디스플레이/에너지 소자 핵심 소재인 다이아몬드 광결정 세계 최초 구현
이승우 교수 연구 결과, ‘Science’ 게재
30년 난제 해결

▲ 이승우 융합에너지공학과/KU-KIST 융합대학원 교수

융합에너지공학과/KU-KIST 융합대학원 이승우 교수와 팀 리들(Tim Liedl) 뮌헨 루트비히막시밀리안대 교수 연구팀은 세계 최초로 다이아몬드 광결정(Photonic crystals)을 구현했다.

이번 연구 결과는 ‘Science’ 지에 한국 시각으로 5월 17일 온라인 게재됐다.
- 논문명 : Diamond-lattice photonic crystals assembled from DNA origami, Science, vol. 384, Issue 6697, pp. 781 (2024)
- 논문 URL : https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2733

빛의 반도체라고 불리는 광결정은 광밴드갭(photonic bandgap)에 의해 원하는 파장 대역의 빛을 모든 방향으로 반사할 수 있기 때문에 컬러형 복사냉각기, 이미지 센서, 디스플레이, 태양전지, 레이저의 핵심 광학 소재로 널리 이용되어 왔다. 광결정에서 다이아몬드 격자구조(diamond lattice)가 챔피언(champion)이라는 것은 1990년 초중반, UC 버클리대(UC Berkeley)의 엘리 야블로비치(Eli Yablonovitch) 교수 등에 의해 알려졌다. 이는 다이아몬드 격자구조(diamond lattice)가 광밴드갭을 가장 크게 열 수 있기 때문인데, 특히 직접 막대 연결형(direct-rod connected type)의 다이아몬드 격자구조(diamond lattice)가 챔피언(champion)임은 2000년 초반 MIT의 에드윈 L. 토마스(E. L. Thomas) 교수팀에 의해 한 번 더 정립되었다.

그런데도 지금까지 구현된 사례가 없었다. 다이아몬드 광결정이 3D complex 구조이기에 콜로이드와 같은 소프트 나노 재료의 자가조립(Self-assembly) 외에는 사실상 구현 방법이 없는데, 요구되는 구조의 부피 비중이 대개 40% 이하로 너무 낮다 보니, 조립 안정성이 나오지 못했기 때문이다.

2020년에 이승우 교수 연구실에서 DNA origami란 소프트 나노 재료를 통해 직접 막대 연결(direct rod-connected) 다이아몬드 광결정 구현이 가능하고 챔피언(champion) 광밴드갭을 열 수 있음을 이론적으로 밝혀냈고,(https://doi.org/10.1021/acsabm.9b01171) 이번에 팀 리들(Tim Liedl) 교수팀과 함께 실험적으로 처음 구현하여 광밴드갭 구조 기반 광반사를 적외선/가시광 대역에서 실증해 내는 데 성공했다. 빛-물질의 상호작용에 기반한 다양한 에너지/디스플레이 소자를 혁신시킬 수 있는 새로운 전기가 마련됐다고 할 수 있다.

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▲ DNA origami로 자가조립 된 다이아몬드 광결정 전자현미경 이미지