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왼쪽부터 고려대 공수현 교수(공동 교신저자), 한양대 윤재웅 교수(공동 교신저자), 고려대 최대광 박사(공동 1저자), 한양대 이기영 박사(공동 1저자). |
[대학저널 이선용 기자] 고려대학교 물리학과 공수현 교수 연구팀이 한양대학교 윤재웅 교수 연구팀과 함께, 빛이 특정 방향으로만 방출되도록 유도하는 새로운 광메타표면을 개발했다.
메타표면은 나노 구조로 빛의 방향과 특성을 정밀하게 제어할 수 있도록 설계된 인공 표면을 말한다.
이번 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지 ‘Nature Nanotechnology(IF=38.1)’ 온라인에 6월 4일 게재됐다.
일반적으로 빛은 모든 방향으로 퍼지지만, 연구팀은 구조의 대칭성을 정밀하게 조절해 빛의 전파 방향에 따라 단일 방향으로만 방출되도록 하는데 성공했다. 이 현상은 넓은 파장 범위에 걸쳐 안정적으로 발생한다는 점에서 주목받고 있다.
연구팀은 층간 결합력이 약한 이황화텅스텐(WS₂)을 활용해, 미세 격자가 형성된 박막 두 장을 건식 전사 방식(dry-transfer)으로 정밀하게 겹쳐 이중층 메타표면을 구현했다. 이렇게 완성된 구조에서는 빛의 진행 방향에 따라 방출 방향이 달라지며, 일종의 광학 게이트 역할을 한다.
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빛의 진행 방향에 따라 한 방향으로 빠져나가는 이중층 메타표면. |
기존 기술이 단일 주파수나 특정 각도에서만 효과를 보인 것과 달리, 이번 연구는 연속적인 파장 대역 전반에 걸쳐 단방향 방출이 일어나는 새로운 작동 방식을 입증했다. 공동 연구팀은 이 현상을 ‘단방향 도파 공명 연속체(unidirectional guided resonance continuum)’로 명명했다.
이는 디락 밴드(Dirac band)와 방출 모드 간 비정상적인 직교성에 기반한 현상으로, 두 파동이 서로 간섭하지 않아 방향성을 안정적으로 유지할 수 있게 한다.
이번 연구는 100 나노미터(nm) 이하의 얇은 구조만으로 빛의 단방향 유도에 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다. 특히, 구조를 단순하게 유지하면서도 넓은 파장 영역에서 방향성을 효율적으로 구현해 기존과는 차별화된 광 제어 기술로 평가된다.
공동 연구팀은 “이번 연구는 3차원 디스플레이 픽셀, 초소형 지향성 레이저 및 양자광원, 초박형 메타표면 광부품 등 다양한 광소자 개발에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 해당 연구는 한국연구재단이 추진하는 리더연구자사업과 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
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