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한국연구재단, 기존 나노구조체 ‘빛 변환 효율 100배 높인 연구’ 사이언스 게재

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2020-01-17 09:59

나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발한 고려대 박홍규 교수팀 등 국내외 연구는 국제학술지 사이언스(Science)에 1월 17일 게재됐다.(자료출처=사이언스/제공=고려대 박홍규 교수팀)

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 고려대학교 물리학과 박홍규 교수와 키브샤(Kivshar) 교수(호주국립대) 연구팀이 나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발했다고 17일 밝혔다.
 
빛과 비선형 물질이 만나면 일반적으로 관측되지 않는 신기한 현상들이 발생한다. 특히 비선형 물질에 입사한 빛은 다양한 색깔의 빛으로 변환될 수 있다.
 
이러한 빛의 비선형 특성을 이용한 비선형 광소자는 광통신, 광센서, 광스위치 등에 응용될 수 있다.

하지만 보통은 물질 고유의 비선형성이 작기 때문에 비선형 특성을 관측하기 위해서는 매우 강한 세기의 빛이 필요할 뿐 아니라 위상정합(phase matching)이라 불리는 특별한 조건을 만들어야 하는 번거로움이 있다.
 
또 이러한 조건에서 조차 비선형 광소자의 동작효율은 매우 낮아 폭넓게 응용하기에는 어려움이 있었다.

최근 나노구조체를 이용하면 위상정합이 자동적으로 만족된다는 연구 결과들이 보고되고 있으나 이 나노구조체를 이용하더라도 매우 강한 빛을 사용하지 않으면 비선형 효과를 관측할 수 없어 나노구조체를 이용한 비선형 광소자의 상용화를 위해서는 비선형 신호의 변환 효율을 더욱 높여야 한다.
 
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 머리카락보다 백 배 가느다란 나노실린더에 적외선 영역의 빛을 가두자 적외선이 아닌, 가시광선 영역의 빛이 출력되는 현상을 직접 관측했다. 
 
나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발한 고려대 박홍규 교수팀 등 국내외 연구는 국제학술지 사이언스(Science)에 1월 17일 게재됐다. 위 그래프는 입사된 파장과 나노실린더 구조의 지름에 따라 측정된 2차 조화파의 세기를 나타내고 있다.(자료출처=사이언스/제공=고려대 박홍규 교수팀)
 
연구과정을 보면 고효율의 비선형 광소자를 구현하기 위해 빛을 작은 영역 안에 강하게 집속시킬 수 있는 BIC(bound state in the continuum) 현상을 이용했다.
 
이 BIC 현상은 원래 양자물리학에서 수학적인 호기심에서 출발해 발견된 현상으로, 최근에는 광학 분야에서 빛의 손실을 줄이는 데 많이 응용되고 있다.

이어 비선형 물질(AlGaAs)로 이뤄진 지름 약 930nm, 높이 635nm의 나노실린더 구조를 이용해 BIC 현상을 최적화했다.

여기에서 세기가 약한 빛이 입사되었더라도 BIC 현상으로 인해 나노실린더 구조의 비선형 물질과 강하게 상호작용을 한다.

이로 인해 나노구조에서는 위상정합이 자동으로 만족돼 훨씬 간단하게 비선형 효과를 확인할 수 있다.

이후 BIC 현상을 극대화하기 위해 나노실린더 구조를 ITO 물질이 코팅된 유리 기판 위에 올려놓았다.

이 과정에서 이 기판은 입사된 빛에 대해서만 거울로 동작하여 빛과 나노실린더 구조 사이의 상호작용을 더욱 강하게 만든다.

또 입사되는 빛을 도넛 모양으로 만들어 측정함으로써 BIC 현상을 통해서만 비선형 효과가 발생하도록 실험을 설계했다.

이 연구결과에 의하면 빛의 모양 및 편광 측정과 같은 체계적인 광학 실험과 새롭게 개발된 이론적인 분석을 통해 이러한 실험 결과가 BIC 현상에 의한 비선형 효과임을 입증했다.

또 실제 이렇게 만들어진 나노광소자를 이용한 결과 기존 나노구조체 대비 빛의 파장변환 효율을 100배 이상 높일 수 있었다.
 
박홍규 교수는 “작은 공간에 빛을 가둔다는 측면에서 광소자와 레이저의 동작 원리가 같은 만큼 연구팀은 향후 나노실린더 구조를 활용한 나노레이저 연구도 추진할 계획”이라며 “향후 빛 알갱이 하나의 색깔까지 바꿔서 양자 암호 통신에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
 
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐고 국제학술지 사이언스(Science)에 1월 17일 게재됐다.



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