3D메타물질로 광대역 빛의 편광 조절 성공(11.26)

민범기 KAIST 교수팀, 광대역 통신·디스플레이에 적용 가능

 

 

▲ '초광대역 편광 회전 3D 메타물질'의 개념도.<사진=KAIST 제공>

KAIST(총장 강성모)는 민범기 기계공학전공 교수가 자연에 존재하지 않는 인공 메타물질을 이용해 빛의 편광을 광대역에서 제어하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

 

 

레이저와 같이 편광된 빛으로 어떤 물질이나 구조를 분석할 때는 일반적으로 빛의 편광 상태에 따라 결과가 달라진다. 때문에 광학 실험실에서는 여러가지 방법으로 빛의 편광을 조절해 사용한다.

 

이때 주로 사용되는 것이 파장판이나 광활성 물질. 이러한 광학 소자들의 성능은 파장에 따라 크게 달라져 광대역에서 빛의 편광 조절기로 사용하기에는 한계가 있었다.

 

민 교수 연구팀은 빛의 파장보다 더 작은 크기의 나선형 구조들을 원대칭을 이뤄 배열하고 연결했다. 이를 통해 빛의 파장 대비 십분의 일 정도 얇은 두께에서도 편광을 파장에 상관없이 일정하게 회전 시킬 수 있음을 이론과 실험으로 증명했다. 이론 검증을 위한 실험은 마이크로파 대역에서 이뤄졌다.

 

그 결과 '광대역 편광 회전 3D메타물질'은 입사된 마이크로파의 편광을 0.1GHz 부터 40GHz 까지 주파수에 상관없이 45도 회전시키는 것으로 나타났다.

 

이러한 비분산 성질은 매우 비자연적인 것으로, 이 정도의 넓은 파장 대역에서 성질이 변하지 않는 물질은 자연계에서 찾기 힘들다.

 

민 교수팀은 편광 회전량을 결정하는 성질인 '나사선성(chirality)'을 파장에 비례한 값을 갖도록 메타 물질의 구조를 인위적으로 설계해 광대역 비분산 편광 회전 성질을 구현해냈다.

 

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 파동에너지 극한제어 사업의 지원을 받아 민범기 교수 지도아래 박현성 박사과정 학생(제1저자)이 참여했다. 이번 연구결과는 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 17일자 온라인 판에 게재됐다.

 

민 교수는 "이번 연구는 파장보다 매우 얇은 두께에서도 빛의 편광을 광대역에서 효과적으로 조절할 수 있어 초박형 광대역 광소자를 구현하기 위한 가능성을 열었다"면서 "이 기술을 활용해 광대역 통신과 디스플레이에 적용 가능한 다양한 광대역 광소자가 개발될 수 있을 것"으로 기대했다.