국내 연구진이 액정의 3차원 나노구조를 이용하여 하나의 레이저발진장치로 다양한 파장의 레이저를 발생시키는 액정레이저 제작에 성공하였다. 간단한 온도조절만으로 다양한 파장의 레이저를 만들 수 있어 의료기기, 광통신, 디스플레이 등에 활용되는 레이저 발진장치의 소형화와 간편화에 기여할 것으로 예상된다. 

레이저발진장치는 일반적으로 가늘고 긴 공진기 양쪽에 거울을 달고 있으며, 그 사이에 액체, 고체, 기체, 반도체 등의 다양한 레이저 매질을 채워 놓는다. 외부에서 에너지를 받은 매질이 빛을 발하면 이 빛이 거울로 구성된 공진기 안에서 증폭되어 레이저가 발진하게 된다. 

액정레이저는 레이저 매질로 액체, 기체, 고체, 반도체를 사용하는 레이저와 달리 액정을 매질로 사용하는 레이저. 뛰어난 가공성, 파장가변성, 초소형화 등의 장점이 있어, 플렉시블한 면 발광의 레이저 소자연구가 활발하다. 

경희대학교 정보전자신소재공학과 최석원 교수와 울산과학기술대 송명훈 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진) 및 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행되었으며, 연구성과는 재료분야 권위지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 3월 11일자 온라인판에 게재되었으며 표지 논문(Frontispiece)으로 출판될 예정이다.   (논문명 : Liquid-Crystalline Blue Phase Laser with Widely Tunable Wavelength) 

일반적으로 레이저소자 하나가 한가지 파장의 빛을 발생시키기 때문에 여러 파장의 레이저광을 얻으려면 여러 개의 레이저 발진장치가 필요하다. 

따라서 최근에는 하나의 레이저장치로 다양한 파장대의 빛을 발생시키며, 초소형화 등에 적합한 액정을 매질로 하는 액정레이저에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 

하지만 현재 차세대 액정재료로 꼽히는 Blue Phase(BP)의 경우라도 온도가 1~2도만 변해도 액정상태를 잃어버리는 등 안정성이 낮고 발생시킬 수 있는 레이저의 파장가변성이 20nm 미만으로 매우 제한적이라는 한계가 있었다.  

 Blue Phase(BP)는 액정의 동작온도 범위가 1~2도에 불과하지만 초고속소자에의 응용가능성과 공정의 간편성 등으로 주목받는 차세대 액정재료이다. 

이에 본 연구팀은 자체 개발한 3차원의 나노 구조를 가지는 BP의 광결정(Photonic Crystal)으로서의 가능성에 착안하여 이를 공진기의 거울처럼 이용하여 레이저 발진 시험에 성공하였으며, BP에 굽은형 분자를 혼합하여 유연성을 크게 높임으로써 25도 이상의 온도변화에도 액정상태를 유지하는 액정재료를 개발하여 기존 대비 10배 이상의 온도안정성을 확보하였다.

광결정은서로 다른 굴절률을 가진 물질들이 주기적으로 배열되어 그 주기성이 가시광 영역의 파장의 길이와 서로 상호작용(반사)을 일으킬 수 있는 결정이다.

또한, 이렇게 만든 액정재료에 발광색소를 혼합하여 온도에 따라 Blue Phase의 3차원 나노구조를 제어하는 방식을 통해 빛의 파장을 제어함으로써 150nm 이상 변화가능한 다양한 파장의 레이저를 발생시킬 수 있음도 함께 확인했다. 이 역시 기존에 비해 약 7배에 이르는 파장 가변성이 향상된 것이다.

이번에 개발된 액정재료를 이용하면 한 종의 레이저 소자로 온도조절을 통해 다양한 파장의 레이저광을 선택적으로 발생시킬 수 있게 된다.

최 교수는 “이번 연구결과는 자체개발한 Blue Phase 혼합물의 광결정(Photonic Crystal)을 마치 거울처럼 이용하여 거울없는 공진기(mirror-less)를 이용한 레이저의 발진 가능성을 확인한 데 큰 의의가 있으며, 이렇게 개발된 액정레이저는 의료용, 홀로그래피, 광통신, 차세대 레이저 디스플레이 등 다양한 분야에 적용이 기대된다”고 밝혔다.

출처 | 교육과학기술부 보도자료