우리 대학  연구진이 초박막형 두께로 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 소재를 개발했다. 사람 머리카락 굵기의 10분의 1 수준에 해당하는 두께로, 이 소재 설계 기술을 이용하면 레이저와 통신 등을 위한 다양한 광학 변환 소재의 개발이 가능해질 전망이다. 

권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 이상민 한국과학기술원(KAIST) 교수(물리학과, 사진 오른쪽) 연구팀은 기존 광학결정의 비선형성을 월등히 뛰어넘는 새로운 양이온과 이에 적합한 음이온을 도입하는 새로운 결정 기술을 적용하여, 기존에 없던 극한의 비선형광학 특성을 가지는 유기결정을 개발했다고 밝혔다. 

이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 10월31일자 온라인판에 게재되었다. 논문 제목은 “극한 초분극도를 가지는 새로운 종류의 유기 결정: 고효율 및 광대역 평면 스펙트럼 대역을 가지는 테라헤르츠 발생(A New Class of Organic Crystals with Extremely Large Hyperpolarizability: Efficient THz Wave Generation with Wide Flat-Spectral-Band)”이다.

비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간에 일어나는 비선형적 특성을 연구하는 학문으로, 주파수(파장)로 대표되는 빛의 특성을 바꾸는 광변조 기술과 고감도 분석 등에 활용된다. 이러한 광학 연구에 쓰이는 비선형 광학 결정(nonlinear optical crystal)은 물질 내에서 주파수를 비롯한 다양한 빛의 특성을 조절할 수 있는 소재다. 전자기파의 주파수를 높은 주파수로 변환하거나, 반대로 낮은 주파수로도 바꿀 수 있어서다. 

빛의 핵심 특성인 주파수를 변환할 수 있다면, 빛의 특성 조절을 통해 다양한 방식으로 빛을 광범위하게 활용할 수 있게 된다. 예를 들어 눈으로 볼 수 없는 적외선의 빛을 높은 주파수의 가시광선으로 바꿀 수 있어 눈으로 확인할 수 있게 되고, 이와는 반대로 적외선의 빛을 이용해 낮은 주파수인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)를 만들어 낼 수도 있다. 또한 빛의 특성을 조절해 빛을 이용하는 다양한 분석 장비에서 그동안 측정하지 못하던 소재를 분석할 수 있게 되거나, 이전에 비해 더 넓은 부분을 볼 수도 있게 된다.

그러나 기존에 활용되던 유기 소재 및 무기 소재의 광학 결정은 낮은 테라헤르츠파 주파수 변환 효율을 나타낸다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 이를 개선하기 위해 밀리미터 이상 두께의 광학 결정을 사용하는 방법이 제시되었으나, 이러한 방법 역시 여러 측면에서 한계를 보여왔다. 예를 들어 좁은 대역의 테라헤르츠파만을 발생시키거나, 주파수 대역에 많은 공백이 나타나는 등의 문제다. 

그동안 테라헤르츠 광원 소재를 연구해 온 권오필 교수 연구팀은 새로운 설계를 통해 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 이온성 유기광학 소재를 개발하는 데 성공했다.  테라헤르츠파(terahertz wave, THz)는 빛과 전파 두 가지 특성을 동시에 띄는 독특한 전자기파다. 인체에 무해하고 인간의 눈에 보이지 않는 부분까지 선택적으로 관찰할 수 있다. 의료와 보안, 환경, 산업계 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.

이온성 유기광학 소재는 양이온 분자와 음이온 분자로 이루어져 있다. 기존에 개발되어 주로 사용되어 오던 이온성 광학 소재의 경우, 사용된 음이온의 종류가 매우 한정적이었으며 유사한 크기를 가지고 있었다. 주파수 변환 효율은 비선형성이 높을수록 향상되는데, 소재의 비선형성 향상을 위해 양이온 분자를 새로 설계해야 하는 상황에서는, 기존의 음이온 도입으로 문제를 해결하기 어렵다는 한계가 존재했다. 

이에 공동 연구팀은 지금까지 보고된 비선형성을 뛰어넘는 극한의 비선형성을 가지는 새로운 양이온 분자를 설계하면서, 동시에 이에 적합한 음이온을 도입했다. 연구팀은 이를 기반으로 마이크로미터 두께의 초박막형 주파수 변환 소재를 개발해냈다. 이번 연구에서 개발한 10 마이크로미터 두께의 새로운 초박막형 광학결정은 기존에 상업화되어 있는 무기 결정에 비해 100분의1 수준 두께다. 초박막형 두께로도 기존 무기 결정 보다 약 5배 높은 주파수 변환 효율을 보였으며, 더 넓은 대역의 더 평평한 스펙트럼 형태를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킴을 확인했다. 고효율 광대역 테라헤르츠파의 발생은 더 넓은 주파수 대역에서 더욱 고감도로 분석이 가능함을 의미한다. 이에 기존의 다른 레이저로는 탐지할 수 없었던 위험·유해한 물질의 고감도 식별이나 보안 측면에서 장점을 가지는 테라헤르츠 탐지·분석 기술 등에 응용될 전망이다. 

권오필 교수는 “이번에 개발한 새로운 비선형 광학 결정 소재는 테라헤르츠뿐 아니라 다양한 전자기파 변조·변환 소자에도 적용 가능할 것으로 기대한다”며 “이와 같은 고효율 비선형 광학 소재는 전자기파의 주파수, 위상, 크기 등을 바꿀 수 있는 다양한 레이저와 통신 소자에 활용할 수 있다”고 말했다.

(그림 위) 아주대·카이스트 공동 연구팀이 새로 개발한 초박막형 변환소재는 기존 무기소재보다 강하고, 넓은 영역의 평평한 테라헤르츠 스펙트럼을 발생시킴. 이는 이상적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 좌측)의 요구사항을 만족시킴. 이와 달리 일반적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 우측)은 많은 주파수 공백이 발생됨.