UNIST 연구팀이 빛의 파장보다 작은 구조체로 이뤄진 능동변환 비선형 광학 메타표면 기술 개발에 성공했다. 양자 광원과 의료 진단 기기 등 미래 통신 기술 분야에 중요한 발전을 가져올 것으로 기대된다.

UNIST(총장 박종래) 전기전자공학과 이종원 교수팀은 전기로 제3 고조파를 조절할 수 있는 ‘비선형 광학 메타표면’을 개발했다. 외부에서 가해지는 신호나 자극에 따라 빛의 특성이 변해 복잡한 광학 신호를 조절하는 기술이다.

비선형 광학은 빛과 물질이 상호작용해 빛의 주파수를 바꾼다. 다양한 파장을 생성해 단일 파장 레이저보다 더 많은 정보를 전달할 수 있다. 녹색 레이저 포인터가 비선형 광학 기술을 활용한 대표적 응용 사례이다.

메타표면은 작은 반도체층 위에 금속 구조가 결합된 형태로, 빛의 파장보다 작다. 여러 단위의 구조가 기판 위에 정렬된 형태로 이뤄져 메타표면은 빛을 효과적으로 조작할 수 있다.

비선형 광학 메타표면으로 광학기기를 작고 가볍게 만들 수 있다. 머리카락보다 얇은 인공 물질로 레이저 기기를 종이처럼 얇게 제작할 수 있다. 기존 수동 방식은 전기적 조절이 어려웠으나, 연구팀이 개발한 비선형 광학 메타표면은 전기로 조절 가능하다.

연구팀은 전압으로 제2 고조파를 조절할 수 있는 기술을 세계 최초로 선보인 데 이어, 제3 고조파 세기와 위상을 독립 조절하는 기술도 최초로 구현했다. 메타표면이 빛의 파장뿐만 아니라 세기와 위상도 조절할 수 있게 된 것이다.

박성진 연구원은 “광학 메타표면 특성은 반도체층과 금속 구조에 의해 결정된다”며, “메타표면이 빛의 주파수 뿐만 아니라 위상, 진폭을 조절해 기존 광학기기의 한계를 넘어섰다”고 설명했다.

이종원 교수는 “비선형 제3 고조파의 세기와 위상을 전기로 조절한 것은 이번이 처음”이라며, “광 변조 암호 기술, 움직이는 홀로그램, 차세대 양자 센서와 양자 통신 광원 등에도 활용할 수 있다”고 밝혔다.
연구 결과는 광학 분야 최고 권위 학술지 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science and Applications)’에 7월 17일 논문으로 실렸다. 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업 등에서 지원받아 수행됐다.

전압으로 비선형 광학현상의 세기와 위상을 조절할 수 있는 메타표면

<용어설명>

1. 메타표면(metasurface)

이차원의 파장보다 작은 메타원자들의 배열로 이루어진 구조체로써, 파장보다 작은 영역에서 산란되는 빛의 진폭, 위상 그리고 편광 등을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다.

2. 위상(phase)

반복되는 함수 파형에서 1주기 중 어느 위치에 있는지를 나타내는 양이다. 한 주기를 각도 360° 혹은 2π 로 나타내며 0을 시작으로한 사이 값으로 한 순간의 위치를 나타낸다.

3. 플라즈모닉(plasmonic)

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 국부적인 표면 플라스몬(localized surface plasmon)이라 부르기도 한다. 이러한 표면 플라스몬의 설계, 제어, 응용기술을 플라스모닉라고 한다.

4. 다중양자우물 (Multiple quantum well, MQW)

양자우물은 에너지 전위가 다른 두 가지 이상의 물질의 적층되어 불연속한 양자화 되어있는 에너지 값을 가지는 전위 우물이다. 이러한 양자우물을 여러 개 조합한 구조를 다중양자우물이라고 한다.

5. 3차 고조파 생성(Third harmonic generation)

3차 고조파 생성은 동일한 주파수를 가진 세 개의 광자가 비선형 물질과 상호 작용하고 "결합"되어 초기 광자의 세 배 주파수를 갖는 새로운 광자를 생성하는 3차 비선형 광학현상 중 한 종류다.

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