능동 조절 '메타표면' 개발···차세대 전자기기 활용

KAIST, 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어 해결
전기 신호로 광학 특성 조절, 홀로그래피·라이다 적용 가능
중적외선 세기 및 위상 독립 변조가 가능한 능동 메타표면의 구조 모식도와 해당 메타표면으로부터 반사된 중적외선의 세기와 위상.<사진= KAIST>중적외선 세기 및 위상 독립 변조가 가능한 능동 메타표면의 구조 모식도와 해당 메타표면으로부터 반사된 중적외선의 세기와 위상.<사진= KAIST>

홀로그래피를 활용하는 등 차세대 전자기기에 적용할 수 있는 조절 가능한 메타표면 기술이 개발돼 다양하게 접목할 수 있을 전망이다.

KAIST(총장 신성철)는 장민석 전기및전자공학부 교수와 미국 위스콘신 대학의 빅터 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 그래핀 기반 메타표면을 이론적으로 제안하고 확인했다고 18일 밝혔다.

메타표면은 일반적 물질에서 일어날 수 없는 굴절 특성을 갖는다. 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복하기 위해 사용돼 왔다.

특히 능동 메타표면은 전기 신호로 광학적 특성을 실시간 제어할 수 있어 민감도가 뛰어난 차세대 전자기기들은 메타표면 적용이 높을 것으로 기대된다. 즉 메타표면을 이용하면, 매우 얇고 평평한 표면만으로도 산란된 빛의 진폭과 위상을 조절할 수 있고, 원하는 형태로 파면을 조절하는 것도 가능하게 된다.

그러나 메타표면이 홀로그램 투사, 초고속 빔 스티어링 혹은 경로 조절, 망원경과 현미경에서 초고속 수차 보정 기술에 사용되려면 높은 조절 능력을 가져야 한다. 높은 조절 능력을 구현하기 위해 다양한 산란 구조의 물질들이 삽입된다. 때문에 빛의 진폭 조절과 위상 조절 간의 불가피한 상관문제를 갖게 된다. 실제 지금까지 위상을 360°이상 조절할 수 있는 능동 메타표면은 구현되지 못했다.

연구팀은 전기적으로 조절 가능한 반사 타입 메타표면 구조를 고안했다. 두개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성, 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했다

또 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 개발했다. 이는 직관적, 포괄적으로 적용 가능한 메타표면의 설계 지침을 제시했다는 평가를 받는다.

이번 연구를 통해 기존 능동 메타표면 분야의 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어 문제를 해결해 중적외선 파면을 더 정확히 고해상도로 변조할 수 있을 전망이다. 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 활용 가능할 것으로 보인다.

장민석 교수는 "이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다"며 "앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다"고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 통해 수행됐다. 한상준 석사과정과 위스콘신 대학교 김세윤 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 지난달 28일자 표지논문으로 게재됐다.
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