빛을 방향을 제어하기 위해서는 전자를 제어하는 실리콘 반도체 소재와 같은 광결정 소재가 필요하다. 하지만 일정 수준 이상의 광밴드갭을 가지며, 실용화할 수 있는 광결정 소재는 아직 보고되지 않은 상태이다. 

광결정(Photonic Crystals)은 빛의 반도체로 불리는 결정 구조 물질로서,  주기에 해당하는 특정 파장의 빛을 선택적으로 완벽하게 반사함으로서 다양한 레이저, 디스플레이 등의 고효율 광소자를 구현할 수 있다.

광밴드갭(Photonic bandgap)은 물질 내에서 존재할 수 없는 빛의 파장 영역이다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 이기라 교수(성균관대) 연구팀이 손실 없이 빛의 흐름을 마음대로 제어할 수 있는 다이아몬드 구조의 광결정을 나노입자들이 스스로 모여 만들어지도록 하는 방법을 최초로 개발했다고 28일 밝혔다. 

다이아몬드 구조는 탄소로 이루어진 다이아몬드 결정 구조와 같이 나노입자가 3차원 공간에 배열된 결정 구조로서, 매우 넓은 광밴드갭을 보인다.

연구팀은 서로 짝을 이루는 유전자 정보를 갖는 DNA를 구형 나노입자와 4면체 모양의 나노입자에 각각 붙이고, DNA가 짝을 이루어 결합하게 했다.

그 결과 다이아몬드(Diamond) 구조와 파이로클로로 구조가 서로 침투한 구조인 라베스(Laves) 구조를 만들어졌다. 연구팀은 이 구조에서 파이로클로로 구조를 없애면 다이아몬드 구조가 얻어질 수 있다고 설명했다. 

파이로클로로(Pyrochlore) 구조는 사면체 입자의 꼭지점 끼리 만나 형성되는 3차원 결정 구조를 말한다.  

라베스(Laves) 구조는 다이아온드 구조와 사면체 입자가 서로 침투하며 형성된 결정 구조이다. 

특히 연구팀이 개발한 다이아몬드형 광결정 구조는 1990년 다이아몬드 구조가 우수한 광결정 구조라는 것이 보고된 이후 26년간 미해결로 남아있던 다이아몬드형 광결정 구조를 빛의 파장 크기 수준에서 실험적으로 구현했다는 점에서 더욱 의미가 크다. 다이아몬드 결정 구조의 광결정은 넓은 광밴드갭을 가지며, 이를 구현하면 3차원 공간에서 빛을 다양한 형태로 제어할 수 있다. 

빛의 파장 크기는  마이크로터 (10-6 m)의 반정도 크기로 머리카락 굵기의 100분의 1크기 정도 이다.

이기라 교수는 “이 연구는 오랫동안 풀지 못했던 3차원 다이아몬드 광결정 구조를 구현한 것이다. 광결정 구조 기반의 디스플레이, 레이저, 센서 분야의 중요한 기반이 되어 광소자에서 광컴퓨터까지 활용될 수 있다.  특히 파이로 클로로 구조는 최근 주목 받고 있는 메타물질에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다. 

*메타물질(metamaterials) : 기존 물질을 뛰어 넘는 새로운 물질이란 통칭. 나노구조를 제어하여 자연계에 존재하지 않는 새로운 특성을 보이는 물질에 주로 사용된다. 

이 연구성과는 교육부·한국연구재단 글로벌연구네트워크지원사업, 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구원사업(개인연구, 집단연구)의 지원으로 수행됐다. 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 2월 27일자에 게재됐다.