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주요 연구성과

NEW 권오필 교수 연구팀, 광대역 티-레이 소재 개발

  • 2023-10-26
  • 2190


한국·스위스 공동 연구팀이 새로운 유기 결정 설계 기술을 활용해 광대역의 티-레이(T-ray) 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 기술을 활용하면 눈에 보이지 않는 영역의 물질 특성을 분석할 수 있어 의료와 반도체·제조 공정의 품질검사 등에 적용이 가능할 전망이다.


권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 기존의 비선형광학 결정 설계의 난제를 극복하기 위해 양이온과 음이온의 부피를 조절하는 새로운 결정 설계 기술을 적용, 신규 유기 티-레이 광원을 개발했다고 밝혔다. 


이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 10월22일자 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 ‘반데르발스 부피 조절을 통한 고성능 유기 비선형광학 및 테라헤르츠 결정의 설계(Design of High-Performance Organic Nonlinear Optical and Terahertz Crystals by Controlling the van der Waals Volume)’다.


이번 연구에는 아주대 신봉림(대학원 분자과학기술학과 석사 졸업), 박유진(대학원 분자과학기술학과 석사과정 재학) 학생이 스위스 취리히응용과학대학(ZHAW, Zurich University of Applied Sciences)의 우로스 푹(Uros Puc) 박사와 공동 제1저자로 참여했고, 권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 모이짜 야즈빈섹(Mojca Jazbinsek) ZHAW 박사가 공동 교신저자로 함께 했다.


‘꿈의 전자파’로 불리는 티-레이는 빛과 전파 영역 사이인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz) 영역의 주파수다. 티-레이는 인간의 눈으로는 확인할 수 없는 물체 내부를 투과할 수 있고, 특히 단단한 물질 만을 투과하는 X-레이와 달리 액체 종류까지 식별 가능하다. 또 가시광선이 미칠 수 없는 높은 투과도를 지니면서도, 반도체와 금속 같은 전도성 있는 물질을 감지할 수 있다. 티-레이는 제품이나 재료의 원형을 그대로 보존하는 비파괴 방식으로, 더 많은 물질을 쉽고 세밀하게 분석할 수 있기에 과학계와 산업계의 주목을 받아왔다. 더불어 X-레이와는 달리 인체에 무해하기 때문에 암 진단이나 뇌 수술 같은 의료 분야와 바이오 공학을 비롯해 제조 공정의 품질 검사, 보안, 재료, 환경 등의 분야에서 다양하게 응용할 수 있다.  


그러나 기존에 활용되어 온 티-레이 광원은 좁은 대역에서 낮은 효율로 테라헤르츠파를 방출, 볼 수 있는 범위에 한계가 있었다. 이에 광대역의 광원을 얻기 위해서는 고가의 대형 레이저 시스템을 필요로 한다.


아주대 공동 연구팀은 고출력·고감도로 테라헤르츠파를 활용할 수 있도록 높은 비선형광학(非線型光學, nonlinear optics) 특성을 가질 수 있는 유기 결정 소재 설계 기술을 연구해왔다. 연구팀은 이온성 유기 결정에서 양이온 분자와 음이온 분자가 반드시 공존해야 한다는 점에 착안하여, 양이온과 음이온 분자의 부피가 특정 비율일 때 높은 비선형광학 특성을 나타낼 것이라는 아이디어를 제시했다. 


연구팀은 다양한 부피를 가지는 음이온을 도입하여 양이온과 음이온 분자 부피의 상관관계를 밝혔으며, 이를 통해 새로운 고효율의 비선형광학 유기 결정을 개발하는 데 성공했다. 더불어 신규 이온성 결정이 높은 비선형과학 특성을 바탕으로, 소형의 저가 레이저 시스템을 이용해 광대역의 티-레이를 방출함을 확인했다. 


권오필 아주대 교수는 “이번에 제시한 새로운 유기 결정 설계 기술은 최근 여러 한계에 부딪혀 온 티레이 광원 설계 기술 개발에 새로운 물꼬가 될 것”이라며 “티레이 유기 결정의 설계 규칙을 확인했다는 점에서 우연에 의한 새로운 유기 결정의 발견이 아닌, 특정 응용 기술에 최적화된 티레이 유기 결정의 설계가 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다. 


권 교수는 “연구팀의 새로운 유기 결정 설계 기술은 테라헤르츠파뿐 아니라 다른 가시광이나 적외선 빛의 주파수, 위상 등을 바꿀 수도 있다”며 “레이저와 같은 다양한 주파수 변환 장치나 초고속 광통신 소자 등에 적용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 



* 위 사진 설명 - 아주대·ZHAW 연구팀이 개발한 새로운 티-레이(T-ray) 소재 설계 기술에 대한 설명. 왼쪽 아래 보라색 물질이 공동 연구팀에 개발한 고효율의 비선형광학 유기 결정이다. 이 결정은 이온성 퀴놀리니윰으로 구성되어 있으며, 화면 속 결정의 실제 길이는 소자에 적합한 5mm 정도다.