서강대학교(총장 심종혁) 화학과 옥강민 교수 연구팀이 짧은 파장의 자외선(SWUV) 영역에서 초고성능 복굴절을 구현할 수 있는 새로운 무기 결정 설계 전략을 제시하고, 이를 기반으로 고성능 신물질을 개발했다.

이번 연구는 옥강민 교수가 교신저자, Chen Chong-An 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 Journal of the American Chemical Society에 게재됐다.

복굴절은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 서로 다른 속도로 진행하는 현상으로, 빛의 방향과 속도, 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 특성은 레이저, 반도체 리소그래피, 광통신, 정밀 센서 등 첨단 광학 기술의 핵심 요소로 활용된다.

그러나 짧은 파장의 자외선 영역에서는 넓은 밴드갭과 높은 광학 이방성을 동시에 만족시키기 어려워 고성능 복굴절 소재 개발이 제한돼 왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘밀도 보상형 분극률 이방성’ 설계 전략을 제안했다. 이는 개별 구조 단위의 이방성을 키우는 기존 방식과 달리, 선형 음이온을 고밀도로 정렬해 거시적 광학 이방성을 높이는 접근이다.

이를 바탕으로 시아네이트 음이온(NCO–)과 d10 전이금속(Hg²⁺, Cd²⁺)을 결합해

△K[Hg(NCO)₂]Cl △K[Cd(NCO)₃] △K₂[Hg(NCO)₄] △K₂[Cd(NCO)₄] 등 4종의 새로운 무기 결정을 설계·합성했다.

이들 물질은 229~254nm 자외선 영역에서 투과 특성을 유지하면서도 최대 Δn≈0.511(@546nm)의 높은 복굴절 값을 나타냈다. 특히 일부 화합물은 현재까지 보고된 SWUV 무기 복굴절 결정 가운데 최고 수준 성능을 기록했다.

연구 결과, 성능 향상은 선형 (NCO)– 단위의 고밀도 집적과 d10 금속 이온에 의해 유도된 정렬 구조가 결합된 데 따른 것으로 나타났다. 즉, ‘높은 밀도와 방향성 정렬’이 광학 이방성을 극대화하는 핵심 요인으로 확인됐다.

옥강민 교수는 “밴드갭과 이방성 간 상충 관계를 구조 설계 전략으로 해결한 사례”라며 “자외선 레이저와 초정밀 광학 시스템, 차세대 포토닉스 소재 개발에 활용 가능성이 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌리더연구과제 지원으로 수행됐다.