한국연구재단은 최현용 교수(연세대) 연구팀이 레이저 빛이 흡수되는 특정영역의 에너지 준위(원자 및 분자 시스템이 갖는 에너지 값)를 제어하는데 최초로 성공했다고 밝혔다.
레이저를 통해 만든 빛은 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 편광 현상이 나타난다. 이 편광 현상을 통해 물질의 에너지 준위를 조절한다면 새로운 고속 동작 광소자의 제작이 가능하지만 현재까지 이 기술은 개발되지 않았다.

연구팀은 이황화레늄(ReS2) 물질이 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 다른 두 개의 엑시톤을 가지는 것을 착안하여, 그동안 불가능했던 에너지 중첩이 없는 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하는 데에 성공했다. 이로써 빛 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 된 것이다.

최현용 교수는 “이 연구는 초고속 레이저의 편광을 조절하여 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 두 엑시톤 에너지를 선택적으로 제어하는 기술을 개발한 것이다. 펨토초 스위치, 광센서, 초고속 광통신 등에 적용되어 무인자동차, 로봇공학, 의료, 군사기술 등에 응용될 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 기초연구실육성사업, 글로벌프론티어지원사업의 통해 이루어졌으며, 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2016년 11월 18일자에 게재되었다.

- 용어설명 -
* 광 스타크 효과(Optical Stark Effect)
-> 에너지 밴드갭(Band Gap)을 가지는 반도체에 밴드갭 보다 낮은 에너지를 가지는 강한 빛을 입사하면 빛의 흡수가 일어나지 않는다. 그러나 빛과 물질의 결맞음 상호작용에 의해 순간적으로 에너지 준위가 벌어지게 되는데, 이를 광 스타크 효과라 한다.

* 엑시톤
-> 반도체 물질이 빛을 흡수했을 때 그 에너지가 자유전자와 정공 쌍을 만들게 되는데, 이 전자와 정공이 강한 인력으로 결합하여 만들어지는 입자를 엑시톤이라 한다. 태양 전지, 광 탐지기 등의 여러 광전자 소자를 동작시킬 때 매우 중요한 역할을 하는 핵심 입자이며, 엑시톤에 의한 광학적 특성은 원자 두께의 물질에서 더욱 두드러지게 나타난다.

* 펨토초 레이저 시스템
-> 초고속 레이저 펄스를 생성하는 레이저 시스템으로, 펨토초(1000조 분의 1초) 단위의 펄스폭을 갖는 빛을 발생시킬 수 있다.

* 초고속 광학적 분광법
-> 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 물질 내에서 일어나는 매우 빠른 광전자 현상을 측정하는 기술로, 최 교수 연구팀은 이를 통해 광 스타크 효과를 관측했다.

원자두께 ReS2 및 실험 모식도(左), 초단파 레이저의 편광을 이용한 엑시톤 에너지 준위의 선택적 제어(右) : 원자두께 이황화레늄은 특정한 방향으로 원자배열의 결이 있어 빛의 편광에 따라 각기 다른 엑시톤이 반응한다. 오른쪽 그림과 같이 엑시톤의 에너지 준위는 초단파 레이저의 편광을 이용하여 선택적으로 제어할 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

최현용 교수

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 본 연구는 2016년 1월부터 시작했다. 최근 원자두께 물질 분야에서 새로운 광학적 특성을 발견하고자 하는 관심이 급증한 것과 동시에 기존의 광센서들을 넘어선 초고속 반도체 센서를 제작하고자 하는 계기로 본 연구를 시작하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 2011년 연세대학교 부임 이래로 지난 6년간 자체적인 초고속 펨토초 레이저 시스템과 분광법 측정 시스템을 구축해 왔다. 이 연구는 그동안 쌓아온 펨토초 레이저 분광법에 대한 노하우를 집약하여 진행했다. 이와 더불어 지난 2년간 초박막 샘플 제작 및 소자 공정 시스템에 많은 시간과 연구비를 투자해 이번 연구에서는 자체적으로 제작한 초박막 샘플을 이용하여 실험을 할 수 있었다.
 
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 처음 측정하고자 하는 샘플은 원자 두 층짜리 박막으로 측정되는 신호의 크기가 매우 작아서 측정할 때 고생했고 신호를 해석하는데 어려움이 있었다. 이와 관련하여 논문 심사 과정에서도 측정된 신호의 크기가 지나치게 작다는 것 지적에 대한 답변을 쉽게 할 수 없었다. 이에 해결하기 위해 조금 더 두꺼운 박막의 샘플을 제작하고 실험 온도를 변화시키는 등 여러 시도를 한 끝에 만족할만한 데이터를 얻을 수 있었고, 그 결과 리뷰어를 만족시켜 논문 심사를 통과할 수 있었다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존 광 스타크 현상은 한 개의 에너지 준위를 제어하는 데에 국한되어 실제적인 광소자 제작의 한계가 있었다. 그러나 이번 연구는 에너지가 다른 엑시톤 준위에 대하여 선택적으로 광 스타크 효과를 일으켰고, 이를 이용하면 빛의 주파수에 따라 선택적인 제어가 가능한 초고속 광소자 제작이 가능하다는 것에 차별성이 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 근적외선 영역보다 에너지가 낮은 테라헤르츠 파를 이용하여 ReS2 단일 박막의 엑시톤 준위를 분석하고자 한다.

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 데이터 측정 시 데이터의 일관성을 위해서 며칠을 밤새며 연속적으로 찍어야 했다. 두 명의 공동1저자가 데이터 측정을 교대로 일주일 가까이 2교대로 쉼 없이 실험을 했는데 지금 생각해도 매우 힘든 과정이었다.

다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로, 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 거기에 실리카 나노입자를 채워넣어 배열된 나노입자 어레이를 제작함. 이어서 DRIE 공정과 그 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작함.

미래창조과학부는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.
연세대학교 류원형 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재되었다.

광합성은 녹색식물이나 생물이 빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 과정으로써 식물세포는 외부의 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 산소와 포도당과 같은 유기 양분을 만든다. 이러한 광합성 작용으로 식물세포는 태양광 에너지를 100%에 가까운 효율로 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성 과정의 높은 에너지 변환 효율을 전기 에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 되어 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.

이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다.
연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작하였다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 되어, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.

또한 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 되어, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.