층간소음해결·광섬유 등 신소재 개발 준결정 구조 내‘빛의 정지현상’발견 물질 내부를 통과하는 전자, 빛, 소리 등의 파동은 내부 산란체의 배열에 따라 다른 이동 메커니즘을 가진다. 산란체가 규칙적으로 배열돼 있는 결정 구조의 경우, 파동은 탄도성(Ballistic)으로 산란체의 영향을 받지 않고 그대로 직진해 물질을 통과한다. 반면, 산란체가 무질서하게 배열돼 있는 경우, 파동은 무수한 산란에 의해 확산성(Diffusive)으로 느리게 이동하게 된다. 그 결과로 파동의 강도가 진행하는 거리에 따라 선형적으로 감소하게 된다. Philip W. Anderson은 이러한 무질서한 구조의 무질서도(度)가 더 증가한 경우 산란체 간에 보강간섭(Constructive interference)을 일으키면서 거리에 따라 선형적으로 감소하는 양상에서 벗어나 파동이 정지(국부화 현상)한다는 사실을 발견했다. 이 결과로부터 금속내부의 무질서도를 높이면 금속이 절연체로 전이하는 현상을 이론적으로 유도해 1977년 노벨 물리학상을 수상한다.이후 Ioffe와 Regel에 의해 파동의 국부화 현상은 물질 내부에 존재하는 산란체간 평균자유이동거리가 파동의 파장과 비슷할 때 일어난다는 사실을 밝혔다. 산란 체들의 평균자유이동거리는 1차원 및 2차원 공간에 비해 3차원 공간에서 매우 크기 때문에 일반적으로 이 현상은 3차원 물질 내에서 관찰하기 어렵다. 이전의 3차원 공간 연구에서는 물질 내에 산란체를 무질서하게 배열하는 방법으로 산란 체들의 평균거리를 줄여 파동의 국부화 현상을 관찰했으나, 산란체의 무질서도(度)를 통제하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 제어할 수 없었다.준결정(Quasicrystal)은 산란체들이 일정하게 병진 및 회전 배열이 돼 있는 결정구조(Crystal))와는 달리 산란체들이 부분적으로 회전 배열만 돼 있는 것으로, 구조적으로 결정 구조와 무질서 구조의 특성을 모두 가지고 있지만 산란체 위치가 정확하게 결정돼 있어 공학적 설계가 가능하다. 소재들이 결정 혹은 비결정으로 분류됐던 기존의 통념을 깨고 새로운 형태의 구조가 존재한다는 것을 밝힌 공로로 Dan Shechtman박사는 2011년에 노벨화학상을 수상했다. 미래창조과학부는 “국내 연구진(KIST 허가현 박사 연구팀)이 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 준결정 구조 내에서 빛이 정지하는 국부화 현상을 발견 했다”고 밝혔다. 이러한 현상을 구현하는 준결정 구조의 소재를 개발함으로써 층간소음 해결, 빠르고 정확한 광통신을 위한 광섬유 개발 등의 가능성을 열었다.그동안 물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에 파동을 통과시켜 파동의 국부화 현상을 관찰했으나, 이러한 현상이 발생하는 비정질 소재에 대한 구조를 정의하고 재현하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 관찰할 수 없었다.연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 산란체들이 공간적으로 일정하게 배열돼 있는 결정질 소재와 산란체들이 무질서하게 흩어져 있는 비정질 소재의 중간적인 성격을 지니는 준결정 소재로부터 파동의 국부화 현상이 나타나는 것을 발견하고 그 메커니즘을 밝혔다. 이번 연구를 바탕으로 산란체 위치가 정확하게 결정돼 있는 준결정 구조를 이용해 파동의 국부화 현상을 일관되고 안정적으로 제어할 수 있게 됐다.연구결과를 광섬유에 응용하면 기존의 정보 및 신호전달 체계를 획기적으로 개선해 빠르고 정확한 통신망을 구축할 수 있을 것으로 전망되며, 다중산란에 의해 파동이 증폭되는 레이저 시스템에 적용할 경우 특정 주파수의 빛을 강하게 방출할 수 있어 지금보다 훨씬 강력한 레이저의 개발이 가능할 것으로 기대된다.준결정 구조를 방음벽에 이용할 경우, 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 층간소음을 획기적으로 저감할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.허가현 박사는 “기존의 통제하기 어려운 무질서한 구조에서만 관찰되던 파동의 국부화 현상을 구조 제어가 가능한 준결정 구조에서 발견함으로써, 이 현상을 훨씬 능동적으로 조절 할 수 있게 됐다”며 “향후 광섬유나 레이저 외에 다양한 분야에서도 파동의 국부화 현상을 활용한 응용 연구에 주력할 계획” 이라고 밝혔다.

층간소음해결·광섬유 등 신소재 개발

준결정 구조 내‘빛의 정지현상’발견

기사입력 2017-02-04 08:08:33

[산업일보]
물질 내부를 통과하는 전자, 빛, 소리 등의 파동은 내부 산란체의 배열에 따라 다른 이동 메커니즘을 가진다. 산란체가 규칙적으로 배열돼 있는 결정 구조의 경우, 파동은 탄도성(Ballistic)으로 산란체의 영향을 받지 않고 그대로 직진해 물질을 통과한다.

반면, 산란체가 무질서하게 배열돼 있는 경우, 파동은 무수한 산란에 의해 확산성(Diffusive)으로 느리게 이동하게 된다. 그 결과로 파동의 강도가 진행하는 거리에 따라 선형적으로 감소하게 된다.

Philip W. Anderson은 이러한 무질서한 구조의 무질서도(度)가 더 증가한 경우 산란체 간에 보강간섭(Constructive interference)을 일으키면서 거리에 따라 선형적으로 감소하는 양상에서 벗어나 파동이 정지(국부화 현상)한다는 사실을 발견했다. 이 결과로부터 금속내부의 무질서도를 높이면 금속이 절연체로 전이하는 현상을 이론적으로 유도해 1977년 노벨 물리학상을 수상한다.

이후 Ioffe와 Regel에 의해 파동의 국부화 현상은 물질 내부에 존재하는 산란체간 평균자유이동거리가 파동의 파장과 비슷할 때 일어난다는 사실을 밝혔다. 산란 체들의 평균자유이동거리는 1차원 및 2차원 공간에 비해 3차원 공간에서 매우 크기 때문에 일반적으로 이 현상은 3차원 물질 내에서 관찰하기 어렵다.

이전의 3차원 공간 연구에서는 물질 내에 산란체를 무질서하게 배열하는 방법으로 산란 체들의 평균거리를 줄여 파동의 국부화 현상을 관찰했으나, 산란체의 무질서도(度)를 통제하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 제어할 수 없었다.

준결정(Quasicrystal)은 산란체들이 일정하게 병진 및 회전 배열이 돼 있는 결정구조(Crystal))와는 달리 산란체들이 부분적으로 회전 배열만 돼 있는 것으로, 구조적으로 결정 구조와 무질서 구조의 특성을 모두 가지고 있지만 산란체 위치가 정확하게 결정돼 있어 공학적 설계가 가능하다. 소재들이 결정 혹은 비결정으로 분류됐던 기존의 통념을 깨고 새로운 형태의 구조가 존재한다는 것을 밝힌 공로로 Dan Shechtman박사는 2011년에 노벨화학상을 수상했다.

파동의 국부화 현상(Wave Localization)의 개략도

미래창조과학부는 “국내 연구진(KIST 허가현 박사 연구팀)이 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 준결정 구조 내에서 빛이 정지하는 국부화 현상을 발견 했다”고 밝혔다.

이러한 현상을 구현하는 준결정 구조의 소재를 개발함으로써 층간소음 해결, 빠르고 정확한 광통신을 위한 광섬유 개발 등의 가능성을 열었다.

그동안 물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에 파동을 통과시켜 파동의 국부화 현상을 관찰했으나, 이러한 현상이 발생하는 비정질 소재에 대한 구조를 정의하고 재현하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 관찰할 수 없었다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 산란체들이 공간적으로 일정하게 배열돼 있는 결정질 소재와 산란체들이 무질서하게 흩어져 있는 비정질 소재의 중간적인 성격을 지니는 준결정 소재로부터 파동의 국부화 현상이 나타나는 것을 발견하고 그 메커니즘을 밝혔다.

이번 연구를 바탕으로 산란체 위치가 정확하게 결정돼 있는 준결정 구조를 이용해 파동의 국부화 현상을 일관되고 안정적으로 제어할 수 있게 됐다.

연구결과를 광섬유에 응용하면 기존의 정보 및 신호전달 체계를 획기적으로 개선해 빠르고 정확한 통신망을 구축할 수 있을 것으로 전망되며, 다중산란에 의해 파동이 증폭되는 레이저 시스템에 적용할 경우 특정 주파수의 빛을 강하게 방출할 수 있어 지금보다 훨씬 강력한 레이저의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

준결정 구조를 방음벽에 이용할 경우, 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 층간소음을 획기적으로 저감할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.

허가현 박사는 “기존의 통제하기 어려운 무질서한 구조에서만 관찰되던 파동의 국부화 현상을 구조 제어가 가능한 준결정 구조에서 발견함으로써, 이 현상을 훨씬 능동적으로 조절 할 수 있게 됐다”며 “향후 광섬유나 레이저 외에 다양한 분야에서도 파동의 국부화 현상을 활용한 응용 연구에 주력할 계획” 이라고 밝혔다.