[한국대학신문 조영은 기자] 광운대학교(총장 유지상)는 이상신 전자공학과 교수가 이끄는 연구팀이 최덕용 호주국립대 박사와 공동연구로 ‘다기능 나노 광학 디바이스’를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

현대 광학 기술의 급속한 발전에 따라 다양한 기능들이 집적돼 소형화되는 고성능, 초소형의 광학 시스템 구현에 대한 사회적, 기술적 요구가 늘어나고 있지만 기존에 주로 쓰이던 렌즈와 같은 광학 소자들은 크기가 크거나 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 소형집적화에 대한 제약이 있었다.

이에 기존의 광학 소자의 한계를 극복하기 위해 최근 국내외의 대학 등 많은 연구 기관에서 메타표면(metasurface) 이라는 나노 광학 디바이스에 대한 연구가 각광받았다.

메타표면은 자연계에는 존재하지 않는 인공의 광학 평면을 구현하는 소자 기술로, 나노미터 급의 작은 크기의 금속, 유전체 물질의 조합을 통해 구현된다. 빛의 위상, 크기, 편광 등의 응답특성을 조절할 수 있기 때문에 기존의 광학 소자들을 획기적으로 작은 크기로 구현할 수 있게 됐다. 성능은 유지 및 향상시키면서도 하나의 구조에 다양한 기능의 광학 소자를 집적할 수 있는 가능성을 찾게 된 것이다.

이상신 교수가 이끄는 연구진은 이러한 메타표면 기술을 응용해 하나의 소자로 동시에 다양한 기능을 갖는 신개념의 다기능 나노 광학 디바이스를 구현하는 데 성공했다. 특히 메타표면을 응용한 연구 결과로서 두 가지 소자 기술을 선보였다.

먼저 입사되는 빛의 방향, 즉 편광에 따라 빔 조향기와 렌즈의 기능을 각각 수행할 수 있는 광학 소자다. 편광 방향에 따라 서로 다른 기능을 하기 때문에 응용 분야에 따라 광학 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다. 이러한 기능을 적용해 라이다(LiDAR)나 현미경 등의 다양한 광자기술에 접목될 수 있다. 

다른 하나는 메타렌즈 응용 기술을 소개했다. 반파장판(half-wave plate)과 렌즈를 결함으로써 광학 장치에 필수적인 요소인 편광과 포커싱 기능을 동시에 컨트롤할 수 있는 가능성을 보였다. 기존의 반파장판과 렌즈의 기능을 하나로 합치면서도 매우 얇은 두께로 구현이 가능하다. 여러 광학 소자를 사용할 때처럼 정밀하게 정렬하는 불편함을 덜어줄 수 있다는 점에서 획기적이다. 제안된 메타렌즈는 증강현실, 홀로그램 등의 기술을 간소화하는 데 쓰이거나 광 암호화, 보안, 라이다, 초박형 카메라 모듈 등의 응용 분야에 적용될 수 있다. 

연구팀은 이번에 개발된 메타표면 기반의 소자들은 기존 반도체 산업에 많이 사용되는 실리콘을 적용했기 때문에 반도체 산업에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

이상신 교수는 “나노 소자를 이용한 기술은 매우 다양하지만 그 중에서도 새로운 패러다임과 새로운 응용 가능성을 제시할 수 있는 기술을 선보였다고 생각한다”며 “해당 소자 기술의 연구 개발을 통해 차세대 ICT 기술이나 국내 산업에 크게 기여할 수 있기를 바란다”고 말했다.

한편 이번 연구는 교육부가 지원하는 이공분야 대학중점연구소 지원사업 및 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구자지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 2월 미국 Wiley에서 발간하는 국제학술지 <Advanced Optical Materials(IF=7.430)> 와 영국 왕립화학회에서 발간하는 <Nanoscale(IF=7.233)> 온라인판에 각각 게재됐다.