서강대학교(총장 심종혁) 화학과 옥강민 교수와 물리학과 장준익 교수 공동연구팀이 서로 다른 세 가지 광학 활성 요소를 하나의 결정 안에서 효과적으로 배열하여 강력한 빛의 파장 변환 특성을 구현하는 새로운 광학 소재 설계 전략을 개발했다.

이번 연구는 화학과 박사후연구원 Zeng Wei 박사가 제1저자로, 옥강민 교수와 장준익 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 그 성과는 세계적 권위의 화학 학술지인 Journal of the American Chemical Society(JACS)에 게재되었다.

비선형 광학 소재는 레이저 빛의 파장을 바꾸어 새로운 파장의 빛을 만들어내는 핵심 재료로, 고성능 레이저, 정밀 광학 측정, 광통신 및 첨단 광자기술 등에 활용된다. 그러나 강력한 광학 성능을 구현하기 위해서는 단순히 빛에 잘 반응하는 성분들을 결합하는 것만으로는 부족하다. 결정 내부에서 이들이 어떤 방향으로 배열되고 서로 어떻게 상호작용하는지가 매우 중요하기 때문이다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 몰리브데넘(Mo), 과산화물(peroxide), 유기 분자가 결합한 새로운 결정 소재인 퍼옥소몰리브데이트(peroxomolybdate)에 주목했다. 특히 금속 이온에 결합하는 유기 분자의 배위 자리 수를 하나에서 세 개까지 변화시키는 '배위 자리 공학(coordination-site engineering)' 전략을 도입하여 세 종류의 새로운 결정을 합성했다.

이번에 새롭게 발견한 물질에서는 흥미롭게도 유기 분자의 결합 방식이 달라지자, 결정 내부의 원자 배열과 대칭성이 변화했으며, 서로 다른 광학 활성 요소들이 효과적으로 정렬된 비중심대칭 구조가 형성되었다. 연구팀은 이를 통해 유기 분자의 π-전자계, 몰리브데넘 금속 중심, 과산화물의 전자계가 함께 비선형 광학 특성에 기여할 수 있음을 확인했다.

가장 주목할 만한 성과는 빛의 파장 변환 성능이다. 새롭게 개발한 결정은 1300 nm 파장의 레이저를 조사했을 때, 대표적인 비선형 광학 표준물질인 KDP보다 무려 34.9배 강한 이차고조파 발생(SHG) 신호를 나타냈다. 또한 높은 레이저 조사 강도에서도 견딜 수 있는 우수한 특성을 보여 차세대 레이저 파장 변환 소재로서의 가능성을 제시했다.

특히 이번 연구는 화학과 물리학의 긴밀한 협력을 통해 이루어졌다. 연구팀은 새로운 결정의 합성과 구조 분석을 광학 특성 측정 및 이론 계산과 결합하여, 원자 수준의 구조 변화가 실제 광학 성능으로 이어지는 원리를 규명했다.

옥강민 교수는 “이번 연구의 중요한 성과는 단순히 강한 광학 신호를 나타내는 물질을 발견한 것이 아니라, 서로 다른 광학 활성 요소들이 결정 내부에서 협력하도록 설계하는 새로운 방법을 제시했다는 점”이라며, “이러한 설계 원리는 앞으로 다양한 고성능 광학 결정 개발에도 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

장준익 교수는 “이번 공동연구는 새로운 물질의 정밀한 광학 특성 측정과 분석을 통해 결정 구조와 빛의 파장 변환 성능 사이의 관계를 이해했다는 점에서 의미가 크다”며, “화학과 물리학의 융합연구가 차세대 광학 소재 개발에 새로운 가능성을 제시한 사례”라고 밝혔다.

이번 연구는 새로운 물질의 합성부터 구조 설계, 광학 성능 검증까지 화학과 물리학의 전문성을 결합한 공동연구 성과로, 향후 고성능 레이저 및 광자기술에 필요한 차세대 비선형 광학 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다.