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아주대 응용화학생명공학과 권오필 교수(대학원 분자과학기술학과)는 기존의 비선형광학 결정 설계의 난제를 극복하기 위해 양이온과 음이온의 부피를 조절하는 새로운 결정 설계 기술을 적용, 신규 유기 티-레이 광원을 개발했다.
‘꿈의 전자파’로 불리는 티-레이는 빛과 전파 영역 사이인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz) 영역의 주파수다. 티-레이는 인간의 눈으로는 확인할 수 없는 물체 내부를 투과할 수 있고, 특히 단단한 물질 만을 투과하는 X-레이와 달리 액체 종류까지 식별 가능하다.
또 가시광선이 미칠 수 없는 높은 투과도를 지니면서도, 반도체와 금속 같은 전도성 있는 물질을 감지할 수 있다. 티-레이는 제품이나 재료의 원형을 그대로 보존하는 비파괴 방식으로, 더 많은 물질을 쉽고 세밀하게 분석할 수 있기에 과학계와 산업계의 주목을 받아왔다.
그러나 기존에 활용되어 온 티-레이 광원은 좁은 대역에서 낮은 효율로 테라헤르츠파를 방출, 볼 수 있는 범위에 한계가 있었다. 이에 광대역의 광원을 얻기 위해서는 고가의 대형 레이저 시스템을 필요로 한다.
아주대 공동 연구팀은 고출력·고감도로 테라헤르츠파를 활용할 수 있도록 높은 비선형광학 특성
을 가질 수 있는 유기 결정 소재 설계 기술을 연구해왔다. 연구팀은 이온성 유기 결정에서 양이온 분자와 음이온 분자가 반드시 공존해야 한다는 점에 착안하여, 양이온과 음이온 분자의 부피가 특정 비율일 때 높은 비선형광학 특성을 나타낼 것이라는 아이디어를 제시했다.
연구팀은 다양한 부피를 가지는 음이온을 도입하여 양이온과 음이온 분자 부피의 상관관계를 밝혔으며, 이를 통해 새로운 고효율의 비선형광학 유기 결정을 개발하는 데 성공했다. 더불어 신규 이온성 결정이 높은 비선형과학 특성을 바탕으로, 소형의 저가 레이저 시스템을 이용해 광대역의 티-레이를 방출함을 확인했다.
권오필 교수는 “연구팀의 새로운 유기 결정 설계 기술은 테라헤르츠파뿐 아니라 다른 가시광이나 적외선 빛의 주파수, 위상 등을 바꿀 수도 있다”며 “레이저와 같은 다양한 주파수 변환 장치나 초고속 광통신 소자 등에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 10월 22일자 온라인판에 게재됐다.
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