국내 연구진이 광학적 비선형성이 기존 물질 대비 수천에서 수십억 배 큰 메타물질을 개발했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 신종화 신소재공학과 교수팀이 벽돌을 엇갈려 담을 쌓는 것과 같이 나노 금속판을 3차원 공간에서 엇갈리게 배열하면 '광학적 비선형성'이 증대될 수 있음을 확인했다고 9일 밝혔다.
비선형성은 입력값, 출력값이 비례관계에 있지 않은 성질이다. 이 경우 비례관계를 넘어설 만큼 커지는 것을 뜻한다. 광학에서 큰 비선형성을 확보할 경우, 빛의 속도로 동작하는 인공신경망이나 초고속 통신용 광 스위치 등 광소자를 구현할 수 있다. 다만 강한 비선형성을 가진 소재가 아직 나오지 않았다.
연구팀은 물질 전기 특성인 유전분극(물체가 전기를 띠는 현상)을 매우 크게 조절하는 방법을 고안했다. 나노 금속판이 3차원에서 엇갈려 배열되면 매우 큰 분극을 만들게 된다는 점에 착안했다. 빛의 세기가 아닌 분극 크기를 조절, 큰 비선형성을 얻는 방법은 이번 연구에서 처음 제시한 개념이다.
이런 비선형성 원리는 단백질과 뼈의 단단함 차이를 설명하는 모델과 수학적으로 아주 유사한 것으로 나타났다. 동물 뼈는 이를 이루는 단백질보다 수천 배 단단하다.
연구팀이 고안한 메타물질 소자는 기존 소자보다 에너지 효율이 약 8배나 뛰어나다. 에너지 효율이 비슷한 기존 소자보다 신호 시간은 약 10배 정도 짧다. 현재까지 개발된 광소자 중 가장 우수한 성능을 보였다.
이런 원리는 광학뿐만 아니라 역학, 전자기학, 유체역학, 열역학 등 다양한 물리 분야에도 적용할 수 있다. 유체역학 '물질전달률', 열역학 '열전도율' 등 다양한 물성 증대에도 연구팀의 방법이 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
신종화 교수는 “광대역에서 매우 큰 유전분극 증대율을 보이는 물질을 최초로 발견하고 증명한 연구”라며 “기계학습을 위한 초고속 인공 신경망 등 다양한 광 응용 소자 구현을 위해 후속 연구를 진행하고 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
