화학공학/고분자공학부 김동환 교수 연구팀,

초소형·초고효율 마이크로레이저 개발,

원자의 무질서 구조에서 답을 찾다

결정질 재료의 원자구조를 무너뜨리는 액화-급랭 비정질화 기술 활용

기존 한계를 극복한 초소형·초효율 마이크로레이저의 산업적 파급력 높아

[그림1] 김동환 교수

[그림1] 문병석 박사

화학공학/고분자공학부 김동환 교수 연구팀(제1저자 문병석 박사)이 한국과학기술원(KAIST) 김영진 교수, 울산과학기술원(UNIST) 곽상규 교수와의 공동연구를 통해, 원자 단위의 무질서 구조를 갖는 새로운 상향변환 재료를 활용하여 마이크로레이저의 초소형화 및 초고효율화에 성공했다고 밝혔다.

이번에 개발된 마이크로레이저는 머리카락 두께의 수십 분의 일만큼 작음에도 불구하고 광 집적회로(Photonic Integrated Circuits)의 광원 역할을 하는 핵심적인 소자로, 인텔의 광통신 칩(Intel® Silicon Photonics)에 사용되는 등 광학 소자의 새로운 미래로 주목받고 있다.

이에 많은 국내외 연구진은 마이크로레이저를 초소형화하고, 적은 에너지로 구동할 수 있도록 노력해왔다. 하지만 레이저는 소형화할수록 빛을 가두고 증폭시키기기 어려워 소형화와 효율성을 모두 만족하는 레이저 개발에 어려움이 있었다.

공동연구진은 이와 같은 기존 과학계의 한계를 레이저 재료 내에서 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 기술을 통해 극복했다.

본 연구를 통해 개발된 상향변환 마이크로레이저는 실용화 단계를 거쳐 ‘단일 분자 수준 생체분자 검출’, ‘살아있는 세포 내부 생체분자 농도 실시간 모니터링’ 등 의료 진단기술의 수준을 끌어올릴 수 있다. 또한 광 집적회로의 광원으로도 사용이 가능해 차세대 고부가가치 분야의 핵심기술로 활용될 것으로 기대된다.

김동환 교수는 “본 연구는 기존에 널리 사용되어온 결정질 구조의 상향변환 재료의 고정관념을 벗어나 재료의 무질서 구조를 적극적으로 활용함으로써 마이크로레이저의 소형화뿐만 아니라 효율성 한계까지 극복한 최초의 사례이며, 향후 제조 공정 자동화 및 집적화를 통해 활용성을 극대화할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.