연구성과

기계·화공 노준석 교수팀, 광결정 연구의 기초 계산 프로그램 개발

2023-03-01 428

[노준석 교수팀, 결합 쌍극자 모델 기반의 광밴드 구조 계산 프로그램(CDPDS) 개발·배포]

우리 사회가 요구하는 정보의 양이 기하급수적으로 증가하면서, 새로운 광전자 소자 개발의 중요성이 나날이 커지고 있다. 최근 차세대 고집적화를 구현하고자 미시적 공간에서 광자를 자유자재로 제어할 수 있는 소재, 즉 광결정(Photonic crystal)이 기존 광소자의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. POSTECH 연구팀이 이런 광결정 연구의 기초가 되는 계산 프로그램을 개발했다.

기계공학과·화학공학과 노준석 교수·광주과학기술원(GIST) 기계공학부 김민경 조교수 연구팀이 결합쌍극자모델 기반의 광밴드 구조 계산 프로그램(CDPDS)을 개발하고, 온라인을 통해 무료로 배포했다. 이번 연구 성과는 최근 수리물리 및 컴퓨터공학 분야 권위지 ‘컴퓨터 피직스 커뮤니케이션스(Computer Physics Communications)’에 게재됐다.

위상광학(topological photonics) 연구에서는 광결정*1의 밴드 구조 계산, 서로 다른 두 광결정 사이에서의 경계 밴드구조 계산, 광결정 단위 구조체를 이용한 위상학적 상태 계산 등 다양한 시뮬레이션을 진행해야 한다. 하지만, 이런 계산들은 시뮬레이션 세팅이 모두 다르고 후처리 계산이 필요해서 진입장벽이 높다는 단점이 있다.

연구팀은 위상광학 연구의 진입장벽을 낮추고자, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 가지고 있으면서도 별도의 후처리 없이 이 모든 계산을 할 수 있는 프로그램을 개발하고, 온라인을 통해 공개했다.


연구팀에서 개발한 광밴드 구조*2 계산 프로그램(CDPDS)은 1차원·2차원 광결정의 광밴드 구조와 위상학적 상태 계산을 제공한다. CDPDS 성능을 테스트한 결과, CDPDS는 광결정을 이루는 기본구조를 쌍극자(dipole)*3로 근사하여 계산속도가 빠르다는 것이 특징이다. 뿐만 아니라 컴퓨터 프로그래밍을 할 줄 모르는 비전문가들도 사용할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스를 가지고 있으며, 다양한 빌트인 옵션들을 제공해 계산 편의성이 높다는 장점을 가지고 있다. 따라서 광밴드 구조를 빨리 계산하거나 복잡한 시스템의 광밴드 특성을 모델링할 수 있는 토이 모델로 사용될 수 있다.

한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업, 글로벌프론티어사업, 중견연구자지원사업, 미래연구실사업, 세종과학펠로십의 지원으로 수행됐다.


1. 광결정
빛의 파장과 비슷한 주기로 배열된 인공적인 결정 구조체

2. 광밴드 구조
주어진 물질 내에서 빛이 가질 수 있는 파수벡터와 주파수를 나타낸 구조

3. 쌍극자
크기가 같은 양의 전하와 음의 전하가 일정 거리 떨어져 있는 배열