도는 1천 800배 느리게, 파장은 1천 800배 짧아진다. 이를 통해 렌즈 등의 소자는 1천 800배 가량 작게 만들 수 있고 기존의 이미징 장치보다 1천 800배 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다.
특히 아주 얇은 막으로도 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에, 전투기나 함정에 씌워서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대되며, 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다.
또한, 가시광선에서도 만약 그 원리가 적용된다면 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등 더욱 다양한 응용이 기대된다.
신 교수는 “간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다”며 “이는 기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험이었고, 앞으로도 이러한 원리를 기반으로 신소재 개발을 지속하겠다”고 말했다.
신소재공학과 장태용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구에서 개발된 메타물질의 모식도와 실제 사진
그림2. 수학분야의 공간채움구조
2016.09.06 조회수 14702 -
수 나노미터급으로 빛 모으는 3차원 광 장치 개발
우리 대학 물리학과 김명기, 이용희 교수 연구팀이 빛을 수 나노미터급 영역안으로 집속시킬 수 있는 초 고광밀도 삼차원 갭-플라즈몬 안테나(3D gap-plasmon antenna)를 개발했다.
이번 연구는 미국화학회의 나노분야 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 6월 10일자에 게재됐다.
빛을 한 점으로 집속시키는 연구는 최근까지도 활발하게 이뤄지고 있다. 빛을 고밀도로 집속시킬수록 다양한 분야에서 활용 가능하기 때문이다.
하지만 빛의 파장보다 작은 크기에서 발생하는 회절(回折, diffraction) 현상은 집속을 방해한다. 이를 극복하기 위해 학자들은 금속에서는 회절한계를 뛰어넘어 빛이 가둬지는 플라즈모닉 현상을 이용해 연구를 진행 중이다.
학자들은 2차원 형태의 플라즈모닉 안테나 개발에 집중했고 연구를 통해 5나노미터 이하로 빛을 집속하기도 했다. 하지만 2차원 안테나로는 아무리 작게 모아도 나머지 한 쪽 방향으로 빛이 퍼지는 한계가 있다.
즉, 빛을 3차원 방향으로 집속시킬 수 있어야 빛의 밀도를 최대로 끌어올릴 수 있는 것이다.
연구팀은 집속 이온빔 근접 식각 (Proximal Focused-Ion-Beam Milling) 기술을 도입해 3차원 구조의 4나노미터급 갭-플라즈몬 안테나를 제작했다. 이를 통해 삼차원 나노 공간(~4 x 10 x 10 nm3)안으로 빛을 집속시켜 입사파와 비교해 40만 배 이상의 빛의 세기를 만들었다.
또한 제작된 안테나 내 높은 광밀도를 이용해 금속에서 발생하는 이차조화파 세기의 극대화에 성공했고, 음극선 발광 측정(Cathodoluminescence)장치를 이용해 빛이 나노 갭 안으로 강하게 집속됨을 확인했다.
연구팀은 이 기술이 데이터 통신과 정보 처리 속도를 테라헤르츠(THz, 1초당 1조번) 수준으로 높이고, 하드디스크 면적당 용량을 현재의 100배로 늘릴 수 있을 것이라고 밝혔다.
더불어 전자 현미경 대신 직접 빛을 이용해 분자 이하 크기의 고해상도 이미지를 추출하거나 반도체 공정을 수 나노미터 수준으로 발전시키는 기술이 가능할 것이라고 말했다.
김명기 교수는 “간단하고 새로운 아이디어가 기존 2차원 플라즈모닉 안테나 중심 연구를 3차원 공간으로 확대시켰다”며 “정보통신, 데이터 저장, 영상의학, 반도체 공정 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것이다"고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자지원사업과 중견연구자지원사업, 첨단융합기술개발사업 프로그램 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 제작된 3차원 갭-플라즈몬 안테나
그림 2. 3차원 갭-플라즈몬 안테나 구조 및 시뮬레이션 결과
그림 3. 증폭된 이차조화파 발생과 나노갭 안으로 빛이 집속된 모습
2015.06.15 조회수 12710 -
이용희 교수, 훔볼트 연구상 수상
우리 학교 물리학과 이용희 교수가 지난달 세계적 권위의 독일 훔볼트 재단이 수여하는 훔볼트 연구상(Humbolt Research Award)을 수상했다.
이 교수는 수직공진표면광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 광결정 레이저(Photonic Crystal Laser) 등 극미세 레이저 분야의 개척자적인 연구 업적을 인정받았다.
훔볼트 연구상은 독일의 대표적인 연구재단인 훔볼트 재단이 매년 인문•자연과학•공학 분야에서 국제적으로 뛰어난 연구업적을 남긴 학자에게 주는 상이다. 이 상은 독일 학자에 의해 추천을 받은 뒤 독일 교수 2명과 외국인 학자 3명 이상의 추천서를 받아야 하는 등 까다롭고 엄격한 심사과정으로 유명하다. 수상자는 6만 유로(약 8600만원)의 상금과 함께 독일에 초청돼 6~12 개월간 관심분야의 연구를 수행할 수 있게 된다.
이용희 교수는 향후 베를린 대학(Technical University of Berlin)의 빔버그 교수, 뷔르츠버그 대학의 포첼 교수 그룹과 공동연구를 진행할 계획이다.
2013.12.09 조회수 11641 -
모교를 빛낸 ‘올해의 동문상’ 선정
- 백만기 김&장 고문, 이용희 KAIST 자연과학대학장, 양세인 OCI 부사장
- 김대훈 LG CNS 대표이사, 나성균 네오위즈 대표이사 선정 - 시상식은 14일 오후 6시 서울 메리어트호텔 신년교례회서 개최
우리 학교 총동문회(회장 임형규)는 국가와 사회의 발전에 공헌하고 모교의 명예를 높인 ‘2011 올해의 동문상’ 수상자를 선정했다.
이번에 선정된 ‘올해의 동문상’ 수상자는 백만기 김&장 고문, 이용희 KAIST 자연과학대학장, 양세인 OCI 부사장, 김대훈 LG CNS 대표이사, 나성균 네오위즈 대표이사 등 5명이다.
백만기(전기및전자공학과, 석사 4회) 김&장 고문은 지식경제부 사무관, 특허청 심사관, 김&장 변리사 등을 거치며 선구자적으로 공학과 행정의 융합을 시도하며 이공계 전문 인력 진로 확대에 공헌했다.
이용희(물리학과, 석사 5회) KAIST 물리학과 교수는 광결정 물리광학 분야의 세계적인 학자로 한국과학상을 수상하는 등 탁월한 연구 성과를 이룩하고 현재 자연과학대학장으로 재직하며 모교 발전에 기여했다.
양세인(생명화학공학과, 석사 6회) OCI 부사장은 신재생 에너지 산업의 핵심 소재인 폴리실리콘 최초 국산화 기술 개발을 선도하여 ㈜OCI가 세계적 경쟁력을 확보하는데 결정적인 기여를 했다.
김대훈(산업및시스템공학과, 석사 7회) LG CNS 대표이사는 스마트 기술을 다양한 산업에 적용하여 LG CNS가 경쟁력을 확보하는데 선도적 역할을 하며 우리나라 IT산업을 세계 최고 수준으로 발전시키는데 크게 기여했다.
나성균(경영과학과, 석사 22회) 네오위즈 대표이사는 한국 IT벤처산업을 이끄는 젊은 리더로, IT 산업 기술 발전에 크게 기여하는 성과를 나타내 올해의 동문으로 선정됐다.
한편 ‘올해의 동문상’은 지난 1992년부터 제정돼 국가와 사회발전에 공헌하고 모교의 명예를 높인 동문에게 주어진다. 시상은 14일 오후 6시부터 서울 메리어트호텔에서 열린 KAIST 총동문회 신년교례회 행사장에서 진행됐다.
2012.01.16 조회수 14339 -
한국과학상에 이용희교수, 젊은 과학자상에 조광현, 김상욱, 조계춘교수
한국의 과학기술을 이끄는 힘! KAIST!
우리학교 물리학과 이용희 교수가 "한국과학상"을 바이오및 뇌공학과 조광현, 신소재공학과 김상욱, 건설및환경공학과 조계춘교수가 "젊은 과학자상"을 수상했다.
물리학분야 한국과학상 수상자인 이용희 교수는 최근 각광 받고 있는 광결정 물리광학 분야의 세계적인 과학자 중 하나로, 물리적으로 가장 작은 공진기에 근접하는 레이저 모습을 순수 국내 기술과 연구력을 동원하여 세계 최초로 실험적으로 규명하였다는 점을 인정받아 수상의 영예를 안았다.
젊은 과학자상 수상자 4명중 3명이 KAIST 교수로 눈길을 모은다.
조광현 교수는 복잡한 생명시스템에 대한 전기전자공학적 모델링 및 컴퓨터 시뮬레이션 분석 핵심원천기술 개발 등을 통해 독창적인 시스템생물학 분야를 개척한 연구업적을 인정받아 선정되었다.
김상욱 교수는 연성소재의 자발적인 분자 조립현상을 이용한 대면적 나노패턴공정을 확립한 연구업적을 인정받아 선정되었다.
조계춘 교수는 터널 안정성 확보에 핵심적 역할을 수행하는 지지보강재 숏크리트의 상태평가기법 등 신공간 창출과 관련된 터널 및 지하공간 구축 기술을 개발한 연구업적을 인정받았다.
제12회 한국과학상 수상자에게는 대통령상과 상금 5천만원이 지급되며, 제13회 젊은과학자상 수상자에게는 대통령상과 연구장려금이 매년 2천4백만원씩 5년간 지원된다.
한편, ‘한국과학상’은 1987년부터 한국공학상과 함께 우수한 연구개발 성과로 우리나라 과학기술 발전에 크게 기여한 과학자를 적극 발굴․포상하여, 과학자의 사기진작과 뛰어난 성과를 창출할 수 있는 연구 환경을 조성하고자 제정된 상이다. 현재까지 수학분야 9명, 물리학분야 12명, 화학분야 13명, 생명과학분야 11명 등 총 45명의 수상자가 선정되었다.
‘젊은과학자상’은 지난 1997년부터 만 40세 미만의 젊은과학자를 발굴․포상함으로써 연구개발에 대한 사기를 진작시키고 21세기 국가과학기술의 중추적인 역할을 담당할 주역을 양성하기 위한 상이다. 자연과학분야와 공학분야에서 각각 4명씩 격년제로 선정되어, 올해 수상자를 포함해 현재까지 50명의 수상자가 선정되었다.
제12회 한국과학상과 제13회 젊은과학자상 시상식은 안병만 교육과학기술부 장관과 박찬모 한국연구재단 이사장, 정길생 한국과학기술한림원장, 한국과학상과 젊은과학자상 수상자 및 관계자 120여명이 참석한 가운데 지난 3월 17일(수) 서울 그랜드힐튼호텔에서 동시에 개최됐다.
2010.03.21 조회수 16849