빛을 제어하는 광자결정

Abstract

광결정(photonic crystals, photonic band gapmaterials) 또는 광자결정은 이름에서 알 수 있듯이 빛을 제어할 수 있는 결정구조의 물질이다. 광결정에 관한 연구는 1987년 미국의 두 이론 물리학자(EliYablonovitch와 Sajeev John)가 빛의 파장 크기 수준의 주기로 굴절률이 반복되는 결정구조를 만들면, 특정 파장(또는 주파수, 에너지)의 빛을 완전히 배제(또는 반사)시킬 수 있음을 주장하면서 시작되었다. 전자를 제어하기 위해 전자의 크기수준에서 포텐셜이 주기적인 실리콘 결정구조가 이용됐던 것과 비슷한 개념으로 이 주장을 뒷받침하는 실험적 연구결과가 발표되면서 90년대 후반 많은 주목을 받았고 최근에 는 실제 응용 가능성이 높은 연구들이 속속 발표되고 있다. 초기에 광결정을 연구한 두 물리학자는 각 다른 관심을 가지고 있었는데, Sajeev 교수(그 당시 프린스턴 대학)는 광결정을 이용하여 빛을 가두어 빛의 정지상태에서 어떠한 물리 현상을 관찰하는데 관심을 가지고 있었고, Eli 교수(그 당시 Bell Lab.)는 그러한 구조를 이용하여 미세한 공명구조를 만들면 문턱 없는(zero-threshold) 레이저를 만들 수 있다는 점을 주목하고 있었다. 지금도 광결정을 연구하는 연구자들 중 순수 물리학적 관심에서 접근하는 사람과 공학적 관심에서 접근하는 사람들 사이에 연구 방향의 차이가 이와 비슷하게 존재한다. 본 고에서는 광결정의 이론적 배경과 빛의 파장크기의 주기구조의 제조방법, 그리고 현재 이미 시도되고 있거나 가능성 있는 응용분야에 대하여 살펴보고자 한다.