서강대학교 화학과 옥강민 교수 연구팀, 국제 저명 학술지 JACS에 논문 게재

▲ (좌측부터) 서강대 화학과 옥강민 교수, Jin Congcong 박사후연구원, Li Yang 박사후연구원

   서강대학교(총장 심종혁) 화학과 옥강민 교수 연구팀이 선형(linear) 기능 단위들의 ‘동축 정렬(coaxial alignment)’을 이용해 초고복굴절(ultrahigh birefringence)을 구현하는 새로운 무기 광학 결정 설계 전략을 개발하는 데 성공했다.

이번 연구는 기존 복굴절 결정 연구에서 핵심 기준으로 사용되어 온 ‘평면성(coplanarity)’ 개념을 넘어, 선형 기능 단위들의 축 방향 정렬(coaxiality)이 광학 이방성을 극대화하는 핵심 구조 인자임을 처음으로 체계적으로 규명한 연구로 평가된다. 특히, 자외선(UV) 투과성과 초고복굴절 특성을 동시에 구현한 순수 무기 결정계를 제시함으로써 차세대 광학소자용 소재 설계의 새로운 패러다임을 제시했다.

연구 결과는 옥강민 교수가 교신저자, Jin Congcong 박사후연구원과 Li Yang 박사후연구원(중국 West Anhui University, 서강대 화학과 박사 졸업)이 제1 저자로 참여했으며, 서강대 비중심대칭 재료 물질 연구단(Center for Noncentrosymmetric Materials, CNCSM) 주도로 수행되었다. 본 연구는 화학 분야 최고 권위 국제 학술지인 Journal of the American Chemical Society (JACS, IF = 15.7)에 게재되었다.

복굴절(birefringence)은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 현상으로, 레이저, 광통신, 편광 이미징, 정밀 센서, 광메모리 등 첨단 광학 기술의 핵심 물성으로 알려져 있다. 특히 최근 광학소자의 소형화 및 고집적화가 빠르게 진행되면서, 큰 복굴절(Δn ≥ 0.5)을 가지면서도 자외선 영역에서 투명한 광학 결정 개발이 중요한 과제로 부상하고 있다.

그러나 기존 고성능 복굴절 결정의 대부분은 유기 또는 유·무기 하이브리드 물질에 집중되어 있었으며, 화학적 안정성과 기계적 강도가 우수한 순수 무기 결정에서는 이러한 특성을 동시에 구현하기 어려웠다. 또한 기존 설계 전략은 주로 평면형 π-공액 분자들의 평면 정렬(coplanarity)에 의존하고 있어, 선형 기능 단위를 기반으로 한 새로운 설계 원리는 거의 확립되지 않은 상태였다.

이에 연구팀은 염화물(Cl‒)을 선형 티오시아네이트(SCN‒) 음이온으로 단계적으로 치환하는 전략을 통해 NH4Cl·HgCl2(1), HgCl(SCN)(2), Hg(SCN)2(3), NH4Hg(SCN)3(4)의 네 가지 자외선 투명 무기 결정을 체계적으로 합성하였다.

특히 Hg(SCN)2(3)는 546nm에서 Δn = 0.720의 실험 복굴절값(계산값 Δn = 0.754)을 나타내어, 현재 보고된 순수 무기 자외선 복굴절 결정 중 세계 최고 수준의 광학 이방성을 기록하였다. 또한 3.53eV의 넓은 밴드갭을 동시에 유지하여, 높은 복굴절성과 자외선 투과 특성을 함께 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 정밀한 구조 분석과 REDA(Response Electron Distribution Anisotropy) 이론 계산을 통해, 단순히 기능 단위의 밀도를 높이는 것만으로는 초고복굴절이 구현되지 않으며, 선형 기능 단위들이 동일 축 방향으로 얼마나 정렬되는지(coaxiality)가 결정적인 역할을 한다는 사실을 규명하였다.

흥미롭게도 NH4Hg(SCN)3(4)의 경우, 기능 단위의 밀도는 매우 높고 평면 정렬성 또한 우수했음에도 불구하고, 선형 모듈들이 동일 축 방향으로 배열되지 않아 복굴절 값이 감소하는 현상이 관찰되었다. 이는 기존의 ‘평면성 중심 설계 원리’만으로는 선형 기능 단위 기반 복굴절 시스템을 설명할 수 없음을 보여주는 중요한 결과이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 기존의 ‘평면 모듈 기반 복굴절 설계(coplanarity-driven design)’에서 ‘선형 모듈의 동축 정렬(coaxiality-driven design)’로 이어지는 새로운 구조-물성 상관관계를 제시하였다. 특히 기능 단위를 평면 구조에서 선형 구조로 단순화하는 ‘분자 수준 차원 축소(molecular-level dimensionality reduction)’ 개념과, 이에 따른 기능 단위 고밀도 집적 메커니즘을 함께 제안함으로써 초고복굴절 구현의 새로운 방향성을 제시하였다.

옥강민 교수는 “이번 연구는 선형 기능 단위들의 공간적 정렬 방식이 복굴절을 어떻게 지배하는지를 체계적으로 규명한 첫 사례”라며, “특히 동축 정렬(coaxiality)을 새로운 구조 인자로 제시함으로써 차세대 자외선 광학 결정 설계를 위한 새로운 이론적·실험적 기반을 마련했다”라고 설명했다. 이어 “개발된 물질은 높은 광학 이방성과 자외선 투과 특성을 동시에 가지면서도 순수 무기 결정 특유의 우수한 안정성을 지니고 있어, 차세대 레이저 광학소자, 편광 제어 장치, 광통신 및 자외선 광학 시스템 등 다양한 첨단 광학 분야에 응용될 가능성이 크다”라고 강조했다.

▶논문 제목: From Coplanarity to Coaxiality: A Linearity-Oriented Design Paradigm for Ultrahigh Ultraviolet Birefringent Inorganic Crystals

▶논문 링크 바로가기: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04217