ADVANCED PHOTONICS AND OPTOELECTRONICS LAB (APOL)
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Research
우리 연구실은 빛과 관련된 새로운 현상을 탐구하고 학습하며, 이를 이용하여 차세대 광학 소재와 최첨단 광전소자를 설계하고 개발하고자 합니다. 우리 연구실의 주요 연구 분야는 다음과 같습니다.
1. Semiconductor-based high-efficient flexible/stretchable optoelectronics
: 나노/마이크로 크기의 구조물에서의 광-물질 상호작용(Light-matter interaction)은 선택적 파장 흡수, 투명 전극(Transparent electrode), 색도 센서(Colorimetric sensor), 고흡수/반사, 메타 렌즈 등의 매우 다양한 기능을 가능하게 합니다. 우리는 기본적인 전자기파 원리를 공부하고 여기에 수치해석적 방법(예: FDTD 및 RCWA)을 활용하여 광-물질 상호작용의 동작 원리를 이해하고자 합니다. 그리고 이해를 토대로 다양한 적용 가능성을 가진 Photonic structure 를 설계/개발합니다.
Figure 1. (a) random GaAs nanowire forest for selective photon absorption. (b) 1-dimensionally nano-/micro-multilayers. (c) 2-dimensionally micro-gratings.
2. Bio-inspired photonics/imaging
: 우리 인간의 눈은 하나의 수정체 렌즈와 곡면형의 망막, 들어오는 광량을 조절하는 홍채 등으로 이루어져 있습니다. 이는 우리가 사용하는 스마트폰의 카메라 구조와 비교했을 때 매우 간단하고 소형화된 시스템입니다. 이러한 인간의 눈 이외에도 자연계에 존재하는 다양한 생물들의 눈은 구조적 간단함 이외에도 각자의 서식지 및 행동방식에 따른 진화를 거듭하며 고해상도, 암순응 (scotopic), 고배율, 수륙양용, 무한 피사계 심도 (infinite depth of field) 등의 특징을 보이고 있습니다. 우리 연구실은 진화로 부터 탄생한 고성능/다기능성 눈을 모방하여 차세대 영상장치(next-generation imaging systems)을 설계 및 최적화하고 이를 제작하고자 합니다.
Figure 2. (a) A schematic for eye anatomy of aquatic animals. (b) The implemented imaging device by mimicking the aquatic vision system. (c) The representative imaging result by the final module.
3. Photonics/devices for energy-saving
: 온도를 가지는 대부분의 물체는 전자기파를 방출합니다. 방출된 전자기파는 물체의 온도에 따라 다른 파장, 다른 세기를 가집니다. 예를 들어, 6000 K 의 아주 뜨거운 태양은 자외선, 가시광선, 근적외선과 같은 파장(280 nm ~ 3000 nm)에 해당하는 전자기파를 방출하고, 300 K 의 인간에게 적당한 온도를 가진 지구는 약 10 um 파장의 장적외선을 방출합니다. 매질없이 광속으로 이동하는 전자기파의 특성 상, 우리 지구와 태양은 끈임없이 전자기파를 주고 받고 있으며, 그 사이에는 약 3 K 의 아주 낮은 온도의 우주가 존재합니다. 즉, 요약하면 태양-우주-지구가 6000 K, 3 K, 300 K 의 각기 다른 온도를 가지고 존재하고 있으며, 그들 간에 전자기파 교환은 계속 이뤄지고 있습니다. 이러한 전자기파 교환을 이용하여 친환경 에너지(e.g., 태양전지, 수소)를 얻을 수 있고, 물체를 가열(e.g., solar absorber)하거나 냉각(e.g., radiative cooler)할 수 있습니다. 이렇게 다양한 전자기파를 효율적으로 다루려면 새로운 광구조가 필요하며, 우리 연구실에서는 전자기파 교환을 열·전기적 분석과 결합하여 복사냉각, 태양광 발전, 그리고 이들의 통합시스템 등을 연구하고 있습니다.
Figure 3. (a) Solar absorbing water-splitting for generating hydrogen. (b) Zero-energy/-carbon radiative cooling for enclosure such as vehicles. (c) Cell efficiency improvements of all solar cells by radiative coolers.
4. Optical security devices/systems
: 가짜 소비재(counterfeit consumer products)는 매년 수십억 달러의 경제적 손실을 초래하고 있습니다. 명품에 대한 가품도 문제이지만, 가짜 의약품은 사람들의 생명 안전을 위협하고 있습니다. 또한, 요즘과 같은 디지털 시대에서 개인의 정보에 대한 보안 및 프라이버시까지 심각하게 위협/침해받고 있습니다. 이러한 가품과 정보 보안에 대합 위협으로부터 안전해지기 위해서는 '인증 (authentication)' 절차가 필수적이며, 이를 위해서는 진품 및 개인의 정보 접근에 대한 식별자(identifier)의 검증이 성공적으로 이루어져야 합니다. 따라서, 이 식별자의 보안 수준이 전체 시스템 또는 제품의 보안 레벨을 결정할 수 있습니다. 우리 연구실에서는 이러한 식별자를 물리적으로 복제 불가능한 하드웨어(Physically unclonable functions; PUFs)로 구현하는 연구를 하고 있으며, 주로 광학적인 현상들을 이용하여 이를 수행하고 있습니다. 광학 현상을 이용해 PUFs 를 구현하게 되면, 공간 영역 이외에도 파장 영역 또한 사용할 수 있기 때문에 암호 용량이 기하급수적으로 늘어나게 되어 매우 뛰어난 보안 성능을 가질 수 있습니다.
Figure 4. (a) An optical anti-counterfeiting sticking composed of Si nanowire arrays and a-Si/Ag resonators. (b) A planar-plasmonic cavity for multi-spectral display in visible and thermal regions. (c) Optical physical unclonable function using a native silk.