포스텍-카이스트, 100% 효율 광스핀홀 효과 검증...초소형 광학 소자에 활용 기대

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포스텍(POSTECH·총장 김무환)과 카이스트(KAIST·총장 신성철) 공동 연구팀이 인공적으로 디자인된 메타표면을 활용해 100% 효율에 가까운 '광스핀홀 효과'를 얻는 방법을 찾았다.

포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수, 기계공학과 통합과정 김민경씨, 이다솔 박사 연구팀이 카이스트 민범기 기계공학과 교수, 조혁준씨 연구팀과 함께 비등방성을 갖는 메타표면을 이용해 효율이 거의 100%이면서 광스핀홀 효과를 높일 수 있는 방안을 제안했다고 16일 밝혔다. 연구팀은 한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계해 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다.

한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계하여 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증한 연구팀. 왼쪽부터 노준석 교수. 김민경 씨, 이다솔 박사
<한 편광의 빛은 대부분 투과하고 다른 편광의 빛은 반사하는 메타표면을 설계하여 고주파 영역에서 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증한 연구팀. 왼쪽부터 노준석 교수. 김민경 씨, 이다솔 박사>

광스핀홀 효과는 광학 경계면에서 빛이 반사 또는 굴절할 때, 빛의 편광 방향에 따라 입사평면에 수직인 방향으로 빛이 이동하는 현상을 가리킨다. 광스핀홀 효과가 증가하면 파장의 수배 또는 수십배 이상 빛을 이동시킬 수 있다.

그동안 광스핀홀 효과에 관한 연구는 주로 빛의 이동을 크게 하는 방향으로 진행됐고 효율은 거의 고려하지 않았다. 광스핀홀을 증폭시키면 효율이 낮아지기 때문에 효율이 높으면서 광스핀홀 효과가 큰 연구는 보고된 바가 없었다.

연구팀은 광스핀홀 효과를 증폭시키기 위해 비등방성을 갖는 메타표면을 이용했다. 이 메타표면은 한 편광의 빛은 대부분 투과시키면서 다른 편광 빛은 반사해 광스핀홀 효과를 증폭시키도록 설계됐다. 마이크로파와 같은 고주파 영역에서 메타표면 투과율을 측정하고 이를 통해 투과된 빛의 편광 상태를 검증해 효율이 100%에 달하는 광스핀홀 효과가 일어나는 것을 검증했다.

노준석 교수는 “처음으로 광스핀홀 효율을 계산하는 방법을 제시하고 효율을 높이면서도 광스핀홀 효과를 키우는 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 광스핀홀 효과는 빔 분할기, 필터, 스위치 등 초소형 광학 소자로 활용될 수 있다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 지역혁신선도연구센터, 교육부 글로벌 박사양성사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 최근 광학 분야 권위지 '레이저 앤 포토닉스 리뷰'에 게재됐다.

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com