한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 신종화(사진) 교수 연구팀이 빛의 세 가지 주요 특성인 세기, 위상, 편광을 동시에 모두 조절할 수 있는 유니버설 메타표면(universal metasurface)을 개발했다고 2일 밝혔다.

메타표면은 안경 두께의 1/1000인 수 마이크로미터 수준의 얇은 두께만으로도 렌즈의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 편광판, 컬러필터 등 기존 다른 광학 부품들의 기능도 동시에 수행할 가능성을 갖고 있다. 여러 종류의 광학필름이 필수적으로 들어가는 OLED 등 현재 상용 디스플레이의 두께를 줄이고 공정을 단순화시키거나 동영상 홀로그램, 증강현실(AR) 글래스, 라이다(LiDAR) 등의 새로운 응용의 광학 부품들에도 널리 적용될 수 있는 다재다능한 기술로 관심을 받고 있다.

하지만 현재까지 보고된 메타표면들은 여전히 특정 색의 빛이 가지는 세기, 위상, 편광 등 세가지 특성 중 일부분만을 동시에 조절할 수 있어, 하나의 소자로 세 특성을 완전히 조절하는 문제는 해결되지 못했다.

유니버설 메타표면을 통해 구현한 벡터 홀로그램. [KAIST 제공]

연구팀은 행렬과 관련된 수학적 원리에 착안, 밀접한 두 층으로 이뤄진 메타표면이 빛의 세 가지 주요한 특성을 완벽히 조절할 수 있음을 이론적으로 밝히고, 이를 실험적으로 규명했다. 특히 기존 단일 소자로 불가능했던 벡터 홀로그램을 제안하고 최초로 구현하는데 성공했다.

유니버설 메타표면과 일반 렌즈의 조합만으로 편광 선택적인 선형 광학계 구현이 가능함을 이론적으로 입증했다. 이를 통해 렌즈, 홀로그램, 빔 조향 장치 등의 성능 개선 뿐만 아니라 다양한 분야에서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

신종화 교수는 “이번 연구를 통해 광학 분야의 오랜 난제였던 빛의 세기, 위상, 편광의 완전한 조절을 해결했다”며 “향후 기존 한계를 극복한 응용 광소자를 적극적으로 개발할 계획”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 11월 3일자로 출판됐다. 구본혁 기자