미래창조과학부(장관 최양희)는 “국내 연구진(KIST 허가현 박사 연구팀)이 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 준결정* 구조 내에서 빛이 정지하는 국부화 현상**을 발견 하였다”고 밝혔다.
이러한 현상을 구현하는 준결정 구조의 소재를 개발함으로써 층간소음 해결, 빠르고 정확한 광통신을 위한 광섬유 개발 등의 가능성을 열었다.
* 준결정(Quasicrystal): 결정(Crystal)과 비정질 소재의 특성을 동시에 지니는 새로운 형태의 소재. 산란체들이 일정하게 병진 및 회전 배열이 되어 있는 결정구조와는 달리 부분적으로 회전 배열만 되어 있는 것을 특징으로 함
** 파동의 국부화 현상(Wave Localization): 빛․소리 등의 파동이 소재를 통과할 때 소재 내에 존재하는 산란체에 충돌하고 다중산란을 일으켜 물질 내부에서 파동이 정지하는 현상
그동안 물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에 파동을 통과시켜 파동의 국부화 현상을 관찰하였으나, 이러한 현상이 발생하는 비정질 소재에 대한 구조를 정의하고 재현하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 관찰할 수 없었다.
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 산란체들이 공간적으로 일정하게 배열되어 있는 결정질 소재와 산란체들이 무질서하게 흩어져 있는 비정질 소재의 중간적인 성격을 지니는 준결정 소재로부터 파동의 국부화 현상이 나타나는 것을 발견하고 그 메커니즘을 밝혔다.
이번 연구를 바탕으로 산란체 위치가 정확하게 결정되어 있는 준결정 구조를 이용하여 파동의 국부화 현상을 일관되고 안정적으로 제어할 수 있게 되었다.
이 연구결과를 광섬유에 응용하면 기존의 정보 및 신호전달 체계를 획기적으로 개선하여 빠르고 정확한 통신망을 구축할 수 있을 것으로 전망되며, 다중산란에 의해 파동이 증폭되는 레이저 시스템에 적용할 경우 특정 주파수의 빛을 강하게 방출할 수 있어 지금보다 훨씬 강력한 레이저의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
또한 준결정 구조를 방음벽에 이용할 경우, 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 층간소음을 획기적으로 저감할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
본 연구는 미래창조과학부 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업 지원으로 수행한 허가현 박사 연구팀(한국과학기술연구원(KIST))의 연구결과로, 물리분야의 학술지인 네이쳐 피직스(Nature Physics) 1월 9일자에 게재되었다.
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명: Intrinsic photonic wave localization in a three-dimensional icosahedral quasicrystal
- 저자 정보 : 전승렬 박사(제1저자, 한국과학기술연구원), 권형호(서울과학기술대학교), 허가현 박사(교신저자, 한국과학기술연구원)
논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
이전의 연구에서는 물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에서 파동의 국부화 현상을 관찰하였으나, 소재의 구조를 정의하고 재현하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 관찰할 수 없었음.
파동의 국부화 현상을 일관되고 안정적으로 제어할 수 있도록 구조가 명확하게 정의된 소재에 대한 연구가 필요함.
2. 연구 내용
컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 비정질 소재와 결정 소재의 중간적인 성격을 지니는 준결정 소재로부터 파동의 국부화 현상을 관찰함.
준결정의 투과도 패턴이 나타나는 부분에서 시간에 따른 파동의 세기가 감소하는 양상을 분석하였고 파동이 확산성으로 이동하는 경우에 비해 감소하는 양상이 늦어지는 것을 발견함으로써 파동이 물질 내부에서 갇혀있다 빠져나가는 현상을 관찰함.
준결정을 통과한 후 출력면(Output plane)에 나타나는 파동의 패턴이 중심에 국부화되어 나타나는 것을 발견함.
3. 연구 성과
물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에서 발견되던 파동의 국부화 현상을 통제 가능한 준결정구조 내에서 발견함으로써 이 현상을 훨씬 능동적으로 관찰할 수 있게 됨.
이 연구 결과를 광섬유에 응용하면 기존의 정보 및 신호전달 체계를 획기적으로 개선해 보다 빠르고 정확한 통신망을 구축할 수 있을 것으로 전망되며, 이 현상을 다중산란에 의해 파동이 증폭되는 레이저 시스템에 적용할 경우 특정 주파수의 빛을 강하게 방출할 수 있는 효과에 따라 지금보다 훨씬 강력한 레이저의 개발이 가능할 것으로 기대됨.
또한 준결정 구조를 방음벽에 이용할 경우 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 층간소음을 획기적으로 저감할 수 있는 가능성을 보여줌
허가현 박사는 “기존의 통제하기 어려운 무질서한 구조에서만 관찰되던 파동의 국부화 현상을 구조 제어가 가능한 준결정 구조에서 발견함으로써, 이 현상을 훨씬 능동적으로 조절 할 수 있게 되었다”며 “향후 광섬유나 레이저 외에 다양한 분야에서도 파동의 국부화 현상을 활용한 응용 연구에 주력할 계획” 이라고 밝혔다.
