광운대 이상신 교수 연구진, '다기능 나노 광학 디바이스' 개발

증강현실·홀로그램 기기 개발에 응용 가능



광운대학교(총장 유지상)는 전자공학과 이상신 교수가 이끄는 연구진이 호주국립대 최덕용 박사와 공동연구를 통해 '다기능 나노 광학 디바이스'를 개발하는데 성공했다고 21일 밝혔다.

최근 광학 기술은 다양한 기능들이 접적돼 소형화되는 고성능, 초소형 시스템 구현에 대한 요구가 늘고 있으나, 기존 광학 소자들은 크기가 크거나 복잡한 구조를 가지고 있어 소형집적화에 대한 제약이 있었다.

이에 메타표면(metasurface)이라는 나노 광학 디바이스에 대한 연구가 크게 각광받고 있다. 메타표면은 자연계에는 존재하지 않는 인공의 광학 평면을 구현하는 소자 기술로, 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 구현하는 게 가능하다. 성능은 유지하거나 향상시키면서도 하나의 구조에 다양한 기능의 광학 소자를 집적할 수 있는 가능성을 찾게 된 것.

이 교수 연구진은 이러한 메타표면 기술을 응용해 하나의 소자로 동시에 다양한 기능을 갖는 신개념의 다기능 나노 광학 디바이스를 구현하는 데 성공했다. 특히 메타표면을 응용한 연구 결과로서 두 가지 소자 기술을 선보였다.

하나는 입사되는 빛의 방향, 즉 편광에 따라 빔 조향기와 렌즈의 기능을 각각 수행할 수 있는 광학소자다. 편광 방향에 따라 서로 다른 기능을 하기 때문에 응용 분야에 따라 광학 소자의 집적도를 향상 시킬 수 있다. 이런 기능을 적용해 라이다(LiDAR)나 현미경 등 다양한 광자기술에 접목할 수 있다.

또 메타렌즈 응용 기술을 선보였다. 반파장판(half-wave plate)과 렌즈를 결합함으로써, 광학 장치에 필수적인 요소인 편광과 포커싱 기능을 동시에 컨트롤 할 수 있는 가능성을 열었다. 기존의 반파장판과 렌즈의 기능을 하나로 합치면서도 매우 얇은 두께(수백 나노미터)로 구현이 가능하다.

이는 여러 광학 소자를 사용할 때처럼 정밀하게 정렬하는 불편함을 덜어줄 수 있다는 점에서 매우 획기적이라고 할 수 있다. 메타렌즈는 증강현실, 홀로그램 등의 기술을 간소화하는 데 쓰이거나, 광 암호화, 보안, 라이다, 초박형 카메라 모듈 등의 응용 분야로 적용될 수 있다.

특히 이번에 개발된 메타표면 기반 소자들은 기존 반도체 산업에 많이 사용되는 실리콘을 적용했기 때문에, 반도체 산업에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이 교수는 "나노 소자를 이용한 기술은 매우 다양하지만, 그 중에서도 새로운 패러다임과 새로운 응용 가능성을 제시할 수 있는 기술을 선보였다고 생각한다"며 "해당 소자 기술의 연구 개발을 통해 차세대 ICT 기술이나 국내 산업에 기여할 수 있기를 바란다"고 말했다.

한편 이 교수는 광운대 나노소자응용연구소 연구소장을 맡아 나노 기술 응용에 관한 연구를 수행 중이다. 이번 연구는 교육부가 지원하는 이공분야 대학중점연구소 지원사업과 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구자지원(핵심) 사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과는 지난 2월 미국 윌리(Wiley)에서 발간하는 국제학술지 어드밴스트 옵티컬 머티어리얼스(Advanced Optical Materials)와 영국 왕립화학회가 발간하는 나노스케일(Nanoscale) 온라인판에 각각 게재됐다.