야누스 메타표면을 개발한 KAIST 연구진. 정준교(왼쪽부터) 박사, 김현희 박사과정생, 신종화 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 메타표면 기술은 기존 기술에 비해 얇고 가벼우며, 나노미터 크기의 인공 구조물을 통해 빛을 정밀하게 제어할 수 있는 광학기술이다. 국내 연구진이 기존 메타표면 기술의 한계를 극복하고 빛의 비대칭 전송을 완벽하게 제어할 수 있는 야누스 메타표면 설계에 성공했다.

KAIST는 신소재공학과 신종화 교수 연구팀이 빛의 비대칭 전송을 완벽하게 제어할 수 있는 ‘야누스 메타표면(Janus Metasurface)’을 개발했다고 15일 밝혔다.

방향에 따라 달리 반응하는 비대칭 성질은 과학과 공학의 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 연구팀이 개발한 야누스 메타표면은 양방향에서 서로 다른 기능을 수행할 수 있는 광학 시스템을 구현한다.

로마 신화의 두 얼굴을 가진 야누스처럼, 이 메타표면은 빛이 입사되는 방향에 따라 투과광이 전혀 다른 광학적 반응을 보이며, 하나의 장치로 두 개의 독립적인 광학 시스템(예: 한쪽 방향에서는 확대 렌즈, 다른 방향에서는 편광 카메라로 작동하는 하나의 메타표면)을 운영하는 것과 같은 효과를 발휘한다.

이는 기존 메타표면 기술에서 해결되지 못한 난제였다. 기존 메타표면 기술은 빛의 세 가지 특성인 세기, 위상, 편광을 입사 방향에 따라 선택적으로 조절하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 수학적, 물리적 원리를 바탕으로 이러한 문제를 해결할 방법을 제시했고, 특히 양방향에서 서로 다른 벡터 홀로그램을 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

또한 이번 메타표면 기술을 기반으로 새로운 광학 암호화 기술을 개발했다. 야누스 메타표면을 통해 입사 방향과 편광 상태에 따라 서로 다른 이미지를 생성하는 벡터 홀로그램을 구현해, 특정 조건에서만 정보가 해독되는 보안성을 획기적으로 강화한 광학 암호화 시스템을 선보였다.

야누스 메타표면을 통해 구현한 벡터 홀로그램. 빛의 전면 입사 시에는 나비와 메뚜기 벡터 이미지가 생성되고 빛의 후면 입사 시에는 무당벌레와 딱정벌레 벡터 이미지가 생성된다.[KAIST 제공]

특히 메타표면의 초박형 구조는 기존 광학 소자의 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있어, 차세대 디바이스의 소형화 및 경량화에 크게 기여할 것으로 보인다.

신종화 교수는 “이번 연구를 통해 다양한 응용 광학 소자의 개발 가능성이 열렸다”며 “메타표면 기술의 잠재력을 최대한 활용해 기존 한계를 뛰어넘는 고도화된 광학 암호화 외에도 증강현실(AR), 홀로그램 디스플레이, 자율주행 차의 LiDAR(라이다) 시스템 등 다양한 분야에 응용되도록 광학 소자들을 지속적으로 개발할 계획이라고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 공개됐다.