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‘구멍 개수가 자연수가 아닌 도넛’과 같은 ‘비양자화된 Zak 위상을 갖는 메타물질’ 개발
수학에서는 도형을 분류할 때 구멍(genus)의 개수를 기준으로 삼기도 한다. 예를 들어, 구멍이 하나 있는 도넛(torus)은 구멍이 없는 구(sphere)와는 구분되지만, 머그컵과는 같은 부류에 속한다. 구멍의 개수처럼 도형을 구부리거나 늘이는 연속적인 변형에도 변하지 않는 성질을 위상적 성질이라 하며, 위상수학에서는 이러한 성질을 기준으로 도형을 구분한다.
이와 유사하게, 음향 양자 결정(phononic crystal)도 파동 특성이 갖는 위상적 성질에 따라 분류가 가능하다. 예를 들어, 1차원 음향 양자 결정은 Zak 위상이 0인 구조와 π인 구조로 구분할 수 있다.
우리 대학 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 메타물질의 파동적 특성 관점에서 “도넛 구멍의 개수가 꼭 자연수여야만 할까?"라는 질문을 바탕으로, 위상적 성질이 0이나 π로 양자화된 기존 분류 체계를 넘어, 0과 π 사이의 비양자화된 성질을 갖는 메타물질을 개발하였다.
이러한 비양자화된 위상적 성질의 도입은, 그동안 학계의 난제로 꼽히던 파장 대비 매우 작은 크기의 음향 양자 결정으로 파동 에너지를 제어하는 문제를 해결하는 데 중요한 실마리가 되었다.
더 나아가, 비양자화된 Zak 위상을 원하는 값으로 자유자재로 조정함으로써, 메타물질 내 집속되는 파동의 주파수를 조절할 수 있다. 이를 통해 목표 주파수의 파동을 제어하거나, rainbow trapping과 같이 파동 에너지를 주파수별로 원하는 위치에 집속할 수 있게 되었다 (그림 1(b) 참고). 전원주 교수 연구팀은 연구실 핵심 기술 중 하나인 ‘음향 블랙홀 기반의 포노닉 빔 설계 기술’을 위상 절연체(topologial insulator) 분야에 활용하여 연구 성과를 이끌어냈다.
전원주 교수는 “양자화된 Zak 위상 개념 위주로 연구되던 기존 메타물질 설계 방식을 넘어, 비양자화된 Zak 위상을 갖는 구조를 개발함으로써 주파수와 집속 위치 관점에서 파동에너지를 정밀하게 제어할 수 있게 되었다”며, “이번 연구에서 제시한 비양자화된 Zak 위상을 활용한 새로운 개념의 파동 집속 기술은 향후 초미세 진동 감지 센서, 고효율 에너지 하베스팅 장치 등 파동 집속이 필요한 다양한 공학적 응용으로 이어질 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 박성민 박사과정(현, KAIST 기계기술연구소 연수연구원)이 제1저자로 참여했으며, 기계공학 분야 국제 학술지인 Mechanical Systems and Signal Processing (JCI 기준 상위 2.5%(5/183))에 4월 1일 게재되었다.
※ 논문명: Phononic crystals with non-quantized Zak phases for controlling interface state frequencies
한편, 본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
2025.04.14 조회수 4834 -
암흑 물질 액시온 탐색 가능성 획기적 높여
암흑 물질이란 질량은 있으나 관측이 불가능한 미지의 물질을 말하며, 우주 전체 에너지의 약 27% 정도를 차지하고 있다. 암흑 물질을 연구하는 주된 이유는 우주의 구조와 진화의 비밀을 밝히고 이를 통해 우주의 형성과 모습을 이해하고자 함이다. 한국 연구진이 암흑 물질 후보로 알려진 액시온의 탐색 효율을 크게 향상시킬 고주파 공진기 튜닝 기술을 개발했다.
우리 대학 물리학과 야니스 세메르치디스 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS)(원장 노도영) 산하 액시온 및 극한상호작용 연구단(이하 CAPP)(단장 야니스 세메르치디스)과 협력해 메타물질*을 이용, 암흑 물질인 액시온의 탐색 범위를 효율적으로 확장할 방법을 구현했다고 25일 밝혔다.
*메타물질: 아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 갖도록 인공적으로 설계한 물질을 말함.
암흑물질의 존재와 더불어 또 다른 미스터리는 ‘오늘날 우주가 왜 물질로만 이루어져 있는가?’라는 점이다. 초기 우주에서는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었을 것이라 추정하고 있다. 따라서, 현재의 우주에 대해, 입자물리학에서는 물질이 반물질보다 압도적으로 우세한 이런 물질-반물질의 불균형을 CP*라고 불리는 대칭성의 깨짐으로 설명하려고 한다. *CP: 전하(Charge)와 공간 반전(Parity)
액시온은 강한 상호작용에서 발생하는 이 특정 대칭 불균형과 관련된 문제, 즉 대칭성이 깨져있을 거라는 이론적 예측과 이 대칭성이 보존되는 것처럼 보인다는 실험적 관측 사이의 차이를 해결해 줄 수 있는 가상의 입자이다. 즉, 액시온 입자의 존재는 우주의 물질-반물질 불균형과 암흑물질이라는 두 가지 근본적인 미스터리를 동시에 해결할 열쇠가 될 수 있다.
암흑 물질 액시온은 그 고유한 진동 주파수에 맞는 공진기를 통해 탐색할 수 있으며, 최근 암흑 물질 액시온의 질량을 예측하려는 이론적 연구들에 따르면, 현재 민감한 실험들이 다루고 있는 영역보다 더 높은 주파수대에서 탐색이 필요하다는 전망이 제기되고 있다.
이에 따라 고주파 탐색의 필요성이 대두되면서 다양한 공진기 개발이 이뤄졌고 고주파 액시온 탐색에서 높은 효율을 기대할 수 있게 됐지만, 고차 공명 모드를 효과적으로 튜닝할 방법은 여전히 부족한 상황이다.
이에 연구팀은 음팽창 메타물질 구조를 활용해 회전 운동을 2차원 팽창 및 수축 운동으로 전환하는 새로운 튜닝 메커니즘을 개발했다. 키리가미(kirigami)라는 종이접기/자르기 방식에서 영감을 얻은 음팽창 메타물질 구조체는 특유의 결합 배열 덕분에, 한쪽 면에 팽창·수축하는 힘이 가해질 때 다른 면도 함께 팽창·수축하는 특성을 갖는다.
이러한 성질을 이용하면 구조체의 중심이 회전할 때 전체 구조가 팽창하거나 수축하는 움직임으로 변환된다. 이를 통해 간단한 1차원 회전 움직임을 더 복잡한 2차원 움직임으로 확장할 수 있는 혁신적인 구조가 만들어진다.
또한 저온 환경에서 음팽창 구조체의 효율적인 움직임을 위해 기어 구조를 도입해 힘을 보강했다. 이를 통해 극저온 환경에서도 최소한의 힘과 열 발생으로 구조체를 효과적으로 구동하며 주파수를 조정할 수 있었다.
연구팀은 육각 음팽창 구조를 유전체 튜닝 구조체로 고려하고, 이를 공진기의 적용해 주파수를 효과적으로 조정할 수 있음을 확인했다. 나아가 이 공진기를 극저온으로 냉각한 상태에서 9T(테슬라, 자기장의 강도를 나타내는 단위, 1T는 지구 자기장의 약 2만 배) 자기장을 인가해 실제 액시온 검출 실험을 수행했고, 기존 민감도를 두 배로 향상하는 성과를 거뒀다.
연구팀이 개발한 이 독특한 구조체는 극저온과 강한 자기장 환경에서도 작동 가능한 메타물질 기반 주파수 조정 장치로, 향후 고주파 영역의 암흑 물질 액시온 탐색에 적극 활용될 것으로 기대된다. 또한, 이 시스템은 극한의 저온·고자기장 환경에서 로보틱스 분야로도 확장될 잠재력을 가지고 있다.
제1 저자인 KAIST 배성재 박사과정 학생은 “이 결과는 고차 공명모드를 실용적으로 활용할 수 있는 튜닝 메커니즘의 입증을 통해 고주파 액시온 탐색에 새로운 방향을 제시한 것”이라고 밝혔으며, 공동 제1 저자인 IBS 정준우 박사후 연구원은 “궁극적으로 액시온 암흑 물질의 비밀을 풀기 위해 보다 포괄적이고 효과적인 탐색 전략의 돌파구를 마련했다”라고 덧붙였다.
물리학과 배성재 박사과정과 IBS-CAPP 정준우 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 11월 22일 133호에 게재됐다. (논문명 : Search for Dark Matter Axions with Tunable TM020 mode)
한편 이번 연구는 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
2024.11.25 조회수 5812 -
7배 이상 높은 발광 3차원 퀀텀닷 나노구조체 개발
3차원 광학 나노구조체는 빛의 진폭, 위상, 편광 상태를 정밀하게 조작할 수 있어 포토닉스 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 한국 연구진이 기존 기술로는 구현이 어려웠던 3차원 퀀텀닷 나노구조체를 정교하게 쌓아 올리는 적층 방식으로 구현하는 데 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수, 전기및전자공학부 장민석 교수, 동국대학교 최민재 교수 공동 연구팀이 초미세 전사 프린팅 기반으로 3차원 퀀텀닷 구조 제작 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀이 개발한 이 기술은 대부분의 나노입자에 적용될 수 있어 범용성이 뛰어나고 우수한 패턴 품질을 제공할 수 있다. 또한, 프린팅 방식으로 대면적화가 가능해 고성능 소자 양산에 활용할 수 있는 장점을 가진다.
특히 편광 빛에 대한 선택적 반응을 보이는 구조적 비대칭성을 가진 대면적 카이랄 구조체를 구현해 기존 최고 기록인 19도* 대비 향상된 약 21도의 세계 최고 수준 **원편광 이색성(Circular dichroism) 성능을 달성했다.
*참조: https://www.nature.com/articles/ncomms14180/figures/2
**원편광 이색성(Circular dichroism): 광학 활성이 있는 물질이 왼쪽과 오른쪽의 편광을 다르게 흡수해 나타나는 현상. 주로 단백질 등 유기화합물들의 구조체를 분석하는 용도로 활용됨. 높은 원편광이색성(단위: 도) 세기를 갖는 물질을 활용할수록 보다 정밀하고 빠른 검출이 가능해짐. 이론적으로 구현할 수 있는 최댓값은 45도임.
따라서 이 기술은 카이랄 특성을 가진 바이오 물질들을 검출할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 높은 반응성 덕분에 더 정밀하고 빠른 약물 스크리닝이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 장민석 교수팀이 설계한 그물 형태의 퀀텀닷 나노 패턴을 해당 기술을 활용하여 실험적으로 구현한 결과, 일반 퀀텀닷 필름 대비, 약 7배 이상 높은 발광 효율을 달성해 향후 고성능 퀀텀닷 디스플레이 소자에의 응용 가능성을 보였다.
연구를 주도한 정연식 교수는 “이번 연구는 퀀텀닷뿐만 아니라 다양한 고성능 콜로이드 소재를 3차원 나노 구조화함으로써, 차세대 광학 메타물질 및 고감도 바이오센서 분야 등에서 새로운 장을 열 것으로 기대된다 아울러 광학 설계 및 분석 연구와 초미세 나노공정 기술이 융합해 이룬 성공 사례의 하나로도 볼 수 있다”라고 말했다.
신소재공학과 김건영 박사와 전기및전자공학부 김신호 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 14일 게재됐다.
(논문명: Chiral 3D structures through multi-dimensional transfer printing of multilayer quantum dot patterns)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노 및 소재기술개발사업, 교육부가 추진하는 이공분야 학술연구사업, 산업통상자원부에서 추진하는 전자부품산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.28 조회수 9341 -
틈새로 빠져나가는 소음까지 잡는다
소리는 작은 구멍이나 틈새만으로도 잘 빠져나가는 특징이 있다. 이러한 틈새를 통해 빠져나오는 소리는 보다 넓은 공간까지 잘 전파되며, 틈새를 전혀 막지 않으면서 외부 소리가 안에서 들리지 않게 하거나 내부 소리가 바깥에서 들리지 않도록 하는 것은 음향학적으로도 매우 도전적인 문제다.
우리 연구진이 다양한 산업 현장의 소음 문제 해결에 새로운 솔루션이 될 뿐 아니라 최근 가속화되고 있는 미래 기술인 항공 택시, 드론과 같은 도심 항공 모빌리티 등에서 발생하는 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 획기적 기술을 개발했다.
우리 대학 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 구조물의 틈새나 개구부를 통한 열 교환과 공기의 흐름은 자유롭게 허용하면서도 소음은 효과적으로 차단하기 위해, 음향 임피던스를 원하는 복소수 값으로 조절할 수 있는 신개념 음향 메타물질인 ‘복소 임피던스 타일’을 개발했다고 6일 밝혔다.
음향 임피던스란 소리가 전파되는 매질(예: 공기, 물)이 가진 고유의 음향학적 특성으로, 일반적으로 매질의 밀도와 음속의 곱셈으로 표현되기 때문에 그 값이 실수이며 매질이 정해지면 원하는 값으로 자유롭게 조절하는 것이 불가능하다.
하지만, 연구팀이 개발한 복소 임피던스 타일은 소리가 경계면에 부딪혀서 반사될 때 반사되는 소리의 크기뿐만 아니라 방향까지도 조절하는 것이 가능해지게 한다. 이는 구조물 벽면에서 소리를 흡수만 하는 기존 기술과는 달리, 소리의 크기와 방향을 적절하게 조절해 소리가 틈새로 거의 빠져나가지 않고 구조물 내에서 가둬진 채 줄어들도록 한다.
연구팀은 복소 임피던스 타일을 적용해 밖으로 빠져나가는 소리를 90% 이상 저감할 수 있음을 정밀한 전산 시뮬레이션을 통해 예측한 후, 제작과 실험을 통해 소음 저감 성능을 검증하는 데 성공했다. 심지어, 구조물 내벽에서 소리를 100% 완벽하게 흡수하는 경우보다도 복소 임피던스 타일을 사용했을 때 밖으로 빠져나가는 소리를 훨씬 더 큰 폭으로 저감할 수 있음을 확인했다.
전원주 교수는 “복소 임피던스 타일은 개구부나 틈새를 전혀 막지 않으면서도 소리는 밖으로 빠져나가지 못하게 할 수 있으며, 얇은 두께를 갖기 때문에 상대적으로 협소한 공간을 갖는 시스템에도 적용이 가능하다는 특징이 있다. 특히, 재료가 아닌 구조의 형상적인 특징을 이용하기 때문에 습도나 온도 변화에 따른 유지 보수가 쉬울뿐더러 제작도 용이하다는 장점을 가지고 있어 전자제품(헤어드라이기, 청소기 등)부터 향후 미래 교통수단으로 각광받는 도심 항공 모빌리티까지 다양한 시스템의 소음 저감에 새로운 솔루션으로 활용이 가능하다”고 말했다.
해당 연구 결과는 기계공학과 박사과정 양은진 학생과 김지완 학생이 공동 제1 저자로 참여했으며, 기계공학 분야의 국제 학술지인 `메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing) (IF: 7.9, JCR 5/180(2.5%))'에 지난 3월 1일 게재됐다. (논문명: Complex-valued impedance tiles to reduce noise emanating through openings in mechanical systems)
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 도약연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2024.08.06 조회수 8989 -
전기차 노면 소음과 모터 소음을 동시에 차단하는 초경량 차음 메타패널 개발
우리 대학 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 전기차의 저주파 대역 노면 소음과 고주파 대역 모터 소음을 동시에 차단할 수 있는 신개념 음향 메타물질 기반 초경량 차음 메타패널을 개발했다고 18일 밝혔다.
음향 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 음향학적 유효 물성(음의 질량, 음의 강성 등)을 갖도록 인공적으로 설계된 구조물로, 음향 은폐, 고투과-고집속, 완벽 차음/흡음 등 기존 재료로는 구현이 어려운 성능을 달성할 수 있는 특징이 있다.
내연기관을 대신해 전기모터를 동력원으로 사용하는 전기차는 기존의 내연기관 자동차에서 시끄럽다고 느끼던 엔진 소음이 더는 발생하지 않는다. 하지만, 엔진 소음에 의한 마스킹 효과가 사라지면서 오히려 저주파 대역의 노면 소음이 상대적으로 더 크게 들리거나 엔진을 대신하는 전기모터의 고주파 소음이 또렷하고 거슬리게 들리기도 한다.
미래 모빌리티의 한 축을 담당하고 있는 전기차가 단순히 하나의 운송 수단을 넘어 이동 중 휴식이나 레저 및 업무 활동 등 탑승자에게 필요한 맞춤형 서비스를 제공하는 개념으로 나아가고 있다는 점에서 전기차의 실내 정숙성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히, 전기차 노면 소음과 모터 소음은 각각 저주파와 고주파로 나뉜 서로 다른 주파수 대역에서 나타날 뿐만 아니라 각각의 대역도 광대역이기 때문에, 이와 같은 소음을 동시에 효과적으로 차단할 수 있는 기술의 개발과 적용이 필요한 시점이다.
현재 상용화된 전기차에서는 소음 차단을 위해 폴리에스터, 열가소성 고무, EVA(에틸렌초산비닐 공중합체) 시트, 금속판 등의 전통적인 흡·차음재가 사용되고 있다. 하지만, 전통적인 흡·차음재의 성능은 재료 자체의 열/점성 소산 특성이나 질량 법칙(투과 손실 6dB(데시벨) 증가를 위해 질량 밀도가 2배 높아져야 함)에 의존하기 때문에 높은 차음 성능을 위해서는 재료의 무게 증가가 불가피하며, 이는 곧 전기차 배터리의 에너지 효율을 감소시키는 원인이 되고 있다.
따라서, 우수한 차음 성능을 발휘하면서도 경량화를 동시에 달성하는 것이 전기차 적용 측면에서 매우 중요한데, 기존의 음향학적 재료나 법칙의 한계를 넘어서야 한다는 점에서 학문적으로도 도전적인 문제였다.
전원주 교수 연구팀은 기존 기술의 한계를 극복함으로써 높은 차음 성능으로 전기차 노면 소음과 모터 소음을 동시에 차단할 수 있는 초경량 차음 메타패널을 개발했다.
연구팀이 개발한 메타패널은 저주파 대역(노면 소음)에서는 음의 유효 질량을 가지면서 고주파 대역(모터 소음)에서는 음의 유효 강성을 갖도록 설계됐으며, 면적밀도 1.51kg/m2의 매우 가벼운 무게로 100~1,750Hz의 넓은 주파수 대역에서 투과 손실 16.7dB(에너지 기준 98%) 이상 차단할 수 있음을 이론적으로 예측했고 제작과 실험을 통해 그 성능을 검증하는 데 성공했다. 이는 동일 차음 성능을 갖는 기존 기술과 비교해 20배 이상 가벼운 무게의 초경량화를 달성했다고 볼 수 있다. (그림 1 참고)
다중 스케일 격자 구조와 멤브레인(얇은 막)으로 구성된 차음 메타패널은 분리된 두 광대역에서 높은 투과 손실을 동시에 구현할 수 있다는 음향학적 특징이 있어, 전기차에 적용될 때 저주파 노면 소음과 고주파 모터 소음을 효과적으로 차단해낼 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 메타패널의 기하학적 인자를 쉽게 조절함으로써 원하는 주파수 대역에서 높은 차음 성능을 달성할 수 있으므로, 전기차뿐 아니라 도심 항공 모빌리티(Urban Aerial Mobility, UAM) 등 다양한 미래 모빌리티에 적합하게 주파수 선택적 설계가 가능하다는 장점과 더불어 제작이 쉽다는 응용 측면의 장점도 갖고 있다.
우리 대학 기계공학과 김지완 박사과정(제1 저자), 최은지 박사과정(제2 저자)이 참여한 이번 연구 결과는 기계공학 분야 최상위권 국제 학술지인 `메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing) (IF: 8.934, JCR 상위 4/137(2.55%)'에 지난 8월 30일 字 온라인 게재됐다. (논문명: Lightweight soundproofing meta-panel for separate wide frequency bands)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업-파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.10.18 조회수 14365 -
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 21949 -
초광대역 편광 회전 3D 메타물질 개발
우리 학교 기계공학전공 민범기 교수는 자연에 존재하지 않는 인공적인 메타물질*을 통해 빛의 편광을 광대역에서 제어하는데 성공했다.
*메타물질 : 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 작은 인공원자로 구성된 물질
향후 이 기술을 활용해 광대역 통신 및 디스플레이에 적용 가능한 다양한 광대역 광소자가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
레이저와 같이 편광돼 있는 빛으로 어떠한 물질이나 구조를 분석할 때는 일반적으로 빛의 편광 상태에 따라 결과가 달라지기 때문에 광학 실험실에서는 여러 가지 방법으로 빛의 편광을 조절해 사용한다.
이때 흔히 사용되는 것이 파장판이나 광활성 물질인데 이러한 광학 소자들의 성능은 파장에 따라 크게 달라지기 때문에 광대역에서 빛의 편광 조절기로 사용하기에는 한계가 있었다.
최근까지 강한 공진을 갖는 메타물질을 통해 매우 큰 광활성을 보이는 인공 물질을 개발하려는 연구가 활발히 진행돼 왔으나, 공진 주파수 부근에서 필연적으로 나타나는 분산으로 인해 광대역에서의 활용이 불가능했다.
* 광활성 : 특정 물질에서 빛이 진행할 때 빛의 편광면이 회전하는 현상 * 분산 : 파장에 따라 굴절률 등 빛의 성질이 달라지는 현상
민 교수 연구팀은 빛의 파장보다 매우 작은 크기의 나선형 구조들을 원대칭을 이루어 배열하고 연결해 빛의 파장 대비 약 1/10의 매우 얇은 두께에서도 편광을 파장에 상관없이 일정하게 회전 시킬 수 있음을 이론적, 실험적으로 증명했다. 이론 검증을 위한 실험은 마이크로파 대역에서 이뤄졌다.
‘광대역 편광 회전 3D 메타물질’은 입사된 마이크로파의 편광을 0.1GHz 부터 40GHz 까지 주파수에 상관없이 45도 회전시키는 것으로 나타났다. 이러한 비분산 성질은 매우 비자연적인 것으로, 이 정도의 넓은 파장 대역에서 성질이 변하지 않는 물질은 자연계에서 찾기 힘들다.
이와 함께 민 교수팀은 편광 회전량을 결정하는 성질인 ‘나사선성(chirality)’을 파장에 비례한 값을 갖도록 메타 물질의 구조를 인위적으로 설계해 광대역 비분산 편광 회전 성질을 구현해냈다.
민 교수는 “이번 연구는 파장보다 매우 얇은 두께에서도 빛의 편광을 광대역에서 효과적으로 조절할 수 있어 초박형 광대역 광소자를 구현하기 위한 가능성을 열었다”고 연구 의의를 밝혔다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 파동에너지 극한제어 사업의 지원을 받아 민범기 교수 지도아래 박현성 박사과정 학생(제1저자, 27)이 주도한 이번 연구결과는 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 17일자 온라인 판에 게재됐다.
그림1. 3D 프린터를 통해 제작된 ‘초광대역 편광 회전 3D 메타물질’
그림2. ‘초광대역 편광 회전 3D 메타물질’의 개념도
2014.11.25 조회수 19150 -
나노미터보다 얇은 두께에서 빛을 자유자재로 제어하다
민범기 교수
- Nature Materials 발표,“그래핀과 자체 개발한 메타물질 결합, 다양한 광소자 개발 가능”
자연에 존재하는 2차원 물질인 그래핀*과 국내 연구진이 자체 개발한 인공적인 2차원 메타물질**을 결합해 빛의 투과도를 효과적으로 제어할 수 있다는 사실이 밝혀짐에 따라, 광메모리 등 다양한 그래핀 광소자*** 개발의 전망이 밝아졌다.
* 그래핀(Graphene) : 탄소원자가 육각형 벌집모양을 이루는 2차원 평면에 펼쳐진 얇은 막 구조
** 메타물질(Metamaterials) : 자연계에 없는 특성을 갖도록 고안된 빛의 파장보다 훨씬 작은 인공 원자로 구성된 물질
*** 광소자(Optical Devices) : 빛의 생성, 검출, 변조 및 제어 등을 할 수 있는 소자
우리 학교 기계공학전공 민범기 교수(39세), 이승훈 박사생(제1저자, 30세), ETRI 최무한 박사(제1저자, 41세) 및 김튼튼 박사(제1저자, 31세)가 주도하고, 이승섭 교수, 최성율 교수, ETRI 최춘기 박사, 미국 UC버클리대 샹장(Xiang Zhang) 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 △중견연구자지원사업(전략연구) △일반연구자지원사업(기본연구) △선도연구센터지원사업(SRC) 등의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’ 의 자매지로서 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nature Materials’ 최신 온라인 판(9월 30일자)에 게재되었다.
(논문명: Switching terahertz waves with gate-controlled active graphene metamaterials)
그래핀은 여러 우수한 물리적 특성으로 인해 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견한 이래, 지금까지 전 세계 연구자들이 주목하는 ‘꿈의 신소재’이다.
특히 그래핀은 고유의 전자구조로 인해 근적외선과 가시광선의 약 2.3%의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 투명전극으로 응용될 수 있다. 투명전극은 LCD, OLED 등 평판 디스플레이, 스마트폰 등에 사용되는 터치스크린이나 태양전지 개발에 매우 중요한 전자부품 중 하나이다.
지금까지 전 세계 연구자들은 그래핀의 전기적 특성을 극대화해 반도체와 투명전극 등을 개발하고자 노력하였다. 반면에 그래핀이 지닌 놀라운 특성 중 하나인 광학적 투과도는 전기적인 방법으로 제어하는데 한계가 있고, 데이터를 빛으로 주고받을 때 광변조의 폭도 좁아 광변조기나 광소자로 응용되기에 제약이 있어 연구자들의 큰 주목을 받지 못했다.
민범기 교수 연구팀은 파장의 백만분의 1인 얇은 두께(0.34 나노미터)의 그래핀과 메타물질을 결합함으로써 빛의 투과도를 효과적으로 제어하여 그래핀만 사용했을 때보다 수십 배 이상 광변조의 폭을 높일 수 있음을 증명하였다.
특히 민 교수팀이 개발한 ‘그래핀 메타물질’은 매우 얇고 잘 휘어지는 고분자 기판 안에 그래핀과 메타물질(금으로 된 벌집모양의 인공원자) 및 전극이 집적화되어 전기를 이용해 빛의 투과도를 제어할 수 있다.
또한 연구팀의 그래핀 메타물질은 투과되는 빛의 세기와 위상을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 이력현상을 이용해 빛의 투과도를 기억하여 그래핀 광메모리 소자로 응용 될 수 있음을 실험적으로 증명하였다.
민 교수팀은 지난해 자연계에 존재하지 않는 굴절률 높은 메타물질을 제작하여 ‘네이처’에 발표하였는데, 이번 연구는 연구팀이 만든 메타물질의 특성을 그래핀과 접목하여 광학적 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 검증하였다는 점에서 의미가 크다.
민범기 교수는 “이번 연구는 10억분의 1미터인 나노미터보다 얇은 두께에서 빛을 효과적으로 조절할 수 있어 손톱보다 작은 초소형 광변조기나 광메모리 소자를 개발할 수 있는 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.
그림 1. 그래핀 메타물질의 제작도
그림 2. 그래핀 메타물질의 개념도(왼쪽)와 제작된 소자의 현미경 사진(오른쪽)
2012.10.17 조회수 20052 -
민범기 교수, 높은 굴절률의 메타물질 구현
- 세계 최고 권위 『네이처』지 발표, “전자기파나 광파의 경로를 마음대로 제어하는 초소형 광학소자 개발 가능”-
국내 연구진이 자연계에 존재하지 않는 높은 굴절률*을 갖는 메타물질을 이론적으로 검증하고 이를 실험적으로 구현하는데 성공하였다.
* 굴절률(index of refraction) : 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도 또는 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 빛의 속도(광속) 이 줄어드는 비율
우리학교 민범기 교수(교신저자, 37세), 최무한 박사(제1저자, 39세) 및 이승훈 박사과정생(제1저자, 29세)의 주도 하에, 한국전자통신연구원(ETRI) 강광용 박사팀, KAIST 이용희 교수팀, 서울대 박남규 교수팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)의 지원을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘네이처(Nature)’지 2월 17일자에 게재되었는데, 특히 순수 국내연구진만으로 구성된 연구팀이 단독으로 발표한 이례적인 값진 연구성과로서 그 의미가 매우 크다. 또한 이 논문은 그 주에 발표된 논문 중에서 우수한 연구결과를 해당분야 전문가가 해설하는 ‘뉴스 앤드 뷰즈(News and Views)’에 선정되는 영예를 얻었다.
메타물질이란 기존에 물질의 정의를 완전히 뛰어넘는 혁신적인 개념으로서, 자연계에는 존재하지 않는 물성을 갖도록 고안된 물질의 통칭이다.
원자나 분자로 이루어진 자연계의 물질과는 달리, 메타물질의 단위 인공원자는 파장보다 훨씬 작은 인위적인 구조체로 이루어진다.
이러한 메타물질은 전자기파나 광파에 대한 물질의 물성을 인위적으로 마음대로 조절할 수 있다는 점에서 최근 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있다. 일례로 광학투명망토 기술이나 음굴절률의 구현 등이 메타물질의 주된 연구 분야였으나, 이번 연구를 통하여 극한 고굴절률 메타물질이라는 새로운 영역을 개척하였다.
민범기 교수 연구팀은 분극율(分極率)이 매우 크면서도 반자성(反磁性)이 매우 약한 금속이면서 유전체(誘電體)인 메타물질을 독자적으로 설계․제작하여, 인위적인 값으로는 가장 높은 38.6에 달하는 굴절률을 세계 최초로 실증하였다.
이러한 연구결과는 음굴절률 메타물질의 영역을 넘어서 자연계에 존재하지 않는 매우 높은 굴절률(38.6)을 메타물질의 새로운 영역으로 포함시켰다는 점에서 의미가 크다.
민범기 교수는 “이번 연구는 향후 파장이하의 높은 해상도를 지닌 이미징 시스템이나, 전자기파 혹은 광파의 경로를 임의로 제어할 수 있는 전자기파나 광학소자 및 파장이하 규모의 초소형 광학소자를 개발하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
2011.02.16 조회수 28436