Research

1. 기계변색 신축성 포토닉스
  Mechanochromic Stretchable Photonics (CLCE)

기존 광학 소자의 대부분은 딱딱한(rigid) 기판 위에 설계되어, 곡면이나 변형이 필요한 환경에서는 적용이 제한됩니다. 웨어러블, 소프트 로봇, 생체 적합형 센서 등 차세대 플랫폼에서는 소자 자체가 늘어나고 구부러지면서도 광학 기능을 유지하는 것이 필수적입니다.

카이랄 액정 엘라스토머(CLCE, chiral liquid crystal elastomer)는 내부에 자가 조립된 나선 구조를 가지며, 기계적 변형에 따라 피치가 연속적으로 변화하면서 반사 파장이 가시광 전 영역에 걸쳐 이동하는 기계변색(mechanochromic) 특성을 나타냅니다. 이 현상을 정밀하게 제어하여, 신축성 플랫폼 위에서 동작하는 능동형 파장 가변 광소자를 개발합니다.

응용 분야  광학 암호화, 변형 센서, 반사형 디스플레이, 적응형 광학 시스템

2. 자극 응답형 가변 광학 필터
  Stimulus-Responsive Tunable Optical Filters (CLC Filter)

분광 분석, 광통신, 의료 이미징 등 많은 광학 시스템에서는 특정 파장만 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 필터가 핵심 부품입니다. 하지만 기존 광학 필터는 제작 시 파장이 고정되기 때문에, 실시간으로 파장을 전환해야 하는 응용에는 한계가 있습니다.

카이랄 액정(CLC, chiral liquid crystal)는 나선 주기에 해당하는 파장의 빛만 선택적으로 반사하는 포토닉 소재로, 전기장·열·광 등 외부 자극에 따라 나선 피치와 분자 정렬을 실시간으로 조절할 수 있습니다. 이를 활용해 별도의 기계적 교체 없이 파장 선택을 동적으로 전환하는 가변형 필터를 설계합니다.

응용 분야  분광 분석용 광학 필터, 컬러 이미징, 광통신 파장 선택 소자

3. 광대역 파장 가변 레이저
  Broadband Wavelength-Tunable Lasers (CLC Laser)

바이오 센싱, 광통신, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 발진 파장을 자유롭게 바꿀 수 있는 소형 레이저 소스에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 기존 튜너블 레이저는 복잡한 외부 공진기나 기계적 부품이 필요하여 소형화에 불리합니다.

CLC의 자가 조립 나선 구조는 별도의 외부 공진기 없이 분포 궤환 (distributed feedback) 역할을 수행하며, 포토닉 밴드 엣지에서 광자 상태 밀도의 급격한 증가로 낮은 threshold 레이저 발진이 가능합니다. 전기장·온도·기계적 변형 등으로 나선 피치를 조절하여 발진 파장을 광대역에 걸쳐 연속 튜닝할 수 있는 소형 레이저 소스를 개발합니다.

응용 분야  칩 스케일 튜너블 레이저, 바이오 센싱용 광원, 광통신 파장 가변 소스

4. 적외선 선택 반사 스마트 윈도우
  Energy-Saving Smart Windows (CLC IR Reflection)

건물 에너지 소비의 상당 부분은 창문을 통한 열 유입과 손실에서 발생합니다. 계절과 시간대에 따라 열의 유입을 능동적으로 조절할 수 있다면, 냉난방 에너지를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 핵심 과제는 가시광 투명성은 유지하면서 적외선(IR) 영역만 선택적으로 제어하는 것입니다.

CLC의 포토닉 밴드를 IR 영역에 맞춰 설계하면, 투명한 상태를 유지하면서 열을 발생시키는 IR만 선택적으로 반사하는 스마트 윈도우를 구현할 수 있습니다. 전기장·온도·UV 등 외부 자극에 따라 IR 반사 대역이 실시간으로 전환되어, 환경에 맞춘 적응형 열 관리가 가능합니다.

응용 분야  건축용 스마트 윈도우, 적응형 열 관리, 에너지 절약 건축 시스템

5. 투과도 가변 광소자
  Transmittance-Variable Optical Devices (GHLC)

디스플레이, 건축, 자동차 등 다양한 산업에서 실내외 환경에 따라 가시광 투과량을 능동적으로 조절할 수 있는 기술은 쾌적성과 프라이버시, 에너지 효율을 동시에 향상시키는 데 중요합니다. 4번 주제(CLC IR)가 특정 파장대의 선택적 반사를 통해 열을 관리한다면, 본 주제는 가시광 전체의 투과량 자체를 연속적으로 제어하는 데 초점을 둡니다.

본 연구에서는 게스트-호스트 액정(GHLC, guest-host liquid crystal)을 활용합니다. 이색성 염료(dichroic dye)가 도입된 GHLC는 전기장에 따라 염료 분자의 배향이 변하면서, 흡수 메커니즘 기반으로 광대역 투과도를 직접 조절할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 광학 환경에 즉시 적응하는 능동형 광소자를 개발합니다.

응용 분야  조광 글래스, 프라이버시 윈도우, 디스플레이용 광 셔터, 광변조 소자

6. 소프트 액추에이터 및 로보틱스
  Soft Actuators & Robotics (LCE / DEA)

기존의 Rigid 로봇은 복잡한 관절 구조와 무거운 구동부로 인해, 인체와의 안전한 상호작용이나 불규칙한 형상의 물체 조작에 한계가 있습니다. 부드러운 재료 자체가 근육처럼 변형하면서 힘을 전달할 수 있다면, 로봇 설계의 패러다임이 근본적으로 바뀔 수 있습니다.

유전 탄성체 액추에이터(DEA, dielectric elastomer actuator)와 액정 엘라스토머 액추에이터(LCEA, liquid crystal elastomer actuator), 두 가지 플랫폼을 병행 연구합니다. 각각 다른 특장점을 가진 두 접근을 통해 적응형 움직임과 섬세한 물체 조작이 가능한 소프트 로봇 시스템을 개발합니다.

응용 분야  소프트 그리퍼, 웨어러블 로봇, 의료용 마이크로 액추에이터

7. 멀티피직스 시뮬레이션 및 AI 기반 소자 최적화
  Multiphysics Simulation & AI-Driven Device Optimization

소프트 재료 기반 소자는 광학·기계·열·전기적 물성이 복합적으로 얽혀 있어, 직관이나 단순 실험만으로는 최적 설계 조건을 찾기 어렵습니다. 설계 변수 공간이 방대할수록 시행착오의 비용은 기하급수적으로 증가하며, 체계적인 계산 기반 접근이 필수적입니다.

COMSOL·ABAQUS 기반의 유한 요소 해석(FEA)으로 소자의 멀티피직스 거동을 예측하고, MATLAB·Python을 활용한 수치 해석 및 최적화 알고리즘을 개발합니다. 여기에 머신러닝과 데이터 기반 모델링을 결합하여, 방대한 설계 공간에서 최적 조건을 효율적으로 탐색합니다. 궁극적으로 실험 전에 설계 방향을 수립하고, 실험 데이터를 학습시켜 다음 설계에 반영하는 실험-시뮬레이션 피드백 루프를 구축하는 것이 목표입니다.

응용 분야  모든 SPEL 연구 주제의 소자 설계 가속화, 역설계(Inverse Design), 성능 예측