종이만큼 얇은 메타표면으로 빛의 특성 자유롭게 조절한다

빛의 주요 특성을 동시 조절하는 메타표면을 개발한 신종화 KAIST 신소재공학과 교수. KAIST 제공

KAIST는 신종화 신소재공학과 교수팀이 빛의 세 가지 주요 특성인 세기, 위상, 편광을 동시에 조절할 수 있는 유니버설 메타표면을 개발했다고 2일 밝혔다.

단일 소자로 빛의 세기, 위상, 편광을 자유롭게 조절할 수 있는 기술은 현재까지 풀리지 않는 난제로 남아있다. 마이크로미터 이하 크기의 인공적인 구조체들을 유리 등 기존 소재 표면을 따라 배열해 빛의 특성을 조절할 수 있는 메타표면이 이런 난제들을 해결할 수 있다는 기대감을 모았다.

메타표면은 현재 종이 두께 정도인 마이크로미터 수준의 얇은 두께만으로 렌즈의 역할을 할 수 있고 편광판, 컬러필터 등 기존 다른 광학 부품들의 기능도 동시에 수행할 수 있을 것으로 여겨진다. 하지만 지금까지 보고된 메타표면들은 여전히 특정 색의 빛이 가지는 세 가지 특성 중 일부만을 동시 조절할 수 있다는 한계가 있었다.

신 교수팀은 행렬과 관련된 수학적 원리에 착안해 밀접한 두 층으로 이뤄진 유전체 메타표면이 빛의 세 가지 주요 특성을 완벽히 조절할 수 있다는 사실을 이론적으로 밝히고 실험적으로 규명했다. 특히 기존 단일 소자로 불가능했던 벡터 홀로그램들을 제안하고 최초로 구현하는 데 성공했다.

또 연구팀은 유니버설 메타표면과 일반 렌즈의 조합으로 임의의 편광 선택적인 선형 광학계의 구현이 가능하다는 것을 이론적으로 입증했다. 이는 푸리에 변환 등을 포함해 복잡한 수학적 연산이나 데이터 처리를 광학적으로 간단하게 구현할 수 있다는 의미다.

일례로 연구팀은 '확률론적 양자 CNOT 게이트 배열'을 유니버설 메타표면과 렌즈만을 사용해 만들 수 있다는 사실을 보였다. 이는 양자광학뿐 아니라 광통신, 광신경망을 이용한 기계학습 기반 안면인식 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 성과다.

신 교수는 "이번 연구를 통해 광학 분야의 오랜 난제였던 빛의 세기, 위상, 편광의 완전한 조절을 해결했을뿐 아니라 이를 바탕으로 모든 편광 선택적인 선형 광학계 구현이 이론적으로 가능함을 밝혔다"며 "이번 연구에서 제안한 메타표면의 가능성을 활용해 기존 한계를 극복한 응용 광소자를 적극적으로 개발할 계획"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 11월 3일자에 발표됐다.

KAIST 신소재공학과 연구팀이 개발한 유니버설 메타표면을 이용해 3D 홀로그램을 구현한 모습. KAIST 제공

[이영애 기자 yalee@donga.com]