Ultrafast Dynamics Laboratory
화학과
주태하
Ultrafast Dynamics Laboratory는 응집상에서 일어나는 광화학 및 광물리적 과정의 미시적 동역학을 규명하는 것을 목표로 하는 선도적 연구실입니다. 본 연구실은 펨토초 분광학을 기반으로 하여, 분자 및 나노구조체 내에서 발생하는 초고속 현상을 실시간으로 관찰하고 분석하는 데 중점을 두고 있습니다. 이를 통해 분자 내 에너지 전달, 전하 이동, 광반응 경로 등 다양한 물리·화학적 현상의 근본 원리를 밝히고 있습니다.
연구실의 핵심 연구 분야는 전자 들뜬 상태에서의 진동 파동묶음 생성 및 검출, 새로운 시간 영역 분광기술의 개발, 그리고 첨단 펨토초 레이저 광원 시스템의 구축입니다. 이러한 연구는 분자, 고체, 나노소재 등 다양한 시스템에서 일어나는 초고속 동역학을 이해하는 데 필수적인 역할을 하며, 실험과 이론을 아우르는 융합적 접근을 통해 세계적 수준의 연구 성과를 창출하고 있습니다.
특히, 연구실은 펨토초 레이저를 이용한 시분해 분광법, 3펄스 포톤 에코, 코히런트 라만 분광 등 다양한 첨단 실험 기법을 개발 및 적용하고 있습니다. 또한, 신호 처리와 데이터 해석을 위한 선진 알고리즘을 도입하여, 실험 결과의 정확성과 신뢰성을 높이고 있습니다. 이러한 기술적 역량은 국내외 연구기관 및 산업체와의 협력 연구에도 적극적으로 활용되고 있습니다.
연구실의 연구 성과는 기초과학 발전뿐만 아니라, 바이오 이미징, 광전자 소자, 신소재 개발, 환경 모니터링 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있습니다. 또한, 자체 개발한 광원 및 분광 시스템은 특허로도 보호받고 있으며, 차세대 과학기술 인재 양성과 산업 발전에도 크게 기여하고 있습니다.
Ultrafast Dynamics Laboratory는 앞으로도 초고속 분광학 및 양자동역학 분야에서 혁신적인 연구를 지속하며, 세계적인 연구 허브로서의 위상을 강화해 나갈 것입니다. 이를 통해 미래의 신기술 창출과 과학기술 발전에 핵심적인 역할을 수행할 것입니다.
Femtosecond Light Sources
Excited State Dynamics
Ultrafast Spectroscopy
전자 들뜬 상태에서의 진동 파동묶음 생성 및 검출
우리 연구실은 전자 들뜬 상태에서의 진동 파동묶음(vibrational wave packets)의 생성과 검출에 관한 연구를 선도적으로 수행하고 있습니다. 이 연구는 분자나 고체 내에서 전자가 들뜬 상태로 전이할 때 발생하는 진동적 움직임을 초고속 분광학 기법을 통해 실시간으로 관찰하고 분석하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 펨토초 레이저를 활용한 시분해 분광법을 적용하여, 전자와 진동 모드 간의 상호작용 및 에너지 전달 메커니즘을 규명하고 있습니다.
진동 파동묶음의 생성과 검출은 분자의 광화학적 반응 경로, 에너지 변환 과정, 그리고 전하 이동 현상 등 다양한 물리·화학적 현상을 이해하는 데 필수적인 역할을 합니다. 특히, 이러한 연구는 광활성 단백질, 유기 반도체, 나노구조체 등 다양한 응용 분야에서 중요한 기초 지식을 제공합니다. 실험적으로는 초고속 레이저 펄스를 이용해 분자 내 진동의 시간적 진화를 포착하며, 이론적으로는 양자역학적 모델링을 통해 실험 결과를 해석합니다.
이 연구를 통해 얻어진 결과는 분자 내 에너지 흐름의 근본적인 이해를 제공할 뿐만 아니라, 차세대 광전자 소자, 바이오 이미징, 태양전지 등 다양한 첨단 기술 개발에 기여할 수 있습니다. 또한, 전자 들뜬 상태에서의 진동 파동묶음 연구는 분자 설계 및 기능성 재료 개발에도 중요한 인사이트를 제공하며, 미래의 신소재 및 신기술 창출에 밑거름이 되고 있습니다.
초고속 시간 영역 분광기술 개발 및 응용
본 연구실은 새로운 시간 영역 분광기술의 개발과 기존 기법의 고도화에 집중하고 있습니다. 펨토초(10^-15초) 단위의 극한 시간 분해능을 갖는 분광기술은 분자, 고체, 나노구조체 등 다양한 시스템에서 일어나는 초고속 동역학을 실시간으로 관찰할 수 있게 해줍니다. 이를 위해 펨토초 레이저, 광펌핑-광탐지 시스템, 시분해 형광 및 흡수 분광기 등 첨단 장비를 자체적으로 개발 및 운용하고 있습니다.
이러한 시간 영역 분광기술은 분자 내 전하 이동, 에너지 전달, 광화학 반응, 전자-진동 결합 등 복잡한 현상을 정밀하게 분석할 수 있는 강력한 도구입니다. 예를 들어, 3펄스 포톤 에코, 시분해 형광, 코히런트 라만 분광 등 다양한 기법을 통해 분자의 구조 변화와 에너지 흐름을 나노초 이하의 시간 척도에서 추적할 수 있습니다. 또한, 실험 데이터의 해석을 위해 푸리에 변환, 선형 예측 등 신호 처리 알고리즘도 적극적으로 도입하고 있습니다.
이러한 기술 개발은 기초과학 연구뿐만 아니라, 바이오센서, 광전자 소자, 신약 개발, 환경 모니터링 등 다양한 산업 및 응용 분야로 확장되고 있습니다. 특히, 연구실에서 개발한 초고속 분광기술은 국내외 연구기관 및 산업체와의 협력 연구에도 활발히 활용되고 있으며, 미래의 혁신적 과학기술 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다.
광원 및 펨토초 레이저 시스템 개발
우리 연구실은 초고속 분광 연구의 기반이 되는 광원, 특히 펨토초 레이저 시스템의 개발과 최적화에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 안정적이고 다양한 파장대의 펨토초 레이저를 구현하기 위해, 광펌핑 레이저, 광대역 펄스 발생기, 캐비티 덤프 방식의 광원 등 첨단 광학 기술을 연구 및 개발하고 있습니다. 이러한 광원 개발은 초고속 분광 실험의 정확도와 신뢰성을 높이는 데 필수적입니다.
특히, 연구실은 자동 정렬 기능을 갖춘 안정형 광펌핑 레이저, 광대역 펨토초 펄스를 이용한 미세 격자진동 검출 장치 등 독창적인 특허 기술을 보유하고 있습니다. 이와 같은 기술은 실험의 반복성과 재현성을 크게 향상시키며, 사용자의 편의성과 실험 효율을 극대화합니다. 또한, 다양한 분광 실험에 최적화된 맞춤형 레이저 시스템을 설계하여, 분자 및 재료의 초고속 동역학 연구에 폭넓게 적용하고 있습니다.
이러한 광원 및 레이저 시스템 개발 역량은 국내외 연구 네트워크와의 협력 연구, 산업체와의 기술 이전, 그리고 첨단 과학기술 인재 양성에도 크게 기여하고 있습니다. 앞으로도 연구실은 차세대 광원 기술의 선도적 개발을 통해, 초고속 분광학 및 관련 분야의 혁신을 이끌어 나갈 것입니다.
1
Spider Webs as Passive Monitors of Microplastic and Its Copollutants in Indoor Environments
Aradhana, K.S., Moorchilot, V.S., Joo, T., Aravindakumar, C.T, Aravind, U.K.
ACS Omega, 2025
2
Generation of 1 MHz 15 fs pulses in the near-infrared with high energy and their application to time-resolved spectroscopy
Kim, M., Lee, C., Shin, P., Joo, T.
Optics Express, 2024
3
Stratum-Confined Solid-State Reaction (SC-SSR) toward Colloidal Silicon-Based Hollow Nanostructures for Bioapplications
Choi, J.H., Kumari, N., Kumar, A., Acharya, A., Ahn, J., Kim, J., Hwang, H., Joo, T., Kim, J.K., Lee, I.S.
Small, 2023
