세상을 바꾸는 화학 : 컴퓨터와 인터넷 새로운 재료

전승준( 고려대학교 화학과 )

20 세기의 획기적 발전 원동력물리 : 양자역학 - 반도체 화학 : 인조 고분자 합성

20 세기 전반부

- 전기 이용- 전화- 나일론 : 인조섬유- 플라스틱- 항생제

20 세기 후반부

- 컴퓨터- 인터넷- 무선전화- 생명과학- 우주여행

세상을 변화시켰던 과학기술

기계식 계산기

지난 컴퓨터와 인터넷 기술과 재료

기계식으로 작동하여 사칙 ( 덧셈 , 곱셈 뺄셈 , 나눗셈 ) 계산한다 .

예 : 주판 ( 수판 ), 기계식 사칙 계산기

디지탈식 컴퓨터의 원조

지난 컴퓨터와 인터넷 기술과 재료

애니악 (ANIAC) : 최초 디지탈식 진공관 컴퓨터 , 무게 30 톤 , 2 만개 진공관 ,

미국 펜실베니아대학의 존 프레스퍼 에커트 2 세 , 존 모클리 1946 년 개발

유니박 (UNIVAC) : 최초 상업용 컴퓨터

컴퓨터의 발전

제 1 세대 (1940 중 -1950 후 ) : 진공관

제 2 세대 (1950 후 -1960 중 ) : 트랜지스터

제 3 세대 (1960 중 -1970 중 ) : 집적회로 (IC)

제 4 세대 (1970 중 - 현 재 ) : 마이크로프로세서

제 5 세대 ( 미래 ------ ) : ?

우리들의 계산

10 진법

12 : 2 10

디지털 계산 원리

컴퓨터의 계산

2 진법

0 0 1 1 2 10 3 11 4 100

· ·

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

컴퓨터와 이진법

0 : 꺼진 상태 1 : 켜진 상태

전기가 흐르게 하고 안흐르게 하는 상태를 트랜지스터를 이용하여 만듬

트랜지스터 : 반도체 ( 규소화합물 )

규소화합물 – 모래의 성분

전기의 흐름 : 전자의 이동

컴퓨터 : 모니터 , 정보기록매체 , 구리선 , 반도체소자

p-n transistor

• 전류를 한쪽으로만 흐르게 함

원자의 구조

• 핵 : 무거움 . 양전하

• 전자 : 가벼움 . 음전하

• 무거운 원자일수록 전자의 수가 많아짐

원자의 종류 : 주기율표

새로운 컴퓨터와 인터넷 기술과 재료

전자의 움직임 보다 빠른 것은 ?

빛 : 전자기파

전자기 복사선 ( 맥스웰 :1865)

- 빛은 전자기 복사선 : 빛의 진행 방향에 수직으로 상호 수직인 전기장 , 자기장 존재

- 진공 중에서 진행 속력 : c = λν = 2.9979 ×108m s-1

전자의 이동 → 빛의 이동

구리선 → 광섬유

빛을 스위칭 하기 위한 방법

파동의 간섭현상 : 빛도 파동임으로 간섭현상

보강간섭 : 켜짐

상쇄간섭 : 꺼짐

빛을 스위칭하는 방법 과 재료빛을 스위칭하는 방법 과 재료

비선형광학물질 : 전기장에 의하여 빛의 굴절율 , 즉 빛의 속도가 달라짐 .

마하젠더 빛변조기 – 광도파 이용

컴퓨터와 인터넷 기기의 재료

가까운 미래의 가장 중요한 산업 : 정보통신

각종 정보통신기기 : 컴퓨터 , 전화 , 비디오등

기기의 소재

• 과거 , 현재 : 전자기기 ( 실리콘 기반 반도체 소재 )

• 현재 , 가까운미래 : 광전자기기 ( 각종 반도체 및 무기결정 )

• 미래 : 광기기 ( 유기 , 고분자 , 유무기복합재료 )

The materials which exhibit a large non-linear dependence ofoptical phenomena on the light intensity

Nonlinear Optical Phenomena

-Second Harmonic Generation (Frequency doubling)-Pockels Effect-Third Harmonic Generation (Frequency Tripling)- Kerr Effect- Degenerate Four-Wave mixing

Application

-Frequency doubling, tripling, mixing-Electro-Optic Modulator-Optical Switching -Optical Information Storage

What is Nonlinear Optical (NLO) Materials ?

Molecular View : dipole moment

Macroscopic View : Polarization

ij

ijk

ijkl

: linear (first-order) polarizability

: second-order polarizability (first hyperpolarizability)

: third-order polarizability (second hyperpolarizability)

lkjkjjo EEEEEEPP )3()2()1(

6

1

2

1 )1()2()3(

)(i

: Linear (first-order)susceptibility

: Second-order susceptibility

: Third-order susceptibility

: rank i + 1 tensor

Interaction between Matter and Light

lkjijklkjijkjijo EEEEEE

6

1

2

1

Nonlinear Optical Phenomena

(Dipolar Molecules)

Linear Push-Pull Polyenes( 쌍극자형 분자 )

NH2

NO2

NMe2

NO2

DMNS

MolecularDipole

Electron donating group

Conjugate bridge

Electron withdrawing group

p-NA

분자의 대칭성에 따른 Optical Polarization(P)

Linear

Centrosymmetric

Noncentrosymmetric

Push-Pull type Polyenes 유기분자의 광학적 비선형성

P = (1)·E + (2)·E2 + (3)·E3 + · · ·

(2) = NFijk<cos3>

N : number density of NLO chromophoreF : local field factor : angle between applied electric field and crystal polar axis

Induced Material Polarization

(2) = 0

(2) >> 0

E

E

Octupolar Molecules( 팔중극자형 분자 )

C(CN)3

TATB

RuTPRuTB

CV

PNA

NPAN

NPP

j=3[10-30esu]

RuTB : Ruthenium(II)-tris(bipyridyl)

NPP : N-(4-nitrophenyl)prolinol, PNA : p-Nitroaniline

100

80

60

40

20

UREA-10 0 10 20 30

j=

3[10

-30 es

u]

C

N(CH3)2

N(CH3)2(H3C)2N

NO2

H2N

O2N

NH2

NO2

NH2

NN

NN

N

N

Ru

Zyss, J.; Ledoux, I. Chem. Rev. 1994, 94, 77.

Br2/Fe

CCl4

Br

BrBr Pyridine/220 oC3 h

CN

CNNC95 %

NEt2

NEt2

Et2N

67%

CuCN

CN

CNNC

80 %

EtOH/C6H6/reflux, 3~ 5 days

Br2/hv

3 hrs

CN

CNNC

Br

Br

BrP(OEt)3

tolueneCN

CNNC

P(O)(OEt)2

P(O)(OEt)2

(EtO)2(O)P

t-BuOK/THF

Et2NC6H5CHO/piperidine

Et2NC6H5CHO

(a)Octupole (b)

Figure 1. Design strategy for the octupolar supramolecules. (a) Two dimensional sheet produced by the interlocking interactions between the octupolar molecules. (b) Three dimensional assembly of the octupoles produced by the stacking of (a).

Multi-Photon Excitation

Photophysics of

= E + E2 + E3 +12

13!

() =82h2

n2C2L4Im(- )

Excitation rate N2 = Ie2

Cross section

2 ~ 10-50cm4s/photon

What is Two Photon Absorption (TPA)

Two-photon excited fluorescence image of Chromosome

3-D microstructure produced byTwo-photon-initiated polymerization

• Optical power limiting• Three-dimensional imaging using two-photon laser scanning• Three-dimensional optical data storage• Photodynamic therapy

Application of TPA

One photon vs. Two photon

Photodynamic theraphy(PDT)

Deep into body

훌륭한 과학적 발견과 발명을 위하여

· 정확하게 관찰하고 사실 그대로를 기록한다 . ( 후에 더 정확한 해석을 위하여 관찰과 기록이 더 중요함 )

· 왜의 물음을 어떻게의 물음으로 바꾸어본다 . ( 궁극적 과학적 원리는 누구도 모름 .)

· 지금 확실하다고 믿는 것도 틀릴 수 있다 . (100 년전에 맞다고 생각한 것의 상당수가 틀렸음 .)

· 여러 다른 분야의 것들도 관심을 가져야 된다 . ( 어려운 문제 해결의 열쇠는 엉뚱한 곳에서 얻을 수 있음 .)