‘모래알’ 크기 칩, 빛 파장·밝기 마음대로 지휘한다!

UNIST, 빛 파장은 ‘각도’, 밝기는 ‘전기’로 독립 제어 방식… 초소형 광소자 개발

도청 불가한 양자 통신·정밀 바이오 센서 기술 응용, Advanced Science 게재

빛의 파장과 세기(밝기)를 서로 간섭 없이 조절할 수 있는 모래알만 한 칩이 나왔다.

실시간으로 파장과 세기를 조절해야 하는 '양자 얽힘 광원'이나, 소형화가 필수적인 '광신호 처리 장치' 등을 만들 수 있게 됐다.

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 연구팀은 빛의 '세기'와 '파장'을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 '메타표면' 소자를 세계 최초로 개발했다고 16일 전했다.

연구진 (좌측부터) 이종원 교수, 김재성 연구원(제1저자), 정형주 연구원, 이성진 연구원. UNIST 제공

메타표면(Metasurface)은 빛의 파장보다 훨씬 작은 나노 구조물을 표면에 배열해, 빛의 광학적 성질을 자연계에 없는 방식으로 조절하는 미세 인공 소자다. 상용 광변조 기술에 쓰는 부피가 큰 매질을 대체해 각종 기기를 경량화할 수 있고, 기존 광변조 기술로는 불가능한 광학 현상을 만들 수 있다.

연구팀이 개발한 메타표면은 '제2고조파 생성(SHG)'이라는 특수한 광학 현상을 제어한다. 제2고조파 생성은 입력된 빛(기본 파장)의 에너지를 두 배로 증폭시켜, 파장이 절반인 새로운 빛(제2고조파)으로 변환해 출력하는 기술이다. 예를 들어 적외선 영역의 빛을 입력하면 파장이 다른 빛으로 변환돼 나오는데, 이는 미량의 생체 분자 감지하는 센서나, 도청이 불가능한 양자 통신 기술 개발에 쓸 수 있다.

하지만 지금까지 이 기술은 빛의 파장과 세기가 서로 복잡하게 얽혀 있다는 단점이 있었다. 변환 효율을 높여 빛의 세기를 강하게 만들려고 하면 파장을 조절할 수 있는 범위가 좁아지고, 반대로 파장 제어 범위를 넓히려면 효율이 급격히 떨어지는 상충 관계에 빠진 것이다.

연구팀은 메타표면 안에서 빛이 처리되는 과정을 '입구'와 '출구'로 분리하는 소자 설계 전략으로 이를 해결했다. 빛이 칩 안으로 들어와 에너지가 모이는 과정(생성)과 변신을 마치고 밖으로 나가는 과정(방출)을 서로 다른 제어 방식이 담당하도록 역할을 분담시킨 것이다. 연구팀은 이를 '로컬-투-논로컬(local-to-nonlocal)' 방식이라고 명명했다.

메타표면 소자가 빛의 색(파장)과 밝기(세기)를 조절하는 원리를 보여주는 개념도.

이렇게 설계된 메타표면 칩은 두 가지 독립된 제어 방식을 갖는다. 우선 칩에 흐르는 전압을 조절하면 빛의 파장은 변하지 않은 채 '세기'만 독립적으로 변하게 된다. 반대로 빛이 칩에 들어오는 각도를 살짝 비틀어주면 이번에는 세기는 그대로 유지되면서 빛의 '파장'만 변한다. 서로 간섭 없이 빛의 성질을 완벽하게 분리해 조절하는 셈이다.

실제 실험 결과, 연구팀이 빛의 입사각을 조절하자 출력되는 빛의 파장이 연속적으로 변했고, 특정 파장을 고정한 상태에서 전기 신호만 바꾸자 파장은 그대로 유지된 채 세기만 달라지는 것이 확인됐다.

이종원 교수는 "기존 연구들이 빛을 가두거나(로컬 모드) 흐르게 하는(논 로컬 모드) 한 가지 방식에만 의존했다면, 이번 기술은 두 방식을 결합해 소자 설계를 훨씬 자유롭게 만들고, 그동안 피하기 어려웠던 효율과 조절 능력 사이의 딜레마를 해결했다"고 설명했다.

이 교수는 이어 "양자 정보를 실시간으로 제어하거나, 양자 통신의 핵심인 '얽힘 광자'의 파장 스펙트럼을 자유자재로 조절하는 등 차세대 능동형 양자 광원 기술을 완성하는 데 기여할 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 11월 29일 일자로 게재됐으며, 정보통신기획평가원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr