한국과학기술원(KAIST)은 장민석 전기 및 전자공학부 교수팀이 빅터 브라 미국 위스콘신대 교수팀과 공동연구로, 기존 한계를 뛰어넘어 360도 동적 위상변조가 가능한 메타표면 설계 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
메타표면은 자연상에 존재하지 않는 물성을 띄도록 새롭게 만든 2차원 평면구조다. 라이다(LIDAR), 분광기, 투명 망토, 홀로그램 등을 구현할 '파면 제어 기술'의 강력한 후보다. 나노미터(㎚) 수준 크기로 기존 전자회로 칩에 집적할 수 있다.
메타표면으로 파면 제어 기술을 구현하려면 빛의 진폭과 위상을 제어하는 능력이 필수다. 그러나 동적으로 빛의 위상을 360도 제어하는 기술은 구현 난이도가 매우 높다. 위상 제어에 성공해도 얻을 수 있는 빛 진폭이 매우 낮다. 연구팀은 360도 동적 위상변조가 가능하면서, 크고 일정한 빛의 진폭을 얻을 수 있는 메타표면 설계 기술을 개발했다.
동적 360도 위상 제어가 어려운 이유는 메타표면 동작 원리에 있다. 입사하는 메타표면은 그 구조와 빛이 상호작용해 일으키는 진동에 기반해 동작하는데, 동적 360도 위상 제어를 하려면 광학 진동 주파수는 크게 변해야 하지만 진동 폭은 최소화된 채로 유지돼야 한다. 메타표면에 들어오고 나가는 전자 흐름을 원하는 대로 조절할 수 있어야 광학 진동 주파수 조정이 가능한데, 이는 필연적으로 진동 폭을 크게 만들어 두 가지 조건을 동시에 만족하기 어렵게 한다.
또 광학 위상과 진폭은 비선형적으로 복잡하게 얽혀 있어 위상 조절 시 진폭을 일정하게 유지하기도 어렵다.
연구팀은 특수한 두 가지 광학 공진을 이용, 문제를 해결했다. 하나는 위상이 변할 때 큰 진폭을 유지하는 광학 공진이고, 다른 하나는 위상변조 범위가 커 360도 제어를 가능케 하는 광학 공진이다. 연구팀은 두 가지 광학 공진을 결합, 메타표면을 구현했다.
개발 기술은 어떤 주파수 영역에도 적용 가능한 장점이 있다. 연구팀은 개발 기술로 중적외선 대역 동작하는 그래핀 나노 리본 기반 메타표면 소자를 설계했으며, 65%의 일정한 반사계수를 유지하면서 540도 위상변조가 가능함을 전자기 시뮬레이션으로 확인했다.
장민석 교수는 “이번 연구로 기존 동적 위상변조 기술 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.
한편 김주영, 박주호 KAIST 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈에 4월 19일자로 출판됐다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 지원으로 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
