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기존 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 메타표면 설계 방법 제시
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 미국 위스콘신 대학 빅터 브라 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 기존 한계를 뛰어넘는 360°동적 위상변조가 가능한 메타표면 설계 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
메타표면은 자연상에 존재하지 않는 물성을 띄도록 새롭게 만든 매우 얇은 2차원 평면구조를 뜻한다. 라이다(LIDAR), 분광기, 투명 망토, 홀로그램 등 미래 기술을 구현할 수 있는 파면 제어 기술의 강력한 후보임과 동시에 나노미터 수준의 소자 크기로 인해 기존의 전자회로 칩에 집적할 수 있어 주목받고 있는 기술이다.
메타표면을 이용해 파면 제어 기술을 구현하기 위해서는 빛의 진폭과 위상을 제어할 수 있는 능력이 필수적이다. 그러나 동적으로 빛의 위상을 360°제어하는 기술은 구현 난이도가 매우 높아, 기존 연구에서는 위상을 제어하는 데 성공하더라도 얻을 수 있는 빛의 진폭이 매우 낮다는 한계가 있었다.
전기및전자공학부 장민석 교수와 빅터 브라 미국 위스콘신 대학 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복할 수 있는 360°동적 위상변조가 가능하면서도 크고 일정한 빛의 진폭을 얻을 수 있는 메타표면 설계 기술을 개발했다.
동적 360°위상 제어 문제가 매우 어려운 이유는 메타표면의 동작원리와 관련이 있다. 메타표면은 보통 입사하는 빛이 메타표면 구조와 상호작용하여 일으키는 진동에 기반해 동작하는데, 동적 360°위상 제어를 하기 위해서는 광학 진동 주파수는 크게 변해야 하는 반면 진동 폭은 최소화된 채로 유지돼야 한다. 그러나 전기적으로 메타표면의 광학 진동 주파수를 조정하기 위해서는 메타표면에 들어오고 나가는 전자의 흐름을 원하는 대로 조절할 수 있어야 하는데, 이것은 필연적으로 진동 폭을 크게 만들어 두 가지 조건을 동시에 만족하기 어렵게 한다.
또한, 광학에서의 위상과 진폭은 비선형적으로 복잡하게 얽혀 있어 일반적으로 위상을 조절할 때 진폭을 일정하게 유지하는 것이 매우 어렵다.
연구팀은 특수한 성질을 가진 두 가지 광학 공진을 이용해 이러한 문제를 해결했다. 하나는 위상과 진폭 특성이 분리되어 있어 위상이 변할 때 큰 진폭을 유지할 수 있는 광학 공진이고, 다른 하나는 위상 변조 범위가 커 360°제어를 가능케 하는 광학 공진이다. 연구팀은 이 두 가지 광학 공진을 결합함으로써, 동적 360°제어가 가능하면서도 일정한 진폭을 유지할 수 있는 메타표면을 구현했다.
연구팀이 개발한 기술은 소자의 구조와 공진의 특성을 조절함에 따라 어떤 주파수 영역에도 적용 가능한 장점이 있다. 연구팀은 개발한 기술을 사용해 중적외선 대역에서 동작하는 그래핀 나노 리본 기반 메타표면 소자를 설계했으며, 65%의 일정한 반사계수를 유지하면서도 540°의 위상변조가 가능함을 전자기 시뮬레이션을 통해 확인했다.
장민석 교수는 "이번 연구를 통해 기존의 동적 위상변조 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 메타표면 설계 방법을 제시했다ˮ라며 "파면 제어 기술을 활용한 라이다와 홀로그램 등 차세대 광학 소자 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다ˮ라고 말했다.
우리 대학 김주영, 박주호 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)'에 4월 19일 字로 출판됐다. (논문명 : Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances).
2022.05.02 조회수 5956 -
스마트과학관 전시연구단 성과 발표
우리 대학은 스마트과학관 전시연구단(단장 전산학부 한동수) 사업의 일환으로 동영상이 연계된 AR 사진 제작 기법·과학 청진기·로봇 안내 시스템 등의 기술을 11월 7일과 8일 대전 국립중앙과학관(관장 정병선)에서 전시했다.
KAIST 지능형서비스 연구실(전산학부 한동수 교수), 원더랩(산업디자인학과 이우훈 교수), HCI 연구실(전산학부 이기혁 교수), 컴퓨터 그래픽스 및 가시화 연구실(전산학부 박진아 교수) 등이 참여하는 이번 행사에는 전시콘텐츠·전시운영기술·전시기반기술 분야에서 15개의 연구팀이 성과물을 선보였다.
`VR/AR/홀로그램 과학문화 콘텐츠', `O2O 기반 실감형 버츄얼 과학관', `동영상이 연계된 AR 사진 제작 기법', `과학문화전시 큐레이션 기술과 오감자극 전시 디자인 기술' 등이 출품되어 8일에 각 연구팀의 발표가 진행됐다.
한국연구재단에서 지원하는 과학문화전시서비스 역량강화지원사업은 전국 과학관·박물관·미술관 등에 실내 위치 인식 기술·증강현실(AR)·가상현실(VR)·사물인터넷(IoT)·인공지능(AI) 등의 최신 IT 기술을 접목한 서비스를 도입해 관람객을 위한 새로운 전시 체계를 개발하는 연구를 수행하고 있다.
참여 연구팀은 각 지역의 과학관과의 협업을 바탕으로 일상생활이 곧 실험실이 되는 `리빙랩(Living Lab, 생활실험실)을 운영하며 연구와 개발을 진행 중이다.
한동수 스마트과학관 전시연구단장은 "국제과학심포지움과 함께 진행되는이번 전시는 체험하는 과학·실감하는 과학·상상을 현실로 만드는 과학을 목표로 진행하고 있다ˮ고 강조했다.
이어, 한 단장은 "실내 위치인식·로봇·인간/컴퓨터 상호작용(Human-computer interaction)·AR/VR과 같은 최신 IT 기술을 접목시킨 연구팀의 땀과 노력이 관람객들의 공감을 얻을 수 있기를 기대한다.”고 밝혔다.
2019.11.08 조회수 10978