고려대-한양대, '한쪽으로 나아가는 빛' 구현 메타표면 개발

공동 연구팀 "광소재 개발에 응용 기대"
'네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology(IF=38.1)' 온라인 게재

(왼쪽부터) 고려대 공수현 교수(공동 교신저자), 한양대 윤재웅 교수(공동 교신저자), 고려대 최대광 박사(공동 1저자), 한양대 이기영 박사(공동 1저자). (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 고려대 물리학과 공수현 교수 연구팀이 한양대 윤재웅 교수 연구팀과 함께 빛이 특정 방향으로만 방출되도록 유도하는 새로운 광메타표면을 개발했다.

연구팀은 층간 결합력이 약한 이황화텅스텐(WS₂, 빛과의 상호작용이 우수하고 기계적으로 유연한 2차원 반도체)을 활용했다.

이를 통해 미세 격자가 형성된 박막 두 장을 건식 전사 방식(dry-transfer, 열이나 용액 없이 박막을 겹치는 정밀 적층 공정)으로 정밀하게 겹쳐 이중층 메타표면을 구현했다.

이렇게 완성된 구조에서는 빛의 진행 방향에 따라 방출 방향이 달라지며, 일종의 광학 게이트 역할을 한다.

기존 기술은 단일 주파수나 특정 각도에서만 효과를 보였다. 그러나 이번 연구는 연속적인 파장 대역 전반에 걸쳐 단방향 방출이 일어나는 새로운 작동 방식을 입증했다.

'빛의 진행 방향에 따라 한 방향으로 빠져나가는 이중층 메타표면' 연구 이미지. (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

공동 연구팀은 이 현상을 '단방향 도파 공명 연속체(unidirectional guided resonance continuum)'로 명명했다.

이는 디락 밴드(Dirac band, 파동이 질량 없는 입자처럼 움직이게 하는 특수한 밴드 구조)와 방출 모드 간 비정상적인 직교성에 기반한 현상으로 두 파동이 서로 간섭하지 않아 방향성을 안정적으로 유지할 수 있게 한다.

이번 연구는 100 나노미터(㎚) 이하의 얇은 구조만으로 빛의 단방향 유도에 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다.

공동 연구팀은 "이번 연구는 3차원 디스플레이 픽셀, 초소형 지향성 레이저 및 양자광원, 초박형 메타표면 광부품 등 다양한 광소자 개발에 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

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