아주대·KAIST 연구팀, 초박막형 주파수 변환소재 개발

왼쪽부터 권오필 아주대 교수, 이상민 KAIST 교수(사진=아주대)

[이데일리 신하영 기자] 국내 연구진이 초박막형 두께로 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 소재를 개발했다. 초박막형 두께는 머리카락 굵기의 10분의 1 수준으로 이를 이용하면 다양한 변환 소재 개발이 가능해질 전망이다.

아주대는 권오필 응용화학생명공학과 교수팀과 이상민 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수팀의 공동 연구에서 이런 성과를 얻었다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Advanced Functional Materials) 10월 31일자 온라인판에 게재됐다.

연구팀은 기존 광학결정의 비선형성을 뛰어넘는 새로운 양이온과 이에 적합한 음이온을 도입하는 새로운 결정기술을 적용, 기존에 없던 극한의 비선형광학 특성을 가지는 유기결정을 개발했다.

비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간 일어나는 비선형적 특성을 연구하는 학문이다. 주파수(파장)로 대표되는 빛의 특성을 바꾸는 광변조 기술과 고감도 분석 등에 활용된다. 이러한 광학 연구에 쓰이는 비선형 광학 결정은 주파수를 비롯해 다양한 빛의 특성을 조정할 수 있는 소재다. 전자기파의 주파수를 높은 주파수로 변환하거나 반대로 낮은 주파수로도 바꿀 수 있어서다. 기존에 활용되던 유기·무기 소재의 광학 결정은 낮은 테라헤르츠파 주파수 변환 효율을 나타낸다는 점이 한계로 지적돼 왔다.

공동 연구팀은 지금까지 보고된 비선형성을 뛰어넘는 극한의 비선형성을 가지는 새로운 양이온 분자를 설계하고 이에 적합한 음이온을 도입했다. 연구팀은 이를 기반으로 마이크로미터 두께의 초박막형 주파수 변환 소재를 개발해냈다. 이번 연구에서 개발한 10 마이크로미터 두께의 새로운 초박막형 광학결정은 기존 무기 결정 대비 100분의1 수준의 두께다.

이번 연구성과는 이처럼 초박막형 두께로도 기존 무기 결정 보다 약 5배 높은 주파수 변환 효율을 보였으며, 넓은 대역의 스펙트럼 형태를 가지는 테라헤르츠파 발생도 확인했다. 권오필 아주대 교수는 “이번에 개발한 새로운 비선형 광학 결정 소재는 테라헤르츠뿐 아니라 다양한 전자기파 변조·변환 소자에도 적용 가능할 것”이라며 “이와 같은 고효율 비선형 광학 소재는 전자기파의 주파수, 위상, 크기 등을 바꿀 수 있는 다양한 레이저와 통신 소자에 활용할 수 있다”고 말했다.