포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 기존 분광기보다 훨씬 더 작으면서도 빛의 색(파장)과 회전 방향(편광)을 동시에 측정할 수 있는 세계 최초의 메타렌즈형 초소형 분광기를 개발했다고 15일 밝혔다. 휴대형 진단기기나 환경 센서, 생체검사 시스템 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
빛 속에는 많은 정보가 담겨 있다. 분광기는 이 빛을 분석해 물질의 성분이나 상태를 알아내는 도구다. 병원의 혈액 검사, 음식 안전성 검사, 공기나 물의 오염 측정 등 다양한 분야에서 활용된다. 하지만 지금까지의 분광기는 크기가 크고 복잡한 장비가 필요했다. 특히 빛의 색뿐만 아니라 회전 방향(편광)까지 동시에 분석하려면 더 많은 장비가 요구돼, 마치 라디오 하나 들으려 방 하나를 가득 채우는 셈이었다.
연구팀은 이를 '메타표면(metasurface)' 기술로 해결했다. 메타표면은 나노미터(㎚) 크기의 아주 작은 기둥 수십만 개가 정밀하게 배열된 구조다. 각 기둥은 특정한 각도로 비틀어져 있어, 빛을 자유자재로 조절할 수 있다.
연구팀은 이 기둥들을 서로 다른 방향으로 회전시켜 배치함으로써, 같은 색의 빛이라도 편광 방향에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라지도록 설계했다. 이 위치 정보를 바탕으로 빛의 색과 회전 방향을 동시에 판별할 수 있는 것이다.
특히, 질화규소(Si₃N₄)를 사용해 자외선 영역에서도 안정적으로 작동하도록 구현했다. 질화규소는 반도체나 스마트폰 제조에 널리 쓰이는 CMOS 공정과 호환할 수 있어 상용화 가능성도 높다.
실제로 연구진은 기준이 되는 4가지 파장(320, 370, 405, 450㎚)에 대해서 실험을 진행, 빛이 어느 방향으로 회전하느냐에 따라 다른 위치에 초점이 생기는 현상을 관찰했다. 이를 통해 색과 편광 정보를 동시에 정확하게 측정할 수 있음을 확인했다.
지금까지 손톱보다 작은 분광기(칩스케일 분광기)는 대부분 색깔만 구분할 수 있었고, 편광을 측정하려면 추가 장치가 필요했다. 하지만 이번 연구에서는 하나의 장치로 두 가지 정보를 동시에 측정할 수 있는 초소형 분광기를 세계 최초로 구현했다.
포스코(POSCO) 홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사장려금의 지원으로 수행된 이번 연구는 최근 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
