연구성과

기계·화공 노준석 교수팀, 모든 빛에 작동하는 ‘소용돌이 빔’ 개발

2023-03-09 373

[노준석 교수팀, 자외선에서 가시광까지 작동하는 다기능 소용돌이 빔 생성 및 감지가 가능한 편광판 개발]

최근 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 폭증하는 데이터 통신량을 효과적으로 대응하기 위해 경제적인 초고속 광신호 전송용 초소형 광통신 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 소용돌이 빔은 빛이 진행하면서 이동축을 중심으로 소용돌이 형태의 모양을 갖는 빛을 일컫는데, 같은 주파수에서도 더 많은 정보를 저장할 수 있어 5G를 넘어서 6G 기술 등의 초고용량 광통신 기술 개발에 활용되고 있다. POSTECH 연구팀이 메타표면을 이용해 모든 빛에 작동하는 소용돌이 빔을 개발했다.

기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 석박사통합과정 김주훈 씨 연구팀이 자외선부터 가시광선 영역까지 광대역 파장에 대해서 두 직교 편광 상태를 독립적으로 제어할 수 있는 메타표면을 제시했다. 또한, 이 메타표면을 이용해 각각 다른 위상전하(topological charge)를 가지는 소용돌이 빔을 만들거나 감지할 수 있는 메타편광판을 제작하고 실험으로 검증했다.

빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량(OAM: Orbital Angular Momentum)’이라고 부르고, 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 부른다. 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있다.

광학 소용돌이 빔은 광학 트위저 등 다양한 응용으로 광학에서 필수적인 존재가 되어 왔다. 광학 소용돌이 빔은 각자 독립적인 소용돌이 빔를 가지고 있으며, 이러한 특성은 홀로그램 비디오를 만드는 등 다양하게 활용할 수 있다. 지금까지 광학 소용돌이 빔을 만들기 위해서는 공간광변조기(spatial light modulator, SLM)이라는 아주 부피가 크고 무거운 장비를 사용해야 했고, 자외선 영역에서 작동하는 SLM이 없어 자외선 광학 소용돌이 빔 제조는 난제로 꼽혀왔다.

메타표면은 위상, 진폭, 편광과 같은 많은 빛의 특성을 원하는 대로 변조할 수 있다. 최근 나노 제조 기술의 발전과 연구자들의 지속적인 노력으로 고효율, 광대역, 다기능 메타표면이 실현됐지만, 자외선 영역의 빛을 조절하는 것은 여전히 어려움이 있었다.

연구팀은 부피가 크고 무거운 SLM 대신에 얇고 가벼운 메타표면을 이용해 자외선 빛이 들어왔을 때 광학 소용돌이 빔을 만들 수 있는 편광판을 개발했다. 연구팀은 자외선에서 흡수가 없으면서 굴절률이 높은 질화규소(silicon nitride) 물질을 사용했다.

또한, 메타표면은 한번 공정이 되면 그 기능이 영구적으로 고정되고, 바뀌기 힘들기 때문에 수동적인 한계가 있었는데, 이번 연구에서는 메타표면의 회전 대칭을 깨트림으로써 빛의 입사 편광에 따라서 다른 기능을 가지도록 설계했다. 이는 소용돌이 빔의 정보량을 단일 메타표면에 더 많이 저장할 수 있는 방법론으로 다양한 곳에 응용될 수 있다.


노준석 교수는 “이번 연구를 통해 메타표면은 편광 상태에 따라서 다른 위상전하의 광학 소용돌이 빔을 만들어낼 수 있는 다기능성까지 가지고 있음을 확인했다”며, “자외선 광학 소용돌이 빔을 만들어냄으로써 광학 소용돌이 빔의 응용을 자외선까지 넓힐 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다.

한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 미래융합기술파이오니아 사업, 미래기술연구실 사업, 글로벌프론티어 사업, 중견연구자지원 사업, 지역혁신선도연구센터 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노 재료 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.