서강대 연구팀이 자외선 투과성과 초고복굴절 특성을 동시에 구현한 무기 광학결정을 개발하고, 복굴절 성능을 결정하는 새로운 설계 원리를 규명했다. 기존의 ‘평면 정렬’ 중심 설계 개념을 넘어 선형 기능 단위의 ‘동축 정렬’이 광학 이방성을 극대화한다는 사실을 밝혀낸 것이다.

서강대는 화학과 옥강민 교수 연구팀이 선형 기능 단위의 동축 정렬(coaxial alignment)을 활용해 초고복굴절을 구현하는 무기 광학결정 설계 전략을 개발했다고 5일 밝혔다.

복굴절은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 현상으로 레이저와 광통신, 편광 이미징, 정밀 센서 등 첨단 광학기술의 핵심 물성이다. 최근 광학소자의 소형화와 고집적화가 가속화되면서 높은 복굴절과 자외선 투과성을 동시에 갖춘 소재 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

연구팀은 염화물(Cl⁻)을 선형 티오시아네이트(SCN⁻) 음이온으로 단계적으로 치환하는 방식으로 4종의 자외선 투명 무기결정을 합성해 구조와 광학 특성을 비교 분석했다.

그 결과 Hg(SCN)₂ 결정은 546nm 파장에서 복굴절값(Δn) 0.720을 기록했다. 이는 현재 보고된 순수 무기 자외선 복굴절 결정 가운데 최고 수준이다. 또한 3.53eV의 넓은 밴드갭을 유지해 높은 자외선 투과 특성도 함께 확보했다.

연구팀은 정밀 구조 분석과 이론 계산을 통해 복굴절 성능이 단순히 기능 단위의 밀도나 평면 정렬 정도가 아니라, 선형 기능 단위가 동일 축 방향으로 얼마나 정렬돼 있는지에 의해 크게 좌우된다는 사실을 확인했다.

실제로 기능 단위 밀도와 평면 정렬성이 높은 결정에서도 동축 정렬이 이뤄지지 않으면 복굴절 성능이 낮아지는 현상이 관찰됐다. 연구팀은 이를 통해 기존의 ‘평면성 중심 설계’만으로는 선형 기능 단위 기반 광학 소재의 특성을 설명하기 어렵다고 분석했다.

이번 연구는 복굴절 소재 설계의 기준을 ‘평면 모듈 중심’에서 ‘선형 모듈의 동축 정렬 중심’으로 확장했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 기능 단위를 평면 구조에서 선형 구조로 단순화하는 새로운 설계 개념도 함께 제시했다.

옥강민 교수는 “선형 기능 단위의 배열 방식이 복굴절 특성을 어떻게 지배하는지를 체계적으로 규명한 첫 사례”라며 “동축 정렬이라는 새로운 구조 인자를 제시함으로써 차세대 자외선 광학결정 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.

이어 “개발된 소재는 높은 복굴절과 자외선 투과성, 무기결정 특유의 안정성을 동시에 갖춰 차세대 레이저 광학소자와 편광 제어 장치, 광통신, 자외선 광학 시스템 등에 활용될 가능성이 크다”고 밝혔다.

이번 연구는 서강대 비중심대칭재료물질연구단(CNCSM) 주도로 수행됐다. 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society·JACS)’에 게재됐다.