[POSTECH, 빛의 파장과 편광 동시에 분석하는 초소형 분광기 세계 최초 개발]

 

 

최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 기존 분광기보다 훨씬 더 작으면서도 빛의 색(파장)과 회전 방향(편광)을 동시에 측정할 수 있는 세계 최초의 메타렌즈형 초소형 분광기를 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 현지 시각으로 지난 1일 게재됐다.

 빛 속에는 많은 정보가 담겨 있다. 분광기는 이 빛을 분석해 물질의 성분이나 상태를 알아내는 도구다. 병원의 혈액 검사, 음식 안전성 검사, 공기나 물의 오염 측정 등 다양한 분야에서 활용된다. 하지만 지금까지의 분광기는 크기가 크고 복잡한 장비가 필요했다. 특히 빛의 색뿐만 아니라 회전 방향(편광)까지 동시에 분석하려면 더 많은 장비가 요구돼, 마치 라디오 하나 들으려 방 하나를 가득 채우는 셈이었다.

 POSTECH 연구팀은 이를 ‘메타표면(metasurface)’ 기술로 해결했다. 메타표면은 나노미터(nm) 크기의 아주 작은 기둥 수십만 개가 정밀하게 배열된 구조다. 각 기둥은 특정한 각도로 비틀어져 있어, 빛을 자유자재로 조절할 수 있다.

 연구팀은 이 기둥들을 서로 다른 방향으로 회전시켜 배치함으로써, 같은 색의 빛이라도 편광 방향에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라지도록 설계했다. 이 위치 정보를 바탕으로 빛의 색과 회전 방향을 동시에 판별할 수 있는 것이다. 마치 교통 경찰이 차량의 종류와 방향에 따라 다른 길로 안내하듯, 이 작은 기둥들이 빛을 나누는 셈이다. 특히, 질화규소(Si₃N₄)를 사용해 자외선 영역에서도 안정적으로 작동하도록 구현했다. 질화규소는 반도체나 스마트폰 제조에 널리 쓰이는 CMOS 공정과 호환할 수 있어 상용화 가능성도 높다.

 실제로 연구진은 기준이 되는 4가지 파장(320, 370, 405, 450nm)에 대해서 실험을 진행해, 빛이 어느 방향으로 회전하느냐에 따라 다른 위치에 초점이 생기는 현상을 관찰했다. 이를 통해 색과 편광 정보를 동시에 정확하게 측정할 수 있음을 확인했다.

 

 

 지금까지 손톱보다 작은 분광기(칩스케일 분광기)는 대부분 색깔만 구분할 수 있었고, 편광을 측정하려면 추가 장치가 필요했다. 하지만 이번 연구에서는 하나의 장치로 두 가지 정보를 동시에 측정할 수 있는 초소형 분광기를 세계 최초로 구현한 데 큰 의미가 있다.

 노준석 교수는 “향후 휴대형 진단기기나 환경 센서, 생체검사 시스템 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다”라고 밝혔다

 한편, 이번 연구는 POSCO 홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사장려금의 지원으로 수행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202507112