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풍뎅이 외피에서 새로운 레이저 기술을 찾다

KAIST 연구팀, 글로리오사 풍뎅이 외피의 나선구조 모사해 새로운 형태 레이저 공진기 개발

대전 = 김상현 기자 ㅣ sisa411@sisajournal.com | 승인 2018.07.03(Tue) 14:43:24

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풍뎅이를 보고 영감을 받은 신개념 레이저 공진기가 개발됐다. KAIST는 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 한국화학연구원 김윤호 박사와 공동 연구로 머리카락 굵기 수준의 캡슐형 레이저 공진기를 개발했다고 7월3일 밝혔다. 공진기는 레이저 결정에서 나오는 빛을 증폭하는 역할을 한다.

 

연구팀이 이번에 개발한 캡슐형 레이저 공진기는 크리슈나 글로리오사 풍뎅이(Chrysina gloriosa)에게서 영감을 얻었다. 이 풍뎅이는 좌측에 원편광(circular polarization)된 빛을 비추면 나뭇잎과 비슷한 초록색을 띤다. 반대로 우측에 원편광된 빛을 비추면 아무 색도 보이지 않는 독특한 특성이 있다. 

 

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연구진은 글로리오사 풍뎅이의 외피와 같은 구조를 미세 캡슐에 탑재해 레이저 공진기를 개발했다. 이 기술은 치료용 레이저 등 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

 

글로리오사 풍뎅이가 편광 방향에 따라 다른 색을 보이는 이유는 외피에 있는 왼쪽 나선구조 때문이다. 이 나선구조는 동일한 방향의 원편광 빛만을 선택적으로 반사해 반사색을 보인다. 액정(Liquid crystals)에 이와 같은 나선구조를 적용하면 글로리오사 풍뎅이의 외피처럼 편광 방향에 따른 반사 특성을 보인다. 

 

보통 레이저 결정에서 나오는 빛은 특별한 방향성이 없이 사방으로 퍼져나가기 때문에 공진기 속에 거울을 넣어 일정한 방향으로 유도한다. 하지만 이번에 개발한 기술은 특정 파장의 빛을 제어할 수 있기 때문에 보통의 레이저와 달리 거울 없이도 레이저 공진기를 구현할 수 있다. 

 

기존의 액정을 활용한 레이저 공진기는 필름 형태가 많았다. 다만 필름 형태의 공진기는 레이저의 발광 방향이 고정돼 있고 크기가 커 미세한 부분 사용이 어려웠다.

 

이와 달리 캡슐형 레이저 공진기는 머리카락 크기 수준의 작은 크기 구현이 가능하며 삼중 구조로 구성돼 공기 중에서도 안정적인 구형 유지가 가능하다. 레이저 발광이 캡슐 표면을 따라 수직 발생해 3차원의 전방향(omnidirectional) 레이저 발광이 가능하다는 것도 큰 장점이다. 

 

기계적으로 변형시켜 발광 방향과 레이저의 세기를 조절할 수 있다는 것도 특징이다. 이와 함께 온도를 조절하면 액정의 나선구조 간격을 변화시켜 레이저 발광의 파장 조절까지 가능한 점 등 다양한 장점이 있다.

 

김신현 교수는 “이번에 개발한 캡슐형 레이저는 작은 크기와 높은 기계적 안정성을 가져 주사 및 이식을 할 수 있으며 국부적인 영역에만 조사할 수 있는 치료용 레이저로 사용할 수 있다”며 “인간은 자연에서부터 배우고 공학적으로 창조하게 됨을 증명한 연구이다”고 말했다.

 

이상석 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 사이언스 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 6월 22일자 온라인판에 게재됐다. ​ 

 

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