특정 기능 유기 포토닉스 디바이스의 제어가능 조립 실현

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-03

포토닉스 디바이스(photonic devices)는 전자학 디바이스가 비교할 수 없을 정도로 높은 속도, 높은 대역폭과 낮은 에너지 소모 등 강점을 보유하고 있으며 광 정보 처리 및 포토닉스 계산 과정에서 매우 중요한 역할을 발휘한다. 유기 광 기능 분자는 높은 형광 양자 생성 비율을 보유하고 있기 때문에 잘라낼 수 있는 광학 특성 및 플렉시블 가공 가능한 특징을 나타내며 포토닉스 디바이스를 개발할 수 있는 우수한 재료로 평가 받고 있다. 중국과학원 화학 연구소 산하 ‘광 화학 중국과학원 중점 실험실’ 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 저 차원 유기 포토닉스 재료 및 디바이스 연구에서 혁신적인 성과를 취득하였다(Acc. Chem. Res. 2010, 43, 409-418；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8713-8717). 동시에 집적 포토닉스 디바이스에 필요한 마이크로 나노 광원(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279), 도파관(Adv. Mater., 2011, 23, 1380-1384), 광자 라우터(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2880-2883), 광전자 검출 및 센서(Adv. Mater., 2012, 24, 2332-2336；Adv. Mater., 2012, 24, OP194-OP199), 광 논리 및 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing)( Adv. Mater., 2012, 24, 5681-5686；Adv. Mater., 2013, 25, 2784-2788), 포토 트랜지스터(Phototransistor)(Adv. Mater., 2013, 25, 2854-2859) 등 분야에서도 다양한 연구를 실행하여 혁신적인 성과를 취득한 상황이다. 연구팀은 관련 연구를 통해 저차원 유기 재료가 나노 포토닉스 분야에서 거대한 잠재력을 보유하고 있다는 점을 입증하였다. 연구팀은 관련 연구를 통해 복잡한 기능을 보유한 포토닉스 개발을 위해 중요한 기반을 구축하였다. 마이크로 나노 시스템 구조와 구성은 포토닉스 행위를 결정하며 특정 기능의 마이크로 나노 광학 부품 개발은 포토닉스 집적 분야에서 중요한 의미를 보유하고 있는 상황이다. 중국과학원 ‘선행연구 프로젝트(B 유형)’ 비용 지원 하에 중국과학원 화학 연구소 산하 ‘광 화학 중국과학원 중점 실험실’ 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 특정 기능 유기 포토닉스 디바이스(organic photonic devices)에 대한 제어 가능 조립 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 전(前) 단계 연구개발 성과를 기반으로 하고 유기 분자의 상호 역할, 조립 행위, 클러스터 구조 및 포토닉스 기능 간의 관계를 총결한 후 기능을 중심으로 하여 광 기능 분자 디자인 합성으로부터 출발하여 분자의 제어 가능 조립을 통해 특정 기능 포토닉스 디바이스를 디자인하고 개발하는데 성공하였다(그림 1. 참조)(Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 4325-4340，Acc. Chem. Res., 2014, 47, 3448−3458). 밀폐 캐비티(Closed cavity) 경계 내에서 광은 줄곧 캐비티 내부에 구속되어 안정적인 진행 파 전송 모델을 유지할 수 있다. 구부러진 원형 혹은 디스크 상태 캐비티 내부 광파는 지속적으로 구부러지고 부드러운 캐비티 벽 반사를 통해 소모를 최소화할 수 있는데 이런 효과를 ‘위스퍼링 갤러리 모드(Whispering Gallery Mode, WGM)’라고 한다. ‘위스퍼링 갤러리 모드’ 광학 마이크로 캐비티는 매우 높은 품질 인자(Q 수치)를 보유하고 있기 때문에 고 품질의 공명기(Resonator)에 응용할 수 있으며 유기 염료의 높은 광학 수익 증가 특성과 결합하여 고 성능의 마이크로 나노 레이저를 실현할 수 있게 될 것으로 전망된다. 최근 연구팀은 유기 분자 조립 특성에 대해 심층적인 분석을 실행한 기초 상에서 분자 간 상호 역할이 유기 분자 자체 조립 행위에 끼치는 분석부터 착수하고 표면 활성제 마이크로에멀전(Microemulsion)을 템플릿으로 이용한 동시에 유기 고분자와 염료 분자의 협동 조립을 유도하여 사이즈에 대한 제어가 가능한 복합 마이크로 디스크 구조를 개발하는데 성공하였다. 마이크로 디스크 구조는 고품질의 공명기로 사용할 수 있으며 이런 마이크로 디스크의 Q 수치는 104 수량 등급에 도달하기 때문에 기존의 유기 캐비티 구조를 대폭 초월할 수 있다. 연구팀은 조립 매개 변수에 대한 제어를 통해 마이크로 디스크 구조와 도핑 구성 요소에 대한 제어를 실현하였으며 모드에 대한 제어가 가능한 WGM 레이저를 개발하였다(그림 2. 참조). 연구팀은 WGM 레이저 응용 과정에서 제어 가능한 송출 요구에 근거하여 조립 과정에서 위상 분리 행위에 대한 제어를 통해 마이크로 디스크와 나노 와이어 복합 구조를 취득하였으며 와이어, 링 마이크로 캐비티 간의 커플링 효과를 이용하여 WGM 레이저가 나노 와이어 엔드 포인트에 대한 제어 가능한 특정 방향 송출을 실현하였다. 그림 1. 기능 지향의 디바이스 디자인 및 개발 아이디어 그림 2. 유기 복합 마이크로 디스크 구조 중의 위스퍼링 갤러리 모드 레이저 20150202.jpg 20150202-1.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150128_4306298.shtml