전기로 빛 자유자재 조절하는 다기능 메타표면 기술 개발

UNIST, 중적외선 영역 능동 메타표면 개발
전압으로 다중양자우물 흡수된 빛 세기 조절
메타렌즈·홀로그램 등에 활용 가능해

이종원 울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 교수 연구팀이 개발한 '중적외선 영역 능동 메타표면' 모식도. /UNIST

제작한 이후 특성과 기능을 변화시킬 수 없는 메타표면을 전기로 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 메타표면은 활용성이 높아 메타 렌즈나 홀로그램 등 다양한 분야에 사용될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 이종원 전기전자공학과 교수 연구팀이 전기로 빛의 세기와 위상을 조절해 파면과 편광 상태를 조절할 수 있는 ‘중적외선 영역 능동 메타표면’을 개발했다고 17일 밝혔다. 파면은 파동에서 동일한 위상으로 진동하는 점들의 집합 면을, 편광은 빛의 전기장이 특정한 방향으로 진동하는 특성을 의미한다.

메타표면의 파면과 편광을 조절하면서, 하나의 소자에서 선형편광을 원형편광으로 변조시킬 수 있는 파장판과 전압에 따라 빛의 방향을 조절할 수 있는 메타표면도 구현했다. 이 기술로 종이처럼 얇은 다중 초점 렌즈, 홀로그램 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

메타표면은 빛 파장을 작은 패턴으로 이용해 만든 박막 구조를 의미한다. 빛의 굴절률을 인위적으로 조절하는 초정밀 과학기술인 만큼, 반도체와 디스플레이 분야에서 중요한 차세대 기술로 꼽힌다.

연구팀은 전압으로 특성과 기능을 조절할 수 있는 중적외선 영역 능동 메타표면을 개발했다. 새로 개발된 메타표면은 정교하게 설계된 나노 공진기와 다중양자우물이 중적외선 특정 주파수를 흡수하도록 만들어졌다. 특히 다중양자우물은 전압을 흘려보냄에 따라 특정 흡수 주파수를 변조시킬 수 있어, 반사되는 빛의 세기와 위상을 조작한다.

연구팀이 개발한 메타표면은 부분적으로 빛의 세기와 위성을 독립적으로 조절할 수 있고, 하나의 광소자로 렌즈, 편광자, 빔조향기 등 다양한 기능을 동시에 구현한다. 기존 편광자와 파장판과 비교해 두께가 얇아 경량화할 수 있다는 설명이다. 특히 파장판의 경우 작동범위가 단일파장인데, 새로 개발된 메타표면은 광범위한 파장에서 작동할 수 있다.

이종원 교수는 “이번에 개발된 메타표면 기반 광소자는 편광 상태를 자유자재로 변조할 수 있는 능동 파장판, 빛의 초점 거리를 다양하게 가질 수 있는 능동 메타렌즈, 빛의 세기와 위상을 조절해야 움직이는 홀로그램 기술 등에 응용할 수 있다”고 설명했다.

연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 이달 7일 온라인으로 게재됐다.

참고 자료

Advanced Science, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202207520

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -