한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 장민석 전기 및 전자공학부 교수와 미국 빅터 브라 위스콘신대 교수 연구팀이 적외선 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학 특성까지 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다고 18일 밝혔다.
이번 연구를 통해 기존 능동 메타 표면 분야 난제였던 빛의 세기와 위상 독립적 제어 문제를 해결할 수 있을 전망이다.
메타표면은 차세대 광변조기술 후보다. 광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술인데, 단위 픽셀의 크기가 회절 한계보다 크고, 구동 속도에 제한이 있다는 문제가 있다. 자연계 물질로는 가질 수 없는 광학 특성을 가진 메타표면은 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺을 수 있다. 특히 능동 메타표면은 전기 신호로 그 광학적 특성을 실시간 제어할 수 있다.
문제는 능동 메타표면 빛의 세기 조절과 위상 조절이 독립되지 않는다는 점이다. 기존 메타표면은 개별 메타 원자가 하나의 공진 조건만을 가지도록 설계돼 빛의 진폭과 위상을 독립적으로 제어하기 어렵다.
연구팀은 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합한 단위체를 구성, 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 개선했다. 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능하다.
연구팀은 제안 능동 메타표면의 성능과 설계 방식을 응용해 파면 제어의 가능성을 이론적으로 확인했다. 또 메타표면의 광학 특성을 예측할 수 있는 이론 기법을 개발해 메타표면 설계 지침도 제시했다.
연구팀 이 기술을 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등 능동 광학 시스템에 적용 가능할 것으로 보고 있다.
장민석 교수는 “이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다”라며 “앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
