"빛의 위상 제어 성공"...KAIST, 360˚ 위상 제어 가능한 메타표면 설계 기술 개발
"빛의 위상 제어 성공"...KAIST, 360˚ 위상 제어 가능한 메타표면 설계 기술 개발
  • 정지원 기자
  • 승인 2022.05.02 13:42
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빛의 진폭 낮은 한계 극복해...크고 일정하게 얻을 수 있어
특수한 성질 가진 '광학 공진' 활용
KAIST "차세대 광학 소자 개발에 도움 줄 것"
중적외선 대역에서 동작하는 그래핀 나노기반 360˚ 동적 위상변조 소자.(사진=KAIST)
중적외선 대역에서 동작하는 그래핀 나노기반 360˚ 동적 위상변조 소자.(사진=KAIST)

(내외방송=정지원 기자) 360˚ 동적 위상변조가 가능하면서도 크고 일정한 빛의 진폭을 얻을 수 있는 메타표면 설계 기술이 개발됐다.

KAIST는 2일 "장민석 전기및전자공학부 교수 연구팀이 빅터 브라 미국 위스콘신 대학 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이 기술을 개발했다"고 밝혔다.

메타표면은 자연상에 존재하지 않는 물성을 띄도록 새롭게 만든 매우 얇은 2차원 평면구조를 뜻한다.

이 특성은 ▲라이다(빛이 물체에 반사돼 돌아오는 거리 측정 및 이미지화) ▲분광기(전자기파로 파장 분산) ▲투명 망토 ▲홀로그램 등 미래 기술을 구현할 수 있는 '파면(파동이 일어나는 면) 제어 기술'의 강력한 후보면서 나노미터 수준의 소자 크기로 인해 기존의 전자회로 칩에 집적할 수 있어 주목받고 있다.

메타표면을 이용해 파면 제어 기술을 구현하기 위해서는 빛의 진폭과 위상을 제어할 수 있는 능력이 필수적이다.

동적으로 빛의 위상을 360˚ 제어하는 기술은 난이도가 매우 높아 기존 연구에서 위상을 제어하는 데 성공하더라도 얻을 수 있는 빛의 진폭이 매우 낮다는 한계가 있었다.

연구팀은 360˚ 동적 위상변조가 가능하면서도 크고 일정한 빛의 진폭을 얻을 수 있는 메타표면 설계 기술을 개발해 이 한계를 극복했다.

동적 360˚ 위상 제어 문제가 어려운 이유는 메타표면의 '동작원리'와 관련이 있었다.

메타표면은 보통 도달하는 빛이 메타표면 구조와 상호작용해서 일으키는 진동을 통해 동작한다.

동적 360˚ 위상 제어를 하려면 광학 진동 주파수는 크게 변해야 하지만, 진동 폭은 최소화되는 것을 유지해야 한다.

전기적으로 메타표면의 광학 진동 주파수를 조정하기 위해서는 메타표면에 들어오고 나가는 전자의 흐름을 원하는 대로 조절할 수 있어야 한다.

이때 진동 폭이 커져서 진폭을 일정하게 유지하는 것이 매우 어려워진다.

연구팀은 특수한 성질을 가진 광학 공진(진폭이 급격히 늘어남)을 이용해 이러한 문제를 해결했다.

위상과 진폭 특성이 분리돼있어 위상이 변할 때 큰 진폭을 유지할 수 있고, 위상변조 범위가 커 360˚ 제어를 가능하게 하는 광학 공진이다.

이 특성들을 활용해 동적 360˚ 제어가 가능하면서도 일정한 진폭을 유지할 수 있는 메타표면이 구현된 것이다.

이렇게 개발된 기술은 소자의 구조와 공진의 특성을 조절함에 따라 어떤 주파수 영역에도 적용 가능한 장점이 있다.

이 기술을 통해 중적외선 대역에서 동작하는 그래핀 나노 리본 기반 메타표면 소자가 설계됐으며 65%의 일정한 반사계수를 유지하면서도 540˚ 위상변조가 가능하게 됐다.

장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수(첫 번째), 김주영 박사과정(두 번째), 박주호 박사과정(세 번째), 빅터 브라 위스콘신 대학 교수(네 번째).(사진=KAIST)
장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수(첫 번째), 김주영 박사과정(두 번째), 박주호 박사과정(세 번째), 빅터 브라 위스콘신 대학 교수(네 번째).(사진=KAIST)

장민석 교수는 "이번 연구를 통해 기존의 동적 위상변조 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 메타표면 설계 방법을 제시했다"며 "파면 제어 기술을 활용한 라이다와 홀로그램 등 차세대 광학 소자 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다"고 말했다.

김주영, 박주호 KAIST 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 19일 출판됐다.(논문명: Full 2π Turnable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances)

이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 통해 이뤄졌다.

 


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