빛 파장 바꾸는 ‘메타표면’ 개발 … 유해성분 분석에 쓰는 유용한 빛 생산

UNIST 이종원 교수팀, 장파장 중적외선을 중파장 중적외선으로 바꿔
표면에 부딪힌 빛 원편광 회전 방향 따라 선택적으로 빛 파장 변화

유니스트 이종원 교수(앞줄 오른쪽)와 연구진.

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 작고 얇은 평면 구조 ‘메타표면’에 빛을 만나게 한 뒤 빛의 파장을 바꿔 유용하게 쓰는 기술이 나왔다.

장파장 중적외선 레이저빔을 중파장 중적외선으로 바꾸는 새로운 기술이 개발됐다.

중적외선은 눈에 보이지 않는 적외선의 한 종류로 유해 물질의 성분 등을 분석하는 데 쓰이는 빛이다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 전기전자공학과 이종원 교수팀은 입사되는 빛의 원편광 회전 방향에 따라 빛 파장을 선택적으로 바꾸는 새로운 메타표면을 개발했다.

메타표면은 빛 파장보다 훨씬 크기가 작은 인공구조물인 ‘메타아톰’이 표면에 빼곡하게 배열된 평면 구조체다.

개발된 메타표면에 입사된 빛은 원편광 회전 방향에 따라 그 파장이 1/2(우원편광) 또는 1/3(좌원편광)로 크기로 줄어든 새로운 파장의 빛으로 변환된다.

이 특성을 이용하면 상용화된 장파장 중적외선 레이저 빛을 메타표면에 쏴 파장이 짧은 중파장 중적외선 영역 빛을 쉽게 얻을 수 있다.

메타아톰 구조와 원편광 반응 선택성 연구 그림.

중적외선을 이용한 흡수분광분석은 물질 분석법 중 가장 높은 정확도와 식별력 갖는다. 흡수분광분석은 빛을 물질에 흡수시켜 성분을 분석하는 것이다.

하지만 기존의 중적외선 영역 빛을 내는 레이저 광원(light source)은 나노미터 두께의 반도체를 수천 겹가량 쌓아 만들기 때문에 제조 과정이 까다롭다.

또 광원 가격도 비싸고 광원 하나로 전체 중적외선의 일부만 만들 수 있다는 문제가 있다.

연구진이 개발한 메타표면을 쓰면 하나의 중적외선 레이저로 중적외선(3~12μm) 대부분 영역을 포함하는 빛 생성이 가능하다.

상용화된 9-12μm(마이크로미터, 10-6m) 가변파장 중적외선 레이저 빛의 우원편광 성분으로는 4.5~6μm의 파장 대역 빛을, 좌원편광 성분으로 3~4(μm) 파장 대역 빛을 만들 수 있다.

이종원 교수는 “상용화된 중적외선 레이저와 하나의 메타표면을 이용해 여러 대의 중적외선 레이저를 보유한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다는 사실을 이번 연구를 통해 확인했다”고 설명했다.

빛의 진동수나 파장을 원편광 방향에 따라 선택적으로 바꾸는 메타표면(비선형 카이랄 메타표면)의 경우 원편광 방향을 구분해 파장 변환을 발생시키는 성질(비선형 원형이색성)이 낮고 광 변환 효율 또한 낮은 문제가 있었다.

개발된 메타표면의 이미지와 원형이색성을 나타낸 연구그림.

이번에 개발한 메타표면은 비선형 원형이색성이 두 종류의 파장변환 (1/2 및 1/3 파장변환)에 대해 동시에 최대값인 1에 가깝고 효율도 기존 대비 100배 이상 향상됐다.

제1저자인 김대익 UNIST 전기전자공학과 박사과정 연구원은 “기존 비선형 카이랄 메타표면이 갖는 낮은 비선형 원형이색성과 효율성 문제를 동시한 해결한 첫 연구”라고 설명했다.

연구팀이 개발한 메타표면은 여러 층으로 구성된 아주 얇은 반도체(다중양자우물)위에 2종류의 특이한 기하학적 구조(깨진 거울 반전 대칭 구조)를 갖는 메타아톰이 배열된 형태다.

빛의 위상도 이 메타아톰을 회전시켜 원하는 대로 바꿀 수 있다는 장점이 있다. 이 때문에 두꺼운 렌즈 없이 빛을 모으거나 분산시킬 수 있다. 아주 얇은 카메라 같은 평면광학기기 구현도 가능해진 것이다.

이 교수는 “개발된 메타표면은 광대역 중적외선 광원뿐만 아니라 고효율 비선형 홀로그램, 초고감도 카이랄 센서, 비선형 광 정보처리 소자 등 다양한 광학 소자에 응용할 수 있을 것”이라고 했다.

이번 연구는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 11일자로 출판됐다. 연구지원은 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 나노?소재 기술개발 사업을 통해 이뤄졌다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr