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민범기 교수, 광학적 시공간 경계 통한 빛 제어 기술 개발
〈 민범기 교수, 손재현 박사과정, 이강희 박사 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수 연구팀이 광학적인 시공간 경계(spatiotemporal boundary)를 이용해 빛의 색과 위상을 동시에 제어하는 기술을 개발했다.
기계공학과 전원주 교수, 물리학과 이상민 교수와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 특수 미세 금속 구조를 반도체 표면 위에 제작해 기존 연구결과에 비해 훨씬 높은 자유도를 갖는 시공간 경계를 구현했다. 이 시공간 경계는 빛의 주파수를 변환할 수 있는 초박막형 광학 소자에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이강희 박사, 손재현 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 광학분야 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 10월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
광 주파수 변환 소자는 광학적 비선형성으로 인해 빛의 색이 변화하는 현상을 주로 이용해 빛을 사용한 정밀 측정과 통신 기술에서 핵심 역할을 하고 있다.
일반적인 광학 현상에서는 빛의 중첩(superposition) 원리가 성립하기 때문에 여러 빛이 동시에 물질을 통과해도 서로에게 영향을 주지 않는다. 하지만 빛의 세기가 매우 강하면 빛의 전기장이 물질을 이루는 원자핵, 전자 상호작용에 영향을 줘 빛의 주파수를 배로 늘리거나 두 빛의 주파수를 합하거나 뺀 빛을 형성하는 등의 비선형 광학 현상을 관찰할 수 있다.
이럴 경우 대부분 비선형 형상 구현에 필요한 강한 빛을 얻기 위해 고출력 레이저를 사용하거나 아주 좁은 공간에 빛을 집속시키는 방법을 사용한다.
또한 빛이 통과하고 있는 물질을 빛 스스로가 아닌 다른 외부 자극을 이용해 변화시킬 때에도 주파수 변환 현상을 볼 수 있다. 이렇게 시간에 따라 동적으로 변화하는 물질, 시간 경계 등을 이용하면 약한 빛에서도 주파수 변환을 일으킬 수 있다. 이는 통신 분야에서 유용하게 활용 가능하다.
그러나 외부 자극을 이용한 물성의 변화는 개념적으로만 연구돼 왔고, 다양한 이론적 예측 결과들을 실제로 구현하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 원자 구조를 모사한 금속 미세구조를 배열해 인공적인 광학물질(메타물질)을 개발했고 이 인공 물질을 매우 빠르게 변화시켜 시공간 경계를 만들어내는 데 성공했다.
기존 연구들이 약간의 굴절률에만 변화를 주는 것에 그쳤다면 이번 연구는 물질의 분광학적 특성을 자유롭게 설계 및 변화시킬 수 있는 플랫폼을 제공했다. 이를 이용해 빛의 색을 큰 폭으로 변화시키면서 주파수 변화량 역시 제어할 수 있는 소자를 개발했다.
연구팀은 주로 개념적으로만 진행되던 시공간 경계에서의 주파수 변환에 관한 연구를 광학물질을 이용해 실현 및 응용할 수 있는 단계로 발전시켰다는데 의의가 있다고 밝혔다.
민 교수는 “주파수 스펙트럼의 변화를 자유롭게 설계하고 예측할 수 있어 폭넓은 활용이 가능하다”며 “광학 분야에서 동적인 매질에 연구에 새 방향을 제시하게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 미래유망융합기술파이오니어사업 및 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 협대역의 테라헤르츠파를 입사시켰을 때 시간적 경계의 변화에 따른 주파수 변환 실험 결과
그림2. 기술 개념도
2018.11.05 조회수 9875 -
나노미터 크기의 우담바라 꽃 모양 제작
〈윤 동 기 교수〉
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 액정의 승화현상을 이용해 정교한 3차원 액정나노구조를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이는 액정이 승화할 때 열처리 조건에 따라 여러 모습의 3차원 나노구조가 형성되는 특성을 이용한 기술이다. 간단한 온도조절만으로도 다양한 3차원 나노패터닝이 가능해 차세대 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
특히 연구팀은 우담바라 꽃, 찐빵 모양 등을 나노미터 크기 수준에서 정교하게 제작하는 데 성공했다.
이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
나노 및 마이크로 패터닝을 위해 가장 많이 쓰이는 기술은 빛을 이용한 광 식각 기술이다. 하지만 이 방식은 2차원 식각공정에 특화돼 있고 비싼 공정설비, 복잡한 과정 등의 한계를 갖는다.
특히 3차원 구조 제작을 위해서는 2차원 구조를 계속 적층해야 하는 과정이 포함되기 때문에 정교한 구현이 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 액정의 온도를 높여 분자들을 기체로 승화시켰다.
기체로 승화된 액정분자들은 공기 중으로 날아가게 되는데 그 중 일부는 무게, 분자수준에서의 친화도 등의 원인으로 다시 되돌아와 남아있던 액정 상 구조와 다시 재결합하게 된다.
이는 동굴의 종유석, 석순의 생성 원리나 유황온천에서 승화돼 날아가던 유황 성분이 바위나 돌에 붙어 유황 바위가 되는 것과 비슷한 원리이다.
연구팀은 승화 및 재결합 현상을 통해 온도 및 시간 조절로 수 나노미터 수준의 액정 판상구조를 정교하게 한 겹씩 벗겨낸 뒤, 다양한 3차원 나노 구조체를 제작하는 데 성공했다.
온도나 시간을 조절함으로써 나노 구조체는 다양해진다. 온도를 조금만 상승시킬 때는 우담바라 꽃 모양이 되고, 온도를 매우 높일 때는 액정 분자가 순식간에 날아가 찐빵과 같은 모양이 되기도 한다.
이 기술을 이용하면 차세대 기술로 불리는 수직 트랜지스터 등을 기존 2차원 식각 공정에 비해 약 1천 배 저렴하고 간단하게 제작할 수 있다. 일일이 적층할 필요 없이 3차원으로 패터닝이 순식간에 가능해지기 때문이다.
윤 교수는 “전자기장에 민감하게 반응하는 액정의 고유 성질과 이번 승화 및 재결합 현상을 융합할 수 있다”며 “이를 통해 고효율의 광전자 소자 개발에 많은 도움이 될 것이다”고 말했다.
나노과학기술대학원 김대석 박사과정 학생이 주도하고 美 켄트 주립대학 올레그 라브렌토비치(Oleg D. Lavrentovich) 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부의 미래유망기술 융합파이오니아 사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 우담바라 나노구조체
그림2. 우담바라 나노구조체(확대)
그림3. 다양한 조건의 승화-재조합 공정 후의 초분자 액정 구조체의 모양
2016.01.11 조회수 10860