이종원(오른쪽 아래) UNIST 전기전자공학과 교수 연구팀.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 장파장 중적외선 레이저빔을 유해물질 성분에 활용되는 중파장 중적외선으로 바꾸는 새로운 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 이종원 교수팀은 입사되는 빛의 원편광 회전 방향에 따라 빛 파장을 선택적으로 바꾸는 새로운 메타표면을 개발했다. 메타표면은 빛 파장보다 훨씬 크기가 작은 인공구조물인 ‘메타아톰’이 표면에 빼곡하게 배열된 평면 구조체다. 개발된 메타표면에 입사된 빛은 원편광 회전 방향에 따라 그 파장이 1/2 또는 1/3로 크기로 줄어든 새로운 파장의 빛으로 변환된다. 이 특성을 이용하면 상용화된 장파장 중적외선 레이저 빛을 메타표면에 쏘아 파장이 짧은 중파장 중적외선 영역 빛을 쉽게 얻을 수 있다.

중적외선을 이용한 흡수분광분석은 물질 분석법 중 가장 높은 정확도와 식별력 갖는다. 흡수분광분석은 빛을 물질에 흡수시켜 성분을 분석하는 것을 말한다. 하지만 기존의 중적외선 영역 빛을 내는 레이저 광원은 나노미터 두께의 반도체를 수천 겹 가량 쌓아 만들기 때문에 제조 과정이 까다롭다. 또 광원 하나 가격도 비쌀뿐더러 광원 하나로 전체 중적외선의 일부만 만들 수 있다는 문제가 있다.

연구진이 개발한 메타표면을 쓰면 하나의 중적외선 레이저로 중적외선(3~12㎛) 대부분 영역을 포함하는 빛 생성이 가능하다. 상용화된 9~12㎛(마이크로미터, 10~m) 가변파장 중적외선 레이저 빛의 우원편광 성분으로는 4.5~6㎛의 파장 대역 빛을, 좌원편광 성분으로 3~4(㎛) 파장 대역 빛을 만들 수 있기 때문이다.

개발된 메타표면의 이미지 및 원형이색성.UNIST 제공]

이종원 교수는 “상용화된 중적외선 레이저와 하나의 메타표면을 이용해 여러 대의 중적외선 레이저를 보유한 것과 같은 효과를 얻을 수 있음을 이번 연구를 통해 보였다”고 설명했다.

연구팀이 개발한 메타표면은 여러 층으로 구성된 아주 얇은 반도체(다중양자우물)위에 2종류의 특이한 기하학적 구조(깨진 거울 반전 대칭 구조)를 갖는 메타 아톰이 배열된 형태다. 빛의 위상도 이 메타아톰을 회전시켜 원하는 대로 바꿀 수 있다는 장점이 있다. 이 때문에 두꺼운 렌즈 없이 빛을 모으거나 분산시킬 수 있다. 아주 얇은 카메라 같은 평면광학기기 구현도 가능한 이유다.

이 교수는 “이번 연구에서 개발된 메타표면은 광대역 중적외선 광원뿐만 아니라 고효율 비선형 홀로그램, 초고감도 카이랄 센서, 비선형 광 정보처리 소자 등 다양한 신개념 평면 광학 소자에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스’ 11월 11일자로 출판됐다.

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