한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)이 국내외 연구진과 함께, 복잡한 신소재 없이 빛의 회전 방향을 마음껏 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 집단적인 분자 배열을 제어해 빛 회전 방향을 결정하는 원리다.
KAIST는 비(非) 카이랄 분자를 '초미세 바람개비'처럼 배열시키는 원천기술을 개발해 원하는 방향의 원편광을 구현했다고 14일 밝혔다.
카이랄 성질은 우리 왼손·오른손처럼 모습이 같지만 겹쳐지지는 않는 것을 뜻하다. 원편광은 빛이 왼쪽이나 오른쪽으로 바람개비처럼 회전하며 나아가는 특수한 빛이다. 원편광은 회전 방향에 따라 서로 다른 정보를 담을 수 있어 차세대 디스플레이와 광통신, 보안기술 핵심 광원으로 주목받는다.
이번 연구는 화학과 윤동기 교수팀이 충남대, 아주대, 연세대, 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구진과 공동으로 이룬 성과다.
대칭적인 비카이랄 액정 분자를 공간적으로 제한한 상태에서 전기장을 가해 마이크로미터 크기 카이랄 바람개비 구조를 형성하고, 이를 고분자 나노섬유로 영구적으로 복제했다.
지금까지는 카이랄 광학 소재를 만들기 위해 분자 자체를 비대칭 구조로 복잡하게 합성하거나 많은 양의 카이랄 물질을 첨가해야 했다. 연구팀은 '집단적인 배열이 카이랄성을 만든다'는 새로운 접근법을 제시했다.
같은 종이라도 접는 방향에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향의 바람개비가 만들어지는 원리를 분자에 적용했다. 막대 모양의 분자들이 스스로 초미세 바람개비처럼 모이도록 만든 뒤, 극소량의 카이랄 첨가제를 넣어 모든 바람개비가 같은 방향을 향하도록 유도했다. 이어 이 구조를 고분자 나노섬유 위에 그대로 복제했다.
제작된 구조에 일반적인 발광 물질을 도입하자, 구조의 회전 방향에 따라 서로 반대 부호의 원편광 발광 신호가 나타났다. 이는 발광 분자 자체에 카이랄성을 새롭게 도입하지 않고도 주변 구조의 배열만으로 방출되는 빛의 편광 특성을 제어할 수 있음을 보여준다.
레고 블록도 조립하는 방식에 따라 전혀 다른 모양이 되듯, 같은 분자도 배열 방식에 따라 서로 다른 카이랄 구조와 광학적 특성을 나타낼 수 있음을 입증했다.
윤동기 교수는 “복잡한 신소재를 새로 만들지 않고도 차세대 디스플레이와 AR·VR 광학소자, 편광 센서, 광통신 등에 활용할 수 있는 새로운 광학 소재 설계 원리를 제시했다”고 말했다.
제1저자인 한정연 박사과정은 “기존에는 왼손과 오른손 구조가 함께 생겨 카이랄 특성이 사라졌지만, 이번에는 극소량의 첨가제가 회전 방향만 선택하도록 설계해 넓은 영역에서 하나의 방향으로 정렬시키는 데 성공했다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
