이상신 교수 연구진(전자공학과), 간편한 증강현실 및 홀로그램 기기 개발에 응용 가능한 다기능 나노 광학 디바이스 개발

[(왼쪽부터) 전자공학과 이상신 교수, 고숭 박사 (2019년 2월 졸업)] 

본교 이상신 교수(전자공학과)는 고숭 박사 (제 1저자, 2019년 2월 졸업) 및 호주국립대 최덕용 박사와의 공동연구를 통해 ‘다기능 나노 광학 디바이스’를 개발하는데 성공했다.

현대 광학 기술의 급속한 발전에 따라 다양한 기능들이 집적되어 소형화되는 고성능, 초소형의 광학 시스템 구현에 대한 사회적, 기술적 요구가 늘어나고 있다. 하지만, 기존에 주로 쓰이던 렌즈와 같은 광학 소자들은 크기가 크고 복잡한 구조로 되어있어 소형집적화에 대한 제약이 있었다.

최근, 기존의 광학 소자의 한계를 극복하기 위해 국내외의 대학 등 많은 연구 기관에서 메타표면 (metasurface) 이라는 나노 광학 디바이스에 대한 연구가 크게 각광 받고 있다. 메타표면은 자연계에는 존재하지 않는 인공의 광학 평면을 구현하는 소자 기술을 뜻하며, 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 되었다. 성능은 유지 및 향상 시키면서도 하나의 구조에 다양한 기능의 광학 소자를 집적할 수 있는 가능성을 찾게 된 것이다.

이상신 교수가 이끄는 연구진은 이러한 메타표면 기술을 응용하여, 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 소자이다. 편광 방향에 따라 서로 다른 기능을 하기 때문에, 응용 분야에 따라 광학 소자의 집적도를 향상 시킬 수 있다. 이러한 기능을 적용하여 라이다 (LiDAR) 나 현미경 등의 다양한 광자기술에 접목될 수 있다. [아래 그림 (a)]

다음으로 메타렌즈 응용 기술을 소개했다. 반파장판 (half-wave plate) 과 렌즈를 결함으로써, 광학 장치에 필수적인 요소인 편광과 포커싱 기능을 동시에 컨트롤 할 수 있는 가능성을 보여주었다. 기존의 반파장판과 렌즈의 기능을 하나로 합치면서도 매우 얇은 두께 (수백 nm 두께에 불과)로 구현 가능하다. 여러 광학 소자를 사용할 때처럼 정밀하게 정렬하는 불편함을 덜어줄 수 있다는 점에서 매우 획기적이라고 할 수 있다. 제안된 메타렌즈는 증강현실, 홀로그램 등의 기술을 간소화 하는 데 쓰이거나, 광 암호화, 보안, 라이다, 초박형 카메라 모듈 등의 응용 분야에 적용될 수 있다.

[아래 그림 (b)]

[이상신 교수 연구진이 개발한 신개념의 다기능 나노 광학 디바이스 : (a) 편광 방향에 따라 서로 다른 기능을 하는 메타표면 및 (b) 메타렌즈 응용]

더욱이, 이번에 개발된 메타표면 기반의 소자들은 기존 반도체 산업에 많이 사용되는 실리콘을 적용하였기 때문에, 반도체 산업에도 크게 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이상신 교수는 ‘나노 소자를 이용한 기술은 매우 다양하지만, 그중에서도 새로운 패러다임과 새로운 응용 가능성을 제시할 수 있는 기술을 선보였다고 생각하며, 해당 소자 기술의 연구 개발을 통해 차세대 ICT 기술이나 국내 산업에 크게 기여할 수 있기를 바란다’ 며 소감을 밝혔다.

한편, 이상신 교수는 현재 ‘광운대 나노소자응용연구소’ 의 연구소장을 맡아 나노 기술 응용에 관한 연구를 수행하고 있다.

이번 연구는 교육부가 지원하는 이공분야 대학중점연구소 지원사업 및 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구자지원(핵심) 사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과는 그 성과를 인정받아 지난 2월 미국 Wiley에서 발간하는 국제학술지인 Advanced Optical Materials (IF=7.430) 와 영국 왕립화학회에서 발간하는 Nanoscale (IF=7.233) 온라인판에 각각 게재됐다.

* 용어 설명

- 메타표면 : 파장이하 (subwavelength) 나노 구조의 배열로 형성된 기하학적인 인공의 광학 평면을 지칭함

- 나노미터 : 나노미터는 미터의 '십억분의 일'에 해당하는 길이의 단위

[논문 정보]

1. Advanced Optical Materials

논문제목 : A Highly Efficient Bifunctional Dielectric Metasurface Enabling Polarization­Tuned Focusing and Deflection for Visible Light

DOI 정보 (링크) : https://doi.org/10.1002/adom.201801337

2. Nanoscale

논문제목 : All-dielectric metasurfaces for simultaneously realizing polarization rotation and wavefront shaping of visible light Nanoscale

DOI 정보 (링크) : https://doi.org/10.1039/c9nr00187e