장파장 중적외선 레이저빔을 중파장 중적외선으로 바꾸는 새로운 기술이 개발됐습니다. 작고 얇은 평면 구조체(메타표면)와 빛을 만나게 해 빛의 파장을 바꾸는 기술입니다. 중적외선은 눈에 보이지 않는 적외선의 한 종류로 유해 물질의 성분 등을 분석하는 데 쓰이는 빛입니다. 

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수팀은 입사되는 빛의 원편광 회전 방향에 따라 빛 파장을 선택적으로 바꾸는 새로운 메타표면을 개발했습니다. 메타표면은 빛 파장보다 훨씬 크기가 작은 인공구조물인 '메타아톰'이 표면에 빼곡하게 배열된 평면 구조체입니다. 개발된 메타표면에 입사된 빛은 원편광 회전 방향에 따라 그 파장이 1/2(우원편광) 또는 1/3(좌원편광)로 크기로 줄어든 새로운 파장의 빛으로 변환됩니다. 이 특성을 이용하면 상용화된 장파장 중적외선 레이저 빛을 메타표면에 쏘아 파장이 짧은 중파장 중적외선 영역 빛을 쉽게 얻을 수 있습니다. 해당 연구는 'Nano Letters'에 게재됐습니다.

'뚝딱' 빛 만들어 내는 기술 

중적외선을 이용한 흡수분광분석은 물질 분석법 중 가장 높은 정확도와 식별력 갖습니다. 흡수분광분석은 빛을 물질에 흡수시켜 성분을 분석하는 것을 말합니다. 하지만 기존의 중적외선 영역 빛을 내는 레이저 광원(light source)은 나노미터 두께의 반도체를 수천 겹 가량 쌓아 만들기 때문에 제조 과정이 까다롭습니다. 또 광원 하나 가격도 비쌀뿐더러 광원 하나로 전체 중적외선의 일부만 만들 수 있다는 문제가 있습니다. 

연구진이 개발한 메타표면을 쓰면 하나의 중적외선 레이저로 중적외선(3~12μm) 대부분 영역을 포함하는 빛 생성이 가능합니다. 상용화된 9-12μm(마이크로미터, 10-6m) 가변파장 중적외선 레이저 빛의 우원편광 성분으로는 4.5~6μm의 파장 대역 빛을, 좌원편광 성분으로 3~4(μm) 파장 대역 빛을 만들 수 있기 때문입니다. 

이종원 교수는 "상용화된 중적외선 레이저와 하나의 메타표면을 이용해 여러 대의 중적외선 레이저를 보유한 것과 같은 효과를 얻을 수 있음을 이번 연구를 통해 보였다"고 설명했습니다.

빛의 진동수나 파장을 원평광 방향에 따라 선택적으로 바꾸는 메타표면(비선형 카이랄 메타표면)의 경우 원편광 방향을 구분해 파장 변환을 발생시키는 성질(비선형 원형이색성)이 낮고 광 변환 효율 또한 낮은 문제가 있었습니다. 이번에 개발한 메타표면은 비선형 원형이색성이 두 종류의 파장변환 (1/2 및 1/3 파장변환)에 대해 동시에 최대값인 1에 가깝고 효율도 기존 대비 100배 이상 향상됐습니다. 제1저자인 김대익 UNIST 전기전자공학과 박사과정 연구원은 “기존 비선형 카이랄 메타표면이 갖는 낮은 비선형 원형이색성과 효율성 문제를 동시한 해결한 최초의 연구”라고 설명했습니다.

연구팀이 개발한 메타표면은 여러 층으로 구성된 아주 얇은 반도체(다중양자우물)위에 2종류의 특이한 기하학적 구조(깨진 거울 반전 대칭 구조) 깨진 거울 반전를 갖는 메타 아톰이 배열된 형태입니다. 빛의 위상도 이 메타아톰을 회전시켜 원하는 대로 바꿀 수 있다는 장점이 있습니다. 이 때문에 두꺼운 렌즈 없이 빛을 모으거나 분산시킬 수 있습니다. 아주 얇은 카메라 같은 평면광학기기 구현도 가능한 이유입니다.

이 교수는 "이번 연구에서 개발된 메타표면은 광대역 중적외선 광원뿐만 아니라 고효율 비선형 홀로그램, 초고감도 카이랄 센서, 비선형 광 정보처리 소자 등 다양한 신개념 평면 광학 소자에 응용할 수 있을 것"이라고 기대했습니다.

##참고자료##

• Kim, Daeik, et al. "Giant Nonlinear Circular Dichroism from Intersubband Polaritonic Metasurfaces." Nano Letters 20.11 (2020): 8032-8039.

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