[노준석 교수팀, 자외선-가시광선에서 스핀·파장 다중화 가능한 메타 플랫폼 개발]

기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 성준화 씨 연구팀은 가시광선 및 자외선을 아우르는 영역에서 빛의 회전 방향과 색깔로 다양한 정보를 효과적으로 전송하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료과학과 응용 물리 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다.

현대 사회에서는 정보 보호의 중요성은 날로 커지고 있으며, 특히 금융 거래나 데이터 전송 시 안전한 보안 기술과 위조 방지 능력이 필수적이다. 이와 관련해 빛을 나노 스케일로 제어하는 메타표면 기술이 주목받고 있지만, 가시광선부터 자외선까지 일관되게 작동하기 어려운 한계가 있었다.

노준석 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 실리콘 질화규소(SiNx) 이중체를 기반으로 한 새로운 플랫폼(나노구조물)을 개발했다. 이 메타 플랫폼은 자외선과 가시광선 영역에서 고에너지의 빛을 받아도 쉽게 전도되지 않고 안정적이었으며, 최대 40도(°)의 비스듬한 입사각에서도 효율적으로 작동하며 실제 다양한 응용 환경에서의 적용 가능성을 입증했다.

또한, 연구팀은 이 새로운 플랫폼의 카이랄(chiral)^*1 특성을 이용하여 빛의 회전 방향(스핀)과 색상(파장)으로 정보를 효율적으로 전송하는 데 성공했다. 특히, 이 플랫폼은 빛의 스핀에 따라 빛을 다르게 흡수하는 원형 이색성^*2이 자외선에서 0.95, 가시광선에서는 0.76을 기록하며 뛰어난 광학 성능을 입증했다.

연구팀은 이 기술을 활용해 빛의 스핀과 파장을 열쇠처럼 사용하는 정보 해독 장치도 개발했다. 이 장치는 자외선에서 좌편광, 가시광선에서 우편광으로 각각 입력된 홀로그램을 구현할 수 있어 하나의 장치에서 두 가지의 스펙트럼 정보를 암호화할 수 있다. 이 기술은 위조 방지와 같은 높은 보안이 필요한 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다.

 

연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 넓은 파장 범위에서 다기능 메타표면 구현의 오랜 과제에 실질적인 해답을 제시했다“라며, ”이 기술은 보안뿐 아니라 3D 디스플레이, 증강 현실, 고해상도 이미징 시스템 등 다양한 분야에서 첨단 광학 기술의 미래를 이끌어갈 발판이 될 것”이라는 기대를 전했다.

한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202402744

1. 카이랄
어떤 물체나 구조가 자신의 거울상과 겹치지 않는 성질을 나타낸다. 빛의 편광(회전 방향)을 조작하거나 특정 방향으로만 빛을 통과시키는 데 활용될 수 있다.

2. 원형 이색성(Circular Dichroism)
빛의 편광 상태에 따라 그 빛을 다르게 흡수하거나 전송하는 성질을 나타낸다.