서강대학교 화학과 옥강민 교수 연구팀, 국제 최고 권위 학술지 JACS 논문 게재

- 자외선 영역에서 빛의 방향과 속도를 동시에 제어하는차세대 복굴절 무기 결정 설계 원리 제시 -

▲ (좌측부터) 서강대학교 화학과 옥강민 교수, Chen Chong-An 박사후연구원

   서강대학교(총장 심종혁) 화학과 옥강민 교수 연구팀이 짧은 파장의 자외선(SWUV) 영역에서 초고성능 복굴절을 구현할 수 있는 새로운 무기 결정 설계 전략을 제시하고, 이를 바탕으로 세계 최고 수준의 성능을 갖는 신물질을 개발하는 데 성공했다.

이번 연구는 옥강민 교수가 교신저자, Chen Chong-An 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 화학 분야 최고 권위 학술지인 Journal of the American Chemical Society (JACS)에 게재되었다.

▲ Journal of the American Chemical Society에 게재된 옥강민 교수 연구팀 논문

복굴절(birefringence)은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 서로 다른 속도로 진행하는 현상으로, 이를 통해 빛의 방향, 속도, 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 특성은 레이저, 반도체 리소그래피, 광통신, 정밀 센서 등 첨단 광학기술의 핵심 기반으로 활용된다. 그러나 짧은 파장의 자외선 영역에서는 넓은 밴드갭과 높은 광학 이방성을 동시에 만족시키기 어려운 근본적인 한계로 인해, 고성능 복굴절 소재 개발이 오랜 난제로 남아 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘밀도 보상형 분극률 이방성(density-compensated polarizability anisotropy)’이라는 새로운 설계 전략을 제안했다. 이 전략은 단순히 개별 구조 단위의 이방성을 키우는 기존 접근과 달리, 작고 선형적인 음이온을 고밀도로 정렬시켜 거시적 광학 이방성을 극대화하는 개념이다.

이를 바탕으로 연구팀은 선형 구조를 갖는 시아네이트 음이온 (NCO–)과 d10 전이금속(Hg2+, Cd2+)을 결합하여 네 가지 새로운 무기 결정 K[Hg(NCO)2]Cl, K[Cd(NCO)3], K2[Hg(NCO)4], K2[Cd(NCO)4]을 설계 및 합성하였다.

이들 물질은 229~254 nm 영역의 자외선 투과 특성(SWUV cutoff)을 유지하면서도, 최대 Δn ≃ 0.511(@546 nm)에 달하는 기록적인 복굴절 값을 달성하였다. 특히 3번과 4번 화합물은 현재까지 보고된 SWUV 무기 복굴절 결정 중 최고 수준의 성능을 나타낸다. 연구 결과에 따르면, 이러한 성능 향상은 단순한 화학 조성의 변화가 아니라, 선형 (NCO)– 단위의 고밀도 집적 d10 금속 이온에 의해 유도된 정렬된 구조 배열이 결합된 결과로 나타난다. 즉, ‘높은 밀도+정렬된 방향성’이라는 구조적 시너지가 광학 이방성을 극대화하는 핵심 메커니즘임이 밝혀졌다.

옥강민 교수는 “이번 연구는 복굴절 소재 설계에서 오랫동안 해결되지 못했던 ‘밴드갭-이방성 트레이드오프’를 구조 설계 전략으로 극복한 사례”라며, “향후 자외선 레이저, 초정밀 광학 시스템, 차세대 포토닉스 소재 개발에 새로운 방향을 제시할 것”이라고 밝혔다.

한국연구재단 글로벌리더연구과제의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 특정 물질 개발을 넘어, 선형 구조 기반 기능 단위를 활용한 보편적인 광학 소재 설계 원리를 제시했다는 점에서 큰 의미를 갖는다.

▶논문 제목: Density-Compensated Polarizability Anisotropy for Record Birefringence in Short-Wavelength Ultraviolet Inorganic Crystals

▶논문 링크 바로가기: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c23008