저차원 나노양자구조에서 전자적 구조와 광 이득에 대한 연구는 전자소자나 광소자의 효율을 증진시키는데 중요한 역할을 하고 있다. 전자적 부띠 구조를 결정하기 위해서는 변형효과와 비포물선 효과를 고려하여 계산하면 나노 양자구조의 전자적 구조를 비교적 정확하게 계산 할 수 있다. 양자우물에서의 광 이득은 전자적 구조에 따른 전도 대역의 전자와 가전자 대역의 정공 사이에 발생하는 쿨롱 상호작용에 의한 엑시톤 결합 에너지를 고려함으로 정확히 계산할 수 있다. 본 연구에서는 양자 우물의 격자 부정합에 따른 변형효과와 전도대역에서 전자 에너지의 비포물선 효과가 양자 우물의 전자적 성질에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 또한, 온도변화에 따른 양자 우물의 전자적 구조를 계산하였고, 전자적 구조에 따라 엑시톤 결합 에너지가 광 이득에 미치는 영향을 계산하였다. 양자우물 구조에서 전자 및 정공의 부띠에너지, 파동함수 및 부띠천이 에너지를 가변메시 유한차분법으로 결정하였고, interacting pair Green's function 방법과 energy space integrated function 방법을 이용하여 광 이득을 계산하였다. 계산한 결과를 광루미네센스 측정으로 관측한 부띠에너지 천이와 비교하여 변형효과와 비포물선 효과가 전자적 구조에 미치는 영향과 엑시톤 결합 에너지가 광 이득에 미치는 영향에 대하여 비교하였다. 반도체 양자우물의 전자적 구조는 변형효과와 비포물선 효과에 의하여 영향을 받고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 전자-정공의 쿨롱 상호작용을 고려하여 계산한 광 이득이 온도 변화에 따라 관측한 실험 결과와 잘 맞는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 격자 부정합한 화합물 반도체 양자우물의 저차원적인 전자적 구조와 광 특성을 이해하는데 많은 도움이 된다고 생각된다.
감광성 수도품종 BPI-76을 공시하여 단일기간의 암기중 광간섭이 출수에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 공시품종의 최소단일처리회수인 12일의 단일기간중 간에 실시한 1분정도의 광간섭에 의해서도 단일효과의 집적은 방해를 받았고 10분이상의 광처리를 하면 단일효과가 크게 억제되었다. 2. 12회의 단일기간중 암기중간에 1∼15분간의 광처리를 7일이상 그리고 30분간의 광간섭을 4일이상 계속 받으면 전공시개체가 출수를 하지않아 광간섭의 누적효과를 보여 주었다. 3. 단일기간의 암기중간에 5분 또는 30분간의 광처리를 1회 실시하여서는 2∼10일간 집적된 단일효과를 크게 소거시키지 못했으나 1일1회씩 3일간 계속 광간섭을 하면 2∼8일간 집적된 단일효과를 크게 소거시켰다. 4. 13일간의 단일기간중 4∼8일간의 단일처리후 1회 또는 3회의 광간섭을 받은경우에 출수유제현상이 심하게 나타났다. 5. 13일간의 단일기간중에 실시한 1일간의 장일처이는 2일간의 단일처리효과를 완전히 소거시켰으나 4∼8일간의 단일처리효과는 완전히 소거시키지 못했으며 2일간의 장일처리는 4일간의 단일처리효과를 그리고 2∼4일간의 장일처리는 6∼8일간의 단일처리효과를 크게 소거시켰다. 6. 13일간의 단일기간중 8일간의 단일처리후 장일처리를 받았을 때 출수억제현상이 가장 심하게 나타났다. 7. 10회의 단일처리후 장일상태가 계속되면 분화된 유수는 퇴화되었고 15회의 단일처리를 한경우에도 그후의 장일에 의해서 유수의 발육속도가 늦어져 단일상태가 게속된 경우보다 출수가 지연되었다.
$TiO_2$를 이용한 광살균 효과를 규명하기 위하여 Echerichia coli, Bacillus subtilis 및 Saccharomyces cerevisiae의 광살균에 적합한 $TiO_2$의 함량, $TiO_2$ 촉매에 효과적인 광살균 조사시간, 균종간 및 미생물농도 등에 대한 영향을 검토하였다. E. coli 광살균에서의 $TiO_2$ 촉매 적정함량은 $10{\sim}20mg$ 범위일 때 광살균 효과가 높았으며, 광파장의 영향은 400nm 이하 파장을 차단한 것보다 차단하지 않았을 때가 살균시간을 단축하였지만 $TiO_2$ 촉매 효과는 처리나 무처리에서 모두 유사하였다. 균종별 광살균 효과는 $TiO_2$의 첨가에 의한 촉매 효과가 인정되었으며 그 순위는 S. cerevisiae, E. coli, B. subtilis의 순이었다. 효모의 농도에 따른 광살균 효과는 $10^5$의 농도에서 보다 $10^4$의 농도에서 광살균 시간을 단축하였다.
반도체 양자구조에 대한 광특성을 이해하기 위하여 정상상태에서의 흡수 스펙트럼과 광여기 발광측정을 통하여 양자구속효과 등의 선형 광특성에 대해 알아보았다. 또한 반도체 양자 구조를 이용한 광소자 개발에 있어서 매우 중요한 반도체의 비선형 광특성을 이해하기 위하여 비선형성을 일으키는 쿨롱 스크리닝, 띠채움, 밴드갭 재규격화, 그리고 열효과 등에 대해 알아 보았다. 그리고 광여기에 의해 생성되는 운반자들의 동력학에 대해 알아보고 이러한 운반자들의 시간에 따른 움직임을 측정하는 degenerate four-wave mixing과 differential transmission spectroscopy등의 시간 분해 분광학에 대해 소개하였다.
자색고구마의 캘러스 배양에서 광의 조사가 안토시아닌 생합성에 미치는 효과를 실험하였다. 잎조직으로부터 자색캘러스는 $0.5\;{\mu}M$ 2,4-D가 첨가된 MS배지, 광조건에서 유도되었다. 광의 세기에 따른 효과는 암 조건에 비교하여 광조건에서 안토시아닌 생합성이 $2{\sim}3$배에 이르는 것으로 나타났으며, 약광 (3000 lux)에서 안토시아닌 생합성량이 높게 나타났다. 이러한 광 조사에 의한 안토시아닌 생합성의 촉진효과는 LED를 이용하며 실험한 결과에서 청색광을 2시간 처리한 경우 3000 lux의 백색광을 처리한 대구조에 비교하여 1.4배의 안토시아닌 생합성 향상효과를 나타냈다.
피부의 관리를 위한 방법 중 광을 이용한 케어는 비침습적인 방법으로 세포를 활성화 시켜 도움을 주는 매우 유용한 방법이다. 최근에는 낮은 에너지의 LED를 광원으로 이용하는 LLLT (Low Level Light Therapy)가 많이 적용이 된다. 본 논문에서는 피부 미용기기에서 많이 사용되고 있는 가시광 영역의 적색과 황색, 그리고 적외선 영역의 LED를 이용하여 array를 제작하였다. 제작된 LED array는 5V의 전압과 50mA의 전류로 구동되며, 적색이 평균 $10.7mW/cm^2$, 황색이 평균 $1.8mW/cm^2$, 적외선이 평균 $5.5mW/cm^2$의 광출력을 갖는다. 이를 배양된 human cell plate에 각각 10, 20, 40분의 시간으로 조사하였으며, LED array와 조사면 사이에 20 mm의 거리를 두어 균일한 광량이 조사 될 수 있도록 하였다. 실험결과, wound healing의 경우는 적색광을 조사하였을 때, injury line의 길이가 $604.36{\mu}m$에서 10분 조사 시 $368.92{\mu}m$, 20분 조사 시 $298.04{\mu}m$, 40분 조사 시 $491.22{\mu}m$로 줄어드는 효과를 보였으며 특히 20분간 조사하였을 경우의 효과가 가장 좋았다. Cell regeneration의 경우는 황색광을 20분간 조사하였을 경우에 UV 에 의해 손상된 세포 수가 가장 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 photorejuvenation 효과를 줄 수 있는 wound healing과 cell regeneration에는 적색 및 황색광의 LED array를 20분간 조사하였을 때가 가장 효과적이었으며, 적외광의 경우에는 모든 실험에서 효과가 없음을 확인할 수 있었다.
광결정(photonic crystal)은 빛의 파장 크기 정도의 격자 상수를 지닌 1차원, 2차원, 또는 3차원의 주기적인 구조이다. 광결정에는 광밴드갭(photonic bandgap)이라는 빛의 자발 방출이 억제된 진동수의 영역이 존재하는데, 이 영역을 이용하여 빛의 자발 방출을 조절하고 빛의 흐름을 제어할 수 있다. $^{[1]}$ 지난 10여년간 2차원, 3차원의 광결정 구조에 대한 연구가 많이 이루어져 왔는데, 최근에는 슬랩 도파관(slab waveguide)에 2차원 광결정을 만든 구조에 대한 연구가 활발하게 진행중이다. 이 구조는 평면 방향으로는 광밴드갭 효과로 광모드를 가둘 수 있고 수직 방향으로는 전반사를 이용하여 모드를 가둘 수 있어서 3차원적인 모드 confinement 효과를 얻을 수 있다. [그림 1]의 (a)에 air-bridge 형태의 2차원 광결정 슬랩(photonic crystal slab) 구조를 도식적으로 나타내었고, (b)에는 본 연구실에서 제작한 구조 표면의 scanning electron micrograph을 나타내었다. 현재 몇몇 연구 그룹에서 이와 같은 광결정 슬랩 구조를 이용한 반도체 레이저를 실현하는데 성공하였다.$^{[2,3]}$ (중략)
백색광 및 여러 파장의 광선 (적색, 청색, 그리고 녹색광)이 녹화중인 귀리 유식물의 엽록소 함량 변화 및 엽록소-단백질 복합체 형성에 미치는 효과를 조사하였다. 높은 광도의 백색광은 낮은 광도의 백색광에 비하여 귀리 유식물의 전체 엽록소 함량 및 엽록소 a/b 비율의 증가에 효과적이었다. 또한 엽록소-단백질 복합체의 형성에 있어서 높은 광도의 백색광은 낮은 광도의 백색광에 비하여 PSI, CCI, 및 CCII의 형성을 효과적으로 촉진하였다. 한편, 여러 파장의 광선하에서 생장한 귀리 유식물은 유사한 광도를 가진 백색 광하에서 생장한 유식물에 비하여 엽록소의 축적 및 엽록소 a/b 비율에 큰 영향을 받지 않았다. 적색광은 귀리 유식물의 엽록소-단백질 복합체의 형성에 있어서 백색광에 비하여 LHCII trimer형성에 효과적이지 못하였으나, 청색광은 백색광과 유사한 효과를 나타내었다. 청색광과 적색광을 비교하였을 때, 청색광은 적색광보다 LHCII monomer의 형성에 효과적이었다. 이와 같은 결과에서 엽록체의 발달과정동안 광도의 효과가 광질의 효과보다 엽록소 축적 및 엽록소 a/b비율의 증가에 중요한 인자로 작용하며, 여러 파장의 광선은 엽록체-단백질 복합체의 조성을 조절하는데 중요한 인자인 것으로 사료된다.
광 결정 발광 다이오드를 제작하는데 있어서 문제가 되는, 표면 비 발광 재결합을 줄이기 위해서 $(NH_4)_2S_x$ 패시베이션 효과를 연구하였고, 실제 소자를 공정하였다. $(NH_4)_2S_x$ 패시베이션의 영향을 알아보기 위해서, GaAs 기판위에 10쌍 다중 양자 우물 구조를 가진, 에피탁시를 이용하여 광 결정 다이오드를 제작하였고, 그 후 패시베이션 처리를 하였다. 광 결정 격자 상수는 600 nm 였고, 전자 빔 노광기법을 이용하여 패턴을 만들었다. 패시베이션효과는 시분해 발광 측정을 이용하여 캐리어 라이프 타임의 변화를 통해 확인 할 수 있었다. 광 결정 구조가 없는 발광 다이오드에서의 라이프 타임은 2206 ps였고, 광 결정 구조를 가진 발광다이오드에서의 라이프타임은 831ps였다. 이는 식각된 구멍의 표면에서 비 발광 재결합이 증가했다는 것을 의미한다. 패시베이션 처리된 광 결정 발광다이오드의 라이프 타임은 1560 ps 으로 광 결정 구조의 표면에서 발생된 비 발광 표면 재결합이 상당히 줄었음을 알 수 있다. 상용 에피탁시에 실제 소자에 적용 가능한 광 결정 발광 다이오드를 제작하였다. 상용 에피탁시는 20쌍의 다중 양자우물과, 16쌍의 Distributed Bragg Reflector를 가진 구조이다. 이 상용 에피탁시에 광 결정 구조를 만들기 위해서 니켈 크롬 (NiCr) 마스크를 사용하였고, 기존 식각 시간보다 세배 길어진 식각 시간을 달성하였다.
지형 효과가 포함된 태양복사 모델(GWNU)을 이용한 한반도의 태양광 자원지도를 개발하였다. 태양복사 모델의 입력 자료는 위성 관측 자료(MODIS, OMI, MTSAT-1R)와 수치 모델(RDAPS) 자료를 사용하였으며 특히 고해상도 지형 자료를 이용하여 지형 효과에 따른 한반도의 지표면 태양광 변화를 계산하였다. 계산 결과를 월 및 연 누적하여 분석하였을 때 여름철은 태양 고도각이 높아 지형 효과에 영향이 10% 이하로 적은 반면 겨울철은 20% 이상의 큰 차이가 나타났다. 또한 4 km 해상도의 지표면 태양광의 경우보다 1 km 해상도의 경우 지형 효과 포함에 따른 태양광 차이가 약 2배 정도 크게 나타났다. 즉 지표면에 도달하는 태양광을 정확히 모델링하기 위해서는 입력 자료뿐만 아니라 정확하고 고해상도의 지형 자료가 필연적이며 지형효과는 더욱 뚜렷이 나타나 실제와 유사할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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