이온성 유기결정 물질의 테라헤르츠파 발생 감소 원인에 대한 이론적 연구 = Theoretical Study on the Decrease of Terahertz-wave Generation in an Ionic Organic Crystal

국문 초록 (Abstract)

테라헤르츠(terahertz, THz)파는 적외선보다 낮은 에너지를 가지므로 인체에 무해하며, 분자뿐만 아니라 분자들의 상호작용에 까지 관여하므로 의료/의약품/보안 등의 분야에서 검사 및 탐지에 X-ray를 대체하여 유용하게 사용될 수 있지만, 자연적으로는 거의 존재하지 않아 인공적 발생이 필요한 광원(light source)이다. 본 연구에서는 지금까지 개발된 유기결정 중 가장 큰 테라헤르츠파 발생효율을 타내내는 HMQ-TMS 물질의 부분적인 테라헤르츠파 발생효율 감소의 원인을 미시적분자 수준에서 화학시뮬레이션 방법을 통해 분석하였다. 단분자를 대상으로 한 시뮬레이션 결과는 실험 결과와는 다소 차이를 보였지만, 다음의 몇 가지 흥미로운 사실을 알 수 있었다. 낮은(2THz 이하) 에너지 영역에서의 테라헤르츠파 흡수는 기능기의 회전과 링 간 대단위 비틀림 또는 굽힘 진동과 관련이 있으며 음이온이 주된 역할을 하고, 중간 에너지 영역에서는 기능기의 회전 및 이와 연동된 링의 탈평면 나비 날개짓 진동이 관련이 있으며 양이온과 음이온이 관여되어 있고, 높은(7THz 이상) 에너지 영역에서는 기능기의 회전과 연동된 링의 탈평면 소단위 분절적 진동이 관련되어 있으며 주로 음이온이 관여된 것으로 확인되었다. 이러한 연구결과는 연구자들이 해당 진동을 억제하는 방향으로 분자를 다자인하여 보다 높은 효율을 갖는 테라헤르츠파 발생물질을 개발하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 아울러, 향후에는 분자 간 상호작용이 고려된 고체진동 시뮬레이션 연구를 위해 물리, 화학, 수학, 전산 분야의 학제 간 연구가 추가적으로 이루어질 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Terahertz-wave with energy lower than infra-red is harmless to human body and involved to interaction between molecular vibrations as well as each vibration, so that it has a potential use for inspection or detection concerning medicine, drug, security, etc. In nature, however, terahertz-wave is not found with enough energy for its use. It must be artificially generated. This study has examined through chemical simulation at the microscopic molecular level the cause of partial decrease of terahertz-wave generation efficiency for HMQ-TMS which shows the highest efficiency among organic crystals developed until now. Although the results of molecular simulation exhibit a little difference from those of experiment, they still provide some interesting findings. Terahertz-wave absorption of HMQ-TMS is commonly involved in the rotation of functional groups over all energy regions. In addition, the torsion or bending motion between large ring units is involved in low energy absorption below 2THz, the out-of-plane butterfly motion of ring units in medium energy absorption, and the out-of-plane segmental motion within ring units in relatively high energy absorption above 7THz. It is expected that the results of this study help the researchers to develop a new highly-efficient terahertz-wave generation materials through molecular design suppressing the vibrations concerned with the decrease of terahertz-wave generation. In the future, the interdisciplinary research between chemistry, physics, mathematics, and computer science is needed for the solid-state simulation research incorporating interaction between the target molecule and neighboring molecules