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초광대역 편광 회전 3D 메타물질 개발
우리 학교 기계공학전공 민범기 교수는 자연에 존재하지 않는 인공적인 메타물질*을 통해 빛의 편광을 광대역에서 제어하는데 성공했다.
*메타물질 : 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 작은 인공원자로 구성된 물질
향후 이 기술을 활용해 광대역 통신 및 디스플레이에 적용 가능한 다양한 광대역 광소자가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
레이저와 같이 편광돼 있는 빛으로 어떠한 물질이나 구조를 분석할 때는 일반적으로 빛의 편광 상태에 따라 결과가 달라지기 때문에 광학 실험실에서는 여러 가지 방법으로 빛의 편광을 조절해 사용한다.
이때 흔히 사용되는 것이 파장판이나 광활성 물질인데 이러한 광학 소자들의 성능은 파장에 따라 크게 달라지기 때문에 광대역에서 빛의 편광 조절기로 사용하기에는 한계가 있었다.
최근까지 강한 공진을 갖는 메타물질을 통해 매우 큰 광활성을 보이는 인공 물질을 개발하려는 연구가 활발히 진행돼 왔으나, 공진 주파수 부근에서 필연적으로 나타나는 분산으로 인해 광대역에서의 활용이 불가능했다.
* 광활성 : 특정 물질에서 빛이 진행할 때 빛의 편광면이 회전하는 현상 * 분산 : 파장에 따라 굴절률 등 빛의 성질이 달라지는 현상
민 교수 연구팀은 빛의 파장보다 매우 작은 크기의 나선형 구조들을 원대칭을 이루어 배열하고 연결해 빛의 파장 대비 약 1/10의 매우 얇은 두께에서도 편광을 파장에 상관없이 일정하게 회전 시킬 수 있음을 이론적, 실험적으로 증명했다. 이론 검증을 위한 실험은 마이크로파 대역에서 이뤄졌다.
‘광대역 편광 회전 3D 메타물질’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.
이와 함께 민 교수팀은 편광 회전량을 결정하는 성질인 ‘나사선성(chirality)’을 파장에 비례한 값을 갖도록 메타 물질의 구조를 인위적으로 설계해 광대역 비분산 편광 회전 성질을 구현해냈다.
민 교수는 “이번 연구는 파장보다 매우 얇은 두께에서도 빛의 편광을 광대역에서 효과적으로 조절할 수 있어 초박형 광대역 광소자를 구현하기 위한 가능성을 열었다”고 연구 의의를 밝혔다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 파동에너지 극한제어 사업의 지원을 받아 민범기 교수 지도아래 박현성 박사과정 학생(제1저자, 27)이 주도한 이번 연구결과는 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 17일자 온라인 판에 게재됐다.
그림1. 3D 프린터를 통해 제작된 ‘초광대역 편광 회전 3D 메타물질’
그림2. ‘초광대역 편광 회전 3D 메타물질’의 개념도
2014.11.25 조회수 14618 -
나노미터보다 얇은 두께에서 빛을 자유자재로 제어하다
민범기 교수
- Nature Materials 발표,“그래핀과 자체 개발한 메타물질 결합, 다양한 광소자 개발 가능”
자연에 존재하는 2차원 물질인 그래핀*과 국내 연구진이 자체 개발한 인공적인 2차원 메타물질**을 결합해 빛의 투과도를 효과적으로 제어할 수 있다는 사실이 밝혀짐에 따라, 광메모리 등 다양한 그래핀 광소자*** 개발의 전망이 밝아졌다.
* 그래핀(Graphene) : 탄소원자가 육각형 벌집모양을 이루는 2차원 평면에 펼쳐진 얇은 막 구조
** 메타물질(Metamaterials) : 자연계에 없는 특성을 갖도록 고안된 빛의 파장보다 훨씬 작은 인공 원자로 구성된 물질
*** 광소자(Optical Devices) : 빛의 생성, 검출, 변조 및 제어 등을 할 수 있는 소자
우리 학교 기계공학전공 민범기 교수(39세), 이승훈 박사생(제1저자, 30세), ETRI 최무한 박사(제1저자, 41세) 및 김튼튼 박사(제1저자, 31세)가 주도하고, 이승섭 교수, 최성율 교수, ETRI 최춘기 박사, 미국 UC버클리대 샹장(Xiang Zhang) 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 △중견연구자지원사업(전략연구) △일반연구자지원사업(기본연구) △선도연구센터지원사업(SRC) 등의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’ 의 자매지로서 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nature Materials’ 최신 온라인 판(9월 30일자)에 게재되었다.
(논문명: Switching terahertz waves with gate-controlled active graphene metamaterials)
그래핀은 여러 우수한 물리적 특성으로 인해 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견한 이래, 지금까지 전 세계 연구자들이 주목하는 ‘꿈의 신소재’이다.
특히 그래핀은 고유의 전자구조로 인해 근적외선과 가시광선의 약 2.3%의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 투명전극으로 응용될 수 있다. 투명전극은 LCD, OLED 등 평판 디스플레이, 스마트폰 등에 사용되는 터치스크린이나 태양전지 개발에 매우 중요한 전자부품 중 하나이다.
지금까지 전 세계 연구자들은 그래핀의 전기적 특성을 극대화해 반도체와 투명전극 등을 개발하고자 노력하였다. 반면에 그래핀이 지닌 놀라운 특성 중 하나인 광학적 투과도는 전기적인 방법으로 제어하는데 한계가 있고, 데이터를 빛으로 주고받을 때 광변조의 폭도 좁아 광변조기나 광소자로 응용되기에 제약이 있어 연구자들의 큰 주목을 받지 못했다.
민범기 교수 연구팀은 파장의 백만분의 1인 얇은 두께(0.34 나노미터)의 그래핀과 메타물질을 결합함으로써 빛의 투과도를 효과적으로 제어하여 그래핀만 사용했을 때보다 수십 배 이상 광변조의 폭을 높일 수 있음을 증명하였다.
특히 민 교수팀이 개발한 ‘그래핀 메타물질’은 매우 얇고 잘 휘어지는 고분자 기판 안에 그래핀과 메타물질(금으로 된 벌집모양의 인공원자) 및 전극이 집적화되어 전기를 이용해 빛의 투과도를 제어할 수 있다.
또한 연구팀의 그래핀 메타물질은 투과되는 빛의 세기와 위상을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 이력현상을 이용해 빛의 투과도를 기억하여 그래핀 광메모리 소자로 응용 될 수 있음을 실험적으로 증명하였다.
민 교수팀은 지난해 자연계에 존재하지 않는 굴절률 높은 메타물질을 제작하여 ‘네이처’에 발표하였는데, 이번 연구는 연구팀이 만든 메타물질의 특성을 그래핀과 접목하여 광학적 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 검증하였다는 점에서 의미가 크다.
민범기 교수는 “이번 연구는 10억분의 1미터인 나노미터보다 얇은 두께에서 빛을 효과적으로 조절할 수 있어 손톱보다 작은 초소형 광변조기나 광메모리 소자를 개발할 수 있는 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.
그림 1. 그래핀 메타물질의 제작도
그림 2. 그래핀 메타물질의 개념도(왼쪽)와 제작된 소자의 현미경 사진(오른쪽)
2012.10.17 조회수 15529