빛 파장을 전기로 조절했다 … UNIST, ‘비선형 광학 메타표면’ 세계 최초 개발

광 변화 효율 역대 최고 기록 경신, 빛 파장 변조 새 지평

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수(앞줄 가장 오른쪽)팀이 ‘비선형 광학 메타표면’을 세계 최초로 개발했다.

[아시아경제 영남취재본부 이세령 수습기자] 전기로 빛 파장을 바꾸는 ‘비선형 광학 메타표면’을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 이종원 교수팀은 이같은 연구 결과를 광학 분야 최고 권위 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 현지 시각으로 23일에 공개했다.

연구 지원은 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 나노·소재 기술개발 사업, 기초연구실 사업을 통해 이뤄졌다.

비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간의 강한 상호작용을 통해 빛의 주파수를 바꾸는 등의 광변조 기술로 빛을 두꺼운 매질(媒質)에 통과시켜 빛의 파장을 바꾼다.

녹색 레이저 포인터처럼 일상에서도 흔히 쓰이는데 녹색 레이저는 상대적으로 만들기 쉬운 적외선을 두꺼운 비선형 매질에 통과해 파장을 변조하는 방식으로 만든다.

비선형 광학 메타 표면은 매개물의 부피를 머리카락 두께로 줄일 수 있는 인공물질로 기기를 작게 만들 수 있다.

복잡한 광학 정렬을 고려하지 않고도 빛이 메타 표면과 만나기만 하면 돼 종이처럼 얇고 가벼운 카메라, 레이저 기기를 만드는 것도 가능해질 전망이다.

이 교수팀은 기존에 전기적으로 조절 불가능한 수동방식에서 전압으로 조절하는 비선형 메타 표면을 최초로 선보였다.

다중양자우물구조 반도체층 위에 V 모양 금속플라즈모닉 공진 구조가 올려진 단위구조체로 이뤄져 빛 파장보다 작은 크기의 단위구조체 여러 개가 기판 위에 배열된 형태다.

빛의 파장뿐만 아니라 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있어 광 변조 암호 기술, 홀로그램, 차세대 테라헤르츠파 통신 광원과 양자 정보통신 광원 등에도 응용할 수 있다.

이 교수팀이 다중양자 우물 구조(multiple quantum well, MQW)를 독창적으로 디자인해 얇은 두께의 메타 표면에도 높은 광 변환 효율을 끌어냈다.

기존에 보유한 세계 최고 기록의 효율을 다시 3배 이상 향상해 0.24％의 광 변환 효율을 달성하며 기록을 경신했다.

이종원 교수는 “메타 표면이 생성하는 비선형 고조파의 세기와 위상을 전기로 조절한 최초의 사례이며 비선형 평면 광학 소자 기술의 새 지평을 열었다”고 소개했다.

이 교수는 또 “비선형 광원, 동적 비선형 홀로그램, 비선형 광 정보처리 소자, 신개념 양자 포토닉스 소자 등에 활용될 것”이라고 말했다.

유재연 연구원은 “다중양자 우물 구조나 플라즈모닉 구조를 각각 변화시키는 방식으로 향후 다양한 기능성 비선형 광소자를 개발할 수 있다”고 했다.

영남취재본부 이세령 수습기자 ryeong@asiae.co.kr