수상자 상세정보
수상자 상세정보
키랄 유기 광전자 소재 및 소자 개발을 통해 차세대 광학 감지기(센서) 및 광통신 기술의 실용화 가능성을 앞당긴 공로
ㅇ 초분자 키랄성을 이용한 고성능 원편광 감지 센서 개발
키랄성이란, 왼손과 오른손처럼 거울에 비친 듯하지만 겹쳐지지 않는 성질을 뜻한다. 키랄성 광전자 소재는 특정한 방향으로 회전하는 빛(원편광)을 감지하거나 방출할 수 있으며, 3D 디스플레이, 광통신 등에 활용된다. 기존 원편광 제어 기술은 별도의 광학 장치가 필요해 소형화가 어려웠으며, 키랄성 물질의 성능이 낮았다. 연구팀은 초분자 키랄성 개념을 도입해 키랄성이 증폭된 나선형 구조의 고분자 초분자체를 제작하는 데 성공했다. 열처리 후에도 구조를 유지하면서 반도체 성능에 영향을 주지 않는 방식으로, 기존 기술의 한계를 극복했다. 이를 통해 연구팀은 세계 최고 수준의 원편광 감지 센서를 개발했으며, 빛의 입사각과 관계없이 원편광 및 타원편광을 정밀하게 감지할 수 있음을 확인했다. 이 기술은 차세대 광통신, 디스플레이, 센서, 광컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
ㅇ 나선형 고분자 초분자체 제조 및 원편광 센서의 삼진법 광통신 적용
키랄성을 지닌 도펀트를 고분자 반도체에 도입하여 나선형 초분자체 박막을 형성했으며, 도입된 도펀트는 열처리 후 제거되어 반도체 성능에는 영향을 주지 않는 신개념 제조 기술을 개발하였다. 또한, 이 기술이 특정 물질에 한정되지 않고 여러 소재에 적용될 수 있음을 확인하였다. 이 현상의 원인이 고분자의 정렬된 나선형 구조와 강한 엑시톤 결합 때문임을 규명했다. 이를 바탕으로 세계 최고 수준의 원편광 분별 능력을 가진 유기 소재 기반의 원편광 센서를 개발했으며, 이진법보다 67% 빠른 속도의 삼진법 기반 광통신 시스템을 구현했다.
이달의 과학기술인상을 수상하게 되어 매우 기쁘고 감사합니다. 이번 수상은 함께 연구해 온 연구실 학생들과 졸업생들의 헌신과 노력, 그리고 훌륭한 동료 연구자분들의 도움과 조언 덕분에 가능했습니다. 이 자리를 빌려 깊은 감사의 말씀을 전합니다.
새 학기가 시작되면 언제나 바쁘지만, 특히 올해는 더 분주하게 느껴집니다. 학부에서는 교무부학부장을 맡고, 학회에서도 선임 학술이사로 활동하다 보니 행정 업무와 학술 관련 일정까지 세심하게 챙겨야 합니다. 그럼에도 불구하고 연구실 학생들과의 연구 논의는 절대 소홀히 하지 않으려고 노력하고 있습니다. 학생들과 함께 연구 결과를 논의하고, 새로운 실험 방향을 모색하는 과정에서 함께 성장하는 시간을 보내는 것이 큰 보람이기 때문입니다.
저는 유기물과 고분자를 기반으로 빛과 전기를 활용하는 다양한 전자소자를 연구하고 있습니다. 쉽게 말해, 전기가 잘 흐르는 유기 소재를 개발하고, 이를 활용해 더 작고 가벼우면서도 유연하고 신축성이 좋은 전자소자를 만드는 것입니다. 또한, 나노소재를 정밀하게 배열하고 그 구조와 특성을 조절하여 전기가 잘 전달되도록 하거나 빛을 효과적으로 흡수하는 방법을 찾고 있습니다. 이런 기술은 유기 전계효과 트랜지스터, 고효율 유기 태양전지, 그리고 공기 중 특정 물질을 감지하는 바이오 및 환경 센서 등에 활용될 수 있습니다. 특히, 전자 소재의 구조와 성질이 어떻게 연결되는지를 체계적으로 분석하여, 더욱 성능이 뛰어나고 안정적인 유기 및 고분자 전자 소재를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 궁극적으로는 기존의 전자 제품보다 더 친환경적이고 실용성이 높은 기술을 개발해, 우리 생활을 더욱 편리하게 만드는 데 기여하고자 합니다.
키랄성(Chirality)이란, 양손처럼 거울에 비친 듯하지만 완전히 겹쳐지지 않는 성질을 의미합니다. 이런 구조적 특징을 가진 유기 물질을 키랄성 유기 소재라고 합니다. 학부 유기화학 시간에는 키랄성 물질을 ‘광학 이성질체’로 배웁니다. 광학 이성질체는 끓는점이나 녹는점과 같은 물리·화학적 성질은 동일하지만, 편광된 빛과의 상호작용 방식이나 생물학적 환경에서의 반응이 서로 다릅니다. 특히, 생명과학 분야에서는 광학 이성질체를 구별하는 것이 필수적이며, 신약 개발에서도 중요한 역할을 합니다.
유기 전자 재료 및 소자 분야를 연구해 오던 저는 광전자 특성을 지닌 유기 물질이 키랄성을 가지면 특정 방향으로 회전하는 빛(원편광)을 감지하거나 발광할 수 있다는 점을 발견하였고, 이에 큰 관심을 갖게 되었습니다. 하지만, 당시 이 연구 분야는 전 세계적으로 태동기에 있었으며, 학문적 호기심은 컸지만 전기적 성능과 키랄 광학적 성능을 동시에 향상시키지지 못하는 딜레마를 안고 있었습니다. 저희 연구팀은 이를 극복할 방법으로 ‘초분자 키랄성’이란 개념을 제시했으며, 유기반도체 초분자체 기반 소자를 제조하여 실험적으로 최초로 입증하였습니다. 이 연구 성과는 학계에 큰 관심을 불러 일으켰고, 세계적으로 더 많은 연구자들이 관련 연구에 참여하는 계기가 되어 큰 보람을 느낍니다.
이번 연구는 기존 원편광 감지 기술의 한계를 극복하고, 더 정밀하고 효율적인 키랄 광전자 소재를 개발하는 데 중점을 두었습니다. 기존 원편광 감지 센서는 외부 광학 장치가 필요하고, 감응성이 낮아 실용화에 어려움이 있었습니다. 이를 해결하기 위해 키랄성을 지닌 도펀트를 고분자 반도체에 도입하여 나선형 구조의 초분자체를 형성하는 혁신적인 방법을 개발하였습니다.
저희 연구팀은 용액 공정을 통해 균일한 나선형 초분자체 박막을 대면적에서 제조하는 데 성공하였습니다. 또한 초분자 반도체 소재에 도입한 키랄성 도펀트는 나선형 구조를 유도한 후 간단한 열처리로 제거되어 반도체 성능에 영향을 주지 않으면서도 키랄성을 유지하는 신개념 제조 기술을 구현하였습니다. 나아가 이 기술이 특정 물질에 한정되지 않고 여러 소재에 적용 가능한 보편적인 방법임을 확인하였습니다. 또한 개발된 나선형 고분자 박막은 외부 광학 장치 없이도 넓은 파장 영역에서 고민감도로 원편광을 감지할 수 있는 센서의 핵심 소재로 활용 가능합니다.
위에서 말씀드린 소재를 기반으로 세계 최고 수준의 원편광 분별 능력을 갖는 유기 소재 기반의 원편광 센서를 제작하였으며, 센서의 성능이 빛의 입사각에 영향을 받지 않고 정밀한 원편광 감지가 가능함을 확인하였습니다. 또한, 이를 활용하여 삼진법 기반의 광통신 시스템을 구현하여 기존의 이진법 광통신 대비 67% 빠른 속도를 달성할 수 있음을 제시하였습니다. 대면적 센서 어레이를 제작하여 암호화된 정보 전달 및 실시간 원편광 감지·이미징 시스템의 프로토타입도 개발하였습니다. 이 연구는 키랄 광전자 소재의 성능을 획기적으로 향상시키고, 원편광 센서 및 차세대 광통신 기술의 실용화를 앞당길 중요한 성과로 평가됩니다.
이번 연구는 키랄 광전자 소재의 성능을 획기적으로 향상시키며, 차세대 광학 센서 및 광통신 기술의 실용화를 앞당길 가능성을 제시했다는 점에서 학계와 산업계의 주목을 받고 있습니다. 학계에서는 기존 키랄 광전자 소재의 낮은 감응성과 외부 광학 장치의 필요성을 해결하고, 다양한 고분자 및 도펀트 조합에서도 적용 가능한 보편적인 기술을 개발했다는 점이 중요한 성과로 평가됩니다. 산업계에서는 빛의 입사각에 영향을 받지 않는 고성능 원편광 센서를 구현하여, 차세대 광통신, 고해상도 바이오 이미징, 보안 시스템 등에 폭넓게 응용 가능하다는 점이 주목받고 있습니다.
처음 아이디어를 제시한 후 논문으로 발표하기까지 약 7년이 걸렸습니다. 연구 초기에도 좋은 결과가 나오긴 했지만, 실험 조건을 최적화하고 개념을 완전히 입증하고 명확하게 해석하기 위해 오랜 시간이 필요했습니다. 특히 연구가 한창 진행되던 중 소속을 옮기게 되었는데, 기존 학교에서 사용하던 연구 장비를 가져올 수 없어 실험을 처음부터 다시 세팅해야 하는 어려움도 있었습니다. 하지만 연구진의 노력 덕분에 이전보다 성능이 더 우수한 실험 환경을 빠르게 구축할 수 있었습니다.
또한, 오랜 기간 여러 재료를 시험하며 최적의 성능을 내는 재료를 찾고, 이를 대면적 이미징 소자에 적용하여 성능 최적화 실험을 진행했습니다. 그런데 논문을 준비하던 중, 해외 연구팀이 소자 구성은 다르지만 유사한 재료를 사용해 단위소자 성능 위주의 연구 결과를 사전 공개 플랫폼(ChemRxiv)에 올린 것을 발견했습니다. 저희 연구진은 긴급하게 논문 작업을 마무리하고 투고를 진행했습니다. 다행스럽게도 저희 연구 논문은 네이처(Nature) 본지의 심사위원들로부터 긍정적(Minor Revision) 심사평을 받아 투고 후 3개월 만에 최종 게재 승인을 받았습니다. 반면, 해외 연구팀의 논문은 저희보다 늦게 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지에 게재되었습니다. 이밖에도 연구 과정에서 여러 어려움이 있었지만, 마지막까지 최선을 다한 결과 좋은 평가를 받아 연구자로서 큰 보람을 느꼈습니다.
키랄성 광전자 소재 연구는 기초과학과 응용기술이 융합된 첨단 분야로, 지속적인 연구를 위해 안정적인 연구 재원 확보가 필수적이었습니다. 초기 연구는 삼성전자 미래기술육성재단이 지원으로 수행하였습니다. 또한, 과기정통부와 연구재단의 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업, 나노소재기술개발사업의 지원으로 안정적인 연구비를 확보할 수 있었습니다. 덕분에 고위험·고혁신 연구를 수행할 수 있는 환경이 조성되었고, 우수한 연구 인력을 양성하며 차세대 키랄 광전자 소재 개발을 선도할 수 있었습니다. 앞으로도 국가 R&D 지원사업과 산학 협력을 적극적으로 활용하여, 혁신적인 연구 성과를 지속적으로 창출하고, 키랄 광전자 기술의 실용화를 앞당기는 데 최선을 다하겠습니다.
키랄 광전자 소자 개발은 키랄성 분자의 설계와 합성, 공정 개발, 소자 응용을 아우르는 학제적 연구입니다. 경쟁력 있는 연구를 위해 창의적인 아이디어 발굴, 학제 간 융합, 그리고 연구팀 간 협업을 핵심 요소로 삼고 있습니다. 새로운 연구 방향을 모색하기 위해 합성, 계산화학, 전자기학, 소자 응용 등 다양한 분야의 최신 연구 동향을 적극적으로 탐색하고, 국내외 연구자들과 협력하며 기술적 한계를 극복하고 있습니다. 또한, 정밀한 실험 설계와 분석 기법을 도입하여 연구의 신뢰성을 높이고, 기존 기술과 차별화된 연구 전략 구축에도 집중합니다.
연구의 원동력은 도전적인 목표 설정과 지속적인 실험을 통한 개선 과정이라 생각합니다. 학생들과 공동 연구진이 자유롭게 토론하고 창의적인 아이디어를 발전시킬 수 있는 연구 환경을 조성하는 것도 중요합니다. 이러한 노력을 바탕으로, 경쟁력 있는 연구 성과를 창출하고, 유기 전자 분야를 선도하는 것이 목표입니다.
연구는 끊임없는 탐구의 과정이기에, 긍정적인 사고방식을 가지고 즐겁게 연구할 것을 당부합니다. 새로운 지식을 찾아가는 과정은 어려움도 많지만, 흥미를 느끼고 몰입할 때 더 좋은 성과가 나오기 마련입니다. 또한, 연구에 대한 열정과 실패를 두려워하지 않는 도전 정신이 중요합니다. 연구는 예상과 다른 결과가 나오는 일이 많지만, 실패는 새로운 가능성을 여는 출발점이 될 수 있습니다. 포기하지 않고 끝까지 매달리다 보면 뜻밖의 해결책을 찾는 경우도 많습니다. 더불어, 타인에 대한 배려와 협업의 자세도 중요합니다. 연구는 혼자만의 노력이 아니라, 함께 아이디어를 나누고 소통하면서 발전하는 과정입니다. 서로의 의견을 존중하며 협력할 때 더 창의적이고 의미 있는 연구가 탄생할 수 있습니다.
연구자로서 행복한 순간은 오랜 연구 끝에 예상했던 결과가 실험적으로 입증될 때입니다. 특히, 이번 연구에서 나선형 초분자체 기반 원편광 감지 소재를 구현하고, 기존 한계를 뛰어넘는 성능을 확인했을 때 큰 보람을 느꼈습니다. 연구실에서 함께 고민하고 토론하며 쌓아온 노력들이 좋은 논문으로 발표되거나 실용화로 이어질 때, 연구자로서의 보람을 다시금 느낍니다. 또한, 제자들이 연구에서 의미 있는 성과를 내고, 학계에서 인정받으며 성장하는 모습을 볼 때도 매우 뿌듯합니다. 무엇보다도, 우리 연구가 학문적 발전뿐만 아니라 산업적 응용 가능성을 넓히며 실제 기술로 연결될 때, 연구의 가치와 의미를 더욱 실감합니다. 앞으로도 끊임없이 새로운 도전을 하며 의미 있는 연구 성과를 만들어가는 순간들을 더 많이 경험하고 싶습니다.
이번 연구는 차세대 광전자 기술의 가능성을 한층 더 넓힌 성과입니다. 기존 원편광 감지 기술은 크고 복잡한 광학 장치가 필요하고, 감응성이 낮아 상용화가 어려웠는데, 우리가 개발한 나선형 초분자체 기반의 원편광 센서는 이런 한계를 극복할 수 있는 실마리를 제공했습니다. 기존 연구들이 단위소자 개발로 실험실 수준에 머물렀다면, 이번 연구 성과는 넓은 면적에서 균일한 특성을 유지할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있으며, 산업 적용 가능성이 훨씬 높아졌습니다. 앞으로 이 기술이 더 정밀한 의료·바이오 이미징 센서, 차세대 보안·암호화 기술, 광통신 기술 등으로 발전할 수 있도록 연구를 이어가고 싶습니다.
제가 궁극적으로 해결하고 싶은 연구 목표는 유기 및 고분자 전자재료, 첨단 광전자 소재, 그리고 다기능 센서를 활용해 미래형 전자·광학 기술을 개발하는 것입니다. 현재 반도체와 광전자 기술이 빠르게 발전하고 있지만, 기존 무기 소재 기반 기술에는 한계가 있어요. 그래서 더 가볍고 유연하며 효율적인 유기·고분자 전자재료를 활용해 새로운 기능을 구현하는 것이 제 연구의 핵심 방향입니다. 특히, 빛과 전자의 상호작용을 정밀하게 제어할 수 있는 키랄성 광전자 소재를 개발해 초고속 광통신, 차세대 디스플레이, 양자 정보 처리, 고감도 센서 기술 등에 혁신을 가져오고 싶어요. 또, 환경·의료·보안 분야에서 활용할 수 있는 다기능 센서를 개발해 실생활에서도 널리 쓰일 수 있도록 하는 것도 중요한 목표입니다. 결국, 이 기술들이 상용화되어 우리 사회에 실질적인 변화를 가져오는 것, 그것이 과학자로서 제가 이루고 싶은 궁극적인 연구 목표입니다.
저는 어릴 때부터 과학자가 되는 꿈을 품었습니다. 세상의 원리를 탐구하고, 새로운 것을 발견하는 과정이 늘 흥미로웠기 때문입니다. 연구를 하다 보면 예상치 못한 어려움이 많지만, 새로운 가능성을 발견하고 세상에 없던 기술을 만들어낼 때의 보람이 크기 때문에, 이 길을 계속 가고 있습니다.
미래의 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 꼭 전하고 싶은 것은 긍정적인 마음가짐과 도전하는 자세입니다. 연구는 예상과 다른 결과가 나올 때도 많지만, 실패 속에서 배우고 다시 도전하는 과정이 결국 큰 성과로 이어집니다. 또한, 혼자만의 노력보다는 동료들과 협력하며 배우는 과정이 큰 힘이 됩니다. 과학은 사람을 위한 학문이라는 점도 잊지 않았으면 합니다. 세상을 더 나은 곳으로 만들겠다는 따뜻한 마음을 가진 과학자가 되어, 자신의 연구가 사회와 인류에 도움이 되는 길을 찾길 바랍니다.