[대전=뉴스봄] 육군영 기자 = 기존 능동 메타 표면 분야의 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어문제를 해결해 기존 해상도를 넘어서는 중적외선 파면을 제어할 수 있는 기술이론이 KAIST 공동 연구팀에 의해 제시됐다.
KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수와 한상준 석사과정, 위스콘신 대학교 김세윤 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 1월28일 자 전면 표지논문으로 게재됐다. (논문명 : Complete complex amplitude modulation with electronically tunable graphene plasmonic metamolecules)
광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술이다.
기존 광변조기술에는 액정을 이용한 방식과 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용한 방식이 있다. 그러나 두 방식 모두 단위 픽셀의 크기가 회절 한계보다 크고 구동 속도에 제한이 있다는 문제가 있었다.
메타표면은 이러한 문제들을 해결할 수 있기에 차세대 광변조기술의 강력한 후보 중 하나로 알려져 있다.
특히 메타표면은 자연계의 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 가지며 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다.
문제는 기존에 연구되던 능동 메타표면은 빛의 세기 조절과 위상 조절 간의 불가피한 상관관계 있다는 점이다.
기존 메타표면들은 개별 메타 원자가 하나의 공진 조건만을 가지도록 설계됐으나 단일 공진 설계는 빛의 진폭과 위상을 독립적으로 제어하기에는 자유도가 부족했다.
KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수와 미국 위스콘신 대학 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다.
연구팀은 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했다.
연구팀이 제안한 메타표면은 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하의 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능하다.
연구팀은 제안된 능동 메타표면의 성능과 이러한 설계 방식을 응용한 파면 제어의 가능성을 이론적으로 확인했다.
특히 복잡한 전자기 시뮬레이션이 아닌 해석적 방법으로 메타표면의 광학적 특성을 예측할 수 있는 이론적 기법을 개발해 직관적 포괄적으로 적용 가능한 메타표면의 설계지침을 제시했다.
연구팀의 기술은 기존 파면 제어 기술 대비 월등히 높은 공간 해상도로 정확한 파면 제어가 가능할 것으로 기대된다. 이 기술을 기반으로 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.
장민석 교수는 “이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다”면서 “앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다”고 말했다.
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 통해 수행됐다.
