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뼈의 단단함을 모사해 광학적 특성을 매우 증대시킨 신물질 개발
우리 연구진이 동물 뼈가 그의 구성성분인 단백질보다 수천 배 단단할 수 있는 생체역학적 원리를 모사해 광학적 비선형성이 기존 물질 대비 수천에서 수십억 배나 큰 신물질을 개발했다.
비선형성이란 입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 성질인데 광학에서 큰 비선형성을 확보할 경우, 빛의 속도로 동작하는 인공 신경망이나 초고속 통신용 광 스위치 등의 광소자를 구현할 수 있다.
우리 대학 신소재공학과 신종화 교수 연구팀은 벽돌을 엇갈려 담을 쌓는 것과 같이 나노 금속판을 3차원 공간에서 엇갈리게 배열하면 물질의 광학적 비선형성이 매우 크게 증대될 수 있음을 확인했다. 신종화 교수 연구팀이 이번 연구를 통해 발견한 비선형성 증대원리는 광학뿐만 아니라 역학, 전자기학, 유체역학, 열역학 등 다양한 물리 분야에도 적용이 가능하다.
KAIST 신소재공학과 장태용 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `커뮤니케이션즈 피직스(Communications Physics)' 5월 8일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Mimicking bio-mechanical principles in photonic metamaterials for giant broadband nonlinearity).
영화 스타워즈의 광선 검처럼 잘 제어된 빛을 만드는 것이나 빛만으로 구동되는 광컴퓨터를 만드는 것은 비선형성을 이용할 때 가능한데, 아직 실현되지 않고 있는 이유는 강한 비선형성을 가진 소재가 없기 때문이다. 자연 물질의 작은 비선형성으로도 초고속 광소자, 3차원 광식각 공정, 초 고분해능 현미경 등의 기술들이 구현될 수 있지만, 이들은 크고 비싼 고출력 레이저를 사용하거나, 큰 장비 혹은 소자가 필요하다는 공통적인 한계를 지니고 있다.
이를 극복하기 위해 기존에는 미세한 인공 구조체를 설계해서 그 틈에 빛을 모으는 방법이 많이 시도돼왔다. 비선형성은 빛의 세기에 비례하기 때문에 이 같은 방법을 이용하면 같은 부피의 자연 물질 대비 작은 빛의 세기로 비슷한 수준의 비선형 효과를 얻을 수 있다. 그러나 최대로 얻을 수 있는 비선형 효과의 크기는 결국 달라지지 않기 때문에 응용하는데 한계가 있다.
신 교수 연구팀은 물질의 근본적인 전기적 특성인 유전분극(물체가 전기를 띠는 현상)을 매우 크게 조절하는 방법을 고안했다. 나노 금속판이 3차원에서 엇갈려 배열돼있으면 국소분극이 공간을 촘촘하게 채우면서, 마치 시냇물이 모여서 강이 되듯, 전체적으로 매우 큰 분극을 만들게 된다는 점에 착안했다. 빛의 세기가 아닌 분극의 크기를 조절해 큰 비선형성 및 비선형 효과를 얻는 방법은 이번 신 교수 연구팀이 이번 연구에서 처음 제시한 개념인데 비선형 광학이 60년 동안 달성하고자 했던 고효율의 작은 비선형 광소자 개발에 한 발 더 다가선 것으로 평가되고 있다.
연구팀은 이번에 고안한 메타물질(자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 매우 작은 크기로 만든 인공 원자의 주기적인 배열로 이루어진 물질)이 시간적으로 짧은 광신호에 대해서도 큰 비선형 효과를 얻을 수 있음을 통해 기존보다 효율적이면서도 더 빠른 광소자 구현이 가능함을 확인했다. 이 연구에서 활용된 소자는 비슷한 신호 시간을 가지는 기존 소자보다는 에너지 효율이 약 8배나 뛰어나고 비슷한 에너지 효율을 가지는 기존 소자보다도 신호 시간은 약 10배 정도 짧다. 즉, 신호의 시간과 소요되는 에너지의 곱으로 표현되는 성능 기준으로 보면, 이 소자는 현재까지 개발된 광소자 중 가장 우수한 성능을 보였다.
연구팀은 또 고안한 메타물질이 광학 이외의 물리 현상에도 적용될 수 있음을 입증했다. 연구팀은 단백질의 단단함 대비 뼈의 단단함을 설명하는 모델이 이번 연구에서 고안한 광학적 비선형성 증대원리와 수학적으로 매우 유사함을 증명했다. 따라서 유체역학에서의 물질전달률, 열역학에서의 열전도율 등의 증대에도 신 교수 연구팀의 연구방법이 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
신종화 교수는 "올해는 지난 1960년 레이저가 발명된 지 60년이 되는 해로, 레이저의 발명이 `센 빛'을 최초로 만든 것이라면 이번 연구성과는 `센 물질', 즉 광대역에서 매우 큰 유전분극 증대율을 보이는 물질을 최초로 발견하고 증명한 연구라는 점에서 의미가 크다ˮ며 "기계학습을 위한 초고속 인공 신경망 등 다양한 광 응용 소자의 구현을 위해 후속 연구를 진행 하고 있다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.06.09 조회수 14890 -
김용훈 교수, 페로브스카이트 나노선 기반 소자 구현방안 제시
〈 이주호 박사과정, 무하메드 칸 박사후 연구원, 김용훈 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 저차원 페로브스카이트 나노소재의 새 물성을 밝히고 이를 이용한 새로운 비선형 소자 구현 방법을 제시했다.
연구팀은 최근 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 광소자 응용의 핵심 요소로 주목받는 페로브스카이트 나노소재가 차세대 전자 소자 구현에도 유망함을 증명했다. 또한 초절전, 다진법 전자 소자 구현에 필요한 부성 미분 저항 소자를 구현하는 새로운 이론적 청사진을 제시했다.
무하메드 칸(Muhammad Ejaz Khan) 박사후연구원과 이주호 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 7일자 온라인판에 게재됐고, 표지논문으로 선정돼 출간될 예정이다.(논문명 : Semimetallicity and negative differential resistance from hybrid halide perovskite nanowires, 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 나노선에서의 준금속성과 부성미분저항 발현)
유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 물질은 우수한 광학적 성능뿐만 아니라 저비용의 간편한 공정으로 제작할 수 있어 최근 태양전지 및 LED 등 다양한 광소자 응용 분야에서 주목받고 있다. 그러나 할로겐화 페로브스카이트의 전자 소자 응용에 관한 연구는 세계적으로도 아직 부족한 상황이다.
김 교수 연구팀은 최근 새롭게 제조 기술이 개발되고 양자효과가 극대화되는 특성을 가진 저차원 유무기 할로겐화 페로브스카이트 물질에 주목했다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 우선 1차원 페로브스카이트 나노선의 유기물을 벗겨내면 기존에 보고되지 않은 준 금속성 특성을 발현할 수 있다는 것을 발견했다.
이 1차원 무기 틀을 전극으로 활용해 단일 페로브스카이트 나노선 기반의 터널링 접합 소자를 제작하면 매우 우수한 비선형 부성미분저항(negative differential resistance, NDR) 소자를 구현할 수 있음을 확인했다.
부성미분저항은 일반적인 특성과는 반대로 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소해 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 ‘N’모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 말한다. 차세대 소자 개발의 원천기술 이 되는 매우 중요한 특성이다.
연구팀은 나아가 이 부성미분저항 특성은 기존에 보고된 바 없는 양자 역학적 혼성화(quantum-mechanical hybridization)에 기반을 둔 새로운 부성미분저항 원리에 기반함을 밝혀냈다.
연구팀은 저차원 할로겐화 페로브스카이트의 새로운 구조적, 전기적 특성을 규명했을 뿐 아니라 페로브스카이트 기반의 터널링 소자를 이용하면 획기적으로 향상된 부성미분저항 소자 특성을 유도할 수 있음을 증명했다.
김 교수는 “양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 나노소재 및 나노소자의 개발을 선도할 수 있음을 보여준 연구이다”라며 “특히 1973년 일본의 에사키(Esaki) 박사의 노벨상 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발의 새로운 방향을 제시한 연구이다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
그림2. 연구개요
2019.02.21 조회수 18632 -
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 12159 -
김희영 교수, 반도체 기판 내 불량칩 탐지, 군집화 기술 개발
〈 이영민 박사과정, 김희영 교수, 김진호 석사 〉
우리 대학 산업및시스템공학과 김희영 교수 연구팀이 반도체 기판 내 여러 형태의 혼합된 불량 칩 패턴을 효과적으로 탐지하고 군집화하는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 산업공학 분야 저명 국제 학술지 ‘IISE Transactions’ 2월호에 게재됐다. 특히 이 논문은 특집 기사(featured article)로 선정돼 ‘ISE(Industrial and Systems Engineering)’ 매거진 1월호에도 게재됐다.
반도체 기판 제조공정은 기판 표면에 집적회로를 형성하는 복잡한 일련의 공정을 통해 구성된다. 기판 가공이 끝나면 기판 내 각 칩의 불량 여부를 테스트하는 과정을 거친다.
이 때 불량칩은 공정 이상 원인에 따라 특정한 패턴(예 : 원, 링, 스크래치 등)을 보이며 분포한다고 알려져 있다. 불량칩의 분포 패턴을 분석하는 것은 공정 이상을 탐지하고 그 원인을 파악하는데 중요한 단서를 제공한다.
최근 반도체 제조 공정이 점점 복잡해짐에 따라 한 기판 안에 여러 형태의 불량칩 패턴이 혼재되는 사례가 증가하고 있다. 연구팀은 다수의 불량칩 패턴을 효과적으로 파악하기 위해 일정 패턴을 형성하고 있는 불량칩을 선택한 후 여러 개의 특정 패턴으로 군집화하는 방법을 제시했다.
연구팀은 무작위 분포가 아닌 특정 패턴을 형성하고 있는 불량칩을 효과적으로 탐지할 수 있는 CPF(connected-path filtering) 기술을 개발했다. CPF는 특히 스크래치 형태로 분포된 불량칩 탐지에 탁월한 성능 향상을 보였다.
탐지한 불량칩을 다수의 패턴별로 군집화하는 과정에서는 사전에 서로 다른 몇 개의 패턴이 혼재됐는지 알지 못한다는 점과 각 패턴이 복잡한 모양을 가진다는 점이 어려움으로 남아 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 무한 비선형 혼합 모형(infinite warped mixture model)을 이용함으로써 군집화 과정에서 데이터가 스스로 군집 수를 결정할 수 있도록 했다.
또한 복잡한 모양의 패턴을 바로 이용하는 대신 은닉 공간(latent space)에서의 단순한 모양의 패턴을 이용해 보다 효과적으로 군집화하는 데 성공했다.
연구팀은 SK 하이닉스의 실제 반도체 데이터를 활용해 제안된 방법을 검증함으로써 실제 반도체 제조 현장 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에 1저자로 참여한 김진호 석사졸업생은 SK 하이닉스의 수학 파견 인원으로 선발돼 석사과정 동안 2저자인 이영민 박사과정과 공동 연구를 수행했다. 김진호 졸업생은 현재 SK 하이닉스 수석 엔지니어로 근무하고 있으며 Alius TEST 기술팀을 이끌고 있다.
□ 그림 설명
그림1. CPF 적용 전, 후 결과
그림2. 여러형태의 혼합된 불량칩 패턴과 각 특정 패턴으로 군집화된 불량칩 패턴
2018.06.12 조회수 12669 -
산란된 빛을 다시 집약시키는 시간 역행 거울 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 빛을 거꾸로 반사시켜 시간이 역행하는 것처럼 보이는 시간 역행 거울을 개발했다.
연구 성과는 물리학분야 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 10월 6일자 온라인 판에 게재됐다.
빛의 시간 역행성은 녹화된 비디오를 되감기하듯 빛의 진행을 되돌릴 수 있는 개념을 뜻한다. 이는 마치 쏟은 물을 주워 담는 것과 같이 흩뿌려진 빛을 다시 집약시켜 산란 전의 영상을 복구하는 것과 같은 원리이다.
빛의 시간 역행 실현을 위해선 특별한 거울이 필요했다. 이론상으로만 제안되었던 이 시간 역행 거울(위상 공액 거울)은 빛이 거울에 부딪혔을 때 부딪쳐 온 방향으로 빛이 반사돼 원래 상태로 돌아가는 특성을 갖는다.
많은 학자들이 비선형 레이저 광학 지식을 이용해 시간 역행 거울을 구현하려 노력했다. 하지만 이 특수한 현상의 실현을 위해선 일반적인 거울과 다르게 추가적인 입사 레이저광이 필요하고 주변 환경에 극도로 민감하다는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존 복잡한 시도와 반대로 일반 거울에서의 반사를 재해석해 활용했다.
연구팀은 파면제어기라 불리는 수많은 미세 거울로 이루어진 장치를 활용했다. 파면제어기는 입사하는 빛의 모양에 맞춰 거울의 표면을 변경시켜 평행 상태로 만드는 원리인데, 이를 통해 복잡한 물리현상의 도입 없이도 빛의 시간 역행 거울을 구현하는데 성공했다.
또한 연구팀은 구현된 시간 역행 거울을 활용해 모의 생체조직 샘플, 생 닭가슴살 등에 의해 심하게 산란된 빛을 집약시켜 산란 전의 모양으로 재현했다.
연구팀에 의해 구현된 시간 역행 거울은 그 구현방법이 쉽고 주변환경의 영향을 받지 않아 빠른 시일 내에 실제 응용에 접목할 수 있을 것으로 예상된다.
논문의 1저자인 이겨레 박사과정은 “이 기술을 활용하면 기존 생체조직에서 심한 산란으로 인해 불가능했던 생체조직 내부의 빛 집약이 가능하다” 며 “향후 무절개 암 수술 등 미래기술의 기반기술이 될 수 있다”고 말했다.
또한 박 교수는 “이번 기술은 빛 뿐 아니라 소리, 전자파, 라디오 등 일반적인 파동에서 성립하는 개념이다”며 “향후 레이저 및 광통신 기술을 포함한 물리학, 광학, 의학 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림 1. 생체조직,닭가슴살,광섬유를 산란체로 활용한 뒤 시간역행 거울로 원래 이미지를 구현한 사진
그림 2. 일반거울과 시간역행거울의 원리
2015.10.07 조회수 10777 -
휘어지는 물질에서 증폭된 광전기 효과 발견
양 찬 호 교수
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 8월 31자 온라인 판에 게재됐다.
광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 따라서 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질 및 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.
하지만 연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다.
P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적인 광전기 소자 제작이 기대된다.
물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 하지만 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.
그리고 수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성함을 규명했다.
광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.
하지만 물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있는 것이다.
특히 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.
또한 연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
양 교수는 “휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다.”며 “이러한 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다”고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 김용현 교수, 포항공대 조문호 교수, 오상호 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 재료연구소 최시영 박사 등과 공동으로 진행됐고, 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도
2015.09.15 조회수 11435