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. Multi-functional photonic structures

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.

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Figure 1. (a) random GaAs nanowire forest for selective photon absorption. (b) 1-dimensionally nano-/micro-multilayers. (c) 2-dimensionally micro-gratings.

2. 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.

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Figure 2. (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.

3. 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.

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Figure 3. (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.

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.

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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.