포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수, 기계공학과 통합과정 김석우 씨, 김주훈 씨, 김경태 씨, 정민수 씨 연구팀이 평면 광학 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방법을 개발했다고 3일 밝혔다.
이번 연구는 기존 메타표면 기술에서 사용되던 샘플링 이론의 한계를 규명하고, 성능을 크게 향상시킬 수 있는 다차원 샘플링 이론을 제시했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
평면 광학 기술은 얇은 평면에 나노·마이크로 수준의 구조체를 패터닝해 빛을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다. 기존 광학 기술은 부피가 크고 무거운 렌즈나 거울을 사용하여 빛의 경로를 조정하기 때문에 스마트폰 카메라의 돌출(카툭튀 현상)이나 증강현실·가상현실(AR·VR) 기기의 소형화에 제약이 있었다. 그러나 평면 광학 기술을 활용하면 수백 나노미터(㎚)두께로도 빛을 제어할 수 있어 초소형 기능성 광학 디바이스 구현이 가능하다.
평면 광학 기술을 활용한 가장 혁신적인 소자인 메타표면은 수억 개의 나노 구조체 배열을 통해 빛의 위상 분포를 샘플링함으로써 렌즈부터 홀로그램까지 다양한 기능을 수행할 수 있다. 여기서 샘플링이란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이다.
예시로 인간의 뇌는 샘플링을 통해 시각정보를 처리한다. 예를 들어 동영상을 시청할 때, 인간의 뇌는 빠르게 여러 장의 장면들을 인식, 즉, 이미지 샘플링을 통해 시각적인 정보를 인식한다. 샘플링은 범용적으로 쓰이는 기술이지만 에일리어싱이라는 심한 왜곡 현상을 불러올 수 있다.
이에 대해 연구팀은 메타표면의 2차원 구조 형태와 빛이라는 파동의 특수성을 반영한 새로운 샘플링 이론을 개발했다. 이 이론을 통해 메타표면의 격자 구조와 스펙트럼 형상의 기하학적 관계가 메타표면의 광학 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명했다.
더 나아가 2차원 격자를 회전시키거나 회절 소자를 결합하는 방식을 통해 노이즈를 줄이고 빛의 제어 성능을 극대화하는 '안티-에일리어싱(Anti-aliasing)' 기술을 제안했다. 이 기술들을 활용해 가시광선부터 자외선 영역까지의 광범위한 파장에 대해 메타표면에서 발생하는 노이즈를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 자외선 대역에서 작동하는 고 개구수 메타렌즈와 광시야각 메타홀로그램을 성공적으로 구현했다.
이번 연구는 기존 이론의 한계를 극복해 메타표면 평가·설계 방식에 새로운 지침을 제시했고, 자외선 대역과 고 개구수 영역에 필요한 높은 해상도의 공정 조건을 획기적으로 완화했다는 것에 의미가 있다.
노준석 교수는 “이번 연구는 마이크로파 대역에서부터 극자외선 대역에 이르는 광범위한 파장 대역에 적용가능한 범용적 설계 지침을 제시함으로써 메타표면 기술의 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 포스코, 삼성전자, 과학기술정보통신부(한국연구재단)의 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
