적외선 세기·위상 제어 가능한 메타표면
적외선 세기·위상 제어 가능한 메타표면
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.23 23:50
  • 조회수 551
  • 댓글 0
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요약

 

적외선 세기와 위상 제어가 가능한 메타표면이 개발됐습니다. 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했습니다. 연구팀이 제안한 메타표면은 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하의 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능합니다. 이 기술을 기반으로 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 적용 가능할 것으로 보입니다.

KAIST 전자및전자공학부 장민석 교수와 미국 위스콘신대학교 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타표면을 이론적으로 제안했습니다. 이번 연구를 통해 기존 능동 메타표면 분야의 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어 문제를 해결해 중적외선 파면을 더 정확히 고해상도로 변조할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다.

ACS 나노 2020년 1월호 전면 표지. 출처: KAIST
ACS 나노 2020년 1월호 전면 표지. 출처: KAIST

광조변조기술의 차세대 후보, 메타표면

 

광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술입니다. 기존 광변조기술에는 액정을 이용한 방식과 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용한 방식이 있습니다. 그러나 두 방식 모두 단위 픽셀의 크기가 회절 한계보다 크고, 구동 속도에 제한이 있다는 문제가 있었습니다. 

 

메타표면은 이러한 문제들을 해결할 수 있기에 차세대 광변조기술의 강력한 후보입니다. 메타표면은 자연계의 물질이 가질 수 없는 광학적 특성을 가지며 회절 한계를 극복한 고해상도의 상을 맺는 등 전통적인 광학 시스템의 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있습니다. 특히, 능동 메타표면은 전기 신호로 그 광학적 특성을 실시간 제어할 수 있어 적용 범위가 넓은 기술로 평가받습니다.

  • 메타표면 (Metasurface)

 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 가질 수 있도록 제작된 인공 이차원 물질입니다.

  • 메타원자 (Metaatom)

 메타표면을 이루는 기본 단위체입니다.

그러나 기존에 연구되던 능동 메타표면은 빛의 세기 조절과 위상 조절 간의 불가피한 상관관계 문제가 존재했습니다. 기존 메타표면들은 개별 메타원자가 하나의 공진 조건만을 가지도록 설계됐으나 단일 공진 설계는 빛의 진폭과 위상을 독립적으로 제어하기에는 자유도가 부족하다는 점이 한계였습니다. 

 

메타표면, 중적외선 세기·위상 독립적으로 제어 가능해

 

연구팀은 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했습니다. 연구팀이 제안한 메타표면은 중적외선의 세기와 위상을 독립적으로 회절 한계 이하의 해상도로 조절할 수 있어 광 파면의 완전한 제어가 가능합니다.

 

연구팀은 전기적으로 조절 가능한, 반사 타입 메타표면 구조를 고안했습니다. 이 메타표면은 위상을 국소적으로 0부터 360°까지 완전하게 조절할 수 있습니다. 또한 산란된 빛의 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있는 파장보다 작은 산란 구조를 가집니다.

중적외선 세기 및 위상 독립 변조가 가능한 능동 메타표면의 구조 모식도와 해당 메타표면으로부터 반사된 중적외선의 세기와 위상. 출처: KAIST
중적외선 세기 및 위상 독립 변조가 가능한 능동 메타표면의 구조 모식도와 해당 메타표면으로부터 반사된 중적외선의 세기와 위상. 출처: KAIST

제안된 구조의 단위 구조인 메타분자는 그래핀 플라즈모닉 리본과 맞닿아 있는 금속 안테나의 쌍으로 이루어져 있는데요. 이 메타분자 기반 메타표면 구조에서 그래핀 플라즈모닉 리본들의 페르미 준위 쌍은 빛의 세기와 위상을 조절하는 두 가지 조절 변수로 작용합니다. 각 메타분자는 7µm 파장의 중적외선에서 구동되며 파장보다 작은 크기를 가지고 있어 장거리장에 도달해야 그 광학적 특성을 온전히 관찰할 수 있습니다. 즉, 메타분자의 광학적 특성은 그를 구성하는 메타원자들의 광학적 특성의 조합으로 나타나지만 개별 메타원자들이 주는 광학적 특성과는 전혀 다른 특성을 보여주는 셈입니다. 

 

연구팀은 제안된 능동 메타표면의 성능과 이러한 설계 방식을 응용한 파면 제어의 가능성을 이론적으로 확인했습니다. 특히, 복잡한 전자기 시뮬레이션이 아닌 해석적 방법으로 메타표면의 광학적 특성을 예측할 수 있는 이론적 기법을 개발해 직관적 포괄적으로 적용 가능한 메타표면의 설계 지침을 제시했습니다.

 

연구팀의 기술은 기존 파면 제어 기술 대비 월등히 높은 공간 해상도로 정확한 파면 제어가 가능할 것으로 기대됩니다. 이 기술을 기반으로 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 적용 가능할 것으로 보입니다.

왼쪽부터 한상준 석사과정, 위스콘신 대학 김세윤 박사, KAIST 장민석 교수. 출처: KAIST
왼쪽부터 한상준 석사과정, 위스콘신 대학 김세윤 박사, KAIST 장민석 교수. 출처: KAIST

장민석 교수는 "이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다"라며 "앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다"고 말했습니다.

 


##참고자료##

 


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