화학공학과 김동환 교수 연구팀(제1저자 문병석 박사)이 한국과학기술원(KAIST) 김영진 교수, 울산과학기술원(UNIST) 곽상규 교수와의 공동연구를 통해, 원자 단위의 무질서 구조를 갖는 새로운 상향변환 재료를 활용하여 마이크로레이저의 초소형화 및 초고효율화에 성공했다.

이번에 개발된 마이크로레이저는 머리카락 두께의 수십 분의 일만큼 작음에도 불구하고 광 집적회로(Photonic Integrated Circuits)의 광원 역할을 하는 핵심적인 소자로, 인텔의 광통신 칩(Intel® Silicon Photonics)에 사용되는 등 광학 소자의 새로운 미래로 주목받고 있다.

이에 많은 국내외 연구진은 마이크로레이저를 초소형화하고, 적은 에너지로 구동할 수 있도록 노력해왔다. 하지만 레이저는 소형화할수록 빛을 가두고 증폭시키기기 어려워 소형화와 효율성을 모두 만족하는 레이저 개발에 어려움이 있었다.

공동연구진은 이와 같은 기존 과학계의 한계를 레이저 재료 내에서 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 기술을 통해 극복했다.

본 연구를 통해 개발된 상향변환 마이크로레이저는 실용화 단계를 거쳐 ‘단일 분자 수준 생체분자 검출’, ‘살아있는 세포 내부 생체분자 농도 실시간 모니터링’ 등 의료 진단기술의 수준을 끌어올릴 수 있다. 또한 광 집적회로의 광원으로도 사용이 가능해 차세대 고부가가치 분야의 핵심기술로 활용될 것으로 기대된다.

김동환 교수는 “본 연구는 기존에 널리 사용되어온 결정질 구조의 상향변환 재료의 고정관념을 벗어나 재료의 무질서 구조를 적극적으로 활용함으로써 마이크로레이저의 소형화뿐만 아니라 효율성 한계까지 극복한 최초의 사례이며, 향후 제조 공정 자동화 및 집적화를 통해 활용성을 극대화할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원 중견연구자사업, 휴먼플러스융합연구개발챌린지사업, 집단연구지원사업(ERC), 개인기초연구, 세종과학펠로우십 및 교육부 지원 박사후국내연수사업으로 수행되었으며, 성균관대학교-한국과학기술원-울산과학기술원의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 과학전문지인 Nature Communications(IF: 14.919, JCR 분야 상위 4.79%)에 7.21(수) 게재되었다.

※ 논문명 : Continuous-wave upconversion lasing with a sub-10 W cm-2 threshold enabled by atomic disorder in the host matrix

[그림1]
(a) 액화-급랭 비정질화를 활용한 상향변환 마이크로레이저 제조 모식도
(b) 상향변환 마이크로레이저의 SEM 이미지
(c) 상향변환 마이크로레이저의 속삭임회랑모드 레이저 발광 모식도

[그림2]
(a) 적외선 레이저 광원 파워에 따른 적색 영역 상향변환 레이저 발광
(b) 10 W cm-2 이하 파워에서 구현된 상향변환 레이저 발광
(c) 상향변환 레이저 피크의 세기 및 선폭으로 확인된 레이저 문턱값(4.7W cm-2)

[그림3]
(a) 실리카가 코팅된 결정질 상향변환 나노입자 및 액화-급랭 비정질화를 거친 원자단위 무질서 구조
(b-d) 도핑된 란탄족 이온인 Yb3+(b), Er3+(c) 및 호스트 매트릭스(d)가 갖는 포논 상태밀도