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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 14917 -
김상욱, 신종화 교수, 가시광선 굴절률 5 이상으로 높일 수 있는 메타소재 개발
우리 대학 신소재공학과 신종화 교수, 김상욱 교수 공동연구팀이 분자가 스스로 규칙적으로 배열하는 ‘분자조립제어’ 원리를 이용해 빛의 굴절률을 광범위하게 조절 할 수 있는 ‘메타소재’를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.
이 연구결과는 네이처 자매지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
메타소재란 자연계에 존재하지 않는 신기한 특성을 가지는 소재를 의미하며 특히빛의 굴절률이 음수를 갖거나 5이상으로 매우 큰 새로운 개념의 신소재를 뜻한다. 굴절률은 물질내에서 빛의 진행속도, 산란, 흡수 등의 현상을 결정하는 중요인자로, 이를 조절하면 물질 내 빛의 거동을 원하는 형태로 설계할 수 있다. 예컨대, 투명망토 등과 같은 SF 영화에서 나오는 신기한 현상을 가능하게 하기 위해서는 가시광선의 굴절률을 폭넓게 조절할 수 있는 메타소재 개발이 필수적이라 할 수 있다.
공동연구진은 분자조립제어 원리를 통해 금속 나노입자간의 간격을 수 나노미터 수준으로 매우 정밀하게 조절하여 메타소재를 설계했고 이를 통해 가시광선에 대해 5이상의 높은 굴절률을 가질 수 있음을 증명했다. 더불어 연구진은 금속 나노입자간의 거리를 임의로 조절함으로 다양한 굴절률의 신소재를 형성할 수 있음을 확인했다.
신종화 교수는 “이 기술이 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 대에서 빛의 거동을 조절할 수 있기 때문에 태양전지나 LED와 같은 디스플레이장치의 성능을 상승시킬 뿐만 아니라, 지금까지 불가능했던 초고배율의 현미경이나 초고해상도 반도체장비 등 새로운 광학장치를 위한 아이디어를 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
제 1저자로 신소재공학과 김주영 박사, 공동 저자로 김효욱 박사과정생, 김봉훈 박사, 장태용 박사과정생 등이 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 나노조립제어 창의연구단 사업과 나노∙소재원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 새로운 메타물질을 제조하는 공정에 대한 모식도
그림2. 수축공정을 실시하기 전 분자제어조립 기술을 통해 형성된 금속나노입자와 수축공정 후 매우 근접한 금속나노입자에 대한 주사 전자 현미경 이미지
그림3. 가시광선-적외석 영역대에서의 메타물질의 굴절률 측정 결과
2016.10.07 조회수 11814 -
신종화,김도경,이용희 교수, 수학적 공간채움 원리 적용한 신소재 개발
우리 대학 신소재공학과 신종화, 김도경 교수와 물리학과 이용희 교수 공동 연구팀이 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2천 배 이상 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.
유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로, 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다.
진공 상태의 유전상수는 1이고, 자연에 존재하는 물질과 개발된 메타물질을 포함해 가장 큰 광대역 유전상수는 최대 1천600 수준이다.
유전상수가 수천 이하에 머물렀던 이유는 유전상수 향상에 사용됐던 근본 원리에 한계가 있었기 때문이다. 유전상수를 키우기 위해서는 같은 전기장이 가해졌을 때 더 큰 유전분극이 나타나게 만들어야 한다.
이를 위해 기존에는 피뢰침 끝에 강한 전기장이 모이는 개념의 ‘전기장 국소화 원리’가 사용됐다. 피뢰침이 뾰족할수록 끝에 더 강한 전기장이 모여 유전분극이 강해지지만 그 대신 유전분극이 강해지는 공간적 범위가 좁아지게 된다.
결국 이 원리는 강한 유전분극일수록 미치는 영향의 범위는 좁아지는 근원적 한계를 갖는다. 실제로 기존 유전상수를 증대시킨 메타물질에서는 전기장이 강하게 모이는 부분이 매우 좁은 영역에 국한된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입했다. 공간채움 구조란 선으로 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 뜻한다. 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다.
이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다. 또한 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.
연구팀은 이는 마치 여러 개의 시냇물이 만나 큰 강물이 되는 효과와 같다고 설명했다. 즉, 좁은 공간에 증대된 유전분극들이 공간채움 구조를 통해 거대하게 발현되는 효과를 고안했고 실제로 구현함으로써 삼백만 이상의 큰 유전상수를 얻을 수 있었다.
유전상수가 320만이면 이 물질을 활용한 축전기의 전기용량은 진공에 대비해 320만 배 커지고, 전자기파를 흡수하는 비율이나 방출하는 속도 또한 320만 배 커진다.
또한 굴절률이 약 1천 800배(유전상수의 제곱근)가 되기 때문에 이 소재 안에서 빛의 속도는 1천 800배 느리게, 파장은 1천 800배 짧아진다. 이를 통해 렌즈 등의 소자는 1천 800배 가량 작게 만들 수 있고 기존의 이미징 장치보다 1천 800배 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다.
특히 아주 얇은 막으로도 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에, 전투기나 함정에 씌워서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대되며, 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다.
또한, 가시광선에서도 만약 그 원리가 적용된다면 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등 더욱 다양한 응용이 기대된다.
신 교수는 “간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다”며 “이는 기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험이었고, 앞으로도 이러한 원리를 기반으로 신소재 개발을 지속하겠다”고 말했다.
신소재공학과 장태용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구에서 개발된 메타물질의 모식도와 실제 사진
그림2. 수학분야의 공간채움구조
2016.09.06 조회수 15654