KAIST, 적외선 세기·위상 제어하는 `메타표면` 개발

메타표면(metasurface) 분야의 난제였던 빛 세기와 위상을 독립적으로 제어해 중적외선 파면을 보다 정확하고 고해상도로 변조할 수 있는 길이 열렸다.
18일 KAIST(총장 신청철) 장민석 전기및전자공학부 교수와 미국 위스콘신대학 브라(Victor Brar) 교수 연구팀은 "적외선 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다"고 밝혔다.
메타표면은 차세대 광변조기술의 강력한 후보 군으로 꼽힌다. 광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술인데 기존 광변조기술은 액정을 사용하는 방식과 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용하는 방식으로 나뉜다. 하지만 둘 모두 단위 픽셀 크기가 회절 단계보다 크고, 구동 속도에 제한이 있었다.

왼쪽부터 한상준 석사과정, 위스콘신 대학 김세윤 박사, KAIST 장민석 교수. [사진 제공 = KAIST]

메타포면은 이 같은 문제들을 해결한다는 강점이 있다. 자연계 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 지닌 데다 회절 한계를 극복한 고해상도 상을 맺는 등 전통적 광학 시스템 한계를 극복할 수 있기 때문이다. 특히 능동 메타표면은 전기 신호로 광학적 특성을 실시간 제어 가능해 적용 범위가 폭넓은 기술로 평가받는다.
하지만 기존에 연구되던 능동 메타표면은 빛 세기 조절과 위상 조절 간 불가피한 상관관계 문제가 제기됐다. 기존 메타표면들이 개별 메타 원자가 하나의 공진 조건만을 가지게끔 설계됐지만 단일 공진 설계는 빛 진폭과 위상을 독립적으로 제어하기엔 자유도가 부족하다는 것이었다.
장민석 교수는 "두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선할 수 있었다"고 설명했다.
연구팀이 제안한 메타표면은 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하의 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능하다. 제안된 능동 메타표면의 성능과 이러한 설계 방식을 응용한 파면 제어의 가능성을 이론적으로 확인한 것이다. 특히나 복잡한 전자기 시뮬레이션이 아닌 해석적 방법으로 메타표면의 광학적 특성을 예측하는 이론적 기법을 개발, 직관적이고 포괄적으로 적용 가능한 메타표면 설계 지침을 제시했다.

중적외선 세기 및 위상 독립 변조가 가능한 능동 메타표면의 구조 모식도. [사진 제공 = KAIST]

이번 기술은 기존 파면 제어 기술 대비 월등히 높은 공간 해상도로 정확한 파면 제어가 가능할 것으로 기대된다. 이에 기반해 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 적용 할 수 있을 것으로 전망된다.
장민석 교수는 "기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명한 것"이라며 "앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다"라고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 받아 수행됐다. 관련 논문은 국제학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 1월 28일 자 전면 표지논문으로 정식 게재됐다.
[김시균 기자]