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| 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안한 카이스트 장민석 교수팀 등 국내외 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 1월 28일 게재됐다.(자료출처=ACS 나노/제공=카이스트 장민석 교수팀) |
[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 장민석 교수와 미국 위스콘신 대학 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다고 19일 밝혔다.
광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술이다.
현재 광변조기술에는 액정을 이용한 방식과 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용한 방식이 있으나 두 방식 모두 단위 픽셀의 크기가 회절 한계보다 크고 구동 속도에 제한이 있다는 문제가 있었다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 메타표면의 활용성을 연구하고 있으며 차세대 광변조기술의 강력한 후보이다.
이 메타표면은 자연계의 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 가지며 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다.
특히 능동 메타표면은 전기 신호로 그 광학적 특성을 실시간 제어할 수 있어 적용 범위가 넓은 기술로 평가받고 있다.
그러나 기존에 연구되던 능동 메타표면은 빛의 세기 조절과 위상 조절 간의 불가피한 상관관계 문제가 있다.
기존 메타표면들은 개별 메타 원자가 하나의 공진 조건만을 가지도록 설계됐으나 단일 공진 설계는 빛의 진폭과 위상을 독립적으로 제어하기에는 자유도가 부족하다는 한계점이 있다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했다.
연구과정을 보면 연구팀은 전기적으로 조절 가능한 반사 타입 메타표면 구조를 고안했다.
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| 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안한 카이스트 장민석 교수팀 등 국내외 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 1월 28일 게재됐다.(자료출처=ACS 나노/제공=카이스트 장민석 교수팀) |
이 메타표면은 위상을 국소적으로 0부터 360°까지 완전하게 조절할 수 있으며 산란된 빛의 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있는 파장보다 작은 산란 구조를 가지고 있다.
제안된 구조의 단위 구조인 메타분자는 그래핀 플라즈모닉 리본과 맞닿아 있는 금속 안테나의 쌍으로 이루어져 있다.
이 메타분자 기반 메타표면 구조에서 그래핀 플라즈모닉 리본들의 페르미 준위 쌍은 빛의 세기와 위상을 조절하는 두 가지 조절 변수로 작용한다.
또 각 메타분자는 7 µm 파장의 중적외선에서 구동되며 파장보다 작은 크기를 가지고 있어 장거리장에 도달해야 그 광학적 특성을 온전히 관찰할 수 있다.
이로 인해 메타분자의 광학적 특성은 그를 구성하는 메타원자들의 광학적 특성의 조합으로 나타나지만 개별 메타원자들이 주는 광학적 특성과는 전혀 다른 특성을 보여준다.
이 연구결과에 의하면 제안한 메타표면은 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하의 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능하는 등 제안된 능동 메타표면의 성능과 이러한 설계 방식을 응용한 파면 제어의 가능성을 이론적으로 확인했다.
특히 복잡한 전자기 시뮬레이션이 아닌 해석적 방법으로 메타표면의 광학적 특성을 예측할 수 있는 이론적 기법을 개발해 직관적, 포괄적으로 적용 가능한 메타표면의 설계 지침을 제시했다.
장민석 교수는 “이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다”며 “앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다”고 말했다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 통해 수행됐고 한상준 석사과정과 위스콘신 대학교 김세윤 박사가 공동 1저자로 참여한 연구결과는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 1월 28일 게재됐다.
