[대학저널 임지연 기자] 아주대학교(총장 박형주) 권오필 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 한국과학기술원(KAIST) 이상민 교수(물리학과)가 다양한 광변환 소자에 적용할 수 있는 유기 비선형광학 결정 소재 개발에 성공했다.
이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 옵티컬 매터리얼즈(Advanced Optical Materials)> 5월 22일자 표지 논문으로 선정됐다. 논문 제목은 ‘고효율 비선형광학 특성과 테라헤르츠 발생 효율을 나타내는 수소결합 양이온-음이온 조립 기반의 단결정(Single Crystals Based on Hydrogen‐Bonding Mediated Cation–Anion Assembly with Extremely Large Optical Nonlinearity and Their Application for Intense THz Wave Generation)’이다.
유기 비선형광학 결정은 물질 내의 빛의 파장이나 굴절율과 같은 빛의 성질을 조절할 수 있는 광변환 소재로 최근 높은 관심을 받고 있다. 비선형광학 결정 소재를 이용하면 높은 구동안정성을 기반으로 초고속 광통신 소자, 레이저, 테라헤르츠 발생기 등에 쓰이는 고효율 광변환 소자를 구현할 수 있다. 광변환 소자는 전기적 신호를 빛의 신호로 바꿔 전기적 정보를 광통신 케이블을 통해 송수신할 수 있으며, 빛의 파장을 바꾸거나 선택적으로 추출해 다양한 광원으로 사용할 수 있다.
그동안 고효율의 광변환 소자를 개발하기 위해 다양한 종류의 무기 결정이 활용되어 왔지만, 낮은 비선형광학 특성으로 효율이 떨어져 상업화에 어려움이 있었다. 또한 고분자 기반의 비선형광학 소재는 높은 비선형광학 특성을 나타냈지만, 장시간 사용 시 비선형광학 특성이 없어지는 문제점이 발생하여 구동 안정성에 한계를 보여 왔다.
기존에 개발된 유기 비선형광학 결정들의 경우, 다양한 광변환 소자에 적용하기에는 어려움이 많았다. 대부분의 고효율 비선형광학 결정이 주로 양이온-음이온 병렬 구조로 배향돼 있었기 때문이다. 다른 화학구조로 이루어진 여러 유기결정이 만일 유사한 배열구조를 가지게 되면, 다른 물질임에도 불구하고 유사한 광학 특성 및 물질 특성이 나타난다. 따라서 양이온-음이온 병렬 구조를 가지는 광학 소재만으로는 각기 다른 광변환 소자들에서 요구되는 다양한 광학 특성 및 물질 특성을 충족할 수 없었다.
이에 연구팀은 양이온과 음이온 사이가 수소 결합으로 연결된 직렬 구조를 도입하면 높은 비선형 광학 특성에서 기인하는 높은 광변환 특성을 나타낼 수 있을 것이라는 점에 주목했다. 실제로 양이온-음이온 직렬 구조 기반의 새로운 유기 비선형광학 결정은 지금까지 보고된 대부분의 양이온-음이온 병렬구조 기반 유기 결정보다 높은 비선형 광학 특성을 나타냈다. 테라헤르츠 발생에 실제 적용했을 때 효율이 높아, 약한 빛으로도 센 강원을 만들 수 있었던 것.
연구팀은 “기존의 유기 비선형광학 결정은 주로 양이온-음이온 병렬구조를 기반으로 하고 있어 다양한 광변환 소자로의 적용에 어려움이 있었다”며 “이번에 개발된 양이온-음이온 직렬구조 기반의 새로운 유기 비선형광학 결정은 기존 결정과는 다른 광학적 특성을 지니고 있어 여러 광변환 소자에 활용될 수 있다”고 설명했다.
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