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Research Highlights
- 기계·화공 노준석 교수팀, "눈으로 볼 수 없는 영역에서도...?" '메타'로 또 한 번 한계를 넘다
- [노준석 연구팀, 가시광선-자외선 동시 사용 가능한 가변형 메타 홀로그램 구현]
‘메타(meta)’란 ‘더 높은’, ‘초월하는’이라는 뜻으로 메타물질(meta-material)은 자연에서 발견되지 않는 특성을 가지도록 인위적으로 설계된 물질을 말한다. 메타물질로 만든 메타표면은 매우 가볍고 얇아 휴대용 AR · VR기기에 접목하여 홀로그램을 구현할 소재로 주목받고 있다. 그러나 담을 수 있는 정보량이 제한적이고, 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역에서만 홀로그램을 구현할 수 있다는 한계가 있었다.
기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 석박통합 김주훈 씨 연구팀은 가시광 영역뿐 아니라 자외선 영역에서도 동시에 사용할 수 있는 메타 홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘나노스케일 호라이즌스(Nanoscale Horizons)’에 전면속표지 논문(Inside Front Cover)으로 게재됐다.
대부분의 물체는 자외선 영역의 빛을 흡수하기 때문에 여태껏 가시광 영역에서만 홀로그램을 구현할 수 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 메타표면에 얇은 막을 입힐 때 사용되는 기체들의 조성을 조절하여 자외선 투과율을 높였다. 그 결과, 가시광 영역뿐 아니라 자외선 영역에서 메타 홀로그램을 구현했다.
그리고, 연구팀은 하나의 메타표면으로 두 가지 홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 빛은 공간상에서 특정 편광*1 방향을 가지며 나아간다. 연구팀은 빛이 공간상에서 나아갈 때 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 편광에 대해 각각 다른 홀로그램을 입력하여 메타표면의 정보량을 두 배로 늘렸다.
또, 실제 기기에 적용했을 때 빛의 회전 방향을 쉽게 전환할 수 있도록 휴대폰이나 LCD 디스플레이에 활용되는 ‘액정’을 사용했다. 그 결과, 전기장*2이 가해지지 않는 경우 빛이 시계방향으로 회전하며 A 형태의 홀로그램을 구현하고, 전기장이 가해지면 회전 방향이 전환되어 B 형태의 홀로그램을 보여주었다. 간단하게 전기장을 걸어줌으로써 ...
2023-06-05
- 화학 류순민 교수팀, “붕어빵처럼 닮았네?” 거푸집으로 만든 2차원 유기 분자 결정
- [류순민 연구팀 , 질화붕소를 사용해 2차원 유기 분자 결정의 층상구조 형성]
최근 거푸집을 사용하여 약 400여 점의 명품 귀금속을 불법으로 위조한 일당이 검거되었다. 금속을 녹인 후 명품 귀금속 모양대로 제작한 거푸집에 부어 수백 점의 가짜 명품을 탄생시킨 것이다. 이처럼 거푸집 하나면 분자 세계에서도 원하는 모양의 분자 결정을 마음껏 만들어 낼 수 있다.
화학과 류순민 교수·통합과정 김도경 씨 연구팀은 최근 2차원 유기 분자 결정의 층상구조를 만들고, 층내 · 층간 엑시톤의 상호작용을 확인하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
2차원 유기 분자는 플렉서블 디스플레이 등 차세대 반도체 사업에서 주목받고 있는 소재다. 다양한 산업에서 2차원 유기 분자를 활용하기 위해서는 결정 내 엑시톤*1의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 하지만 유기 분자들이 모이면 일정한 형태 없이 덩어리로 뭉쳐버리기 때문에 그 동안 엑시톤에 대한 연구를 진행하는 데 한계가 있었다.
이번 연구에서 연구팀은 육각형 형태의 질화붕소(Hexagonal boron nitride)를 거푸집으로 사용해 유기 분자를 2차원 결정 형태로 쌓아 올린 층상 구조를 만들었다. 전기가 흐르지 않는 절연 소재인 질화붕소를 거푸집 삼아 육각형 형태로 2차원 유기 분자(Perylenetetracarboxylic dianhydride) 결정을 찍어내고, 이 결정들을 층층이 쌓아 올리는 데 성공한 것이다.
연구팀은 먼저 2차원 유기 분자 결정이 빛을 흡수하는 정도와 전자를 회절시키는 패턴을 분석하여 결정의 구조와 배열을 규명했다. 그리고, 층층이 쌓아 올린 2차원 유기 분자 결정을 원하는 층수(두께)만큼 분리해 층내 · 층간 엑시톤의 상호작용을 확인했다.
단일 층에서는 온도가 낮아질수록 분자들의 진동이 줄어들면서 안정적인 환경이 만들어졌다. 그로 인해 결정 내에 있는 엑시톤은 상대적으로 더 멀리 ...
2023-06-02
- 기계·화공 노준석 교수팀, “위기를 기회로!“ 전화위복의 물리학
- [POSTECH·미국 NEU 공동연구팀, 광(光) 손실 메타 격자를 활용한 빛 전송 성공]
‘빛’은 아주 민감하고 취약하다. 물질의 특성에 따라 빛이 표면에서 흡수되거나 튕겨져 나올 수 있고, 열에너지 등 다른 에너지로 전환될 수도 있다. 또, 빛이 금속 표면에 도달하면 금속 내부의 전자에게 에너지를 빼앗기는데, 이러한 모든 현상을 ‘광(光) 손실’이라고 한다.
빛을 이용하는 광학소자는 크기가 작아질수록 광 손실이 증가하기 때문에 초소형 광학소자를 만드는 데 어려움이 있다. 그런데, 최근 이 광 손실을 오히려 역으로 이용하는 ‘비(非)허미션(Hermitian)’ 이론이 광학 연구에 적용되고 있다. 광 손실을 불완전한 요소로 인식하는 일반 물리학과 달리 광 손실을 받아들이고 유용하게 이용하는 ‘비-허미션’ 이론을 통해 새로운 물리적 현상을 발견하고 있는 것이다. 눈앞의 재앙이 복이 된다는 뜻의 ‘전화위복’. 바로 이것이 ‘전화위복’의 물리학이 아닐까?
기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 정헌영·김석우 씨, 노스이스턴대학교(Northeastern University, NEU) 용민 류(Yongmin Liu) 교수 공동연구팀은 ‘비-허미션’ 이론을 적용한 메타 격자 장치를 활용하여 빛을 원하는 방향으로 보내는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.
금속에 빛을 쏘면 빛의 자기장에 의해 금속에 있는 전자들과 빛이 마치 한 몸처럼 움직인다. 이를 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, 이하 SPP)’이라고 한다. SPP의 방향을 제어할 때 보통 ‘격자 커플러’라는 보조 장치를 이용하는데, 이 장치는 수직 방향으로 입사하는 빛을 의도치 않는 방향의 SPP로 전환하기 때문에 전송의 효율이 떨어진다는 한계가 있다.
연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 ‘비-허미션’ 이론을 적용했다. 연구팀은 먼저 의도적으로 광 손실을 발생시킬 특...
2023-05-22
- 화공·융합대학원 차형준 교수팀, “해조류+가시광선=인공배양육 잉크?”
- [차형준 교수팀, 해조류 활용 고해상도 바이오잉크 개발 ]
몇 년 전, 프랑스의 한 일간지에서 ‘지구를 위해 해조류를 요리하는 한국’이라는 기사를 보도한 적이 있었다. 물컹거리는 식감 탓에 서양인들이 거의 먹지 않는 해조류가 대기 중 이산화탄소를 흡수하고, 육류 생산과 비교했을 때 탄소 배출량이 현저히 낮아 단순히 섭취하는 것만으로도 환경을 보호할 수 있다는 것이다. 그런데, 이제는 해조류로 배양육을 생산해 우리의 지구를 지키고, 아픈 사람들에게 필요한 인공장기 제작도 할 수 있는 시대가 오고 있다.
화학공학과·융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 박사과정 이상민 씨, 최근호 박사 연구팀은 해조류에서 유래한 천연 탄수화물과 인체에 무해한 가시광선을 이용하여 세포 생존율과 해상도가 높은 바이오잉크를 개발했다. 이번 연구는 생체재료 분야 국제학술지인 ‘카보하이드레이트 폴리머(Carbohydrate Polymers)’에 게재됐다.
3D 바이오프린팅은 세포가 들어있는 바이오잉크*1를 사용하여 인공장기나 조직을 제작하는 기술로, 조직공학과 재생의학 분야에서 잠재력이 풍부하다. 또, 미래 먹거리로 떠오르고 있는 배양육 제조에도 적용할 수 있어 푸드테크 분야에서도 주목하는 기술이다. 하지만 현재 사용되는 바이오잉크는 내부에서 세포가 움직일 수 없기 때문에 세포의 생존율이 낮고 인쇄 해상도가 높지 않다는 문제점이 있다.
연구팀은 해조류 탄수화물의 일종인 알지네이트(alginate)의 광가교*2를 통해 아주 미세한 크기의 마이크로 젤을 만들었다. 이 광가교 알지네이트 마이크로 젤을 이용해 세포의 자유로운 이동과 증식이 가능한 3D 바이오프린팅용 잉크를 개발했다.
이어, 연구팀은 새로 개발한 잉크를 사용하여 3D 바이오프린팅을 진행했다. 그 결과, 마이크로 젤 기반 소재의 빈 공간에 세포를 탑재한 바이오잉크는 기존 바이오잉크에 비해 세포 생존율이 4배 이상 크게 향상되었다. 또, 마이크로 젤은 일정 시간 동안 힘을 주었을 때 오히려 점도가 낮아지고, ...
2023-05-17
- 화공 박태호 교수팀, “주상전하 납시오!” 전하의 움직임에 주목하라
- [박태호 교수 연구팀, 고전도율 고안정성 기반 정공 수송체 개발]
태양전지는 환경오염을 줄일 수 있는 친환경 발전방식이다. 특히, 페로브스카이트 양자점*1 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 생산 비용이 저렴하고 유연한 소재에 적용할 수 있어 학계의 주목을 받고 있다.
페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율은 전하를 이동시키는 정공수송체*2에 의해 좌우된다. 그런데 기존 정공수송체의 경우, 첨가제로 인해 페로브스카이트 가 빠르게 분해되기 때문에 첨가제 없이 전하를 이동시킬 수 있는 정공수송체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
화학공학과 박태호 교수·통합과정 이대환·임세영 씨 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 핵심 소재인 정공수송체 고분자를 새로 설계하여 전지의 효율을 향상시켰다. 이번 연구는 에너지와 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.
연구팀은 이번 연구에서 황(S) 화합물 또는 셀레늄(Se) 화합물 기반 고분자를 포함한 정공수송체를 설계하였다. 이 고분자들은 문을 걸어 잠그는 자물쇠처럼 분자 간 구조를 단단하게 고정하여 평면구조를 만듦으로써 전하의 이동성을 높일 수 있다. 또, 비대칭 알킬 치환기*3를 갖고 있어 분자와 분자 사이의 상호작용을 조절하면서 전지의 전기적 특성을 보완할 수 있다.
이어, 연구팀은 대조군과의 비교 실험을 통해 새롭게 설계한 고분자들의 효과를 확인했다. 그 중에서도 셀레늄 화합물을 포함한 정공수송체를 태양전지에 적용한 결과, 전력 변환 효율이 15.2%까지 향상되었고, 40일 후에도 초기 효율의 약 80%를 유지했다. 첨가제 없이 전하의 이동성을 향상시켜 페로브스카이트 양자점 태양전지에서 가장 높은 전력 변환 효율과 우수한 소자 안정성을 보여준 것이다.
연구를 이끈 박태호 교수는 “이번 연구 결과는 기존 전하 수송체에 새로운 패러다임을 제시한 것으로 앞으로 태양전지 소자 연구에 적용될 것으로 기대된다.”고 말을 전...
2023-05-11
