기계/재료

푸지엔(福建)물질구조연구소 심자외선 비선형 광학결정체재료 연구 진전

발행일 : 2014 / 05 / 30

심자외선(DUV)레이저는 파장이 짧고, 광양자 에너지가 높은 등 장점을 지니고 있어, 고해상도 영상, 스펙트럼 응용, 미세가공 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 심자외선(DUV) 비선형 광학결정체를 이용한 주파수 변환은 DUV 레이저를 획득하는 주요 수단이다.

현재 중국은 세계적으로 유일하게 DUV 완전 고체 레이저기술을 보유한 국가에 속한다. KBe2BO3F2 (KBBF)는 현재 유일하게 주파수 배가를 통해 DUV레이저를 직접적으로 생성하는 비선형광학결정체로, BBO(barium borate), LBO(lithium triborate) 결정체 다음으로 개발된 세 번째의 “중국브랜드” 비선형 광학결정체에 속한다.

하지만 KBBF 생장과정에서 투입되는 베릴륨원료의 독성이 강한데다가 KBBF결정체 고유의 층상구조는 층과 층 사이의 결합력이 약하여 KBBF 층상 생장 경향이 강하기 때문에 여전히 실험실 연구개발단계에 머물고 있다. 따라서 베릴륨원료를 이용하지 않는 차세대 비선형 광학결정체를 개발하는 것은 중요한 의의를 지닌다.

중국과학원 푸지엔(福建)물질구조연구소 중국과학원 광전재료 화학물리중점실험실의 뤄쥔화(罗军华) 과제팀은 비교적 큰 사이즈의 알칼리족금속 양이온 Sr2+와 비선형 광학활성 element [BO3]3-을 이용해 처음으로 [SrBO3]∞ 평면층을 함유한 DUV 비선형 광학결정체 재료인 Li4Sr(BO3)2 (LSBO)를 제작하였다.

이 재료 중의 [SrBO3]∞ 평면층은 KBBF결정체 중의 [BO3] 비선형 활성 요소의 최적 배열방식(KBBF중의 [Be2BO3F2]층과 유사)을 유지한 동시에 [SrBO3]∞ 평면층 사이에는 [BO3]비선형 활성 요소를 통해 긴밀하게 연결되어 있다(층간 작용력은 KBBF의 4.7배). 이러한 구조로 인해 LSBO결정체는 적합한 복굴절률(birefringence)의 특성을 지니고 있으며, 상위 정합에 의한 효과적인 주파수 배가 출력을 실현할 수 있으며 KBBF보다 더욱 큰 비선형 광학효과를 지니고 있을 뿐만 아니라 KBBF결정체가 보유한 뚜렷한 층상 생장 습성을 극복할 수 있다. LSBO결정체의 광학 투과범위는 186nm까지 낮출 수 있으며, 게다가 습기를 빨아들이지 않고 경도가 적합하며, 가공하기 쉬운 장점을 지닌다. 이 결정체는 전통적인 풍산베릴륨염 심자외선 비선형 광학재료와는 구별되기 때문에 차세대 심자외선 비선형 광학재료로 각광받고 있으며, 해당 분야의 새로운 발전방향이다.

그외에도 중국과학원 물리화학기술연구소의 린저솨이(林哲帅) 연구원과 협력연구를 통해 해당 재료의 광학특성에 대해 이론계산을 하였고 비선형 광학효과의 공급원을 밝혔다. 관련 연구성과는 Nature의 자매지인 “Nature Communications”(Nat. Commun., 2014, doi:10.1038/ncomms5019)에 발표되었다.

이에 앞서 과제팀은 새로운 비선형 광학재료의 탐구 및 주파수 배가 메커니즘 연구에서 CsZn2B3O7(Inorg. Chem., 2014,53, 2521–2527), CdTeMoO6(J. Mater. Chem. C, 2013,1, 2906–2912), ZnTeMoO6(RSC Adv., 2013,3, 14000–14006) 등의 많은 성과를 올렸다. 분자 광전기 결정체재료에 대한 연구에서도 중요한 성과를 거뒀고, 관련 성과는 Adv. Mater., 2013, 25, 4159–4163; Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 3871–3876; Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 4855–4861 등이 포함된다.