KAIST 장민석 교수, 전기적으로 조절 가능한 반사 타입 메타표면 구조 고안

KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수와 미국 위스콘신 대학 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다.

연구팀은 전기적으로 조절 가능한, 반사 타입 메타표면 구조를 고안했다.

이 메타표면은 위상을 국소적으로 0부터 360°까지 완전하게 조절할 수 있으며, 산란된 빛의 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있는 파장보다 작은 산란 구조를 가지고 있다.

제안된 구조의 단위 구조인 메타분자는 그래핀 플라즈모닉 리본과 맞닿아 있는 금속 안테나의 쌍으로 이루어져 있다.

이 메타분자 기반 메타표면 구조에서, 그래핀 플라즈모닉 리본들의 페르미 준위 쌍은 빛의 세기와 위상을 조절하는 두 가지 조절 변수로 작용한다.

각 메타분자는 7 µm 파장의 중적외선에서 구동되며, 파장보다 작은 크기를 가지고 있어 장거리장에 도달해야 그 광학적 특성을 온전히 관찰할 수 있다.

이번 연구를 통해 기존 능동 메타 표면 분야의 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어 문제를 해결해 중적외선 파면을 더 정확히 고해상도로 변조할 수 있을 것으로 기대된다.

광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필수적인 기반 기술이다.

기존 광변조기술에는 액정을 이용한 방식과 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용한 방식이 있으나 두 방식 모두 단위 픽셀의 크기가 회절 한계보다 크고, 구동 속도에 제한이 있다.

메타표면은 이러한 문제들을 해결할 수 있기에 차세대 광변조기술의 강력한 후보이다.

연구팀은 두 개의 독립적으로 제어 가능한 메타 원자를 조합해 단위체를 구성함으로써 기존 능동 메타표면의 제한적 변조 범위를 획기적으로 개선했다.

연구팀의 기술은 기존 파면 제어 기술 대비 월등히 높은 공간 해상도로 정확한 파면 제어가 가능할 것으로 기대된다.

이 기술을 기반으로 향후 적외선 홀로그래피, 라이다(LiDAR)에 적용 가능한 고속 빔 조향 장치, 초점 가변 적외선 렌즈 등의 능동 광학 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.

장민석 교수는 “이번 연구를 통해 기존 광변조기 기술의 난제인 빛의 세기와 위상의 독립제어가 가능함을 증명했다”라며 “앞으로 복소 파면 제어를 활용한 차세대 광학 소자 개발이 더욱 활발해질 것으로 예상된다”고 말했다.

한상준 석사과정과 위스콘신 대학교 김세윤 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 1월 28일 자 전면 표지논문으로 게재됐다. (논문명 : Complete complex amplitude modulation with electronically tunable graphene plasmonic metamolecules)