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민범기 교수, 광학적 시공간 경계 통한 빛 제어 기술 개발
〈 민범기 교수, 손재현 박사과정, 이강희 박사 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수 연구팀이 광학적인 시공간 경계(spatiotemporal boundary)를 이용해 빛의 색과 위상을 동시에 제어하는 기술을 개발했다.
기계공학과 전원주 교수, 물리학과 이상민 교수와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 특수 미세 금속 구조를 반도체 표면 위에 제작해 기존 연구결과에 비해 훨씬 높은 자유도를 갖는 시공간 경계를 구현했다. 이 시공간 경계는 빛의 주파수를 변환할 수 있는 초박막형 광학 소자에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이강희 박사, 손재현 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 광학분야 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 10월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
광 주파수 변환 소자는 광학적 비선형성으로 인해 빛의 색이 변화하는 현상을 주로 이용해 빛을 사용한 정밀 측정과 통신 기술에서 핵심 역할을 하고 있다.
일반적인 광학 현상에서는 빛의 중첩(superposition) 원리가 성립하기 때문에 여러 빛이 동시에 물질을 통과해도 서로에게 영향을 주지 않는다. 하지만 빛의 세기가 매우 강하면 빛의 전기장이 물질을 이루는 원자핵, 전자 상호작용에 영향을 줘 빛의 주파수를 배로 늘리거나 두 빛의 주파수를 합하거나 뺀 빛을 형성하는 등의 비선형 광학 현상을 관찰할 수 있다.
이럴 경우 대부분 비선형 형상 구현에 필요한 강한 빛을 얻기 위해 고출력 레이저를 사용하거나 아주 좁은 공간에 빛을 집속시키는 방법을 사용한다.
또한 빛이 통과하고 있는 물질을 빛 스스로가 아닌 다른 외부 자극을 이용해 변화시킬 때에도 주파수 변환 현상을 볼 수 있다. 이렇게 시간에 따라 동적으로 변화하는 물질, 시간 경계 등을 이용하면 약한 빛에서도 주파수 변환을 일으킬 수 있다. 이는 통신 분야에서 유용하게 활용 가능하다.
그러나 외부 자극을 이용한 물성의 변화는 개념적으로만 연구돼 왔고, 다양한 이론적 예측 결과들을 실제로 구현하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 원자 구조를 모사한 금속 미세구조를 배열해 인공적인 광학물질(메타물질)을 개발했고 이 인공 물질을 매우 빠르게 변화시켜 시공간 경계를 만들어내는 데 성공했다.
기존 연구들이 약간의 굴절률에만 변화를 주는 것에 그쳤다면 이번 연구는 물질의 분광학적 특성을 자유롭게 설계 및 변화시킬 수 있는 플랫폼을 제공했다. 이를 이용해 빛의 색을 큰 폭으로 변화시키면서 주파수 변화량 역시 제어할 수 있는 소자를 개발했다.
연구팀은 주로 개념적으로만 진행되던 시공간 경계에서의 주파수 변환에 관한 연구를 광학물질을 이용해 실현 및 응용할 수 있는 단계로 발전시켰다는데 의의가 있다고 밝혔다.
민 교수는 “주파수 스펙트럼의 변화를 자유롭게 설계하고 예측할 수 있어 폭넓은 활용이 가능하다”며 “광학 분야에서 동적인 매질에 연구에 새 방향을 제시하게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 미래유망융합기술파이오니어사업 및 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 협대역의 테라헤르츠파를 입사시켰을 때 시간적 경계의 변화에 따른 주파수 변환 실험 결과
그림2. 기술 개념도
2018.11.05 조회수 12151 -
민범기 교수, 찌그러진 형태의 광학 공진기 내부에 속삭임의 회랑 모드 구현
〈 민 범 기 교수 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수와 경북대 최무한 교수 공동 연구팀이 변환광학을 이용해 찌그러진 형태의 광학 공진기 내부에 ‘속삭임의 회랑 모드’를 구현했다.
기계공학과 김유신 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 9월 27일자 온라인 판에 게재됐다.
속삭임의 회랑 모드는 광 공진기에서 알려진 모드 중 가장 높은 품위 값을 갖는 것으로 알려진 모드로서 구형 대칭성이 있는 공진기에서 경계면을 따라 전반사에 의해서 빛이 오랫동안 갇히면서 발생하는 현상이다.
속삭임의 회랑 모드는 품위값이 매우 높아 초소형 레이저, 초고감도 바이오센서 등과 같은 광전 소자 개발에 유용하게 사용된다.
그러나 공진기 밖으로 빠져 나오는 빛의 방향이 모든 방향으로 균일해 소자의 성능이 저하되는 한계가 있었다.
기존 연구에서는 구형의 공진기 모양을 다른 모양으로 변형시켜 빛을 한쪽 방향으로 빠져 나오게 하는 방법들이 제시되어 왔으나, 이 방법에서는 속삭임의 회랑 모드가 훼손돼 광학 모드의 높은 품위값이 필연적으로 저하되는 문제가 발생한다.
문제 해결을 위해 연구팀은 투명망토 연구 분야의 기초이론인 변환광학을 사용해 세계 최초로 속삭임의 회랑 모드를 훼손하지 않으면서 매우 높은 품위값을 유지하는 새로운 개념의 공진기 설계 원리를 제시한 것이다.
변환광학이 적용된 공진기에 형성되는 속삭임의 회랑 모드는 기존의 속삭임의 회랑 모드에서는 얻을 수 없었던 방출되는 빛의 방향성도 갖게 된다. 이는 초소형 단방향 레이저 설계에 있어서 핵심적인 원천기술이 된다.
이번 연구는 기존의 초소형 단방향 레이저 공진기 연구 분야에 변환광학을 도입해 새로운 연구방향을 제시해 주는 것이다. 최근 활발히 연구되는 메타물질 분야와 초소형 광-공진기 연구 분야를 융합하는 최초의 시도이다.
이번 연구에서는 빛의 진행 경로 조절에 국한되어 있던 변환광학을 공진기 내부에 발생하는 광학모드의 설계에도 적용할 수 있음을 보였다.
이는 최근 활발히 연구되고 있는 고집적 광전자(photonic) 회로의 광원, 플라즈모닉스 광도파로의 광원뿐만 아니라 미래의 광-정보처리 소자 설계의 원천기술이 된다. 특히 이러한 변환광학 공진기의 맞춤형(tailored) 모드들은 고효율 초소형 레이저 개발 및 차세대 광-바이오센서 개발에 직접적으로 사용될 수 있다.
이번 연구는 전자기파, 음파, 탄성파 등의 다양한 물리적 파동에서 발생하는 공진 모드를 목적에 맞게 설계할 수 있는 일반적인 방법론을 제시했다. 광학, 재료공학, 나노과학 등의 응용분야뿐만 아니라 기초 물리학 분야에서도 의미있는 영향을 미칠 것으로 기대된다.
연구팀은 “이번 연구는 차세대 광-정보처리 소자 설계의 원천기술로서 고효율 초소형 레이저 및 차세대 광-바이오센서 개발에 직접적으로 사용될 수 있다”며 “더 나아가 음파, 탄성파 등의 다양한 물리적 파동에서 발생하는 공진 모드를 설계하는 방법론으로 확장되면 재료공학, 나노과학, 기초 과학 분야에도 영향을 줄 수 있을 것이다.”고 말했다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 파동에너지 극한제어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 변환광학으로 구현한 속삭임의 회랑 모드 개념도
그림2. 균일한 굴절률을 갖는 원형 공진기 vs. 리마송 모양의 변환된 공진기
2016.09.27 조회수 11887 -
기억 및 논리 연산 가능한 메타물질 개발
〈 민 범 기 교수 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수 연구팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했다.
이번 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 27일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)
메타물질은 자연에서 발견되지 않은 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질이다. 이는 빛의 파장보다 훨씬 짧은 구조물로 구성됐으며 고해상도 렌즈 및 투명망토 등에 응용 가능해 활발한 연구가 이뤄지고 있다.
메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지시키기 위해선 외부의 지속적 자극이 공급돼야 하는데 이는 많은 전력 소모의 원인이 된다. 이 단점을 극복하기 위해 외부 자극 제거 후에도 변조된 특성이 유지 가능한 메모리 메타물질이라는 개념이 대두됐다.
메모리 메타물질은 변화된 광학적 특성을 기억한다는 장점을 갖는다. 하지만 기존에 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였다.
연구팀은 문제 해결을 위해 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시켰다. 연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소, 수소가 결합한 분자로 외부 전압의 극성에 따라 회전할 수 있다.
이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고, 그래핀과 접촉돼 메모리 성능을 개선하고 초박형으로 제작 가능하다. 또한 다중 상태의 기억이 가능하고 빛의 편광 상태도 기억할 수 있음을 증명했다.
연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질 또한 개발했다. 이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결했다.
그래핀을 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작해 두 전기적 입력의 논리 연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만들었다. 이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타 물질의 특성을 다양하게 변화시키고 조절할 수 있는 방법론을 제시했다.
민 교수는 “메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자에 응용 가능할 것으로 전망한다”고 말했다.
기계공학과 김우영, 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 국가그린나노기술개발사업, 미래유망융합기술 파이오니어사업, 세계적수준의 연구센터(WCI) 사업, 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 메모리 메타물질의 구조도
그림2. 강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도
그림3. 투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성 (본 논문의 대표도)
2016.02.24 조회수 13424 -
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 14616 -
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 15523 -
민범기 교수, 높은 굴절률의 메타물질 구현
- 세계 최고 권위 『네이처』지 발표, “전자기파나 광파의 경로를 마음대로 제어하는 초소형 광학소자 개발 가능”-
국내 연구진이 자연계에 존재하지 않는 높은 굴절률*을 갖는 메타물질을 이론적으로 검증하고 이를 실험적으로 구현하는데 성공하였다.
* 굴절률(index of refraction) : 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도 또는 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 빛의 속도(광속) 이 줄어드는 비율
우리학교 민범기 교수(교신저자, 37세), 최무한 박사(제1저자, 39세) 및 이승훈 박사과정생(제1저자, 29세)의 주도 하에, 한국전자통신연구원(ETRI) 강광용 박사팀, KAIST 이용희 교수팀, 서울대 박남규 교수팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)의 지원을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘네이처(Nature)’지 2월 17일자에 게재되었는데, 특히 순수 국내연구진만으로 구성된 연구팀이 단독으로 발표한 이례적인 값진 연구성과로서 그 의미가 매우 크다. 또한 이 논문은 그 주에 발표된 논문 중에서 우수한 연구결과를 해당분야 전문가가 해설하는 ‘뉴스 앤드 뷰즈(News and Views)’에 선정되는 영예를 얻었다.
메타물질이란 기존에 물질의 정의를 완전히 뛰어넘는 혁신적인 개념으로서, 자연계에는 존재하지 않는 물성을 갖도록 고안된 물질의 통칭이다.
원자나 분자로 이루어진 자연계의 물질과는 달리, 메타물질의 단위 인공원자는 파장보다 훨씬 작은 인위적인 구조체로 이루어진다.
이러한 메타물질은 전자기파나 광파에 대한 물질의 물성을 인위적으로 마음대로 조절할 수 있다는 점에서 최근 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있다. 일례로 광학투명망토 기술이나 음굴절률의 구현 등이 메타물질의 주된 연구 분야였으나, 이번 연구를 통하여 극한 고굴절률 메타물질이라는 새로운 영역을 개척하였다.
민범기 교수 연구팀은 분극율(分極率)이 매우 크면서도 반자성(反磁性)이 매우 약한 금속이면서 유전체(誘電體)인 메타물질을 독자적으로 설계․제작하여, 인위적인 값으로는 가장 높은 38.6에 달하는 굴절률을 세계 최초로 실증하였다.
이러한 연구결과는 음굴절률 메타물질의 영역을 넘어서 자연계에 존재하지 않는 매우 높은 굴절률(38.6)을 메타물질의 새로운 영역으로 포함시켰다는 점에서 의미가 크다.
민범기 교수는 “이번 연구는 향후 파장이하의 높은 해상도를 지닌 이미징 시스템이나, 전자기파 혹은 광파의 경로를 임의로 제어할 수 있는 전자기파나 광학소자 및 파장이하 규모의 초소형 광학소자를 개발하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
2011.02.16 조회수 21602