[POSTECH, 복잡한 3D 구조 없이 나노 평면 위에서 빛의 방향성 조절하는 광학 기술 개발]

 

 

 최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수 연구팀이 빛의 방향성을 좌우로 구분해서 정밀하게 제어할 수 있는 광학 기술을 개발했다. 이 기술은 나노미터(nm) 두께의 평면 구조만으로도 가능해 차세대 디스플레이부터 의료 진단 센서 등 분야에 응용될 것으로 기대된다.

 스마트폰 화면이나 3D 영화관 안경에는 모두 '편광'이라는 빛의 특별한 특성이 숨어있다. ‘편광’이란 빛이 진동하는 방향을 말하는데, 그중 '원편광'은 나사처럼 시계방향이나 반시계 방향으로 빙글빙글 돌면서 나아가는 특별한 형태의 빛이다.

 이를 이용하면 디스플레이 화질을 높이거나 의료 진단 센서 정밀도를 높일 수 있지만 기존 광학 장치는 좌우 원편광을 분리하기 위해 두꺼운 부품과 복잡한 설계가 필요했고, 원하는 성능을 얻기 위해 품질을 조절하는 것도 쉽지 않았다.

 연구팀은 '광결정(Photonic Crystal)'이라는 특수한 구조 기반의 메타표면 기술을 활용했다. 이는 빛보다 작은 구멍들이 규칙적으로 배열된 판 구조로, 빛이 이 구조를 통과할 때 특정한 공명 현상이 일어난다. 그리고 여기에 ‘이중 비대칭 섭동’을 적용, 의도적으로 두 가지 방향의 '비틀림'을 주었다. 이를 통해 좌원편광과 우원편광이 각각 다른 공간에서 독립적으로 공명하도록 만들었다. 두 개의 라디오 주파수를 완전히 분리하듯, 서로 간섭 없이 각각의 편광에만 반응하게 한 것이다.

 또한, '브릴루앙 존 폴딩(Brillouin zone folding)'이라는 물리학 기법을 도입하여, 원래 외부에서 관측할 수 없던 빛의 속박된 상태를 자유공간으로 방출되도록 전환하는 데 성공했다. 이를 통해 좌·우 원편광을 100˚(도) 이상 떨어진 각도로 완전히 분리할 수 있었다.

 연구팀은 이 기술의 응용 가능성도 실험적으로 입증했다. 2차원 반도체 물질과 빛의 공명 모드를 결합해, 서로 다른 방향으로 빛을 내는 '공간 분리형 발광'을 구현했다. 이는 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주는 결과다. 더불어, 연구팀은 구조 비대칭 강도에 따라 공명 품질을 정량적으로 조절할 수 있다는 사실도 밝혀냈다. 이를 통해 복잡한 3차원 가공 없이도 원하는 성능을 손쉽게 설계할 수 있음을 입증했다.

 

 

 노준석 교수는 "기존에는 고정밀 공정이 필요한 3차원 구조에서만 가능한 것으로 여겨졌던 공명 품질인자의 조절이 단순한 평면 구조 설계만으로 가능하다는 점에서 기술적 차별성과 확장성을 동시에 확보했다"라며, "이 연구는 편광 기반 광원 제어, 고감도 바이오센서, 양자광학 소자 등 다양한 광기반 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 강조했다.

 한편, 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 정민수 씨, 화학공학과 통합과정 이지해 씨 연구팀이 수행한 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드벤시스(Science Advances)’에 최근 게재됐으며, POSCO홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과학기술정보통신부/한국연구재단 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 

DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu4875