[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

파장보다 작은 크기(subwavelength)의 구조체가 2차원 배열로 이루어진 광학 메타표면(metasurface)1)은 매우 얇은 두께를 갖는다. 또 국부적으로 빛의 위상2), 진폭 그리고 편광을 조절할 수 있어서, 기존 광학기기가 가지고 있는 두께의 한계를 넘어 빛의 파면을 조작하는 완전히 새로운 방법을 제시하였다.

이러한 메타표면은 제작된 이후에는 기능에 변화를 줄 수 없는 수동적 메타표면을 넘어서 물질의 유전율을 변화시킬 수 기계적, 열적, 광학 자극, 전기적 등의 방법을 통해 제작 이후에도 기능에 변화시킬 수 있는 능동 메타표면 연구가 진행되고 있다. 특히 전기적 능동 메타표면에 대해서는 빛의 변조 속도가 가장 높은 방법으로 제시되고 있다. 하지만 중적외선 영역에서 다중양자우물구조를 활용한 전기적 능동 메타표면은 진폭(세기)의 변조에 대해서만 제시되어 위상 변조를 활용한 넓은 범위의 응용에 많은 한계를 가지고 있다.

2. 연구내용

연구팀은 능선모양 전극의 플라즈모닉3) 나노 공진기(plasmonic nanoresonators) 구조와 다중양자우물(multiple quantum well, MQW)4) 구조를 결합해 반사된 빛의 세기와 위상을 전기적으로 조절할 수 있는 중적외선 광학 메타표면을 개발하였다.

메타표면의 작동원리는 다음과 같다. 정교하게 설계된 능선모양의 플라즈모닉 나노 공진기는 입사된 중적외선 특정 주파수(ω0)의 빛을 흡수하며, 설계된 다중양자우물 구조 또한 특정 주파수(ω0)의 빛을 흡수한다. 이를 활용하여 플라즈모닉 나노 공진기의 유전체에 다중양자우물을 대체함으로써 특정 주파수(ω0)에서 강한 커플링을 발생시킬 수 있다. 또한 다중양자우물은 전압을 인가함에 따라 쌍극자 운동량(dipole moment)와 부밴드 전이(intersubband transition) 에너지, 즉 특정 흡수 주파수(ω0±Δω)를 변조 시킬 수 있어, 결과적으로 반사되는 빛의 세기와 위상을 능동적으로 조작할 수 있다. 본 연구진이 설계한 두 개의 다중양자우물 결합구조는 전기장에 따라 특정 흡수 주파수를 선형적으로 변조시킬 수 있다.

이번 연구로 전기장을 이용해 반사된 빛의 세기를 조절했을 뿐만 아니라 위상을 조절하여 1/4 파장판을 만들었으며, 국부적으로 반사 빛의 위상을 조절하여 빔 조향 각도를 조절할 수 있음을 실험을 통해 최초로 입증했다.

3. 기대효과

이 연구에서 개발한 전기로 위상 변조가 가능한 중적외선 광학 메타표면은 기존의 두꺼운 렌즈를 대체 할 수 있을 것으로 보이며, 전기적으로 빛의 초점 거리를 변화시키는 줌 메타렌즈, 홀로그램, lidar와 같은 혁식적인 응용에 새로운 길을 제시할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 메타표면(metasurface)

이차원의 파장보다 작은 메타원자들의 배열로 이루어진 구조체로써, 파장보다 작은 영역에서 산란되는 빛의 진폭, 위상 그리고 편광 등을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다.

2. 위상(phase)

반복되는 함수 파형에서 1주기 중 어느 위치에 있는지를 나타내는 양이다. 한 주기를 각도 360° 혹은 2π 로 나타내며 0을 시작으로한 사이 값으로 한 순간의 위치를 나타낸다.

3. 플라즈모닉(plasmonic)

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 국부적인 표면 플라스몬(localized surface plasmon)이라 부르기도 한다. 이러한 표면 플라스몬의 설계, 제어, 응용기술을 플라스모닉라고 한다.

4. 다중양자우물 (Multiple quantum well, MQW)

양자우물은 에너지 전위가 다른 두 가지 이상의 물질의 적층되어 불연속한 양자화 되어있는 에너지 값을 가지는 전위 우물이다. 이러한 양자우물을 여러 개 조합한 구조를 다중양자우물이라고 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발한 위상 변조 메타표면과 핵심 구조인 다중양자우물 구조의 작동 원리

(a) 전기적 위상 변조를 활용한 세가지 기능(파장판, 빔 회절, 빔 조향)의 광학 메타표면 개념도. (b) 메타표면의 단위 구조. 메타표면의 단위 구조에 (c)+1V, (d) -1V 전압을 가하였을 때 다장양자우물 구조 내 전자의 양자화된 에너지.

그림2. 전압으로 빛의 세기와 위상 조절을 활용한 세가지 기능의 메타표면과 그에 따른 실험 측정 결과.

(a)선형편광의 빛이 전압에 의해 원형편광의 빛으로 변환하는 1/4 파장판 메타표면. 빛이 수직으로 입사할 때 양쪽 방향으로 빛이 회절되는 (b)빔 회절 메타표면과 한쪽 방향으로 빔이 조향되는 (c)빔 조향 메타표면. (d)전압이 0V일 때는 선형편광의 빛이 –3V의 전압을 인가하였을때는 원형편광의 빛으로 변환된다. (e)전압이 0V일 때는 빔 회절이 일어나지 않지만 전압을 –3V와 +6V를 인가함으로써 양쪽방향으로 빔이 회절된다. (f) 전압이 0V일 때는 빔이 조향되지 않지만 전압을 –3V(+6V)와 +6V(-3V)를 인가함으로써 오른쪽(왼쪽)으로 빔이 조향된다.