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박용근 교수, 세포 자유롭게 변형 가능한 홀로그래피 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 세포와 같이 복잡한 3차원 물체를 빛을 통해 자유자재로 제어할 수 있는 홀로그래피 기술을 개발했다.
이 기술은 복잡한 형상을 갖는 물체들을 포획하고 조립하면서 실시간 촬영이 가능해 세포들 간의 상호를 연구하거나 미세한 물체를 제작하고 조립하는 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 있을 것으로 보인다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
광학 집게라고 불리는 기존 광 제어 기술은 레이저로 광 초점을 만들어 그 초점에 구형 물체를 포획하는 방식이다. 렌즈를 이용해 작은 레이저 광 초점을 만들면 이 광초점에 자석에 철가루가 끌려오듯 주변 미세 물체를 달라붙게 하는 기술이다.
또한 이 기술은 초점의 위치를 옮기거나 힘을 가하는 방식으로 포획된 구형 물체의 3차원 위치를 조절할 수 있다. 1997년 노벨 물리학상의 공적인 이 기술은 물리학 및 광학 분야 등에 널리 이용된다.
그러나 이 광학 집게 기술은 물체의 모양이 복잡해지는 경우에는 물체를 안정적으로 포획하기 어렵다. 제어할 수 있는 물체의 방향이 제한적이기 때문에 생명 세포처럼 복잡한 3차원 형상을 가진 미세 물체를 광 제어하는 데는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 임의의 형상을 가진 복잡한 물체도 포획할 수 있는 새로운 레이저 포획 기술을 개발했다.
이 기술은 우선 3차원 홀로그래픽 현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 실시간 측정한 뒤 그 정보를 바탕으로 물체를 효과적으로 제어할 수 있는 광학 패턴을 정밀히 계산해 입사하는 방식이다.
기존 광학 집게 기술이 단순한 광 초점을 이용한 수동적 방식이라면 이 기술은 물체에 따라 능동적으로 적용할 수 있다.
빛과 물체의 모양이 같아질 때 물체가 갖는 에너지가 최소화돼 복잡한 형상의 물체더라도 안정적으로 포획할 수 있음을 확인했다. 이는 물리적으로는 에너지를 최소화하는 방향으로 현상이 발생하는 원리와 같다.
연구팀은 물체가 다양한 위치, 방향, 모양을 갖게 제어해 물체의 3차원 운동을 자유자재로 제어하고 원하는 모양으로 만들 수 있었다. 마치 거푸집을 자유롭게 제작해 원하는 석고상을 만들어내는 것과 같다.
연구팀은 이 기술을 통해 적혈구 세포를 안정적으로 집어 원하는 각도로의 회전, 기역자 모양으로 변형, 두 개의 적혈구를 조립해 새로운 구조물 제작 등을 구현하는 데 성공했다. 또한 복잡한 구조인 대장암 세포를 안정적으로 포획하고 원하는 각도로 회전시킬 수 있었다.
이 기술은 안정적인 상태에서 세포를 원하는 모양으로 변형시킬 수 있어 세포에 힘을 가하여 변형시킬 때의 세포 반응을 정량적으로 분석할 수 있다.
논문의 1저자인 김규현 박사는 “복잡한 형상을 가진 물체의 모양, 특성 등 사전 정보를 몰라도 물체의 운동을 자유자재로 제어할 수 있는 기술이다”며 “생물 물리학 연구, 부유 물질 및 나노 물체 조립 등의 다양한 분야에 응용 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 능동 광 제어 기술의 모식도
그림2. 복잡한 형태의 생명 세포들의 3차원 운동 및 모양 제어 결과
2017.05.25 조회수 12228 -
방효충 교수 연구팀, 지구 저궤도 관측 큐브위성 궤도진입 및 교신 성공
우리 대학 항공우주공학과 방효충 교수 연구팀이 큐브위성 궤도진입 및 첫 교신을 성공적으로 수행했다.
방 교수 연구팀에서 개발한 LINK(Little Intelligent Nanosatellite of KAIST)는 4월 18일에 발사돼 국제우주정거장으로 배송된 바 있다.
궤도진입은 5월 18일 오전 10시에 NRCSD(NanoRacks CubeSat Deployer)를 통해 이뤄졌으며 한국 시각으로 같은 날 23시 5분 첫 교신에 성공했다. 지상국에서 확인한 큐브위성의 상태는 양호하다.
LINK는 벨기에 Von Karman Institute에서 주관하는 QB50 프로젝트의 일환으로 개발됐다.
QB50는 큰 대기항력 때문에 관측이 덜 이루어진 200~400km 구간의 지구 저궤도 대기를 개발비용이 저렴한 큐브위성을 다수 발사해 관측하고자 하는 국제 공동 프로젝트로 전 세계 23개 이상의 국가에서 참여하고 있다.
LINK는 2unit(20x10x10cm3) 크기로 무게가 약 2kg이며 지구관측을 위해 이온-중성자 질량 분광기 및 랑뮈어 탐침을 탑재하고 있다. 랑뮈어 탐침은 우리 대학 물리학과 민경욱 교수 연구팀이 개발했다.
궤도진입을 마친 큐브위성은 초기 한 달 동안 지상국을 통해 시스템 점검을 수행한 뒤 두 달에 걸쳐 저궤도 대기관측 데이터를 수집할 예정이다.
LINK 큐브위성의 개발은 항공우주연구원 '2012년 큐브위성대회'의 지원을 받아 이뤄졌다.
□ 그림 설명
그림1. NRCSD(NanoRacks CubeSat Deployer) 큐브위성 사출 장면
그림2. LINK 비콘신호 수신
2017.05.24 조회수 12125 -
방효충 교수, 지구 저궤도의 관측 위한 큐브위성 발사
우리 대학 항공우주공학과 방효충 교수 연구팀이 지구 저궤도 관측을 위한 초소형 큐브위성을 발사했다.
방 교수 연구팀에서 개발한 큐브위성인 LINK(Little Intelligent Nanosatellite of KAIST)를 포함한 총 28개의 큐브위성이 아틀라스 V(Atlas V) 발사체(NASA CRS-7 미션)에 탑재돼 미 동부시간 4월 18일 오전 11시 11분에 미국 Space Launch Complex 41에서 성공적으로 발사됐다.
큐브위성들은 국제우주정거장에서 보관 후 약 한 달 뒤에 궤도 진입 예정이며 이후 약 3달 동안 과학임무를 수행한다.
LINK는 벨기에의 Von Karman Institute에서 주관하는 QB50 프로젝트의 일환으로 개발됐다.
QB50 프로젝트는 큰 대기항력 때문에 관측이 덜 이뤄진 200~400km 구간의 지구 저궤도 대기를 개발비용이 저렴한 큐브위성을 다수 발사해 관측하는 국제 공동 프로젝트이다. 2012년에 시작된 이 프로젝트는 전 세계 23개 이상의 국가가 참여하고 있다.
LINK는 2유닛(20x10x10㎤) 크기로 무게는 2kg 정도이며 지구 관측을 위해 이온-중성자 질량 분광기 및 랑뮈어 탐침을 탑재했다. 랑뮈어 탐침은 우리 대학 물리학과 민경욱 교수 연구팀이 개발했다.
방 교수는 “QB50 프로젝트는 교육용으로만 쓰이던 큐브위성이 의미있는 과학임무를 수행하기 위한 도구로 도약하는 계기가 될 것이다”며 “다수의 큐브위성을 이용해 저궤도 대기 관측을 한 첫 사례로 의미있는 데이터를 얻을 것으로 기대한다”고 말했다.
또한 “이 노하우를 이용해 앞으로 위성을 추가 개발해 연구 내용을 우주에서 직접 검증할 수 있을 것이다”고 말했다.
현재 큐브위성을 실은 Cygnus 모듈이 궤도에서 대기 중이며 미 동부시간 4월 22일 오전 8시 39분 국제우주정거장과 도킹을 완료했다.
2017.04.24 조회수 14222 -
박용근 교수, 성능 수천배 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀(KI 헬스사이언스 연구소)이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존 무 안경 홀로그래픽 기술의 큰 문제점이었던 제한적인 영상 크기와 시야각을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유현승 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
공상과학 영화에 자주 등장하는 3차원 홀로그램은 대중에게 친숙한 기술이지만, 영화 속 홀로그램은 컴퓨터 그래픽 효과로 만들어낸 것이다. 실제 기술로 구현하기에는 한계가 많기 때문이다.
이 때문에 디스플레이 산업계는 2차원 영상 두 개로 착시 효과를 활용하는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)에 집중하고 있다. 이 기술들은 3차원 이미지 대신 두 개의 서로 다른 2차원 이미지를 눈에 투사하는 방식을 채택한다.
3D안경 등 특수 장비 없이도 볼 수 있는 3차원 홀로그램을 만들기 위해선 공간광파면 조절기(빛이 퍼져나가는 방향을 정밀하게 조절할 수 있는 광학제어장치)를 이용해 빛의 방향을 변경해야 한다.
그러나 이와 같은 공간광파면 조절기를 3차원 디스플레이로 사용하지 못하는 가장 큰 걸림돌은 픽셀의 개수이다. 최근 각광받는 고해상도 모니터의 많은 픽셀 개수조차도 2차원 이미지에만 적합할 뿐 3차원 이미지를 만들기에는 정보량이 매우 부족하다.
이 때문에 기존의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기 1센티미터, 시청 가능 각도 3도 이내 수준으로서 실용성과는 거리가 멀다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공간광파면 조절기만 사용하는 대신 간유리를 추가적으로 활용해 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛은 여러 방향으로 퍼지기 때문에 넓은 각도에서 시청 가능하고 영상 크기도 확대된다.
하지만 무작위한 패턴을 갖기 때문에 특별한 제어 없이는 3차원 이미지를 볼 수 없다. 연구팀은 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적인 상관관계를 활용해 빛을 적절히 제어해 문제를 해결했다.
연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2센티미터 영역에 약 35도의 시청각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 공간대역폭보다 약 2천 600배 이상 향상된 결과이다.
연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간광파면 조절기에 간유리를 추가하는 것만으로 제작이 가능해 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 유현승 학생은 “물체의 인식을 방해한다고 여겨진 빛의 산란을 적절히 이용해 기존 3차원 디스플레이보다 향상된 이미지를 만들 수 있음을 선보였다”며 “특수 안경 없이 볼 수 있는 실용적인 디스플레이의 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 시간역행반사 창의연구단 사업과 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 모식도
그림2. 2 cm × 2 cm × 2 cm 영역에 만들어진 3차원 이미지
그림3. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 원리
2017.01.24 조회수 16799 -
조용훈 교수, 종이 위에서 빛나는 초소형 반도체 레이저 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 종이 위에서 작동하는 초소형 반도체 레이저를 개발했다.
나노 크기의 광결정 소자를 흡수성이 높은 종이와 결합함으로써 최첨단 반도체 센서를 저렴한 가격으로 다양한 질병 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구 결과는 소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 17일자에 게재됐다.
빛을 매개체로 사용하는 광소자는 높은 대역폭을 갖고 있어 대용량으로 정보 전송이 가능하고 낮은 전력으로도 구동할 수 있다.
일반적으로 반도체 광소자는 직접적으로 특정 기능을 수행하는 부분 외에 이들을 단순히 지탱하기 위한 반도체 기판이 필요하다. 반도체 기판의 부피는 전체 소자 부피의 대부분을 차지하고 자연적으로 부패하지 않는 물질이기 때문에 소자를 폐기할 때 환경 문제를 일으킨다.
연구팀은 문제 해결을 위해 두꺼운 반도체 기판을 제거했고 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 종이를 광소자의 기판으로 사용했다. 종이의 주원료는 나무이기 때문에 자연적으로 썩어 없어진다. 또한 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있고 가격이 저렴하기 때문에 종이를 이용한 소자는 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
종이는 기계적으로도 우수한 특성들을 지닌다. 자유자재로 구부릴 수 있고 접었다 피는 것을 반복해도 끊어지지 않는다. 이러한 특성은 기존 플렉서블 기판들이 구현하고자 하는 우수한 특성이다.
연구팀은 반도체 광소자를 종이 위에 옮기기 위해 나노 광소자를 마이크로 스탬프로 떼어 내는 기술을 이용했다. 이를 통해 반도체 기판에 높은 집적도로 패터닝(특정 부분을 깎아내는 식각 과정을 통해 회로를 새겨 넣는 과정)한 나노 광소자를 새로운 종이 기판에 원하는 간격으로 재배열 할 수 있었다.
이번에 종이 위에 결합된 광소자는 폭 0.5 마이크로미터. 길이 6 마이크로미터, 높이 0.3 마이크로미터 크기로 머리카락(약 0.1 mm) 두께의 100분의 1 수준이다.
연구팀은 개발한 광소자를 유체 채널(Fluid channel)이 형성된 종이 위에 결합해 굴절률 센서로도 활용 가능함을 증명했다. 이미 상용화된 임신진단키트 등에서도 볼 수 있듯이 종이는 좋은 흡수성을 가지고 있고 광결정 소자는 높은 민감도를 가지고 있어 센서 응용에 매우 적합하다.
조 교수는 “이 기술은 종이를 광소자의 기판으로 사용함으로써 최근 화두인 친환경 광소자 플랫폼을 만드는데 크게 기여할 수 있다”며 “저렴한 종이와 고성능 광결정 센서를 결합해 전체 소자의 단가는 낮추면서 성능은 뛰어난 적정기술로 활용할 수 있다”고 말했다.
물리학과 김세정 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 서강대학교 신관우 교수, 우리 대학 이용희 교수가 참여했고, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 종이 기판 위 광결정 레이저 모식도
그림2. 종이 기판위에서 동작하는 광결정 공진기 레이저 및 굴절률 센서
2016.11.25 조회수 18569 -
박용근 교수, 홀로그래픽 촬영 카메라 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 간유리(optical diffuser, 광 디퓨저)를 이용한 홀로그래픽 카메라를 개발했다.
연구팀의 홀로그래픽 카메라는 어떠한 가정도 필요 없이 일반적인 홀로그램을 측정하는 기술로 사진 찍듯 홀로그램을 측정할 수 있는 이상적인 홀로그래피에 근접한 기술이다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
사진은 실제 눈으로 보는 것과 같은 원근감과 볼륨감을 표현할 수 없다. 그 이유는 현존하는 전자기기의 대역폭(~100 GHz)이 가시광의 진동수(~100 THz)에 훨씬 미치지 못하기 때문이다.
따라서 사진 기술로는 빛의 세기만 측정 가능하고, 원근감과 입체감 정보를 담은 빛의 파면 정보는 직접적으로 측정할 수 없다.
위상 문제(phase problem)라고 불리는 이 현상은 가시광 뿐 아니라 적외선, 자외선, 엑스레이 등 전자기파를 다루는 방대한 분야 전반에 큰 걸림돌로 남아 있었다.
이러한 위상 문제를 피해 간접적으로 빛의 파면을 측정하는 기술을 홀로그래피라고 한다. 그러나 이 홀로그래피 기술은 추가적인 참조 빛을 필요로 해 사진기술처럼 빠르게 전파되지 못했다.
수 세기동안 과학자들은 사진 찍듯 홀로그램을 찍기 위해 연구했으나 제안된 기술들은 대부분 특수한 입사 빛을 가정한 상황에서만 작동해 일반적인 상황에서 널리 사용되지 못했다.
연구팀은 입사 빛의 특수한 상황을 가정하는 대신 간유리를 활용해 입사 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적 상관관계를 활용해 입사한 빛의 파면을 온전히 측정할 수 있음을 이론적으로 제안했다.
연구팀은 이론에 따라 렌즈 대신 간유리를 삽입한 홀로그래픽 카메라를 제작했고 실험을 통해 성공적으로 작동하는 것을 확인했다. 일상에서 쉽게 볼 수 있는 물체를 홀로그램으로 측정했고, 초점 위치를 자유자재로 바꿈으로써 이 기술이 일반적인 경우에도 작동함을 증명했다.
연구팀의 홀로그래피 카메라는 그 형태와 구성이 간단해 렌즈 대신 간유리를 카메라 센서 앞에 대는 것만으로 홀로그램의 측정이 가능해진다. 핸드폰 카메라 등에 적용해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
같은 원리를 활용해 다른 대역의 위상 문제도 해결할 수 있다. 특히 엑스레이 영역의 문제를 해결한다면 초고해상도 엑스레이 현미경의 구현이 가능해져 과학계 전반에 큰 발전을 가져올 수 있을 것으로 예상된다.
논문의 1저자인 이겨레 학생은 “이번 기술은 사진을 찍듯 홀로그램을 측정할 수 있는 이상적인 홀로그래픽 카메라에 가장 근접한 기술이다”며 “핸드폰 카메라 등에 쉽게 적용해 홀로그래피의 대중화가 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 제안된 홀로그래픽 카메라. 일반적인 광 디퓨저를 홀로그래픽 렌즈로서 활용
그림2. 입사한 빛의 파면 (왼쪽, incident field)과 제안된 기술로 측정된 파면 (오른쪽, retrieved field)
그림3. 일반적인 물체의 (주사위) 홀로그램
2016.11.01 조회수 14092 -
양찬호 교수, 자석 아닌 물질이 자성(磁性) 갖게 하는 기술 개발
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 전기장을 통해 자석이 아닌 물질이 자성을 갖게 하거나 그 반대로 자석 내의 자성을 없앨 수 있는 기술을 개발했다.
이 연구를 통해 자성 물질 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 빠른 속도로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
장병권 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 물리학 분야 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
물질의 내부에는 아주 작은 자석들이 존재한다. 그 작은 자석들이 무질서하게 여러 방향으로 향하고 있으면 비 자성 상태이고, 일정한 방향으로 정렬이 이뤄지면 우리가 흔히 볼 수 있는 자석이 된다.
테라바이트 이상의 외장하드를 쉽게 구할 수 있을 정도로 저장 매체의 용량 기술은 발전했다. 그러나 용량 증가는 필연적으로 저장 매체의 읽고 쓰는 속도를 느리게 만든다. 현재 가장 널리 쓰이는 하드 디스크(HDD)의 느린 데이터 접근 속도로는 다른 기술과 조화되기 어려운 상황이다.
이에 따라 SSD, 플로팅 게이트(Floating gate), 저항 방식(Resistive switching) 방식 등이 대안으로 떠오르고 있으나 기록을 할 때마다 흔적을 남기기 때문에 피로 누적 현상을 피할 수 없다는 한계를 갖는다.
정보를 자성 상태로 기록하면 속도가 빠르고 피로 누적 현상을 없앨 수 있기 때문에 저장 매체의 최소 저장 공간인 셀(Cell)을 자성 물질로 구성하려는 시도가 많았다. 주로 전류의 흐름을 통해 유도된 자기장을 이용하는 방식인데, 자기장은 자폐가 매우 어려워 넓은 범위에 영향을 끼치기 때문에 인접한 셀의 자성도 변화시킨다.
셀 하나하나를 조절할 수 없기 때문에 일정한 방향으로 정렬시킬 수 없어 자성의 상태를 바꾸기가 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 자기전기 상호작용을 통해 자성 상태를 조절했다. 자기전기 상호작용은 자기장이 아닌 전기장을 이용해 전류의 흐름 없이 자성 상태를 조절하는 방식으로 에너지 소모가 적다는 장점을 갖는다.
연구팀은 실험을 통해 전기장 인가만으로 무질서하게 임의의 방향을 향하고 있는 셀들이 일정한 방향을 향하고 있음을 확인했다. 또한 반대로 일정한 방향에서 다시 무질서한 상태로도 변화가 가능함을 증명했다.
기존에 보고된 자기전기 현상은 통상적으로 극저온이나 고온에서 발현이 가능했다. 그러나 이번 기술은 화학적 도핑을 통해 상온에서도 작동이 가능하고, 변환이 가역적이며 비휘발성을 갖기 때문에 차세대 정보 저장 소자 개발의 발판이 될 것으로 기대된다.
양 교수는“이번 전기적 자성상태의 변화는 엔트로피 변화를 동반하고 있을 것으로 예상한다”며“자기전기 소자 응용뿐만 아니라 열전 현상의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 재료연구소 최시영 박사, 포항공대 정윤희 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 막스플랑크 연구소 고경태 박사, 미국 스탠포드 가속기연구소 이준식 박사 와 헨드릭(Hendrik Ohldag) 박사, 호주 뉴사우스웨일즈 대학 잔(Jan Seidel) 교수 등과 공동으로 진행됐다.
한국연구재단의 중견연구자지원사업, 글로벌연구네트워크지원사업, 선도연구센터지원사업(응집상 양자 결맞음 연구센터)과 글로벌프론티어사업(하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단) 등의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기장 인가를 통한 자성 방향의 변화를 나타낸 개념도
2016.10.27 조회수 15978 -
조용훈 교수, 피라미드 구조로 방향성과 집광 효율을 높인 고성능 반도체 양자 광원 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 반도체 피라미드 구조의 양자점이 피라미드 밑면으로 강한 빛을 방출함을 발견하고 이 빛을 높은 효율로 모을 수 있는 기술을 개발했다.
김세정, 공수현 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 12일자에 게재됐다.
반도체 양자점은 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일광자원(양자광원)으로 활용가능하다. 단일광자원은 미래의 양자컴퓨터 또는 양자암호기술 등을 구현하기 위한 필수 요소이다.
일반적인 양자점은 불규칙적인 위치에 형성되는 반면 3차원 피라미드 구조에 얇게 양자우물(Quantum well)을 성장시키면 정확히 피라미드 꼭짓점 위치에 양자점(Quantum dot)을 형성할 수 있다. 이 기술을 활용하면 위치가 제어된 단일광자원을 높은 수율로 얻을 수 있다.
하지만 양자점에서 나오는 빛은 빛 알갱이 개수가 적고 양자점이 굴절률 높은 반도체 물질에 갇혀 있기 때문에 일반적으로 구조 바깥으로 빠져나오기 어렵다. 반도체 단일광자원 소자가 상용화 단계로 나아가려면 빛의 집광 효율을 높여야만 한다.
연구팀은 일반적으로 가지고 있는 고정관념을 벗어나 문제를 해결했다. 피라미드 구조의 빛의 지향성(directionality)을 관찰했고 이를 이용했다. 그 동안 피라미드 양자점에서 나오는 빛은 피라미드의 위, 즉 꼭짓점 방향으로 나오는 신호만을 측정했다. 피라미드 밑면 방향으로는 성장 과정상 두꺼운 기판이 반드시 존재하기 때문이다.
하지만 연구팀은 시뮬레이션을 통해 양자점이 피라미드 위쪽보다 밑면 방향으로 더 많은 빛을 방출함을 확인했다.
또한 피라미드 밑면 방향으로 진행하는 빛은 가우시안 형태의 전기장 분포 형태를 갖고 있어, 광도파로 또는 광섬유의 단일 모드와 잘 일치한다. 이는 제품과 전선을 결합하듯이 광원과 광도파로 간의 결합 효율을 높일 수 있다.
이에 연구팀은 폴리머를 이용해 피라미드 구조체를 기판에서 떼어냈다. 피라미드의 밑면으로 나오는 빛이 두꺼운 반도체 기판을 거치지 않고 공기 중으로 직접 방출되도록 한 것이다.
연구팀이 떼어낸 피라미드는 쉽게 다른 광학 소자들과 직접 결합할 수 있어 피라미드 양자점의 응용분야가 확대될 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 연구 내용은 양자 광원 뿐 아니라 LED와 같은 광원 소자에도 적용 가능해 활용도가 높을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 폴리머로 떼어낸 피라미드 양자점의 모식도
그림2. 피라미드 양자점에서 방출된 빛의 상반구 및 하반구 먼장 (far-field) 방출 패턴(좌)와 폴리머로 떼어내기 전후의 나노 피라미드 구조체(후)
2016.10.18 조회수 18293 -
박용근, 정용 교수, 알츠하이머 정량화 가능한 홀로그래피영상 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수와 바이오및뇌공학과 정용 교수(KI 헬스사이언스 연구소) 공동 연구팀이 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 개발했다.
이무성 연구원과 이익성 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
뇌의 구조는 뇌 기능 및 질병과 밀접한 관련을 갖고 있다. 특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖기 때문에 뇌 영상 촬영 기술 신경과학에서 꼭 필요한 기술이다.
뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있지만 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계를 갖는다.
이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했지만, 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다.
또한 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠다.
문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했다.
연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다.
조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 위에서 얻은 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.
연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화했다.
그 결과 알츠하이머 모델의 해마 및 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했다. 특히 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다.
연구팀은 이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것이라고 내다봤다.
박 교수는 “최근 창업한 Tomocube(토모큐브) 사의 제품을 이용해 관련 연구자들이 보다 쉽게 새로운 방법을 적용시켜 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 홀로그래피 현미경 모식도
그림2. 기존 현미경과 홀로그래피 현미경 성능 비교
그림3. 정상 모델과 알츠하이머병 모델의 뇌 조직의 산란 계수, 이방성 분포
2016.08.17 조회수 10581 -
박용근, 조용훈 교수, 빛을 자유자재로 다룰 수 있는 광학기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근, 조용훈 교수와 고려대학교 재료공학과 이헌 교수 공동 연구팀이 빛의 산란을 이용해 다기능 광학 기기를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 나노분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 6월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
빛이 안개나 페인트 등의 불규칙한 매질을 투과하면 매우 복잡한 형태의 수많은 반사와 굴절이 발생한다. 이를 빛의 다중 산란이라고 하는데, 다중 산란을 겪은 빛은 간섭이라는 물리 현상을 통해 복잡한 패턴을 나타낸다.
우리가 짙은 안개 속에서 앞을 볼 수 없고 맥주의 거품이 하얗게 보이는 것도 빛의 다중산란이 만든 현상이다. 일반적으로 다중 산란이 생기면 빛이 매우 불규칙한 형태로 지나가기 때문에 제어가 어렵다.
그러나 홀로그래피 기술을 이용해 입사하는 빛의 방향을 잘 제어해주면 다중 산란이 발생해도 원하는 형태로 빛을 제어할 수 있다. 연구팀은 이러한 다중 산란을 효과적으로 활용해 빛의 다양한 성질을 제어할 수 있는 새로운 개념의 광학기기를 개발했다.
이 광학기기는 빛의 반사나 굴절의 원리를 이용하던 기존 기술과 달리 빛의 산란을 이용했다는 특징을 갖는다.
연구팀의 광학기기는 복잡 매질과 광 고분자 필름으로 구성된다. 광 고분자 필름은 입사되는 빛을 홀로그래피 기술을 통해 원하는 모양으로 제어한다. 또한 제어된 빛을 기록하고 실제로 비추는 역할을 한다.
광 고분자 필름을 통해 들어온 빛은 복잡 매질을 지나 일정한 패턴으로 다중 산란돼 원하는 모양의 빛을 나타낸다. 이 두 가지 과정을 통해 독립적으로 활용 가능한 다기능 산란 광학기기의 구현이 가능해진다.
이 기술로 투과된 빛의 진폭, 파장, 편광 뿐 아니라 기존 광학계 기술로는 접근이 어려웠던 근접장 성분까지도 제어할 수 있다.
연구팀은 기존의 광학 부품들로는 구현이 매우 어려웠던 산란 제어를 복잡한 광학적 설계나 제조공정 없이 단일 광학 부품으로도 저렴하게 제작할 수 있다고 밝혔다.
이번 연구를 주도한 박종찬 학생은 “관련 기술은 광학 기기를 제작하는 원천 기술로 활용될 수 있다”며 “향후 리소그래피, 광통신, 바이오 이미징 기술 등 빛이 사용되는 다양한 분야에 응용 가능하다”고 말했다.
□ 사진 설명
사진1. 제작된 산란 광학 기기 실제 사진
사진2. 산란 광학기기를 이용한 빛의 다양한 성분 제어
사진3. 산란 광학기기 모식도
2016.07.12 조회수 11599 -
무형광체 백색 LED 제조 기술 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 형광체를 사용하지 않은 백색 LED 제조 기술을 개발했다.
이 기술은 차세대 조명 및 디스플레이 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지 ‘빛 : 과학과 응용 (Light : Science & Applications)’ 12일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 인쇄본의 표지 논문으로 선정됐다.
현재 대부분의 백색 LED는 청색 LED에 황색 형광체를 사용하거나 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합해서 만드는 방식이다.
그러나 황색 형광체는 희토류물질로 수입의존도가 높고, 낮은 연색성, 변색 등의 문제점을 갖는다. 또한 여러 색의 LED 칩을 병렬 조합하는 방식은 단가가 매우 높아진다는 단점이 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 형광체를 사용하지 않고 하나의 반도체 칩으로 백색 LED를 제작하기 위한 방법을 고안했다. 동심원 모양으로 꼭대기 부분을 잘라낸 피라미드 구조가 제작되도록 마이크로 복합 구조체를 설계한 것이다.
이 마이크로 크기 삼차원 구조체는 각 면마다 다른 조건의 양자우물이 형성돼 각 면에서 다른 색의 빛을 낼 수 있다. 결국 기존의 여러 LED 색을 조합할 필요 없이 한 구조체에서도 다양한 색을 혼합할 수 있게 된다.
삼차원 구조체를 만드는 시간과 조건을 조절해 각 결정면의 면적을 변화시킴으로써 다양하게 혼합된 색의 LED가 제작 가능하다.
연구팀은 각 결정면의 면적을 조절해 하나의 LED 칩으로 무형광체 백색 LED를 시연했다. 또한 LED에 인가하는 전류를 변화시켜도 색이 거의 변하지 않았다. 이는 무형광체 백색 LED의 초기단계로 미래의 무형광체 백색광원의 방향성을 제시했다는 의의를 갖는다.
이밖에도 연구팀은 고배율 대물렌즈를 사용해 3차원 구조체 내부에서 전류주입의 정도를 측정하는 방법을 소개했다. 이를 통해 전류를 효율적으로 주입시키는 방안을 개발한다면 LED 소자의 효율과 색재현성을 조절할 수 있을 것으로 전망했다.
조 교수는 “향후 3차원 반도체 공정개발을 통해 효율이 개선된다면 형광체 없이도 값싸고 색 재현성이 좋은 단일 칩 백색 광원으로 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
임승혁 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 복합 구조체에서 전류 주입으로 백색광을 내는 개념도
그림2. 형광체를 사용하지 않은 마이크로 크기의 끝이 잘린 피라미드 형태의 전자현미경사진과 백색광의 전계발광 스펙트럼
2016.02.23 조회수 12691 -
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 10769