위성이나 우주탑재체는 임무가 바뀔 때마다 광학 필터와 센서를 새로 설계해야 했는데, 앞으로는 초소형 광학 칩 하나가 전기 신호만으로 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라 등 다양한 역할을 수행하는 시대가 열릴 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 김현정 항공우주공학과 교수팀이 주에이전 후 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수팀과 함께 빛을 원하는 방식으로 자유롭게 제어하는 초소형 광학 칩을 세계 최초로 개발했다고 14일 밝혔다.
메타표면(머리카락보다 훨씬 작은 미세 구조를 이용해 빛 세기·방향·파장 등을 자유롭게 제어하는 초박형 광학 구조) 기반 투과형 중적외선 공간광변조기(SLM)다.
SLM은 빛이 얼마나 통과하고 어떤 형태로 전달될지를 픽셀 단위로 조절하는 광학 소자다. 연구팀은 각 픽셀을 전기적으로 독립 제어하는 데 세계 최초로 성공했다.
기존 중적외선 SLM은 대부분 빛을 반사시키는 방식이거나 많은 픽셀을 각각 독립적으로 제어하기 어려워 위성 센서나 초소형 분광기(빛을 파장별로 분석하는 장치), 적응형 광학계(환경 변화에 맞춰 광학 성능을 자동 조절하는 시스템)에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 전기 신호를 받으면 빛이 통과하는 정도가 달라지는 광학 상변화 소재(PCM)인 게르마늄-안티모니-셀레늄-텔루륨(GSST)를 활용해 이런 문제를 해결했다. 이 소재는 전기 신호를 한 번 받으면 상태가 유지돼 전원이 꺼져도 계속 같은 성능을 유지하는 비휘발성 특성을 갖는다.
광학 칩의 픽셀 수가 많아질수록 선택한 픽셀 외에 다른 픽셀에도 전류가 흘러 원하지 않는 픽셀까지 함께 작동하는 기생 경로 문제가 발생한다. 연구팀은 각 픽셀에 '실리콘 PIN 다이오드(원하는 픽셀에만 전류가 흐르도록 하는 반도체 소자)'를 적용해 원하는 픽셀만 정확하게 선택해 제어하는 데 성공했다.
이를 통해 6×6 픽셀 배열의 모든 픽셀을 독립적으로 제어하고 원하는 광학 패턴을 구현했다. 또 약 1만6700회 이상 반복 구동 후에도 안정적인 성능을 유지해 기존 기술보다 약 13배 높은 내구성을 입증했다. 앞으로 메타표면 구조를 더욱 정교하게 설계해 빛 방향·편광까지 자유롭게 제어하는 범용 재구성 광학으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구의 가장 큰 의미는 '광학도 소프트웨어처럼 바꿀 수 있다'는 새로운 개념을 제시했다는 점이다. 이 기술이 상용화되면 위성과 우주탑재체는 물론 발사체 상태진단, 우주정거장 열 감시, 우주 제조 공정 계측, 적외선 영상, 광통신 등 다양한 광학 시스템을 하나의 플랫폼으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다.
김현정 교수는 “MIT의 나노포토닉스와 KAIST의 우주 센서 기술을 결합해 실제 우주 시스템으로 발전시키겠다”고 말했다.
이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈 7일 온라인판에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
