[POSTECH 노준석 교수팀, 극자외선부터 마이크로파까지 전 파장에 적용가능한 다차원 샘플링 이론 발표]

기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김석우 씨, 김주훈 씨, 김경태 씨, 정민수 씨 연구팀이 평면 광학 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방법을 발표했다. 이 연구는 기존 메타표면 기술에서 사용되던 샘플링 이론의 한계를 규명하고, 성능을 크게 향상시킬 수 있는 다차원 샘플링 이론을 제시했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

평면 광학 기술은 얇은 평면에 나노/마이크로 수준의 구조체를 패터닝하여 빛을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다. 기존의 광학 기술은 부피가 크고 무거운 렌즈나 거울을 사용하여 빛의 경로를 조정하기 때문에 스마트폰 카메라의 돌출 (‘카툭튀’ 현상)이나 AR/VR 기기의 소형화에 제약이 있었다. 그러나 평면 광학 기술을 활용하면 수백 나노미터 두께로도 빛을 제어할 수 있어 초소형 기능성 광학 디바이스 구현이 가능하다.

평면 광학 기술을 활용한 가장 혁신적인 소자인 메타표면은 수억 개의 나노 구조체 배열을 통해 빛의 위상 분포를 샘플링함으로써 렌즈부터 홀로그램까지 다양한 기능을 수행할 수 있다. 여기서 샘플링이란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이다. 예시로 인간의 뇌는 샘플링을 통해 시각정보를 처리한다. 예를 들어 동영상을 시청할 때, 인간의 뇌는 빠르게 여러 장의 장면들을 인식, 즉, 이미지 샘플링을 통해 시각적인 정보를 인식한다. 샘플링은 범용적으로 쓰이는 기술이지만 문제점을 가지고 있다. 만약 너무 느리게 샘플링이 이루어지면 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 대표적인 예로 ‘Wagon-wheel 효과’는 영화나 동영상에서 수레바퀴가 실제로는 앞으로 회전하고 있지만, 샘플링 속도 (프레임 속도)가 회전 속도를 충분히 따라가지 못하면 느리게 회전하거나 멈춰 있는 것처럼 보이는 현상이다. 이 에일리어싱(aliasing)^*1 이라고 불리우는 신호 왜곡 현상은 메타표면 설계에서도 발생하며, 메타표면의 효율과 정밀도를 저하시키는 심각한 원인이 된다.

기존의 많은 평면광학 연구자들은 ‘나이퀴스트 샘플링 이론^*2(Nyquist Sampling Theorem)’을 통해 에일리어싱의 발생을 계산하고 방지해왔다. 하지만, 이번에 연구팀은 나이퀴스트 이론이 평면광학에는 적합하지 않다는 점을 새롭게 발견했다. 기존 나이퀴스트 이론은 샘플링 주파수에 따라 구현 가능한 주파수 한계를 정의하지만, 메타표면에서 발생하는 빛의 왜곡 현상을 정확히 예측하거나 이를 방지하기 위한 조건을 계산하는데 한계가 있었음이 밝혀졌다. 이러한 한계는 메타표면의 복잡한 구조와 빛의 특수성을 고려해야 하는 설계에서 더욱 두드러지게 나타난다.

이에 대해 연구팀은 메타표면의 2차원 구조 형태와 빛이라는 파동의 특수성을 반영한 새로운 샘플링 이론을 개발했다. 연구팀은 이 이론을 통해 메타표면의 격자 구조와 스펙트럼 형상의 기하학적 관계가 메타표면의 광학 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명했다. 더 나아가 2차원 격자를 회전시키거나 회절 소자를 결합하는 방식을 통해 노이즈를 줄이고 빛의 제어 성능을 극대화하는 ‘안티-에일리어싱(Anti-aliasing)^*3’ 기술을 제안했다. 연구팀은 이 기술들을 활용해 가시광선부터 자외선 영역까지의 광범위한 파장에 대해 메타표면에서 발생하는 노이즈를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 자외선 대역에서 작동하는 고 개구수^*4 메타렌즈와 광시야각 메타홀로그램을 성공적으로 구현했다. 이번 연구는 기존 이론의 한계를 극복하여 메타표면 평가 및 설계 방식에 새로운 지침을 제시하였고, 자외선 대역과 고 개구수 영역에 필요한 높은 해상도의 공정 조건을 획기적으로 완화했다는 것에 의미가 있다.

 

노준석 교수는 “이번 연구는 높은 샘플링 조건을 요구하는 고 개구수 메타렌즈, 광시야각 메타홀로그램을 포함한 다양한 평면광학 기술의 성능 향상뿐만 아니라, 마이크로파(Microwave) 대역에서부터 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV) 대역에 이르는 광범위한 파장 대역에 적용가능한 범용적 설계 지침을 제시함으로써 메타표면 기술의 새로운 가능성을 열었다”라며, “특히 파장이 짧은 자외선 대역에서의 평면광학 기술은 매우 정밀한 공정을 요구하기 때문에 많이 연구되지 않았으나, 이번에 밝혀진 이론을 이용하면 공정 조건을 매우 완화 할 수 있어 자외선 평면광학 분야의 새로운 지평을 열게 되었다.” 라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 포스코, 삼성전자, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z

1. 에일리어싱(Aliasing)
신호를 샘플링할 때 샘플링 주파수가 신호의 주파수보다 낮아 신호 복원시, 왜곡된 신호가 발생하는 현상이다.

2. 나이퀴스트 샘플링 이론(Nyquist sampling theorem)
신호를 정확히 복원하려면 샘플링 주파수가 신호의 최대 주파수의 두 배 이상이어야 한다는 원칙을 담은 이론이다.

3. 안티-에일리어싱 (Anti-aliasing)
에일리어싱을 제거하는 기술

4. 개구수(Numerical Aperture)
렌즈의 광수집 능력을 나타내는 값으로, 렌즈의 수용각 및 굴절각 또는 회절각에 의해서 결정된다.