빛의 미세한 변화, 메타표면 이용해 실시간 측정

김민경 광주과학기술원(GIST) 기계로봇공학부 교수(왼쪽)와 이진경 박사과정생. GIST 제공.

물체 표면에서 일어나는 빛의 변화를 초 단위로 측정할 수 있는 기법이 개발됐다. 높은 정밀도에서 즉각 빛을 검출해야 하는 화학·생물학·의학 등의 분야에 활용될 수 있는 기술이다.  

광주과학기술원(GIST)은 김민경 기계로봇공학과 교수팀이 이다솔 연세대 교수, 노준석 포스텍 교수와 함께 메타표면을 활용해 광스핀홀 효과를 한 장의 이미지로 실시간 정밀 측정하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

광스핀홀 효과는 빛이 물체 표면에서 반사되거나 방향이 바뀔 때 중심 위치가 미세하게 이동하는 현상이다. 초소형 광학 소자 및 정밀 측정 기술의 핵심 원리로 빔 분할기나 필터 등 다양한 광학 장치에 활용된다. 

기존에는 물체 표면에서 반사된 빛을 편광판에 통과시킨 후 카메라로 광스핀홀 효과 이미지를 얻었다. 이 방법은 특정 편광만 선택적으로 통과시키는 편광판의 각도를 회전시켜 여러 차례 이미지를 촬영하고 조합해야 한다. 높은 정밀도를 구현할 수 있으나 실시간으로 변화하는 표면을 측정하는 덴 한계가 있는 방법이다. 

연구팀은 메타표면을 이용하면 두 개의 편광판 효과를 동시에 구현할 수 있다는 점에 착안해 단 한 번의 이미지 촬영만으로 광스핀홀 효과를 측정할 수 있는 방법을 고안했다. 메타표면은 나노미터 크기의 인공 구조물 배열로 빛의 편광과 방향을 정밀하게 조절할 수 있다.

연구팀의 기술은 메타표면을 통해 서로 다른 편광을 가진 두 개의 빛을 분리하고 이들이 카메라의 서로 다른 위치에 동시에 도달하도록 만든다. 두 빛의 상대적 위치 차이를 분석해 광스핀홀 효과를 정밀하게 측정할 수 있는 기술이다.  

연구팀은 프리즘에서 반사된 빛을 대상으로 실험해 단 한 장의 이미지 촬영만으로 광스핀홀 효과를 측정할 수 있다는 점을 입증했다. 기존 방식과 동일한 정밀도를 유지하면서 측정 효율을 비약적으로 높였다. 

연구팀은 메타표면을 회전시켜 광스핀홀 효과의 측정 민감도를 조절하고 광스핀홀 효과가 시간에 따라 변할 수 있도록 인위적인 환경을 만든 뒤 측정했다. 이 실험에서도 광스핀홀 효과의 변화는 초 단위로 관찰됐다.

김민경 교수는 “기존 방식은 수차례에 걸친 측정 절차가 필요해 실시간으로 사용될 수 없었다"며 "이번 연구를 통해 단 한 번의 측정만으로 광스핀홀 효과를 정밀하게 분석할 수 있게 됐다”고 말했다. 이어 “이 기술은 화학, 생물학, 의학 등 실시간 초고감도 검출이 필요한 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다. 연구 결과는 지난 19일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 온라인 게재됐다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1038/s41467-025-56728-7

[문세영 기자 moon09@donga.com]