물리학과 첨단기술 DECEMBER 2015 37

연구실 개요

한림대학교 전자물리학과(2016년도에 “응용광물리학과”로 개

편 예정)처럼 소규모의 물리학과에서 연구실을 운영하는 경우,

교수 개인의 학문적 호기심에 기반을 둔 연구뿐 아니라 재학

생들의 사회 진출을 적극 지원하는 연구를 함께 진행하는 경

우가 많다. 본 연구실의 명칭에 포함된 두 가지 분야가 이 두

방향을 상징적으로 보여준다. 응집물질 분광학의 경우에는 강

유전체(ferroelectrics)와 반강유전체(antiferroelectrics) 등의 상

전이 물질, 그리고 릴랙서(relaxor) 및 구조 유리(structural

glass)처럼 다양한 무질서도를 보여주는 응집물질을 연구 대상

으로 한다. 상전이 과정 혹은 다양한 완화 과정(relaxation

processes)에 수반되는 동역학적 특성들을 연구하기 위해 브릴

루앙 산란(Brillouin scattering) 및 라만 산란(Raman scattering)

을 포함한 비탄성 광산란 분광법을 주요 실험 수단으로 활용

하고 있다. 다른 한편으로 디스플레이와 관련된 응용광학 분야

에서는 주로 디스플레이용 광원과 조명장치에 대한 광학 설계

및 특성 평가를 주제로 연구를 진행해 왔다. 이 글에서는 위에

언급한 주요 연구 분야를 좀 더 상세히 소개하면서 이러한 연

구가 한림대학교에서 진행된 전자물리학과의 학과특성화 및 인

재 육성과 어떻게 맞닿아 있는지도 함께 다루고자 한다.

주요 연구 분야

1. 고분해능 광대역 고압 분광장비 구축

시료에 입사된 여기광의 산란광을 측정하는 레이저 비탄성

분광법은 주로 브릴루앙 영역의 중앙에 위치한 광포논과 음향

포논, 마그논(magnon) 등의 저에너지 여기 과정을 연구하는

데 사용되어 왔다. 라만 산란법이 주로 광포논의 에너지를 측

정하는데 반해 브릴루앙 산란법은 음향 포논과 마그논 등 저

주파수의 산란 신호를 연구하는데 활용되었다. 본 연구실에서

는 탄뎀형 파브리-페롯 간섭계를 활용한 브릴루앙 산란 장비를

2009년에 구축하였고([그림 2] 참조) 올해 수퍼 노치 필터

(super-notch filter)를 장착한 라만 장비를 구축해 운영하고

있다. 브릴루앙 산란장비의 경우 수백 MHz에서 2 THz의 주파

수 영역에서 광산란 신호를 검출할 수 있고 라만 장비는 노치

필터의 장착으로 인해 300 GHz∼수백THz의 영역(약 10∼

5000 cm-1)을 커버한다. 따라서 두 분광법을 결합하게 되면 무

른 모드(soft mode)처럼 넓은 주파수 대역에서 변화가 심한 포

논을 측정하는 것이 매우 용이하다.

시료의 상전이 거동을 파악하기 위해서는 온도와 압력 같은

열역학적 변수를 광범위한 영역에서 변화시킬 필요가 있는데,

본 연구실 장비 상에서의 온도 및 압력 변화 범위는 각각 10

∼1700 K 및 상압 ∼50 GPa 정도로써, 온도 및 압력 변화

에 따른 상전이 특성을 정밀히 분석할 수 있다. 압력은 분광

측정용 다이아몬드 엔빌 셀을 이용해 인가하고 있다. 향후 압

력 인가 범위를 100 GPa까지 올리고 온도 및 압력을 동시에

가변할 수 있는 시스템도 갖출 계획이다. 아울러 같은 학과의

한림대학교

응집물질 분광학-디스플레이 연구실고 재 현

저자약력

고재현 교수는 서울대학교 물리학 학사(1992), 한국과학기술원 이학석사

(1996) 및 이학박사(2000) 학위를 받은 후 일본 Tsukuba 대학(2000-

2003)과 삼성코닝 주식회사(2003-2004)를 거쳐 2004년부터 현재 한림

대학교 자연과학대학 전자물리학과 교수로 재직 중이다.

(hwangko@hallym.ac.kr)

그림 1. 한림대학교 전자물리학과 응집물질 분광학-디스플레이 연구실 구성원.

(홈페이지: web.hallym.ac.kr/~jhko)

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광학 한계현상 연구실(박두재 교수)과 공동으로 테라헤르츠 분

광기를 설치할 예정이다. 테라헤르츠 분광법을 이용할 경우 라

만이나 브릴루앙 산란법의 선택 규칙(selection rule)에 의해

측정되지 않는 포논 모드들의 측정 및 연구가 가능해진다.

2. 극성 유전체의 상전이 거동 및 완화동역학 연구

강유전체 및 반강유전체는 비휘발성 메모리, 압전소자, 초전

소자, 각종 센서 등에 광범위하게 사용되는 기능성 물질일 뿐

아니라 상전이 물리학의 관점에서도 지난 반세기 동안 활발하

게 연구되어 왔다. 특히 상전이의 미시적 본질과 관련

해 무른 모드에 의해 추동되는 변위형(displacive) 상

전이와 특정한 자유도의 정렬과 관련된 질서-무질서형

상전이(order-disorder)라는 두 메커니즘에 대한 지속

적인 검토가 이루어져 왔다. 본 연구실은 가장 대표적

인 페로브스카이트(Perovskite)계 강유전체/반강유전체

인 BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, PbHfO3 단결정의 상전

이 과정에 동반되는 전조 현상(precursor phenomena)

을 브릴루앙 산란법, 유전상수 측정, 복굴절 측정 등

을 통해 조사하면서 상전이의 성격에 관한 논의를 진

전시켜 왔다. 브릴루앙 산란 스펙트럼에서 얻어지는

음향 포논의 주파수(에너지)로부터 음향파의 음속도

및 이와 관련된 탄성계수를 계산할 수 있다. 음파의

진행에 따른 질서변수(분극)의 변화는 역으로 음파의

속도(및 탄성계수)에 영향을 주어 [그림 3]에서 볼 수

있는 것처럼 특정 탄성계수의 변화를 일으키고, 이는

해당 물질의 특별한 구조적 불안정성과 연관되어 있

다. 역사적으로 상당히 많은 연구가 진행되어온 이들

페로브스카이트계 물질들에 대해 탄성계수와 같은 기

본적 물성이 아직까지 정밀히 측정되어 있지 않다는

것은 상당히 의외의 상황이다. 탄성계수는 해당 결정

내 원자간 힘에 대한 직접적인 정보를 제공함으로써

보다 정밀한 제일원리계산이 이루어질 수 있는 토대

가 되기도 한다. 본 연구실에서는 전통적인 강유전체

뿐 아니라 최근 세계 최초로 Pb(Zr1-xTix)O3(PZT) 단결

정 성장에 성공한 캐나다 Simon Fraser 대학과의 공

동연구를 통해 PZT의, 그리고 한국연구재단 한중협력

지원사업의 일환으로 중국 상해세라믹연구소와 공동

으로 비납계 압전 단결정의 탄성 특성 연구를 진행하

고 있다.

본 연구실에서 진행되고 있는 또 다른 연구 주제는

릴랙서와 같은 무질서계의 완화동역학에 대한 것이다.

Pb(Zn1/3Nb2/3)O3이나 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3로 대표되는 강

유전성 릴랙서는 나노 스케일의 국소적인 극성 영역

이 형성되고 각 영역의 분극이 무질서도를 보이는 복잡성이

발현됨과 동시에 높은 압전 특성을 띠는 등 풍부한 응용성으

로 인해 활발하게 연구되어 왔다. 스핀 유리, 쌍극자 유리와

비슷하게 릴랙서 역시 극성 영역의 완화현상이 동역학적 특성

을 좌우하게 되고, 특히 온도를 낮춤에 따라 완화현상의 특성

주파수가 GHz 이상에서 mHz 대역으로 변화하는 전형적인 동

결(freezing) 현상을 나타낸다. 본 연구실에서는 고주파수 대역

에서는 라만산란과 브릴루앙 산란법을 활용하고 저주파수 대역

에서는 광자 상관(photon correlation) 분광법이나 유전분광법

그림 2. 고압 브릴루앙 산란장비의 개략도. [출처: 고재현 외, 한국광학회지 24, 279 (2013)]

그림 3. PbZrO3 단결정의 브릴루앙 산란주파수와 반치폭(왼쪽) 및 탄성계수의 온도의존성.

[출처: (왼쪽) J. -H. Ko et al., Phys. Rev. B 87, 184110 (2013), (오른쪽) A. K.

Tagantsev et al., Nat. Commun. 4, 2229, supplementary information (2013)]

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을 활용해 최대한 넓은 주파수 대역에서 릴랙서의 완화동역학

을 분석해 왔다. 아울러 전기장 인가가 릴랙서의 완화동역학

및 상전이 특성에 미치는 영향을 분석해서 전기장-온도 상도표

(E-T phase diagram)를 제안하는 등 릴랙서가 보이는 우수한

압전특성의 미시적 원인을 규명하기 위한 연구를 진행하고 있

다. 이러한 연구의 궁극적 목표는 스핀 유리, 쌍극자 유리, 릴

랙서 및 구조 유리를 포함한 다양한 무질서 계의 동역학적 보

편성을 해명하는 것이 될 것이다.

3. 고압 분광법 적용을 통한 비정질 물질의 상태방정식 연구

구조 유리와 같은 비정질물질들의 미시 구조는 온도 및 압

력 인가에 의해 변화를 겪는다. 특히 압력 인가에 따른 비정질

물질의 물성 변화는 비정질 물질에 대한 물리적 이해의 측면

뿐 아니라 응용의 측면에서도 매우 중요한 의미를 갖는다. 본

연구실은 국방과학연구소가 지원하는 “고압충격/폭발현상 해석

기법 특화연구실”에 참여, 비정질물질의 상태방정식(압력에 따

른 밀도 변화) 측정 관련 연구를 수행하고 있다. 다이아몬드

압력 셀과 브릴루앙 산란법을 결합하고 다양한 산란 구도를

이용할 경우 압력에 따른 음속도, 탄성계수, 굴절률, 그리고 밀

도 데이터를 모두 구할 수 있어서 가령 높은 압력과 같은 극

한 조건 하 비정질물질의 동역학적 특성을 해명하기 위한 소

중한 데이터를 제공할 수 있다. [그림 4]는 대표적인 고분자

물질 중 하나인 PMMA(Polymethyl methacrylate)의 압력 인

가에 따른 굴절률 및 밀도 변화를 보여주고 있다. 그림 내에

실험에 사용된 다이아몬드 엔빌 셀과 압력 측정용 루비의 형

광 스펙트럼이 포함되어 있다.

4. 디스플레이용 광원 및 조명 장치의 광학 설계 및 특성

평가

본 연구실은 광부품 관련 회사와 LCD용 백라이트를 개발한

것이 계기가 되어 지난 10년 간 LED 백라이트, 분리형 LED

램프, OLED 조명, 자동차 헤드라이트 램프 등 다양한 조명

장치에 대한 광학 설계 및 특성 평가 연구를 수행해 왔다. 보

다 구체적으로는 현재 분리형 형광체(remote phosphor)가 적

용된 LED 램프의 광학 구조 최적화, OLED 조명의 광추출 효

율 향상을 위한 광구조 설계, 지능형 자동차 헤드라이트 램프

의 광학 구조 설계 등에 대한 연구가 진행되고 있다([그림 5]

참조). 연구 수행을 위해 광선추적 기법에 기반을 둔 상용 소

그림 4. PMMA의 압력에 따른 굴절률과 밀도. [출처: M.-S. Jeong et al.,

Curr. Appl. Phys. 15, 943 (2015)]

그림 5. (위) 분리형 형광체 기반 LED 조명 시뮬레이션 과정, (아래) 광결정이

적용된 OLED 조명의 시뮬레이션 결과(광결정 반지름에 따른 광추출효율 변

화).

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프트웨어와 전자기 해석 시뮬레이션 소프트웨어, 조명 특성 측

정을 위한 배광기 및 적분구, 휘도분광계 등을 구비하고 있다.

디스플레이 및 조명과 같이 넓은 응용성을 갖는 분야에 대한

연구는 대학원생 및 학부생들의 사회 진출 기회를 넓히는 데

있어서 매우 중요하다. 본 연구실에서는 지난 10년 간 응용광

학 분야로 18명의 석사학위 수여자 및 40여 명의 학사 학위

수여자를 배출했고 이들 대부분은 응용광학 분야 산업체나 관

련 연구소로 진출해 있는 상황이다. 아울러 석사과정 이병완

군이 올해 미래창조과학부 장관상(원천기술 부문 대상)을 수상

하는 등 활발한 수상 성과도 거두어 왔다.

향후 전망

본 연구실에서는 그 동안 페로브스카이트 계열 강유전체, 반

강유전체 및 릴랙서를 포함한 다양한 극성 물질들의 상전이

거동과 완화 동역학을 비탄성 광산란 분광법을 이용해 연구해

왔다. 최근 이 분야에서는 상전이의 성격과 우수한 압전 특성

의 미시적 원인을 밝히는 흥미로운 논문들이 계속 발간되고

있고 본 연구실에서 보고한 결과들 역시 학문적 토론의 활성

화에 기여해 왔다. 특히 이들 물질에 대한 탄성 특성의 정밀한

계측은 광범위한 응용을 위한 기초 데이터를 확보한다는 측면

외에 실험과 이론 사이의 정합성에 기반한 모델 수립에 있어

서도 매우 중요한 기여를 할 수 있다. 지난 수 년 간 전통적인

강유전체에 대해 진행되어 온 연구에 기반해서 지금은 PZT 단

결정 및 비납계 압전 단결정에 대한 연구로 연구의 외연을 확

장해 나가고 있다. 현재 국내에서 고압 브릴루앙 산란 실험과

고압 라만 산란 실험을 같이 진행할 수 있는 곳은 본 연구실

이 유일할 것이다. 따라서 광범위한 온도와 압력 조건하에서

응집물질의 분광 특성, 특히 음향 포논과 광포논의 거동에 관

심을 가지는 연구자들과의 공동 연구도 더욱 활성화될 것으로

기대된다.

응용광학 분야의 연구는 학과 재학생들의 사회 진출을 지원

한다는 측면에서 또 다른 중요성을 갖는다. 디스플레이용 광원

및 조명 분야에서 이루어지는 산학 연구과제의 수행이나 산업

체 인턴 수행이 졸업생의 취업으로 연결될 가능성이 높기 때

문이다. 국내 광산업체의 규모와 인력 수요가 증가함에 따라

적절한 전공 역량을 가진 졸업생들의 사회 진출 기회는 지속

적으로 확대될 것으로 기대된다. 한림대학교 전자물리학과는

이런 추세를 고려해서 학과의 특성화 방향으로 응용 광학 분

야를 선정하였고 내년도에 학과명을 응용광물리학과로 변경하

고 교과과정의 개편도 단행할 예정이다. 학과 내 개별 연구실

들의 연구 활동이 학과의 특성화와 밀접히 연관되고 이를 통

해 소규모 물리학과가 당면해 있는 문제들을 성공적으로 극복

하는 전범을 만들고자 하는 것은 필자를 포함한 학과 교수들

의 공통된 바람이자 목표이다.