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레이저 빛으로 블랙홀을 더 선명하게 본다
전파망원경은 우주에서 오는 미세한 전파 신호를 포착해 이를 천체 이미지로 바꾸는 장비다. 아주 먼 블랙홀을 선명하게 관측하려면 여러 대의 전파망원경이 하나처럼 정확히 같은 시각에 우주 신호를 포착해야 한다. 우리 대학 연구진은 레이저 빛을 이용해 이들의 관측 시점과 위상을 정밀하게 맞추는 새로운 기준 신호 기술을 개발했다.
우리 대학은 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국천문연구원(KASI, 원장 박장현), 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성), 독일 막스플랑크 전파천문연구소(MPIfR)와 공동으로, 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 전파망원경 수신기에 직접 적용하는 기술을 세계 최초로 구현했다고 15일 밝혔다.
일반적인 레이저는 한 가지 색(주파수)만 내지만, 광주파수빗 레이저는 수만 개 이상의 매우 정확한 색들이 일정한 간격으로 줄지어 배열돼 있다. 이 모습이 마치 빗처럼 보여 ‘주파수 빗(frequency comb)’이라는 이름이 붙었다. 광주파수빗 레이저는 각 빗살 하나하나의 주파수를 정확히 알 수 있고 그 간격 또한 원자시계 수준으로 정밀하게 맞출 수 있어 과학자들 사이에서는 ‘빛으로 만든 초정밀 자’로 불린다.
여러 전파망원경이 동시에 관측하는 초장기선 전파간섭계(VLBI) 기술의 핵심은 각 망원경이 수신한 전파 신호를 마치 하나의 정밀한 자에 맞춰 정렬하듯 위상(phase)을 일치시키는 것이다. 하지만 기존 전자식 기준 신호 방식은 관측 주파수가 높아질수록 기준이 되는 신호 자체가 미세하게 흔들려, 이를 바탕으로 한 정밀한 위상 보정을 수행하는 데 한계가 있었다.
이에 KAIST 연구진은 ‘기준 신호의 생성 단계부터 빛(레이저)을 활용해 위상 정렬의 근본적인 정밀도를 높이자’는 발상으로, 광주파수빗 레이저를 전파망원경 내부로 직접 전달하는 방식을 개발했다. 이를 통해 기준 신호 생성과 위상 보정 문제를 하나의 광학 시스템으로 동시에 해결하는 데 성공했다.
기존 방식이 관측 주파수가 올라갈수록 ‘눈금이 미세하게 떨려 위상을 맞추기 어려운 자’와 같았다면, 이번 기술은 ‘극도로 안정적인 빛으로 위상을 고정하는 초정밀 자’로 기준을 세운 것에 비유할 수 있다. 그 결과 멀리 떨어진 전파망원경들이 하나의 거대한 망원경처럼 정교하게 연동될 수 있는 기반을 마련했다.
이 기술은 한국우주전파관측망(KVN) 연세 전파망원경에서 시험 관측을 통해 검증됐다. 연구팀은 전파망원경 간 신호의 안정적인 간섭무늬(fringe)를 검출하는 데 성공했으며, 정밀한 위상 보정이 가능함을 실제 관측으로 입증했다. 최근 이 시스템은 KVN 서울대 평창 전파망원경에도 추가 설치돼, 여러 관측소를 동시에 사용하는 확장 실험으로 이어지고 있다.
연구팀은 이를 통해 블랙홀 이미지를 더욱 선명하게 관측할 수 있을 뿐 아니라, VLBI 관측에서 오랫동안 문제로 지적돼 온 장비 간 위상 지연 오차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이번 기술은 천문 관측에만 국한되지 않는다. 연구팀은 향후 이 기술이 ▲ 대륙 간 초정밀 시계 비교 ▲ 우주측지 ▲ 심우주 탐사선 추적 등 정밀한 시공간 측정이 필요한 다양한 첨단 분야로 확장 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.
김정원 KAIST 교수는 “이번 연구는 광주파수빗 레이저를 전파망원경에 직접 적용해 기존 전자식 신호 생성 기술의 한계를 뛰어넘은 사례”라며, “차세대 블랙홀 관측의 정밀도를 높이고, 주파수 계측과 시간 표준 분야 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST의 현민지 박사(現 한국표준과학연구원)와 안창민 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 Light: Science & Applications (IF=23.4) 1월 4일 字에 게재됐다.
※논문명: Optical frequency comb integration in radio telescopes: advancing signal generation and phase calibration, DOI: 10.1038/s41377-025-02056-w
주저자: 현민지 박사(KAIST, 現 KRISS), 안창민 박사(KAIST), 김정원(KAIST)
이번 연구는 국가과학기술연구회(NST) 창의융합연구사업, 한국연구재단(NRF) 및 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.15 조회수 1761 -
윤동기 교수, 공기로 대면적의 모자이크만화경 패턴 구현
〈 윤동기 교수 〉
우리 대학 나노과학기술대학원/화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다.
이번 연구는 향후 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 반복적 모자이크 구조의 형성에 대한 이해를 도울 수 있는 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 기여할 것으로 기대된다.
김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: (영문)Mosaics of topological defects in micropatterned liquid crystal textures, (국문)마이크로 패턴이 형성된 액정의 위상 결함 모자이크 패터닝)
액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재이다.
이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 유지를 위해 유리한 것으로 알려졌지만 물질의 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.
그러나 최근 액정의 결함이 오히려 광학적, 구조적 및 탄성적 기능을 가진 것으로 주목받으면서 액정물질은 더 이상 LCD 광학 소재의 전유물이 아닌 전기광학 및 센서 분야를 포함한 다양한 분야에서 용용 가능성이 매우 큰 것으로 평가받고 있다.
하지만 액정물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 전 영역이 변하는 장범위 규칙(long range order)을 갖는 탄성 때문에 결함 구조를 대면적에 규칙적, 일관성 있게 패터닝 하는 것은 매우 어렵다.
연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다.
이를 효과적으로 이용하기 위해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다.
이번 연구의 핵심기술은 액정물질이 공기층 패턴 내에서 온도에 따라 변하는 상전이(phase transition) 속도에 있다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 반면 느린 상전이 속도에서는 액정물질의 탄성과 공기층의 고정 에너지(anchoring anergy)의 균형이 비대칭적으로 전개되며 불균일한 결함 구조를 만든다.
연구팀은 이런 상전이 속도에 따른 비대칭 및 비가역적 결함 구조 형성은 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 패턴으로 관찰된다는 점에 착안해 물리적 경제적으로 거의 불가능한 자연현상에 대한 실험 모델로 이번 연구를 접목할 수 있다고 밝혔다.
예를 들어 반도체 물질의 결정 성장에서 형성되는 결함 구조, 블랙홀을 포함한 특이점(singularity)을 형성하는 중력 점 간의 형성 원리, 응집물리(condensed matter)에서 원자들 간 상호작용 등 넓은 범위의 자연현상에 대해 유사성을 표현할 수 있는 실험적 모델을 정립할 수 있을 것으로 기대된다.
윤 교수 연구팀은 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다.
위상학적 결함 구조는 마치 전기의 음양 전하처럼 위상학적 전하(topological charge)를 갖는 음양 결함으로 정의할 수 있다. 이때 항상 음과 양이 짝을 이루어 위상학적 중립을 가지려는 규칙을 갖는다.
연구팀은 이러한 액정결함의 물리적 현상을 바탕으로 상기 공기층과 기판의 화학처리를 결합해 규칙적인 배열을 유지하는 동시에 위상결함의 밀도를 조절해 기술을 완성했다.
이러한 면적분할(tiling) 기반의 모자이크 패턴은 다양한 산업 및 실용 디자인에 적용할 수 있는 예술적 가치를 가지고 있을 뿐 아니라 세포막의 이중구조, 유기탄화시료 및 다양한 무기 결정구조면 등에 활용 가능할 것으로 보인다.
윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진
그림2. 액정패턴이 형성되는 편광현미경 이미지들
2018.11.26 조회수 15414 -
윤동기 교수, 액정 결함의 변이 과정 관찰에 성공
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함이 온도에 따라 변화하는 과정을 규명했다.
액정 결함에 관한 연구는 20세기 초반부터 약 100여 년 간 위상기하학을 연구하는 물리, 수학자들에 의해 연구됐지만 결함의 형태 전이를 세밀하게 직접적으로 관찰한 것은 이번 연구가 처음이다.
이 액정에서의 결함은 위상학적(topology)으로 우주에서 발생하는 블랙홀과 같은 위상학적 현상과 비슷한 구조를 갖기 때문에 우주의 원리를 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
김민준 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월 30일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Morphogenesis of liquid crystal topological defects during the nematic-smectic A phase transition)
일반적으로 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성을 갖고 있어 액정표시장치(LCD)나 광학 센서 등에 사용된다. 이 때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 측면에서 유리한 것으로 알려져 있으나 물질 특성 상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.
윤 교수 연구팀은 이 결함을 단순히 없애는 데만 집중하지 않고 결함의 구조를 이해하고 형성 원리를 명확하게 규명하는 기초연구에 집중했다.
이러한 노력을 바탕으로 액정재료의 위상학적 결함이 안정적으로 발생하는 플랫폼을 구성해 온도 변화에 따른 상전이(phase transition)를 직접적으로 관찰했다.
위상학적 결함의 상전이는 2016년도 노벨물리학상의 주제이기도 할 만큼 기초과학 분야에서 중요하다. 우주 은하의 위상학적 구조적 원리도 이에 바탕하고 있어 많은 연구자들이 집중하고 있는 분야이다.
우주 은하의 위상학적 결함을 관찰하기에는 너무 범위가 크고 시간이 오래 걸린다. 하지만 윤 교수팀이 고안한 플랫폼의 위상학적 결함 구조는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 수준의 크기이다. 또한 결함의 상전이가 일어나는 시간도 수초에서 수분 단위이기 때문에 관찰이 용이하다.
여기서 액정 재료들이 형성하는 결함 구조는 하나의 특이점(singularity)을 중심으로 방사형, 원형, 나선형 등의 형태를 갖는다. 특이점은 영화 ‘인터스텔라’에서도 나온 것처럼 우주의 블랙홀의 중심부 부분에 해당한다.
이 액정 재료는 일반적으로 딱딱한 두 유리판 사이에 모세관 현상을 통해 주입해 그 시료를 준비하게 된다. 그러나 이 과정에서 유리판처럼 단단한 기판은 표면효과 때문에 액정 물질의 움직임을 제한시키고 이는 결함의 상전이를 관찰하는 장애물이었다.
연구팀은 물 위에 기름이 떠다니는 현상을 이용해 물 위에 얇은 액정재료 막을 형성함으로써 액정 분자들의 움직임이 제한적이지 않은 환경을 조성했다.
이런 환경에서 온도를 변화시키면 그 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이의 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 훨씬 크기 때문에 위상학적 결함의 상전이를 연속적, 직접적으로 관찰할 수 있다.
이 연구 방식은 온도 변화를 통해 위상학적 결함의 형성과정을 순서대로 혹은 역으로 조절할 수 있다. 따라서 전이과정을 면밀하게 관찰하면 중간 상태의 결함구조를 통해 최초의 그 결함 형태와 구성 분자들의 배열을 정확히 역추적 할 수 있다.
이는 위상학적 결함의 형성 원리를 근본적으로 이해할 수 있는 연구 수단이 될 것으로 기대된다.
윤 교수는 이번 연구에 대해 “연구에 대한 발상의 전환을 통해 남들이 보지 못한 것을 볼 수 있었다”며 “액정 결함에 대한 이번 연구 결과는 산업적 측면 뿐 아니라 기초 학문에 세계적 공헌을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
또한 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정에 대한 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구에 대한 관심을 촉발시키는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업과 신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물 위에 형성된 액정 결함의 냉각에 의한 위상학적 결함의 상전이 현상의 편광현미경 사진
그림 2. 액정 분자들이 모이는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도와 액정 분자들이 퍼지는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도
2017.06.01 조회수 27149